Xây dựng mô hình tính toán sự biến đổi áp suất trong dẫn động phanh khí nén hai dòng trên xe ô tô tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI

CễNG QUANG VINH

Xây dựng mô hình tính toán sự biến đổi áp suet
trong dẫn động phanh khí nén hai dòng trên xe ô tô tải
Chuyờn ngnh: k thut C khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Cơ khí động lực

Người hướng dẫn: PGS.TS.Phạm Hữu Nam

Hà Nội - 2014


MụC LụC
Các ký hiệu dùng chung trong luận văn ...................................................................... 3
DANH MụC HìNH Vẽ, Đồ THị và bảng biểu ............................................................................ 4
Lời mở đầu ............................................................................................................................................... 6
CHƯƠNG I.

Đặc điểm PHANH KHí NéN TRÊN Ô TÔ ............................................................ 8

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống phanh.................................................................................................. 8
1.2 Đặc điểm của hệ thống phanh khí nén .................................................................................... 8
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu và các mục tiêu của luận văn.......................................................... 13
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHáP MÔ phỏng TậP TRUNG TRONG TíNH TOáN Dẫn động
khí nén ............................................................................................................................................... 15
2.1. Đặc điểm phương pháp xây dựng mô hình tính toán hệ thống khí nén............................. 15

2.2. Phương trình toán học mô tả dòng khí qua các phần tử của dẫn động khí nén ............... 17
2.2.1. Phương trình lưu lượng nguồn cung cấp khí nén ..................................................... 17
2.2.2. Lưu lượng và biến đổi ¸p suÊt khÝ nÐn qua ®­êng èng ............................................ 18
2.2.3. L­u lượng và biến đổi áp suất không khí nạp vào một dung tích ........................... 19
2.2.4. Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén qua các van ................................................. 23
CHƯƠNG 3. Xây dựng Mô hình tính toán dẫn động PHANH KHí NéN HAI DòNG
xe ô tô CửU lONG............................................................................................................................ 28
3.1. Sơ đồ dẫn động phanh khí nén hai dòng xe ô tô Cửu Long ................................................ 28
3.2. Các chế độ làm việc đặc trưng trong dẫn động phanh khí nén .......................................... 29
3.3. Sơ đồ khối mô tả dẫn động của hệ thống phanh khí ........................................................... 31
3.4. Xây dựng phương trình toán học theo phương pháp điểm nút mô tả chế độ.................... 33
3.4.1. Quá trình nạp khí ........................................................................................................ 33
3.4.2. Qúa trình đạp phanh .................................................................................................. 37
3.4.3. Quá trình nhả phanh .................................................................................................. 45
3.5. Mô phỏng quá trình nạp khí xe Cửu Long .......................................................................... 46
3. 5.1. Mô phỏng hoạt động của máy nén khí ..................................................................... 46
3.5.2. Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất khí nén qua đường ống....................... 47
3.5.3. Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất khí nén nạp vào bình khí ................... 48
3.5.4. Mô phỏng lưu lượng và biến đổi ¸p suÊt khÝ nÐn qua van ....................................... 49

1


3.6. Mô phỏng quá trình làm việc hệ thống phanh khí nén xe Cửu Long ................................ 51
3.6.1. Mô phỏng quá trình nạp khí ...................................................................................... 51
3.6.2. Mô phỏng quá trình đạp phanh ................................................................................. 53
3.6.3. Mô phỏng quá trình nhả phanh ................................................................................. 55
Chương 4. Khảo sát dẫn động Hệ thống Phanh khí nén xe ô tô cửu long
................................................................................................................................................................. 57
4.1. Các thông số tính toán ........................................................................................................... 57

4.2. Phân tích kết quả các quá trình làm việc của dẫn động phanh xe Cửu Long .................. 60
4.2.1. Phân tích kết quả qúa trình nạp khí.......................................................................... 60
4.2.2. Phân tích kết quả quá trình đạp phanh .................................................................... 63
4.2.3. Phân tích kết quả quá trình nhả phanh .................................................................... 65
CHƯƠNG 5. KếT LUậN ..................................................................................................................... 68
Tài liệu tham khảo ................................................................................................................................ 70
Phô lôc.................................................................................................................................................... 71

2


Các ký hiệu dùng chung trong luận văn
ý nghĩa

Ký hiệu

Đơn vị đo

A

Hệ số thực nghiệm, A = 0,654

B

Hệ số thực nghiệm, B = 1,13

fi

Tiết diện được khảo sát của phần tử thứ i

k

Chỉ số đoạn nhiệt, đối với không khí k = 1,4

li

Chiều dài của đoạn ống thứ i

m

.

m

Lưu lượng khí qua điểm nút

m3/s

pi

áp suất dòng khí tại tiết diện thứ i

N/m2

R

Hằng số khí lý tưởng, đối với không khí R=287,14

T

Nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí T = 273 oK

o

V
vgh

Thể tích

m3

Vận tốc giới hạn của dòng khí vgh 370

m/s

ài

Hệ số lưu lượng tại vị trí thứ i

i

Hệ số cản tại vị trí thứ i



Hệ số ma sát = 0,028

C1

Độ cứng lò xo bầu phanh trước

N/m

C2

Độ cứng lò xo bÇu phanh sau

N/m

3

m2

m2/(s2Ko)
K


DANH MụC HìNH Vẽ, Đồ THị và bảng biểu
Hình 2.1. Lưu lượng đi qua điểm nút. ............................................................................ 16
Hình 2.2. Điểm nút khảo sát một mạch nối ghép ........................................................... 16
Hình 2.3. Đường đặc tính lưu lượng của máy nén khí xe ZIL130 ................................. 17
Hình 2.5. Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào bình khí nén ................................................... 20
Hình 2.6. Lưu lượng và áp suất vào dung tích thay đổi .................................................. 21
Hình 2.7. lưu lượng dòng khí qua điểm nút và có một dung tích thay đổi ..................... 21
Hình 2.8. Sơ đồ các loại van ........................................................................................... 24
Hình 2.9. Sơ đồ mô phỏng dòng khí qua van ................................................................. 26
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống phanh khí nén xe tải ............................................................... 28
Hình 3.2. Sơ đồ mạch nạp khí hệ thống dẫn động phanh ............................................... 31
Hình 3.3. Phân chia các điểm nút tính toán mạch nạp khí ............................................. 31
Hình 3.4. Điểm nút tính toán dẫn động mạch đạp phanh cầu trước ............................... 38

