Luận văn thạc sĩ nghiên cứu động lực học quá trình phanh trên ôtô có trang bị hệ thống ABS

TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHANH XE ôtô

Nhiệm vụ và yêu cầu hệ thống phanh trên ôtô

2.1.1 Nhiêm vụ quá trình phanh

Quá trình phanh ôtô tạo ra lực cản chuyển động, giúp giảm tốc độ đến mức mong muốn hoặc dừng hẳn Nó cũng cho phép ôtô đứng yên trên dốc Trên ôtô và nhiều thiết bị máy móc khác, lực ma sát từ cơ cấu phanh được sử dụng để tạo ra mômen cản chuyển động quay của bánh xe.

Quá trình phanh ôtô chuyển đổi động năng thành nhiệt năng thông qua ma sát giữa các bề mặt như má phanh, đĩa phanh và lốp xe với mặt đường Để hệ thống phanh hoạt động hiệu quả, cần đáp ứng nhiều yêu cầu riêng biệt.

2.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống phanh

Khả năng tích nhiệt của hệ thống phanh rất quan trọng, vì nó cho phép chuyển đổi động năng của ôtô thành nhiệt năng và thải ra môi trường Để đảm bảo hiệu quả của hệ thống phanh, quá trình tản nhiệt cần phải thuận lợi, giữ cho nhiệt độ bề mặt ma sát luôn ở điều kiện tốt Các chi tiết ma sát cần có khả năng dẫn nhiệt cao, và vật liệu chế tạo má phanh phải có cơ lý tính ổn định ở nhiệt độ cao.

Trong quá trình phanh, luôn tồn tại một khoảng thời gian chậm tác dụng từ khi người lái bắt đầu điều khiển đến khi lực phanh xuất hiện Sự chậm trễ này xảy ra ở tất cả các hệ thống dẫn động cơ học, thủy lực và khí nén.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện, nhấn mạnh rằng thời gian trễ khác nhau tùy theo nguyên lý hoạt động Nguyên nhân của thời gian trễ bao gồm khe hở giữa các mối ghép cơ khí, sự thiếu dầu trong đường ống, và chủ yếu là do biến dạng đàn hồi cùng với quá trình quán tính Thời gian trễ lớn sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn của quá trình phanh.

Yêu cầu về lực bám trong quá trình phanh là rất quan trọng để tối ưu hóa khả năng bám của ôtô với mặt đường Lực phanh đạt hiệu quả cao nhất khi trị số lực bám Pp bằng Pϕ Nếu mômen phanh vượt quá lực bám, bánh xe sẽ bị trượt, gây mất kiểm soát.

Yêu cầu về ổn định của ôtô khi phanh và khả năng điều khiển là rất quan trọng Để đảm bảo điều này, lực phanh cần phải phân bố đều giữa hai bánh xe chủ động và các bánh xe không được bó cứng Khi tham gia giao thông với tốc độ cao, việc phanh gấp mà không kiểm soát có thể dẫn đến mất an toàn, gây nguy hiểm cho tính mạng, các công trình ven đường và phương tiện khác.

Yêu cầu về nhả phanh ôtô đòi hỏi quá trình phanh phải kết thúc ngay khi người lái rời chân khỏi bàn đạp Nếu không đáp ứng tốt, các chi tiết truyền động và hệ thống phanh sẽ chịu tải trọng lớn, dẫn đến nguy cơ hư hỏng.

Sự biến đổi hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh

Để đạt hiệu quả cao trong quá trình phanh ôtô, cần tạo ra lực phanh lớn nhất giữa bánh xe và mặt đường.

Ta biết rằng, khi bánh xe lăn không trượt trên mặt đường thì lực cản lớn nhất giữa bánh xe với mặt đường chính bằng lực bám

Nói cách khác chúng ta phải có lực phanh cực đại xác định theo hệ số bám ϕ và trọng lượng bám G: P pmax = Z ϕ

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 6 6

Công thức trên cho thấy vai trò hệ số bám ϕ trong quá trình phanh ôtô

Hệ số ϕ càng lớn hiệu quả phanh càng cao, điều này được thể hiện rõ trên hình 2.1

Hình 2.1 S ự ph ụ thu ộ c gi ữ a quãng đ ườ ng phanh, v ậ n t ố c phanh và h ệ s ố bám φ

Hiện tượng bám giữa bánh xe và mặt đường có bản chất vật lý phức tạp và thay đổi theo đặc tính chuyển động của xe Lốp xe, được làm từ vật liệu cao su đàn hồi, bị biến dạng dưới tải trọng, khiến bán kính làm việc của bánh xe không đồng nhất Tại vùng tiếp xúc, bán kính bánh xe nhỏ hơn so với bán kính thực tế khi không chịu tải, dẫn đến vận tốc dài tại các điểm trên vòng tròn ngoài của bánh xe không đồng đều Cụ thể, vận tốc dài tại vùng tiếp xúc thấp hơn so với các vị trí khác, giảm dần khi vào vùng tiếp xúc và tăng dần khi ra khỏi vùng này.

Trong vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, vận tốc luôn biến thiên, dẫn đến sự biến dạng theo phương tiếp tuyến trên bề mặt lốp Hiện tượng trượt đàn hồi của bánh xe xảy ra trong quá trình lăn, và mức độ trượt sẽ tăng khi tải trọng theo phương tiếp tuyến hoặc mômen phanh gia tăng Khi đạt đến một giá trị nhất định, hiện tượng trượt lê sẽ xảy ra, khiến bánh xe bị bó cứng.

Tính chất ma sát giữa bánh xe và mặt đường rất phức tạp, phụ thuộc vào trạng thái bề mặt tiếp xúc và cách bánh xe lăn Khi mặt đường khô, ma sát là ma sát khô, trong khi khi mặt đường ướt, ma sát trở thành ma sát ướt với hệ số ma sát giảm đáng kể Khi bánh xe bị bó cứng, cơ chế tương tác giữa bánh xe và mặt đường thay đổi, dẫn đến ma sát tiếp xúc trở thành ma sát trượt thuần tuý.

Hệ số ma sát trượt thấp hơn nhiều so với hệ số ma sát nghỉ và hệ số bám, điều này liên quan đến đường cong biến dạng của vật liệu Khi phanh, các xe có bánh xe không bị trượt sẽ có quãng đường phanh ngắn hơn so với các xe có bánh xe trượt, mặc dù chúng cùng loại đường và khả năng tạo ra lực phanh giống nhau Quá trình này diễn ra do một phần động năng của bánh xe được tiêu hao cho biến dạng lốp và sự chuyển động của dòng khí nén bên trong lốp Khi bánh xe vẫn quay, mômen ma sát tồn tại trong các gối đỡ của hệ thống truyền động cũng góp phần vào việc giảm quãng đường phanh.

2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng bám giữa bánh xe với mặt đường

Nghiên cứu cho thấy trị số của hệ số bám phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các yếu tố này được phân chia thành hai nhóm chính.

Nhóm 1: Các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng tới hệ số bám ít thay đổi trong quá trình phanh Có thể xếp các nhân tố sau thuộc loại này: Loại đường, trạng thái mặt đường, kết cấu và tình trạng lốp, ảnh hưởng của các nhân tố này đã được nghiên cữu kỹ bằng thực nghiệm Các kết quả nghiên cứu thường được công bố dưới dạng bảng hoặc đồ thị

Nhóm 2: Là nhóm bao gồm các nhân tố mà mức độ ảnh hưởng của nó tới hệ số bám biến đổi trong quá trình phanh Các nhân tố này bao gồm: vận tốc chuyển động của xe, sự phân bố lại tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh, độ trượt của bánh xe trong quá trình phanh

Trong hai đồ thị dưới đây ta sẽ thấy được sự phụ thuộc của hệ số bám vào áp suất lốp và độ nhám của mặt đường

Hình 2.2 S ự ph ụ thu ộ c c ủ a h ệ s ố bám vào áp su ấ t l ố p

Hình 2.3 S ự ph ụ thu ộ c c ủ a h ệ s ố bám φ vào đ ộ nhám m ặ t đ ườ ng δ

Hệ số bám φ phụ thuộc vào loại đường và tình trạng mặt đường, và sự phụ thuộc này được thể hiện qua hệ số bám trung bình.

B ả ng 2.1 H ệ s ố bám trên các lo ạ i đ ườ ng [4]

Loại đường và trạng thái mặt đường φtb Đường bê tông nhựa và đường bê tông đá dăm

0.7- 0.8 0.4- 0.3 Đường đá dăm - Mặt đường khô

0.6- 0.7 0.3- 0.5 Đường đất - Mặt đường khô

2.2.3 Sự biến đổi của hệ số bám dọc φ x theo vận tốc chuyển động

Hình 2.4 S ự ph ụ thu ộ c c ủ a h ệ s ố bám vào v ậ n t ố c

Hình 2.4 minh họa sự phụ thuộc của hệ số bám dọc φx vào vận tốc V Để hiểu rõ hơn về mối quan hệ này, chúng ta dựa vào dữ liệu từ giáo sư Potlich E.G và giáo sư Ilarionop B.A, những người đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về sự biến đổi của hệ số bám φx liên quan đến hai yếu tố: độ trượt δ và vận tốc V.

B ả ng 2.2 Ph ụ thu ộ c c ủ a h ệ s ố bám φ x vào t ố c đ ộ chuy ể n đ ộ ng V

(tr ị s ố % so v ớ i giá tr ị h ệ s ố bám ban đ ầ u)

Vận tốc chuyển động của xe Loại đường

Bê tông nhựa 100 92 83 76 69 64 57 52 52 50 Đường gia công

Nhám bề mặt 100 94 92 91 89 88 88 - - - Đường bê tông nhựa đá mòn 100 60 40 28 21 13 13 - - - φ(%)

2.3.4 Sự phụ thuộc hệ số bám φ theo độ trượt δ

Trong một số nghiên cứu, để đơn giản hóa quá trình tính toán, người ta thường bỏ qua sự thay đổi của hệ số bám theo độ trượt δ Tuy nhiên, thực tế cho thấy rằng độ trượt thay đổi thì hệ số bám cũng biến đổi đáng kể Hiện tượng này có bản chất vật lý phức tạp, liên quan đến quá trình biến dạng của vật liệu lốp xe và nền đường Mối quan hệ giữa độ trượt và hệ số bám thường được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế.

R bx: bán kính bánh xe ω R: vận tốc góc bánh xe

Để nghiên cứu tính chất động lực học khi phanh, cần biểu diễn mối quan hệ giữa độ trượt δ và hệ số bám φ dưới dạng hàm số φ = f(δ) Quá trình trượt của bánh xe trên mặt đường khi phanh tương tự như quá trình ma sát giữa hai vật thể, do đó có thể mô tả mối quan hệ này Theo Coraghenski, mối quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt được định nghĩa rõ ràng.

Trong đó: a, b, c, d: các hằng số xác định từ thực nghiệm e: cơ số của logarit = 2,718

1- Ống nối đến xylanh phanh chính; 2-Bơm trả về; 3-Buồng tích áp; 4-Van điện từ (Senoide); 5-Máy tính; 6-Cảm biến tốc độ; 7-Mâm phanh; 8-Trục bánh xe; 9-Má phanh; 10-Đĩa phanh; 11-Rãnh tản nhiệt

Theo kết quả thí nghiệm với lốp xe Goodyear super Himiler 10x20F, ta có mối quan hệ giải tích như sau[12]: φ = −( 0.5961 7.0001 ).+ δ e − 5 δ +0.5961

Hệ thống điều khiển phanh bằng điện tử (ABS)

2.3.1 Nhiệm vụ và ý nghĩa của ABS

Hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén và thủy lực đáp ứng yêu cầu phanh trong điều kiện bình thường, nhưng khi lái xe cần dừng khẩn cấp, lực phanh quá lớn có thể khiến bánh xe bị bó cứng Điều này làm tăng quãng đường và thời gian phanh, dẫn đến ôtô trượt và giảm khả năng điều khiển, dễ gây tai nạn Hệ thống ABS, được phát minh và ứng dụng lần đầu trên các phương tiện bay vào những năm 1970, đã cải thiện đáng kể hiệu suất phanh trong những tình huống này.

1980 hệ thống này đã ứng dụng cả trên các phương tiện tự hành Nguyên tắc hoạt động của nó được thể hiện trên hình 2.6

Hình 2.6 S ơ đ ồ h ệ th ố ng ch ố ng bó c ứ ng bánh xe khi phanh (ABS)

Khi một bánh xe bị phanh cứng, áp lực trong xylanh phanh cần được giảm để đảm bảo an toàn Quá trình này thường được thực hiện bằng cách giảm áp suất trong xylanh phanh hoặc điều chỉnh đường dẫn khí nén đến các buồng phanh của bánh xe.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về việc điều khiển tổng van trong hệ thống phanh Người lái xe có thể "nhồi" bàn đạp phanh để giảm lực phanh, nhưng phương pháp này chỉ hiệu quả với những lái xe có kinh nghiệm và chỉ thực hiện được 1-2 lần mỗi giây Tuy nhiên, việc này dẫn đến giảm lực phanh ở tất cả các bánh xe, bao gồm cả bánh bị bó cứng, làm giảm chất lượng phanh và không giúp người lái kiểm soát tình trạng bó cứng Do đó, việc điều khiển điện tử trong quá trình phanh là cần thiết để tối ưu hóa lực phanh và ngăn ngừa hiện tượng bó cứng bánh xe.