Hình 3.5. Điểm nút tính toán mạch đạp phanh dẫn động cầu sau .................................. 41
Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng hoạt động của máy nén khí ................................................. 47
Hình 3.7. Modul máy nén khí ........................................................................................ 47
Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất .......................................... 48
của khí nén qua đường ống............................................................................................. 48
Hình 3.9. Modul mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi..................................................... 48
áp suất của khí nén qua đường ống ................................................................................ 48
Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén vào bình khí nén .... 49
Hình 3.11. Modul mô phỏng lưu lượng và biến đổi ....................................................... 49
áp suất của khí nén vào bình khí nén ............................................................................. 49
Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí nén qua van ....... 50
Hình 3.13. Modul mô phỏng lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén qua van ................ 50
Hình 3.14. Mô phỏng lưu lượng và biến đổi áp suất qua van điều chỉnh áp suất ........... 51
Hình 3.15. Mô đun mô phỏng lưu lượng đi qua van điều chỉnh ¸p suÊt ........................ 51

4


Hình 3.16. Sơ đồ mô phỏng quá trình nạp khí của hệ thống .......................................... 53
Hình 3.17. Sơ đồ mô phỏng quá trình nạp khí vào bầu phanh trước trong quá trình đạp
phanh .............................................................................................................................. 54
Hình 3.18. Sơ đồ mô phỏng quá trình nạp khí vào bầu phanh sau trong quá trình đạp
phanh .............................................................................................................................. 55
Hình 3.19. Sơ đồ mô phỏng quá trình xả khí từ bầu phanh trước................................... 55
Hình 3.20. Sơ đồ mô phỏng quá trình xả khí từ bầu phanh sau ..................................... 56
Hình 4.1. Thời gian đầu nạp vào các bình khí ................................................................ 60
Hình 4.2. Biến đổi áp suất thời gian sau 5s nạp vào các bình khí .................................. 61
Hình 4.3. Đồ thị nạp khí vào bầu phanh khi đạp phanh lần 1 ........................................ 63
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng quá trình xả khí từ bầu phanh trước. ................................... 65
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng quá trình xả khí từ bầu phanh sau. ...................................... 66

BảNG
Bảng 2.1. Thông số hình học của một số van thông dụng .............................................. 23
Bảng 4.1. Thông số tính toán xe ô tô Cửu Long 8 tấn .................................................... 57
Bảng 4.2. Thời gian nạp khí tại các vị trí đạt áp suất 74%Pmax .................................... 62
Bảng 4.3. Thời gian nạp khí tại các vị trí đạt áp suất 4,55.105N/m2 ............................. 62
Bảng 4.4. Số lần đạp phanh và sự giảm áp suÊt trong b×nh khÝ ...................................... 64

5


Lời mở đầu
Trong tiến trình xây dựng đất nước theo xu thế công nghiệp hóa, nhu cầu vận tải
hàng hóa, con người, ngày càng gia tăng, trong đó số lượng về chủng loại ô tô ngày
càng nhiều, tốc độ trung bình chuyển động ngày càng tăng. Từ những năm của thập kỷ
80 nước ta đà tiến hành nhập khẩu các dòng xe có kết cấu tiên tiến, từ những năm 1990
đến nay đà tiến hành nghiên cứu lắp ráp, chế tạo phục vụ nhu cầu trong nước. Các hoạt
động phục vụ nhu cầu vận tải đà mở ra tiến trình hội nhập khoa học, kỹ thuật tiên tiến
và cũng nằm trong tiến trình công nghiệp hóa đất nước.
Trên thế giới và ở nước ta hiện nay, kết cấu trên xe ôtô đà và đang hoàn thiện
không ngừng trước những sức ép, cạnh tranh của toàn cầu về: an toàn, chất lượng, giá
cả, mức tiêu thụ nhiên liệu, môi trường... Sự hoàn thiện kết cấu của hệ thống phanh ôtô
đóng một vai trò quan trọng, trong đó có hệ thống dẫn ®éng phanh khÝ nÐn.
HiƯn nay, c¸c xe thÕ hƯ míi đà sử dụng hệ thống phanh với những tính năng, chỉ
tiêu kỹ thuật cao nhằm đáp ứng các qui định ngày càng khắt khe đảm bảo an toàn cho
người, hàng hoá vận chuyển và phương tiện giao thông. Trên các xe ô tô hiện đại
thường dùng hệ thống phanh khí dẫn động nhiều dòng độc lập được sử dụng thay thế
cho hệ thống phanh một dòng nhằm tăng mức độ an toàn hiệu quả cho xe. Các hệ thống
phanh có trang bị bộ chống hÃm cứng bánh xe khi phanh được sử dụng rộng rÃi không
chỉ đối với xe du lịch mà còn trên các xe tải, xe chở khách.