Khi xảy ra hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh, cảm biến tốc độ sẽ gửi tín hiệu điện về ECU Máy tính xử lý dữ liệu và phát tín hiệu đến các thiết bị chấp hành Một van điện từ được kích hoạt để mở thông xylanh phanh, giảm áp suất phanh và lực phanh Đồng thời, một motor cũng được kích hoạt để vận hành bơm dầu, hút và đẩy dầu trở về hệ thống phanh.

Máy tính cho phép tần số đóng mở van điện từ đạt từ 15 đến 30 lần mỗi giây, giúp áp lực phanh trong xylanh phanh và lực phanh trên các bánh xe luôn ở mức tối ưu, gần với giá trị làm bó cứng bánh xe Hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động, không phụ thuộc vào ý định của người lái, có khả năng điều khiển từng bánh xe riêng biệt hoặc theo từng cặp bánh xe chéo nhau Để tăng cường hiệu quả tản nhiệt cho đĩa phanh, các rãnh được tiện trên vành ngoài của đĩa, giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí, trong khi hai mặt bên của đĩa được gia công và mài phẳng để tiếp xúc tốt với hai má phanh.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về luận văn thạc sỹ kỹ thuật, trong đó nhấn mạnh rằng các má phanh thường được chế tạo từ vật liệu bán kim loại (hợp chất gốm-kim loại) Điều này giúp tăng hệ số ma sát và cho phép chỉ thay thế má phanh khi mòn, mà không cần thay đĩa phanh.

Bên trong giá bắt má phanh, xylanh phanh bánh xe được lắp đặt và thường bị che khuất trong hình vẽ Xylanh này kết nối với ống dầu dẫn tới van điện từ của hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS Mặc dù mỗi hãng sản xuất và từng đời xe có các chức năng và phương án lắp đặt ABS khác nhau, nguyên tắc hoạt động của chúng vẫn giữ nguyên.

2.3.2 Các bộ phận chính trong hệ thống ABS

Hầu hết các hệ thống ABS hiện nay trên ô tô chủ yếu được sản xuất bởi ba nhà chế tạo hàng đầu: Bosch, ITT Teves và Kelsey-Hayes.

Hệ thống ABS, mặc dù có sự khác biệt về cấu tạo và số lượng kênh điều khiển giữa các hãng, vẫn bao gồm các bộ phận chính như xylanh chính, bộ trợ lực thủy lực, mô-đun điều khiển điện tử, bộ cảm biến tốc độ bánh xe, van solenoid, bơm, bộ tích áp và hệ thống ống dẫn Xylanh phanh chính và bộ trợ lực thủy lực của hệ thống ABS có cấu tạo tương tự như các hệ thống phanh thủy lực thông thường.

Bộ cảm biến tốc độ bánh xe là thiết bị cảm ứng điện từ được lắp đặt trong bánh xe, kết nối với mô-đun điều khiển trung tâm qua dây dẫn Trong suốt quá trình vận hành, bộ cảm biến này liên tục gửi tín hiệu điện áp đến ECU.

Khối điều khiển điện tử là một máy tính nhỏ (microcomputer) với hai bộ vi xử lý đồng nhất, được lập trình sẵn để thực hiện các chức năng đa dạng Nó liên tục kiểm tra hoạt động của hệ thống, xử lý dữ liệu đầu vào và so sánh với dữ liệu trong bộ vi xử lý khác, từ đó gửi tín hiệu chính xác và tức thời đến các bộ phận chấp hành.

Van Solenoid là một loại van điện từ được cấu tạo từ một cuộn dây, hoạt động nhờ vào tín hiệu từ máy tính điều khiển trung tâm Khi van được kích hoạt, nó sẽ làm cho một con trượt di chuyển, giúp điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng hoặc khí.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu về luận văn thạc sỹ kỹ thuật, trong đó đề cập đến hệ thống phanh với con trượt có ba vị trí Hệ thống này có chức năng cung cấp dầu đến xylanh phanh bánh xe, duy trì áp suất trong xylanh phanh và giảm áp suất bằng cách kết nối xylanh phanh bánh xe với bộ tích áp.

Bơm trả về có chức năng bơm dầu từ buồng tích áp trở lại đường đẩy của hệ thống, nhằm cung cấp dầu cho xylanh phanh bánh Bơm được kích hoạt khi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm Bộ tích áp là buồng kín chứa màng và lò xo, giúp giảm áp suất trong xylanh phanh bánh khi van điện từ kết nối xylanh phanh với bộ tích áp Dầu từ xylanh phanh sẽ truyền đến bộ tích áp và sau đó được bơm trở lại đường đẩy của hệ thống phanh.

2.3.3 Nguyên tắc làm việc của ABS Ở trạng thái không phanh, người lái không tác động vào bàn đạp phanh, van điện từ chưa được kích hoạt, con trượt do van điện từ dưới tác dụng của lò xo đẩy xuống vị trí thấp nhất, tương ứng với vị trí rãnh ngang trên con trượt trùng với đường dầu nạp vào xylanh phanh bánh xe (hình 2.7a) Khi đó, nếu phải phanh xe, người lái đạp lên bàn đạp phanh, đầu tiên hệ thống làm việc như một hệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực bình thường, dầu có áp suất do xylanh chính tạo ra, theo hệ thống ống dẫn đến van điện từ, rồi theo rãnh phân phối của van lúc này đang trùng với rãnh dầu dẫn đến xylanh phanh bánh xe, làm bộ phận phanh bánh xe hoạt động, thực hiện phanh bánh xe lại Khi tốc độ góc của bánh xe được phanh giảm đến một giá trị nhất định, lực phanh tăng đến lực phanh tối ưu, ngay sau đó máy tính kích hoạt van điện từ hút con trượt lên vị trí như hình 2.7 Con trượt ngăn xylanh phanh bánh xe khỏi hệ thống đường dầu chung, giữ nguyên áp suất trong xylanh phanh bánh xe, lực phanh cố định Vận tốc góc của xe vẫn tiếp tục giảm nhanh

Cấu tạo hệ thống chống bó cứng bánh xe(ABS) trên xe INNOVA

Hệ thống phanh ABS trên xe INNOVA đời 2006 có cấu tạo cơ bản tương tự như các dòng xe khác Cụ thể, xe được trang bị phanh đĩa cho hai bánh trước và phanh trống cho hai bánh sau, giúp cải thiện hiệu suất phanh và đảm bảo an toàn khi lái xe.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu hệ thống phanh ABS trên xe INNOVA với bốn kênh độc lập 4x4 Hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ quay không tiếp xúc, lắp đặt trên cả bốn bánh xe Trong đường dầu thủy lực, các van chuyển mạnh được điều khiển điện, trong đó van trợ lực phanh hoạt động bằng điện từ và van giữ giúp duy trì áp suất phanh Khi phanh, van mở để dầu chảy đến xylanh phanh, tạo áp lực lên các đĩa ma sát, và khi van đóng, áp lực dầu được duy trì Hệ thống này khác với các hệ thống sử dụng van ba trạng thái, vì nó chỉ sử dụng van chuyển mạch hai vị trí với khả năng điều khiển độc lập và không có bầu tích áp Ngoài ra, cảm biến áp suất trong đường dầu chính liên tục giám sát áp lực và gửi thông tin về ECU để điều khiển bơm.

Hình 2.8 S ơ đ ồ c ấ u t ạ o h ệ th ố ng ABS trên xe INNOVA

Cân bằng năng lượng trong quá trình phanh

Trong quá trình phanh, mômen ma sát được sinh ra nhằm cản trở chuyển động quay quán tính của bánh xe, chuyển đổi động năng của ôtô thành nhiệt năng của cơ cấu phanh Nhiệt năng này sẽ phân tán vào môi trường xung quanh, nhưng nếu nhiệt độ trên bề mặt và trong lòng các cặp ma sát vượt quá giá trị cho phép, tính chất của quá trình ma sát sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống phanh Do đó, nghiên cứu chế độ làm việc và sự cân bằng năng lượng của cơ cấu phanh là rất quan trọng, giúp thiết kế các hệ thống phanh hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

Phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình phanh ôtô có dạng

∆ ± ∆Π = Σ (2.2) Trong đó: ∆ T: sự thay đổi động năng của ôtô

∆Π: sự thay đổi thế năng của ôtô

A Σ : Tổng các công sinh ra trong qúa trình phanh

Trong đó: A :công các nêm ma sát ở cơ cấu phanh

A f : công của lực cản lăn của bánh xe

A ϕ: công của lực ma sát trượt

A P: công các lực ma sát nội

Nếu ta phanh không ngắt ly hợp

Công các lực trên được tính theo công thức sau:

A ϕ = f G .S λ p (2.7) Trong đó: S p : là quãng đường phanh phụ thuộc λ: độ trượt của bánh xe

Hơn nữa công của các lực khác rất nhỏ so với công của lực phanh vì vậy có thể coi :

Ta có công AP trên các bánh xe bị phanh:

A = Σ M P S (1 α = − λ ) (2.9) Trong đó: Σ M P :tổng mômen phanh trên các bánh xe αi : góc quay của các bánh xe trong khoảng thời gian vận tốc giảm từ V1 đến V2

Theo phương trình 2.2, công sinh ra phải tương đương với động năng chuyển động của ôtô (do Π∆=0) Động năng của ôtô có thể được xác định bằng công thức cụ thể.

∆ hoặc có thể biến đổi 245

Trong đó: G: trọng lượng ôtô

V: vận tốc lúc bắt đầu phanh

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cung cấp chương trình luận văn thạc sỹ kỹ thuật, trong đó δ được xác định là hệ số phân bố năng lượng mà cặp ma sát trống phanh phải chịu, được tính theo công thức cụ thể.

Phanh bằng cơ năng chuyển đổi thành nhiệt năng, và phương trình cân bằng cơ nhiệt năng được biểu diễn như sau: dA dT dT = = h (2.12).

Trong đó: dA: sự biến đổi công dT: sự biến đổi năng lượng của ôtô dT h: sự biến đổi nhiệt năng của cơ cấu phanh

Biến đổi phương trình nêu trên ta có:

Trong đó: G t : trọng lượng khối kim loại làm trống phanh và các chi tiết gắn cùng C: nhiệt dung riêng của vật liệu làm trống phanh

Ft: diện tích bề mặt trống phanh và môi trường

Kf: hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt trống phanh và môi trường

Th: hiệu số nhiệt độ giữa trống phanh và môi trường

Trong đó: K0: hệ số trao đổi nhiệt khi vận tốc chuyển động là m/s Khi đó 2.13 được viết dưới dạng:

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 21 21 dS T K F dT C G dS P

Nếu quá trình phanh gấp vận tốc cuối V2 = 0 ta thay vào 2.14 và 2.15 ta có: h t P

Bằng cách áp dụng các phương trình 2.9, 2.10, 2.14 và 2.15, chúng ta có thể xác định công suất hoặc nhiệt năng cần thiết cho toàn bộ hệ thống phanh, cũng như cho từng cơ cấu riêng lẻ.

Hiệu quả quá trình phanh ôtô

2.6.1 Phân bố khối lượng trong quá trình phanh

Xét phân bố khối lượng tĩnh khi ô tô đứng yên trên mặt bằng hoặc chuyển động thẳng đều ta có: Z 1 = G.b / L; Z 2 = G.a / L (2.17)

Trong quá trình phanh ôtô, gia tốc phanh jp làm xuất hiện lực quán tính Pj, dẫn đến sự phân bố lại trọng lượng trên các cầu Trọng lượng trên cầu trước tăng lên trong khi cầu sau giảm đi, điều này cần được chú ý để tối ưu hóa hiệu quả phanh.

2.6.2 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh Để đánh giá hiệu quả phanh người ta thường căn cứ vào một số chỉ tiêu cơ bản sau:

- Gia tốc phanh j p : khi phanh ôtô trên đường bằng, ta sử dụng giả thiết không tính đến các thần phần lực cản khác: ta có : m j p ∑ P p

Lực phanh để đảm bảo phanh xe có hiệu quả nhất là: Σ P pmax = G ϕ và ta có j max = g ϕ Theo công thức trên gia tốc phanh luôn nhỏ hơn g

Quãng đường phanh ngắn nhất là khoảng cách tổng cộng mà ôtô di chuyển từ khi người lái nhấn bàn đạp phanh cho đến khi xe dừng hẳn Để tính toán quãng đường này, có thể sử dụng công thức xác định cụ thể.

Trong đó: S p min : quãng đường phanh nhỏ nhất t 1 : thời gian phanh chậm tác dụng

Mà ta biết rằng gia tốc phanh xác định theo công thức sau: j p = dv / dt (2.20)

Nếu thay jp từ công thức 2.18, mômen phanh bằng mômen phanh cực đại và bỏ qua ảnh hưởng của các lực cản, ta có công thức j.g dv / dt Bằng cách lấy tích phân hai vế theo t và v với điều kiện v = 0, ta tìm ra thời gian phanh nhỏ nhất t min = v / g.j Đây chính là thời gian phanh tối thiểu cần đạt được của ôtô trên đường có hệ số ϕ xác định.