Cho đến nay, ở nước ta các công trình nghiên cứu tính toán hệ thống phanh dẫn
động khí nén đang ở giai đoạn phát triển không ngừng và đà có các nghiên cứu về quá
trình động học của dẫn động phanh cũng như khảo sát, phân tích các nhân tố ảnh hưởng
đến quá trình làm việc của dẫn động phanh khí nén tuy nhiên hiệu quả của các công
trình nghiên cứu đó vẫn còn nhiều mặt hạn chế.
Xuất phát từ thực tế trên, đề tài:
Xây dựng mô hình tính toán sự biến đổi áp suất trong dẫn động phanh khí nén
hai dòng trên xe ô tô tải sẽ góp phần đáng kể trong quá trình nghiên cứu, cải thiện dẫn
động điều khiển hệ thống phanh khí nén, đặc biệt đối với thế hệ xe cũ. Mục đích xây

6


dựng mô hình tính toán sự biến đổi áp suất trong dẫn động phanh khí nén ở trong các
chế độ làm việc của hệ làm căn cứ cho việc xác định, lựa chọn các phần tử trong hệ
thống phanh đảm bảo cho quá trình lưu thông và vận hành xe an toàn.
Nội dung đề tài bao gồm:
- Đặc điểm hệ thống phanh khí nén.
- Phương pháp mô phỏng tập trung trong tính toán dẫn động hệ thống phanh.
- Xây dụng mô hình tính toán sự biến đổi áp suất trong hệ thống phanh khí nén hai
dòng xe ô tô tải.
- Khảo sát quá trình biến đổi áp suất trong hệ thống phanh xe Cửu Long
- Đánh giá nhận xét các giai đoạn làm việc của dẫn động phanh xe Cửu Long
Trong quá quá trình thực hiện tôi gặp không ít những khó khăn vướng mắc,
nhưng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân, cùng sự giúp đỡ tận tình của Thầy hướng
dẫn, những ý kiến chân tình từ các bạn đồng nghiệp. Tôi đà hoàn thành các nội dung
yêu cầu của luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn PGS -TS. Phạm Hữu Nam cùng tập thể các Thầy
giáo trong Viên Cơ Khí Động lực - Trường Đại học BKHN, các bạn đồng nghiệp
đà giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn.

Hà nội ngày 15 tháng 3 năm 2014

Công Quang Vinh

7


CHƯƠNG I.

Đặc điểm PHANH KHí NéN TRÊN Ô TÔ

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống phanh
Hệ thống phanh trên ô tô có vai trò rất quan trọng trong quá trình vận hành và
lưu thông trên đường. Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động của ôtô
cho đến khi dừng hẳn ở vị trí nào đó hoặc đến một vận tốc nhất định theo yêu cầu của
người lái. Ngoài ra hệ thống phanh còn giữ vai trò quan trọng trong việc bảo đảm tính
ổn định và an toàn cho xe. Qúa trình phanh xe được thực hiện bằng cách tạo ra lực ma
sát giữa phần quay của trống phanh và phần đứng yên của cơ cấu phanh trên xe, động
năng của xe được chuyển hóa thành nhiệt năng của cơ cấu ma sát và được truyền ra môi
trường xung quanh.
Hệ thống phanh trên ô tô bao gồm các bộ phận chính: cơ cấu phanh và dẫn động
phanh.
- Cơ cấu phanh: được bố trí cùng bánh xe, thực hiện các 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: gồm các chi tiết liên kết từ cơ cấu điều khiển như (bàn đạp, cần
kéo phanh, các ống dẫn) tới các chi tiết điều khiển sự hoạt động của cơ cấu phanh. Dẫn
động phanh làm nhiệm vụ truyền lực điều khiển hoạt động của cơ cấu phanh.
1.2 Đặc điểm của hệ thống phanh khí nén
Trong hệ thống đẫn động phanh với dòng xe ô tô tải vừa và lớn, khi phanh
yêu cầu lực tác dụng lên cơ cấu phanh là rất lớn, do vậy không thể sử dụng đẫn động

phanh thủy lực thông thường, mà phải sử dụng dẫn động phanh khí nén hoặc kết hợp
thủy lực-khí nén. Dẫn động phanh khí nén có ưu điểm lực điều khiển lên bàn đạp phanh
nhỏ, nhưng lực do áp suất trong đường ống tạo ra lực phanh lớn trên cơ cấu phanh. Tuy
nhiên hệ thống phanh khí nén còn tồn tại một số nhược điểm là độ nhạy kém, thời gian
chậm tác dụng lớn, kích thước các kÕt cÊu trong hƯ thèng cång kỊnh, chØ thÝch hỵp cho
các ô tô vận tải vừa và lớn.
Môi chất công tác trong dẫn động phanh khí là không khí. Chất khÝ vµ chÊt láng
cã mét sè tÝnh chÊt gièng nhau nhưng cũng có rất nhiều điểm khác nhau nên phải cã

8


các công thức riêng để tính toán thông số trạng thái của chất khí. Khác với chất lỏng,
không khí có khả năng chịu nén, dưới tác dụng của áp suất, thể tích không khí bị thay
đổi vì vậy lan truyền áp suất trong dẫn động khí nén bị chậm, không tøc thêi nh­ trong
dÉn ®éng phanh kiĨu thủ lùc, do đó trong các tính toán quá trình động học của dòng
khí nén cần có các thông số đặc trưng cho tính chịu nén của không khí. Khối lượng
riêng của không khí nén thay đổi rất lớn khi áp suất hay nhiệt độ khối khí thay đổi.
Hệ thống phanh trên các xe ôtô vận tải có tải trọng trung bình và lớn, các xe chở
khách từ 24 chỗ ngồi trở lên thường sử dụng dẫn động phanh kiểu khí nén hoặc thuỷ khí, điện-thuỷ-khí vì dẫn động phanh thuỷ lực thông thường đơn giản không đủ đáp ứng
được yêu cầu về lực phanh trên các xe tải trọng lớn.
Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản về nhiệt động học, các định luật thực nghiệm về
chất khí cho phép khảo sát và tính toán các thông số trạng thái khí (p, V, T) của quá
trình đẳng nhiệt (định luật Boyle-Mariotte), quá trình đẳng áp (định luật Gay Lussac),
quá trình đẳng tích (định luật Charles). Đối với khối lượng m khí theo định luật hợp
nhất của chất khí ta luôn có đẳng thức:

pV
= const .
T

Nhà vật lý Clapeyron đà xây dựng phương trình liên hệ các trạng thái p, V, T, m
cho khí lý t­ëng : pV =

m

µ

RT . Nhµ vËt lý Vander Walls nghiên cứu về trạng thái của

các chất khí thực đà đưa ra phương trình liên hệ khi xét với 1 mol khÝ thùc:
a

p+ 2
V



 (V − b) = RT trong đó a, b là các hằng số thực nghiệm.


Trong hệ thống dẫn động khí nén thực tế, lưu lượng dòng khí còn bị các tổn thất
do khắc phục sức cản khi đi qua các phần tử khí động. Đặc trưng cho sự tổn thất này là
hệ số cản khí động . Trị số của hệ số cản phụ thuộc vào kết cấu, đặc tính dòng chảy và
chế độ làm việc của của phần tử khí động. Các trị số này thường được xác định bằng
thực nghiệm.
Do mức độ phức tạp của các quá trình xảy ra trong hệ thống dẫn động khí nén nên

9

cho đến nay vẫn chưa tìm được biểu thức toán học chính xác nhằm mô tả hàm lưu
lượng. Trong tính toán vẫn phải sử dụng các công thức kinh nghiệm hoặc các công thức
gần đúng được xây dựng dựa trên cơ sở một loạt các giả thiết nên độ chính xác không
cao. Hiện nay có nhiều công thức để tính lưu lượng khí. Công thức Xanh-vơ-năng và
Van-xê-li cho dòng khí chảy đoạn nhiệt qua vòi phun có hai trường hợp:
- dòng khí chảy dưới tới hạn (ứng với >0,528) ( ) =

2
k 1






2
k



k +1
k






- dòng khí chảy trên tới hạn (ứng với <0,528), giá trị gh = 0,528 gọi là áp suất không

thứ nguyên ở chế độ chảy giới hạn của dòng khí
( gh ) = 0,2588

2
= 0,579
k 1

Công thức của F.E. Sal-vi-lơ: trong khảo sát thực tế, dòng chảy trong các ống dẫn
và các thiết bị khí cũng như thuỷ lực thường chỉ đạt các giá trị nhỏ hơn so với trị số gh
và có d¹ng:
 σ − σ gh
ϕ (σ ) = 1 −
1 gh






2

trong đó trị số gh được xác định bằng thực nghiệm.
Công thức thực nghiệm của N.P. MÕt-li-óc:
ϕ (σ ) = A

Khi lÊy

1−σ
B −σ

A = 0,654 vµ B = 1,13 thì cuối cùng, phương trình tính lưu lượng khí đi

qua tiết lưu có dạng:
p 1
dm
= 0,654 à f v gh o
dt
RT 1,13

Ngoài ra còn nhiều công thức tính hàm lưu lượng của các tác giả kh¸c nh­ng trong

10


đề tài chỉ sử dụng các công thức của N.P. Mết-li-úc bởi sử dụng công thức này trong các
bài toán thì có thể đơn giản hoá bài toán đi rất nhiều (không còn chế độ 2 dòng chảy
nữa) và đặc biệt là khi ứng dụng cụ thể cho thấy công thức này cho kết quả rất gần với
thực nghiệm.
Một hệ thống dẫn động khí nén là sự nối ghép của nhiều phần tử khí động và có
các chế độ làm việc đặc trưng. Việc tính toán động học đối với hệ dẫn động phanh khí
nén nhằm khảo sát qui luật biến đổi của áp suất khí nén theo thời gian tại các điểm bất
kỳ trong hệ dẫn động, các nhân tố gây ra tổn thất lưu lượng, làm chậm quá trình xác lập
trị số áp suất khí nén ở đầu ra của hệ thống (tại các van điều khiển, các bầu phanh ...).
Trong các giáo trình đại học [1, 2, 5] hướng dẫn tính toán dẫn động phanh khí nén
thường chỉ giới hạn ở việc tính toán các thông số cơ bản như tính chọn máy nén khí,
diện tích làm việc của các van, các bầu phanh nhằm đảm bảo khả năng tạo lực phanh
phù hợp với tải trọng tĩnh đặt trên các bánh xe của ôtô. Các công thức tính toán ở đây
cho phép xác định được các quan hệ lực với các dịch chuyển của các van, hành trình
của pít tông trong bầu phanh khi thực hiện quá trình phanh. Nhược điểm của các tính
toán này là ở chỗ không khảo sát được qui luật biến đổi theo thời gian của áp suất, lưu

lượng dòng khí qua các vị trí, phần tử trong hệ dẫn động do đó cũng khó khăn khi phân
tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu, chế độ dòng chảy đến sự làm việc của hệ
thống.
Các tác giả N.F. Mết-Lúc, V.P, Av-tu-sen-kô [12] và nhiều tác giả khác đà tiến
hành nghiên cứu quá trình động học trong dẫn động khí nén và thủy lực. Sử dụng
phương pháp mô phỏng tập trung các tác giả N.F. Mết-Lúc, V.P, Av-tu-sen-kô đà xây
dựng các phương trình mô tả biến đổi của lưu lượng, áp suất qua các phần tử khí động
(tiết lưu, thể tích khí). Các kết quả nghiên cứu này có thể dùng làm cơ sở để tính toán,
khảo sát quá trình động học trong mét hƯ dÉn ®éng khÝ nÐn cã nèi ghÐp nhiỊu phần tử
khí động phức tạp.
Trên các ôtô hiện đại, dẫn động hệ thống phanh không sử dụng loại một dòng mà
sử dụng hệ dẫn động nhiều dòng (đối với hệ phanh chính thông dụng là dẫn động hai