Ổn định ôtô khi phanh

Mặc dù phanh ôtô trên đường bằng và xe đang chạy thẳng mà không đánh lái, quỹ đạo chuyển động của trọng tâm ôtô vẫn là một đường cong Trong mô hình bài toán, chúng ta giả thiết ôtô chỉ chịu tác động của lực phanh, do đó, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này là sự mất cân bằng lực phanh giữa các bánh xe, ảnh hưởng bởi hệ số bám hoặc phản lực pháp tuyến khác nhau trên từng bánh.

2.7.1 Các nguyên nhân ngây mất cân bằng lực phanh

Sự mất cân bằng lực phanh trên ô tô có thể xảy ra do nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm tình trạng kỹ thuật của hệ thống phanh, điều kiện mặt đường, mức độ mòn của lốp xe và sự phân bố trọng lượng trên các bánh xe.

Sự không đồng đều về lực bám giữa các bánh xe có thể xảy ra do độ mòn lốp khác nhau, áp suất hơi không đồng nhất và việc di chuyển trên các vết đường khác nhau Điều này dẫn đến sự chênh lệch trong lực bám Pϕ giữa các bánh xe Để đảm bảo hiệu quả phanh, cần có sự tương đương giữa PPmax và Pϕ, do đó, lực phanh sẽ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện bám của từng bánh xe.

Do ảnh hưởng của các nhân tố như hệ số ma sát, chủng loại vật liệu má phanh v v… mà lực phanh tại các bánh khác nhau

- Thời gian chậm tác dụng của các cơ cấu phanh ở mỗi bánh xe khác nhau cũng ngây ra sự chênh lệch lực phanh khác nhau giữa các bánh xe

Khi phanh xe, mômen xoay của thân xe xuất hiện, dẫn đến việc xe di chuyển theo quỹ đạo cong và tạo ra lực ly tâm Lực ly tâm này sẽ phân phối lại tải trọng tác động lên các bánh xe.

Mất cân bằng lực phanh có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự phân bố tải trọng không đồng đều trên các bánh xe, sự cố hỏng hóc trong hệ thống phanh, và áp suất lốp không đồng nhất giữa các bánh Những yếu tố này có thể dẫn đến tình trạng mất ổn định trong quá trình phanh.

2.7.2 Các chỉ tiêu đánh giá về ổn định Để đánh giá ổn định khi phanh người ta dùng 1 trong hai chỉ tiêu sau đây:

Góc xoay thân xe β là góc xoay của trục đối xứng dọc của xe, được xác định vào thời điểm cuối cùng của quá trình phanh so với hướng chuyển động ban đầu Mômen làm xoay thân xe khi sử dụng toàn bộ lực bám trên các cầu là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất phanh và ổn định của xe.

Trong đó: ϕph,ϕtr:hệ số bám của bánh xe bên phải và bên trái

Gs,Gt: trọng lượng xe trên các cầu sau và trước

BS,BT: chiều rộng cầu trước và cầu sau

Dưới tác dụng của mômen quay Mq xẽ làm ôtô xoay đi một góc xác định với gia tốc góc ε được xác định theo công thức:

Trong đó: j ’ z: mômen quán tính của ôtô theo trục Z đi qua trọng tâm và ta tính được góc xoay thân xe cuối quá trình phanh là: β=ε.t 2 /2

Hành lang phanh là dải đường có bề rộng quy định mà ôtô phải tuân thủ trong quá trình phanh Dựa vào góc xoay của thân xe và kích thước của ôtô, ta có thể xác định hành lang an toàn cho việc phanh.

Trong đó: Bh: bề rộng hành lang phanh

S y : độ lệch ngang của trọng tâm ôtô

Chiều dài và chiều rộng khuôn khổ ôtô là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự an toàn khi lái xe Góc xoay thân xe so với phương chuyển động trước khi phanh cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát xe Để nâng cao an toàn cho ôtô, có thể áp dụng công thức tính gần đúng.

B / 2 S ≥ + L (2.24) Trong đó: Lx : khoảng cách từ điểm xa nhất đến trọng tâm ôtô

ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH

Các giả thiết

Quá trình phanh ôtô trên các loại địa hình rất phức tạp, với nhiều đại lượng biến đổi và phụ thuộc lẫn nhau Việc xây dựng một mô hình toán hoàn chỉnh để xem xét tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh gặp không ít khó khăn Hệ thống phanh ôtô bao gồm ba yếu tố chính: Con người, thiết bị và môi trường.

Môi trường và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh không phải lúc nào cũng có thể mô tả bằng phương trình toán học Để nghiên cứu quá trình này, có thể chia ra thành nhiều phương án và giải quyết từng trường hợp cụ thể, thậm chí cho từng loại đường khác nhau Mục đích là để đơn giản hóa bài toán mà vẫn giữ được tính tổng quát Trước khi trình bày mô hình toán học, cần chấp nhận một số giả thiết nhất định.

+ Quá trình phanh là phanh gấp

+ Trong quá trình phanh người lái không đánh tay lái

Lực phanh chủ yếu do khả năng bám của các bánh xe tạo ra, trong khi ảnh hưởng của các ngoại lực khác đến quá trình phanh là không đáng kể Lực phanh là yếu tố duy nhất gây ra sự mất ổn định trong chuyển động, và chúng ta có thể bỏ qua các lực đàn hồi của hệ thống treo.

+ Toạ độ trọng tâm của ôtô nằm trên mặt phẳng đối xứng dọc của ôtô + Coi mômen phanh sinh ra trên bốn bánh của ôtô là như nhau

Tình trạng mặt đường và lốp xe trên bốn bánh cần phải đồng nhất để đảm bảo an toàn khi lái xe Quá trình phanh hiệu quả nhất diễn ra trên đường phẳng, không có độ dốc dọc và dốc ngang, giúp tăng cường khả năng kiểm soát và giảm thiểu rủi ro.

Trong nghiên cứu động lực học ôtô máy kéo, mô hình không gian với 6 bậc tự do cho phép thiết lập sáu phương trình cân bằng lực và mômen, từ đó giải quyết các thông số động học và hình học theo thời gian Để đảm bảo độ chính xác của mô hình, cần phản ánh đầy đủ các yếu tố tác động đến ôtô Thực tế cho thấy, nghiên cứu động lực học ôtô rất đa dạng, và thường sử dụng các mô hình đơn giản hơn với một số yếu tố và thông số cụ thể, mang lại hai lợi ích chính: mô hình đơn giản giúp giảm số lượng phương trình toán học, và việc khảo sát mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra trở nên thuận lợi và chính xác hơn Để xây dựng mô hình toán khảo sát động học quá trình phanh, cần có sơ đồ không gian các lực tác dụng trong quá trình này.

Hình 3.1 Mô hình không gian các l ự c tác d ụ ng lên ôtô khi phanh zo yo y yo x o

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội tiến hành nghiên cứu luận văn thạc sỹ kỹ thuật về khảo sát quá trình động lực học của ôtô bằng cách gắn các hệ trục tọa độ phù hợp.

- Hệ trục toạ độ oxoyozo là hệ toạ độ cố định đặt trên mặt đường, trục ozo là trục vuông góc vớí mặt đường

- Hệ trục toạ độ oxyz là hệ toạ độ di động được đặt tại trọng tâm ôtô

Trong đó: P fi : lực cản lăn trên các bánh xe

Zi: phản lực pháp tuyến của các bánh xe

Ryi: phản lực ngang của các bánh xe

Mcq: mômen cản qoay của bánh xe

M qt : mômen quán tính của bánh xe

Pjx: lực quán tính theo phương các trục tương ứng

X1,2,3,4: lực phanh trên các bánh xe

Từ mô hình không gian trên, ta có các mô hình phẳng trong mặt phẳng song song với mặt đường và mặt phẳng thẳng đứng như sau :

Hình 3.2 S ơ đ ồ các l ự c tác d ụ ng trên ôtô khi phanh trong m ặ t ph ẳ ng n ằ m ngang

Hình 3.3 S ơ đ ồ l ự c tác d ụ ng trên ôtô khi phanh trên m ặ t ph ặ ng th ẳ ng đ ứ ng

3.3 Tính toán giá trị các thành phần lực và mômen

Trong quá trình phanh ôtô, các lực tác dụng chủ yếu đến từ mặt đường, và việc xác định giá trị, phương chiều, cũng như điểm đặt của các lực này gặp nhiều khó khăn do phụ thuộc vào nhiều yếu tố Bài viết này sẽ tập trung vào việc tính toán các lực này dựa trên những yếu tố ảnh hưởng cơ bản nhất, kết hợp với các kết quả nghiên cứu thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác trong công tác tính toán.

3.3.1 Xác định phản lực pháp tuyến Để xác định phản lực thẳng đứng của mặt đường lên ôtô ta viết phương trình cân bằng mômen cho hình 3.3 như sau:

Giải hệ phương trình ta có:

3.3.2 Xác định lực phanh trên bánh xe

Do sự không đồng nhất của điều kiện địa hình và trạng thái làm việc của các chi tiết trong hệ thống, lực phanh trên mỗi bánh xe luôn biến đổi.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật, trong đó đề cập đến việc xác định các lực phanh trên các bánh xe thông qua một công thức cụ thể.

M pi : mômen phanh tại các bánh xe do cơ cấu phanh sinh ra

Bán kính động lực học của bánh xe được ký hiệu là Rb, trong khi hệ số sử dụng mômen phanh được ký hiệu là γ, với điều kiện γ < 1 Như đã đề cập ở phần trước, trong giai đoạn đầu của quá trình phanh, lực phanh phát triển theo quy luật tuyến tính, do đó có thể biểu diễn mối quan hệ này bằng công thức 3.3 với γ.

P K b pmi pi (3.4) t: khoảng cách thời gian từ lúc bắt đầu phanh cho tới khi lực phanh đạt giá trị cực đại

Kpmi: hệ số phát triển mômen phanh ở mỗi bánh xe

- Ở giai đoạn t > t1 lực phanh đạt tới giá trị cực đại, giá trị này có thể là

+ Nếu P Pmax < P ϕ thì P pi = P Pmax (3.5) + Nếu P Pmax >P ϕ thì P pi = P ϕ

Như vậy lực phanh tối đa có thể đạt được theo khả năng bám:

Trong đó ϕ: hệ số bám của bánh xe với mặt đường

3.3.3 Xác định phản lực ngang trên các bánh xe

Khi bánh xe không bị bó cứng, mômen quay của thân xe sẽ tạo ra các ngoại lực ngang từ mặt đường tác động lên lốp, giúp chống lại sự quay của thân xe.

Dưới tác động của lực bên, lốp xe sẽ bị biến dạng và lăn lệch theo một góc nhất định Mối quan hệ giữa lực bên và góc lăn lệch của lốp là phức tạp, tuy nhiên, khi góc δ nhỏ, có thể áp dụng công thức để tính toán.

Hình 3.4 S ơ đ ồ phân b ố l ự c trên m ộ t bánh xe

Hệ số lăn lệch ban đầu của lốp, ký hiệu là K yo, được xác định thông qua các thí nghiệm Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng khi lực phanh thay đổi, hệ số K yo cũng sẽ thay đổi tương ứng.

Giá trị của góc δ sẽ được tính dựa trên quan hệ động học cho từng trường hợp cụ thể

Lực bám ngang của bánh xe với mặt đường đạt giá trị tối đa khi xe đứng yên và giảm dần khi lốp bị trượt Khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn, lực bám này ở mức thấp nhất.

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về mômen xoay và ảnh hưởng của nó đến chuyển động của bánh xe Khi bánh xe chịu tác dụng của mômen xoay, vận tốc chuyển động V sẽ lệch một góc δ so với trục đối xứng của thân xe Đồng thời, phản lực R từ mặt đường sẽ cản trở chuyển động, luôn cùng phương nhưng ngược chiều với vận tốc V.

Xác định các quan hệ động học trong mô hình phẳng tổng quát

Hình 3.5 Quan h ệ đ ộ ng h ọ c c ủ a ôtô trong mô hình ph ẳ ng t ổ ng quát

Trong hình (3.5), quỹ đạo chuyển động của ôtô được mô tả là một đường cong, xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ôtô C Vận tốc tức thời của ôtô, ký hiệu là v, được đặt tại trọng tâm và là vận tốc tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động Góc α, được gọi là góc lệch hướng chuyển động của ôtô, cho biết sự nghiêng so với trục dọc của ôtô Ngoài ra, góc quay tương đối giữa hai hệ tọa độ là ε, cũng chính là góc quay của trục dọc ôtô trong quá trình di chuyển.

Chiếu vận tốc v lên 2 trục oxo và oyo ta có :

Qu ỹ đạ o chuy ể n độ ng

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 35 35 v x 0 = v cos ( α ε + ) (3.20) v y 0 = sin( v α ε + )

Vị trí của ôtô tại một thời điểm nào đó (sau khoảng thời gian từ 0 - t) được xác định nhờ công thức tích phân sau: x 0 = ∫ t v xo dt

Với hệ tọa độ mặt đường và các thông số x0, y0 cùng các góc α và ε, chúng ta có thể xác định chính xác vị trí của ô tô trên đường tại một thời điểm cụ thể.