11


dòng) có khả năng làm việc độc lập nhờ đó làm tăng tính an toàn chuyển động của ôtô
đặc biệt khi cã x¶y ra sù cè h­ háng cơc bé ở trên đường ống dẫn, trong các van điều
khiển hoặc hư hỏng riêng rẽ ở các xi lanh phanh bánh xe. Đối với hệ thống phanh khí
nén dẫn động nhiều dòng, mỗi dòng có nguồn năng lượng (bình chứa khí riêng), có tín
hiệu điều khiển riêng và có tính độc lập tương đối với các tín hiệu điều khiển ở các
dòng khác. Với đặc điểm này việc tính toán các phần tử trong hệ thống phanh khí nén
dẫn động nhiều dòng sẽ có nhiều điểm khác với tính toán ở dẫn động phanh một dòng.
Nhằm nâng cao chất lượng phanh của ôtô trong hệ thống phanh các xe hiện đại sử
dụng bộ tự động điều chỉnh lực phanh cho các bánh xe cầu sau hoặc bộ chống hÃm
cứng các bánh xe khi phanh. Bộ điều chỉnh lực phanh làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh
áp suất trong dẫn động ra bầu phanh của các bánh xe cầu sau, không cho lực phanh
vượt quá giới hạn bám của các bánh xe với mặt đường, nhờ đó làm tăng tính ổn định
của xe trong quá trình phanh.
Các hÃng sản xuất ôtô, các trung tâm nghiên cứu trên thế giới đà tiến hành các

nghiên cứu cơ bản cũng như tính toán cụ thể đối với dẫn động phanh khí nén trên các
ôtô hiện đại, tuy nhiên các số liệu, công thức tính toán này thường không được công bố
rộng rÃi. Đối với lĩnh vực nghiên cứu chế tạo ôtô trong nước, cho đến nay chưa có công
trình nghiên cứu, tính toán dẫn động phanh khí hai dòng cũng như khảo sát quá trình
hoạt ®éng cđa dÉn ®éng phanh khÝ cã trang bÞ ABS.
TÝnh toán động học đối với hệ thống dẫn động phanh khí nén rất phức tạp do số
lượng các phương trình vi phân liên hệ các thông số khí động giữa các phần tử được nối
ghép, các thông số trạng thái dòng khí... Trước đây khi chưa có phương tiện máy tính
điện tử, các tính toán phải thực hiện bằng tay nên không những mất nhiều thời gian mà
còn phải chấp nhận những giả thiết đơn giản nhằm đảm bảo cho khả năng thực hiện các
tính toán [12]. Những điều đó làm hạn chế độ chính xác, tin cậy giữa kết quả tính theo
mô hình lý thuyết và thực tế. Do đó mà ta chỉ xác định một cách tương đối thời gian
chậm tác dụng của hệ thống dẫn động (Đối với phanh dẫn động khí nén thời gian chậm
tác dụng tõ 0,3 - 1s )

12


Ngày nay, phương tiện máy tính điện tử đà phát triển trở thành công cụ trợ giúp
đắc lực để tính toán kỹ thuật đặc biệt đối với việc tính toán các quá trình động học các
hệ thống năng lượng. Sử dụng phần mềm tính toán MATLAB cùng công cụ Simulink
của nó sẽ cho phép ta mô phỏng quá trình động học trong dẫn động phanh khí nén, tiến
hành tính toán nhanh và cho kết quả với độ chính xác và tin cậy cao hơn.
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu và các mục tiêu của luận văn
Để đạt được các chỉ tiêu chất lượng, số lượng và tính chất kỹ thuật công nghệ cao
của các các chi tiết, cụm chi tiết trên ô tô và các hệ thống trên ô tô sẽ được "nội địa
hóa"dần, các nhà máy, cơ sở chế tạo rất cần các tài liệu hướng dẫn, cách tính toán, các
mô hình khảo sát nghiên cứu có độ tin cậy cao và cho kết quả tính toán sát với thực
nghiệm. Việc xây dựng mô hình nghiên cứu quá trình động học trong dẫn động phanh
khí nén trên các ô tô hiện đại đối với công nghệ ô tô trong n­íc cã mét ý nghÜa khoa

häc, thùc tiƠn vµ cÊp bách.
Xuất phát từ các nhu cầu nêu trên, tôi đà chọn đề tài:
Xây dựng mô hình tính toán sự biến đổi áp suất
trong dẫn động phanh khí nén hai dòng trên xe ô tô tải
Để thực hiện được nhiệm vụ trên trong đề tài cần nghiên cứu những vấn đề sau:
Nghiên cứu đặc điểm hệ thống phanh khí nén.


Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình tính toán dẫn động phanh khí nén hai
dòng xe ô tô tải.