Mục tiêu của bài toán là xác định các góc α và ε cùng tọa độ x0, y0 để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ôtô Góc α cho biết độ lệch của trục dọc thân xe so với vận tốc tức thời, giúp người lái nhận biết và điều chỉnh hướng di chuyển Trong khi đó, góc quay ε biểu thị sự quay của thân xe trên mặt đường, rất quan trọng trong việc khảo sát tính ổn định chuyển động của ôtô Việc cảm nhận và điều chỉnh khi giá trị ε thay đổi lớn là một thách thức, chỉ những lái xe có kinh nghiệm mới có khả năng thực hiện điều này hiệu quả.

Các thông số khác cần xác định trên hình (3.5) là:

Gia tốc hướng tâm là loại gia tốc xuất hiện khi ôtô di chuyển trên một quỹ đạo cong, trong đó gia tốc chuyển động tịnh tiến không trùng với vận tốc.

Bán kính cong tức thời của quỹ đạo, ký hiệu là Ri, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các thông số liên quan Tuy nhiên, việc tính toán và đo đạc Ri rất khó khăn, dẫn đến việc cần tìm kiếm các phương pháp khác để xây dựng thông số này một cách chính xác hơn.

Từ công thức (3-20) ta đạo hàm theo thời gian của v x0 và v y0 thu được: v & x 0 = v & cos( α ε + ) − v ( α ε & & + ).sin ( α ε + ) v & y 0 = v & sin( α ε + ) − v ( α ε & & + ).cos ( α ε + ) (3.23) Ở đây v.( α &+ ε & ) là gia tốc hướng tâm a h :

Gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm được mô tả trong hình (3-5) Khoảng cách CP thể hiện bán kính cong của quỹ đạo R i, trong khi khoảng cách CP cũng phản ánh bán kính quay của trọng tâm ô tô R.

Phương trình vi phân chuyển động

Hình 3.6 Mô hình ph ẳ ng t ổ ng quát c ủ a ôtô

Căn cứ vào hình 3.6, áp dụng các nguyên lý cơ học ta thiết lập được hệ phương trình cân bằng

Trong đó: ma: là khối lượng ôtô j x , j y : gia tốc khối tâm của ôtô tương ứng theo hai trục x và y

Mômen quán tính của ôtô JZ' được xác định so với trục thẳng đứng OZ đi qua trọng tâm của xe Gia tốc góc ε biểu thị sự xoay của xe quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm liên hợp máy.

Xt; Yt Xs; Ys: tổng hình chiếu của các phản lực bánh xe cầu trước và cầu sau theo phương trục ox, oy

M q : mômen xoay ôtô.do sự chênh lệch lực phanh giưa các bánh xe bên trái và bên phải

Trong trường hợp tổng quát:

1 2 1 2 1 2 3 4 3 4 mvcos +mv( & α α ε& & + )sin -(S S )sinα + β t + ( X + X − P f − P f )cosβ t − P ω + X + X − P f − P f = 0

1 2 3 4 1 2 1 2 mvsin +mv( & α α ε & & + )cos -(R α y + R ) cos y β t + R y + R y + ( X + X − P f − P f ) sin β t + N = 0

* Ph ươ ng trình cân b ằ ng mômen đ ố i v ớ i tr ọ ng tâm ôtô C:

Dấu khi viết phương trình được lấy theo chiều của trục toạ độ

Trong trường hợp ôtô chuyển động thẳng thì β t = 0, ở đây coi chuyển động thẳng là một trường hợp đặc biệt của chuyển động cong

Hình 3.7 Mô hình tính toán cho ôtô trong tr ườ ng h ợ p chuy ể n đ ộ ng

Theo mục tiêu nghiên cứu bài tóan được đặt ra với các giả thiết sau đây:

- Xe chuyển động trên đường thẳng và người lái giữ tay lái ở vị trí trung gian (không đánh lái) Do đó : β t = 0 → sin β t = 0s, cos β t = 1

- Khảo sát trong trường hợp không có lực đẩy gió ngang (N=0)

- Bỏ qua ảnh hưởng của các mômen đàn hồi bánh xe Msi(i=1÷4)

- Bài toán khảo sát trong giới hạn góc α cho phép, vì vậy α đủ nhỏ để: sin α ≈ 1; cos α ≈ 1

Với các giả thiết nêu trên, ta đưa hệ (3.25), (3.26), (3.27) về hệ sau: x 0 z 0

Thay vào các phương trình trên ta được

Gọi s là quãng đường ôtô chuyển động trên thực tế (theo phương vận tốc v), thì : v &= & s & (3.35)

Ta được hệ phương trình vi phân chuyển động của ôtô khi phanh như sau : s &

Kết hợp (3.31) và (3.32) sau khi biến đổi ta có α & mv

Các phương trình này là phương trình vi phân bậc hai liên quan đến các biến s, α, ε, trong đó các hàm kích động bao gồm mômen, phản lực của mặt đường và lực cản không khí.

Phương trình cân bằng chuyển động quay bánh xe

Trong quá trình phanh, tốc độ quay của bánh xe thay đổi liên tục do ảnh hưởng của mômen phanh và lực bám từ mặt đường Để mô tả chuyển động quay của bánh xe, cần thiết lập phương trình cân bằng mômen Sơ đồ lực và mômen tác động lên bánh xe trong mặt phẳng thẳng đứng được thể hiện rõ ràng.

Hình 3.8 S ơ đ ồ cân b ằ ng l ự c và mômen trên bánh xe

Trong đó: Rbx: bán kính động học của bánh xe

Xi: lực bám tiếp tuyến giữa bánh xe và mặt đường

M pi : mômen phanh trên từng bánh xe J: mômen quán tính của bánh xe và các chi tiết quay đã qui đổi ε: gia tốc góc của bánh xe

Ta có phương trình cân bằng mômen của bánh xe như sau: bx i pi i M X R

Kết hợp các phương trình 3.29, 3.30, 3.31 với phương trình 3.38, chúng ta có hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của ôtô Để khảo sát tính chất động lực học và các thông số quỹ đạo khi ôtô phanh, cần giải hệ phương trình vi phân trong quá trình phanh với lực phanh là hàm kích động.

Tuy nhiên, với mục đích đề tài nghiên cứu ảnh hưởng tác động của hệ thống ABS, để đơn giản hoá mô hình toán ta giả thiết:

-Hệ số bám tại bốn bánh như nhau

-Tình trạng lốp xe bôn bánh như nhau

- Hệ thống phanh bốn bánh như nhau

-Xe chạy trên đường thẳng và lái xe không đánh lai

Từ các giả thiết đã đưa ra, chúng ta có thể kết luận rằng lực phanh trên bốn bánh xe là đồng nhất trong suốt quá trình phanh, do đó không xuất hiện mômen quay trên thân xe và các đại lượng α, ε luôn bằng không Từ đó, chúng ta có thể thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của xe và bánh xe.