Mô phỏng trong tính toán dẫn động phanh khí nén của xe ô tô tải Cửu Long 8 tấn.
Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương. Trong chương 1 trình bày
nhiệm vụ, đặc điểm hệ thống phanh, môt số phương pháp nghiên cứu, tính toán với hệ
thống phanh, ®­a ra ­u nh­ỵc ®iĨm cđa hƯ thèng phanh khÝ nén và hệ thống phanh thủy
lực, từ đó có cách lựa chọn nghiên cứu hệ thống dẫn động phanh khí nén phù hợp cho
dòng xe tải vừa và nặng. Nội dung chương 2 đưa ra phương pháp mô phỏng tập trung
trong tính toán dẫn động hệ thống khí nén. Từ đó xây dựng các phương trình tính toán
biến đổi lưu lượng và áp suất khí nén qua các điểm nút và hệ phương trình mô tả hoạt

13


động của toàn hệ thống. Từ cơ sở xây dựng mô hình tính toán chương 2 về hệ thống khí
nén, sang chương 3 được áp dụng để xây dựng mô hình tính toán dẫn động phanh khí
nén hai dòng xe ô tô tải. Thực chất của phương pháp này là thành lập các phương trình
toán học thông qua các quy luật biến đổi lưu lượng ,áp suất các phần tử của hệ thống từ
máy nén khí đến các bầu phanh qua ba quá trình làm việc của dẫn động phanh. Chương
4 trình bày các nội dung liên quan đến tính toán, khảo sát hệ thống dẫn động phanh khí
nén đối với xe ô tô Cửu Long, Sử dụng phần mềm Matlab và công cụ Simulink

tính toán và mô phỏng các đặc điểm quá trình nạp khí từ máy nén đến bình chứa khí
nén và quá trình đạp phanh, xả phanh của xe Cửu Long. Chương 5 tổng kết những vấn
đề cơ bản mà luận văn đà thực hiện.

14


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHáP MÔ phỏng TậP TRUNG TRONG TíNH
TOáN Dẫn động khí nén
2.1. Đặc điểm phương pháp xây dựng mô hình tính toán hệ thống khí nén
Khi nghiên cứu ®éng häc cđa hƯ thèng dÉn ®éng phanh khÝ nÐn cần phải thiết lập
được các phương trình vi phân mô tả quá trình làm việc của hệ thống. Vì trong thực tế
bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong hệ thống rất phức tạp nên việc mô
phỏng một cách chính xác là không thể thực hiện được, đặc biệt là quá trình quá độ. Do
vậy, người ta thường phải sử dụng các phương pháp mô phỏng gần đúng để giải quyết
bài toán này. Cho đến nay có rất nhiều phương pháp mô phỏng và đều thể những ưu
nhược điểm riêng. Khi nghiên cứu động học của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên
xe ô tô có nhiều phương pháp để nghiên cứu. Một trong những phương pháp được sử
dụng rộng rÃi nhất là phương pháp mô phỏng có tên gọi là Mô phỏng tập trung. Bản
chất của phương pháp này là tính toán động học khí nén qua các phần tử của hệ thống
dẫn động phanh khí nén (máy nén khí, các bình chứa khí, đường ống dẫn khí và van
phân chia, van hạn chế áp suất, van phanh chính, các bầu phanh ở các bánh xe, các van
phụ) thực hiện theo các nguyên tắc sau:
- Thể tích khí chứa trong phần tử được coi là tập trung tại một dung tích. Dung
tích này có thể là không đổi hoặc biến đổi trong quá trình hệ thống làm việc (quá trình
tính toán) sức cản dòng chuyển động của các phần tử khí được tập trung bằng mét tiÕt
l­u, tiÕt l­u nµy cã thĨ cã tiÕt diƯn không đổi hoặc có thể thay đổi. Đặc trưng sức cản
khí động qua mỗi phần tử là hệ số cản khí động .
- áp dụng qui tắc điểm nút để tính lưu lượng khí đi qua điểm nút của sơ đồ mô
phỏng.

Qua mỗi phần tử có cản khí động phức tạp (ví dụ: cản của ống và van; cản của các
đoạn ống có các đường cong khác nhau...), hệ số cản khí động được tính theo nguyên lý
cộng (xếp chồng) c¸c tỉn thÊt.

15


f 
ξ ∑ = ∑ ξ i  o 
i
 fi

2

(2.1)

Trong đó lấy tiết diện tính toán là tiết diện ống dẫn f0. Hệ số cản i của phần tử i
trong sơ đồ được tra theo các bảng tra cứu khí động [10].
- Mối ghép giữa các phần tử gọi là điểm nút. Tổng lưu lượng khí đi vào và ra khỏi
điểm nút (có xét đến dấu) tại thời ®iÓm xÐt b»ng 0.
m2
m3
n

∑ (m

m1

A

i =1

) −

vaoA i

m

∑ (m
j =1

raA

)j = 0

(2.2)

m4

m5

Hình 2.1. Lưu lượng đi qua điểm nút.
Từ sơ đổ 2.1 ta có phương trình lưu lượng khí tức thêi ®i qua ®iĨm A nh­ sau:
m&1 - m&2 - m&3 - m&4 + m&5 = 0

(2.3)

H×nh 2.2 biĨu diƠn phân chia các điểm nút (Y1 và Y2) để khảo sát tính toán cho
một mạch nối ghép gồm các phần tử: máy nén khí, van điều chỉnh áp suất (có thể tích
V1) và bình ngưng (có thể tích V2).

Hình 2.2. Điểm nút khảo sát một mạch nối ghép
Phương pháp chung để tính toán các thông số trạng thái của hệ thống là tiến hành
tính toán lần lượt từng nút theo trình tự kể từ đầu vào lần lượt tới các nút kế tiếp sau.
Lấy kết quả tính áp suất cuối của nút trước làm áp suất đầu vào cho nút sau. Phương
pháp Mô phỏng tập trung có ưu điểm là tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Mặc dù
khối lượng tính toán lớn nhưng nó cho phép nghiên cứu hệ thống phức tạp có những giả
thiết gần giống với thực tế với độ chính xác cao.

16


2.2. Phương trình toán học mô tả dòng khí qua các phần tử của dẫn động khí nén
Trong hệ thống dẫn động khí nén, có nhiều phần tử hệ thống:
Nguồn cấp (máy nén khí); Các đường ống dẫn; các bình khí nén; các loại van. Mỗi
phần tử đều có những kết cấu, chế độ làm việc đặc trưng riêng. Để khảo sát động học
chung của dẫn động phanh khí nén cần phải xây dựng các phương trình mô tả hoạt
động của từng phần tử trong hệ thống.
2.2.1. Phương trình lưu lượng nguồn cung cấp khí nén
Máy nén khí là nguồn cung cÊp khÝ cho toµn bé hƯ thèng phanh khÝ. Nó là bơm Pit
tông, dẫn động bằng đai truyền từ pu li trục khuỷu động cơ. Lưu lượng của máy nén khí
là hàm của các thông số vận tốc làm việc và đối áp trên đầu ra của máy nén. Các đặc
tính lưu lượng của máy nén khí thường được xác định bằng thực nghiệm của nhà máy
chế tạo.
Hình 2.3. Đường đặc tính lưu lượng của máy nén khí xe ZIL130

1: ứng với tốc độ 500 vòng/phút.
2: ứng với tốc ®é 750 vßng/phót.
3: øng víi tèc ®é 1000 vßng/phót.

17


4: ứng với tốc độ 1250 vòng/phút.
5: ứng với tốc ®é 1500 vßng/phót.
6: øng víi tèc ®é 1750 vßng/phót.
7: øng với tốc độ 2000 vòng/phút.
Dựa trên đường đặc tính lưu lượng của máy nén khí trên hình 2.3 ta có thể viết
phương trình lưu lượng máy nén khí như sau:
Qn = Vk.n.(a b.pra)

(2.4)

Trong đó:
Qn - lưu lượng máy nén khí ở số vòng quay n ứng với áp Pra bất kỳ;
Vk Thể tích công tác máy nén khí, m3 ;
Vk =

i.π .d 2
s
4

(2.5)

i - sè xy lanh cña máy nén khí. i = 2
d - đường kính xy lanh máy nén khí. d = 6 cm
s - hành trình của pít tông máy nén khí, s = 3.8 cm
n - Số vòng quay của trục khuỷu máy nén khí, vòng/phút.
a, b - hệ số thực nghiệm.
2.2.2. Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén qua đường ống

Đường ống có chiều dài l, đường kính ống d sẽ được mô phỏng bằng một nút
tính toán Y gồm áp suất trước khi vào đường ống p1; lưu lượng khí m&1 , dung tích V2, áp
suất p2 trong đường ống và áp suất p3, lưu lượng m&2 của phần tử sau đường ống được
thể hiện trên hình 2.4.
- Sơ đồ mô phỏng đường ống:

Hình 2.4. Sơ đồ mô phỏng đường èng

18


- Phương trình lưu lượng của ống (tại điểm nút Y):
m&1 - m&2 - m&E = 0

(2.6)

- Phương trình hàm khí động:
à 2 f 2 v gh p1 A


p1 p 2
B p1 − p 2

- µ 3 f 3 v gh p 2 A

p 2 − p3 V2 dp 2
=0
B p 2 − p3 k dt

p1 − p 2

p − p3
dp 2
k
( µ 2 f 2 v gh p1 A
- µ 3 f 3 v gh p 2 A 2
)
=
B p 2 − p3
B p1 − p 2
V2
dt

(2.7)

Trong ®ã:
A, B là các hệ số xác định bằng thực nghiệm
k - Chỉ số đoạn nhiệt
f2 - diện tích tiết diện ngang cđa ®­êng èng, m2;
f3 - tiÕt diƯn ngang cđa phần tử sau đường ống, m2;
à2 - Hệ số lưu lượng của dòng khí;
à3 - Hệ số lưu lượng của dòngkhí.
Đối với ống dẫn thẳng, tiết diện không đổi, hệ số cản phụ thuộc vào hệ số ma sát
= 0,028, đường kính d và đặc biệt là chiều dài đường ống l.
ong =

l
d

(2.8)

2.2.3. Lưu lượng và biến đổi áp suất không khí nạp vào một dung tích
Trong thực tế kỹ thuật lưu lượng của một dòng khí nạp vào một dung tích, thường
xảy ra với hai trường hợp. Lưu lượng khí dược nạp vào một thể tích không đổi và lưu
lượng khí được nạp vào một thể tích thay đổi. với mỗi quá trình nạp vào các dung tích
trên thì quá trình biến đổi lưu lượng vào các thể tích là khác nhau, có thể tích thay đổi
mỗi trường hợp nạp khí vào các dung tích đều phải có cách tính và xác định khác nhau.
Ví dụ như lưu lượng khí vào một bình khí nén có thể tích không đổi, thì cách tính và

19


xác định hàm lưu lượng đơn giản hơn lưu lượng khí vào một dung tích thay đổi, vì thể
tích thay ®ỉi cã liªn quan ®Õn sù thay ®ỉi thĨ tÝch si lanh, lò xo và các diện tích của
phần chứa khí.
* Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén vào một dung tích không đổi (bình chứa
khí nén)

Hình 2.5. Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào bình khí nén
- Phương trình lưu lượng của bình khí nén (tại điểm nút Y)
m& - m&E = 0

(2.9)

- Phương trình hàm khí ®éng häc:
µ f v gh p 0 A
⇒

p 0 − p1
B p 0 − p1

-

V

dp1
=0
k dt

p 0 − p1
dp1
k
µ f v gh p 0 A
=
V
B p 0 − p1
dt

(2.10)

Trong ®ã:
f - tiết diện của đường ống dẫn vào bình khí, m2;
po - áp suất ở đầu vào của bình khí, N/m2;
p1 - áp suất tức thời của bình khí, N/m2;
V - Thể tích của bình khí và đường ống nối, m3;
à - Hệ số lưu lượng của bình khí và đường ống nối.
* Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén vào một dung tích thay đổi

Trong thực tế các cơ cấu chấp hành đều có các dung tích thay đổi trong quá

20

trình làm việc. Ví dụ, đối với một xi lanh công tác (Hình 2.7) quá trình nạp, xảy ra 3
giai đoạn I, II, III. Giai đoạn đầu pít tông chưa di chuyển, áp suất tăng từ 0 đến pI, thời
gian thực hiện là t1. Giai đoạn II pít tông bắt đầu di chuyển, đi hết hành chình thì dừng
lại, áp suất tăng từ pI đến pII, thời gian thực hiện là t2. Giai đoạn III pít tông đứng yên,
áp suất tăng từ pII đến pmax, thời gian thực hiện là t3.
Trong 3 giai đoạn trên giai đoạn I và giai đoạn III ứng với trường hợp dung tích
không đổi.
Trong giai đoạn II, thể tích làm việc V của xi lanh thay đổi:
V = V0 + F.y,
Trong đó F là diện tích tiết diện của pít tông.
y độ dịch chuyển của pít tông.
Vo thể tích ban đầu.
- Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào một dung tích thay đổi

Hình 2.6. Lưu lượng và áp suất vào dung tích thay đổi
- Sơ đồ mô phỏng một nhánh D-E có dung tích thay đổi

Hình 2.7. lưu lượng dòng khí qua điểm nút và cã mét dung tÝch thay ®ỉi

21


Khi n¹p khÝ:

Vo + Fy dp1
p − p1
dy
+ F p1

= µ f v gh p o A o
k
dt
dt
B p o p1

(2.11)

Phương trình chuyển động của pít tông:
mp

d2y
= ( p1 − pI ) F − Pc − Pms
dt 2

(2.13)

mp khèi lượng chuyển động của pít tông.
Thành phần lực ma sát ®­ỵc tÝnh:
Pms = P0 + b

dy
+ ( p1 − p I ) f ms Fk
dt

(2.14)

Fms. Hệ số ma sát giữa ®Ưm lµm kÝn vµ thµnh xi lanh.
Fk. DiƯn tÝch tiÕp xúc.
b. Hệ số ma sát nhớt.

PI. Lực sinh công hữu ích,
PI = C.y, với C là độ cứng tuyệt đối.
Phương trình chuyển động có dạng:
mp

d2y
dy
+ b + c y + ( p1 − pI )( f ms Fk − F ) = 0
2
dt
dt

(2.15)

Trường hợp khối lượng chuyển động mp nhỏ, bỏ qua lực cản nhớt, lực cản ma sát
của các vòng làm kín, thu được công thức đơn giản:

c y - (p1 - pI) F = 0
y=

F
( p1 − p I ) và
c

(2.16)
dy F dp1
=
dt
c dt

(2.17)

Kế hợp phương trình (2.10) ta thu được:
(

p 0 p1
V0 + Fy
dp
F2
+
p1) 1 = µ f v gh p 0 A
c
B p 0 − p1
k
dt

22

(2.18)


2.2.4. Lưu lượng và biến đổi áp suất khí nén qua các van
Trong hệ thống phanh khí có nhiều loại van như: van hạn chế áp suất (van an toàn),
van chia (van bảo vệ nhiều ngả), van tăng tốc, van nhả phanh nhanh. Van được đặc
trưng bởi hệ số cản và thể tích. Thông thường, thể tích của van nhỏ và được coi là
không đổi. Tuỳ từng loại van mà tiết diện van thay đổi hoặc không thay đổi. Đặc trưng
quá trình động học của dòng khí qua van là hệ số cản của van phụ thuộc chủ yếu vào
kiểu van và các kích thước đặc trưng cho tiết diện th«ng qua cđa van. TiÕt diƯn th«ng
qua cđa van phơ thuộc vào hình dạng và hành trình làm việc của van. Trong dẫn động
phanh khí ôtô thường sử dụng các van có tiết diện phẳng hoặc côn được trình bày trong

hình 2.7. Hành trình lớn nhất của van được xác định bởi khoảng cách diện tích tiết diện
của van ở trạng thái đỏng hoàn toàn đến trạng thái van mở hoàn toàn
Bảng 2.1. Thông số hình học của một số van thông dụng
Sơ
đồ

Diện tích tiết diện thông
Hành trình nâng van hmax

qua của van ứng với độ
nâng van h

a

Dh

D
4

b

Dh

D d2
−
4 4D

c

α

h
π h ( D − sin α ) sin
2
2


α
D 2 (2 sin − sin α )

1
2
D −
α
sin α 
2 sin

2

d

α
h
π h ( D − sin α ) sin
2
2


α
D 2 (2 sin − sin α ) + d o2 sin α
1 

2
D −
α
sin α 
2 sin
2


23













Hình 2.8. Sơ đồ các loại van
Khi tính toán ở chế độ khi van mở hoàn toàn, diện tích tiết diện theo phương
ngang (diện tích thông qua) của van của các thiết bị điều khiển có thể coi là hằng số.
Có thể sử dụng công thức kinh nghiệm để tính hệ số cản của van:
Với van nạp tiết diện phẳng
= γ oα o +

0,176

h
 
D

(2.19)

2


 bT
− 0,1

 D

Trong ®ã: α o = 0,55 + 4

(2.20)

γ0 = 0,8 ÷ 1,4
Víi van xả tiết diện phẳng:
0,155
bT
0,1 +
2
h
D

D

ξ = 0,55 + 4

(2.21)

24