X1,X2,X3,X4: lực phanh trên các bánh xe

(Trong đó các lực phanh Xi phụ thuộc vào độ trượt δ)

Mp : tổng mômen phanh trên các bánh xe

Jbx :tổng mômen quán tính bốn bánh xe và các chi tiết truyền động αbx: góc quay bánh xe m: khối lượng ôtô

Xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng Simulink

3.6.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm Matlab-Simulink

Trong lĩnh vực phân tích động học ôtô, nhiều tác giả đã sử dụng Matlab-Simulink để nghiên cứu các quá trình khác nhau và đạt được nhiều kết quả khả quan Bài viết này trình bày việc ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng động lực học quá trình phanh xe ôtô trang bị hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS, nhằm khảo sát hiệu quả của hệ thống này trong các tình huống thực tế.

Trong thư viện Simulink, các khối chức năng lập trình sẵn được thiết kế dưới dạng hộp đen với các thông số đầu vào, đầu ra và tham số riêng Mối quan hệ giữa các thông số này được mô tả bằng các quan hệ toán học và logic, tùy thuộc vào chức năng của từng khối Mỗi khối chức năng thực hiện một yêu cầu cụ thể, và Simulink cho phép kết nối các khối khác nhau thông qua việc liên kết các thông số đầu vào và đầu ra Việc kết nối này diễn ra một cách trực quan và đơn giản, giúp người dùng mô phỏng và khảo sát các hệ thống phức tạp một cách khoa học.

Thư viện mẫu các khối chức năng cơ bản:

Trong thư viện mẫu của Simulink, các khối chức năng cơ sở được phân chia thành các nhóm dựa trên chức năng cơ bản tương tự Mỗi nhóm chứa các khối khác nhau, cung cấp các công cụ đáp ứng cho từng yêu cầu cụ thể.

Một số nhóm các khối chức năng cơ bản:

Trong thư viện Sources, có các khối nguồn phát tín hiệu cho phép nhập dữ liệu từ file hoặc từ Matlab Workspace Bài viết này sẽ điểm qua một số khối cơ bản và thông dụng.

Khối Constant tạo nên một hằng số không phụ thuộc thời gian Hằng số có thể là giá trị vô hướng hay một vector hoặc một ma trận

Khối phát sóng hình sin

Bài viết này đề cập đến các khối suất chuẩn của Simulink, bao gồm khả năng hiển thị số liệu đơn giản và sử dụng khối dao động ký để biểu diễn các thông số theo thời gian Ngoài ra, còn có các khối cho phép lưu trữ và xuất dữ liệu thành file.

Khối Scope cho phép hiện thị dưới dạng đồ thị theo thời gian

Khối XYGaph cho phép hiện thị đồ thị quan hệ giữa hai tín hiệu

Khối To workspace gửi dữ liệu đầu vào của khối đến tới môi trường Matlab workspace dưới dạng mảng Array

Thư viện math bao gồm các khối chức năng cho phép thực hiện các phép toán số học như cộng, trừ, cùng với các phép tính toán học khác như sin, cos, và nhiều phép toán khác.

Thư viện logic and operations bao gồm các khối có chức năng thực hiện các phép tính logic

Thư viện Simulink cung cấp nhiều khối chức năng đa dạng, cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng và quá trình cơ học khác nhau, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

3.6.2 Mô hình mô phỏng và các phương án khảo sát a Mô hình mô phỏng

Hình 3.9 mô hình mô ph ỏ ng h ệ th ố ng phanh có ABS

Hình 3.10 S ơ đ ồ mô ph ỏ ng quá trình phanh tác đ ộ ng c ủ a h ệ th ố ng ABS

- Nhóm các khối tạo mômen phanh:

Tín hiệu độ trượt đầu vào được so sánh với giá trị tối ưu là 0,2 Dựa vào sự sai khác này, van áp suất sẽ tự động đóng hoặc mở, từ đó điều chỉnh mô men phanh đầu ra một cách hiệu quả.

- Nhóm khối tính độ trượt:

Tín hiệu vân tốc góc của bánh xe được lấy từ đầu ra của khối tích phân, trong khi vận tốc góc lý thuyết được tính từ khối tỷ lệ Sử dụng khối tính toán, độ trượt được xác định và đưa vào các khối tiếp theo để đảm bảo tính chính xác trong quá trình điều khiển.

- Nhóm khối tính lực phanh:

Tín hiệu vào độ trượt qua khối quan hệ đường cong trượt cho ra hệ số bám φ

Hệ số bám nhân với trọng lượng bám cho ra lực bám Ff

- Nhóm khối tính vận tốc xe

Tín hiệu vào bao gồm lực phanh, lực cản và lực cản gió, từ đó tạo ra lực tổng hợp đưa đến bộ chia khối lượng ô tô Tín hiệu này tiếp tục được xử lý qua bộ tích phân để tính toán vận tốc góc của bánh xe Qua tích phân lần hai, ta có thể xác định quãng đường phanh Đầu ra của hệ thống là vận tốc góc bánh xe và quãng đường phanh theo thời gian.

-Nhóm khối tính vận tốc góc bánh xe:

Mômen phanh và mômen do lực bám được đưa vào bộ cộng, từ đó hiệu mômen qua bộ chia (mômen quán tích bánh xe) sẽ tạo ra gia tốc góc Tín hiệu này sau đó được xử lý qua bộ tích phân để chuyển đổi thành vận tốc góc của bánh xe.

-Trọng lượng của xe ôtô: G 2170Kg = ;

-Mô men quán tính bánh xe: J 5Kg.m = 2 ;

-Đồ thì hàm ϕ f = ( ) δ được thể hiện trên hình 3.11

Thông số khảo sát: -Các vân tốc bắt đầu phanh

- Chế độ có và không có ABS

Hình 3.11 Đ ườ ng cong h ệ s ố bám φ ph ụ thu ộ c vào đ ộ tr ượ t

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 49 49 b Các phương án khảo sát:

Quá trình phanh ôtô trên các loại địa hình rất phức tạp, với nhiều yếu tố biến đổi và phụ thuộc lẫn nhau Việc đưa ra phương án xem xét tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phanh gặp nhiều khó khăn Hệ thống phanh ôtô bao gồm ba yếu tố chính: Con người, thiết bị và môi trường, trong đó yếu tố con người và môi trường luôn thay đổi Để nghiên cứu quá trình phanh, có thể chia ra thành nhiều phương án và giải quyết từng trường hợp cụ thể, nhằm đơn giản hóa khảo sát nhưng vẫn giữ tính tổng quát Trước khi trình bày các phương án khảo sát, cần chấp nhận một số giả thuyết đã nêu.

+ Quá trình phanh là phanh gấp

+ Trong quá trình phanh người lái không đánh tay lái

+ Quá trình phanh diễn ra khi đã cắt ly hợp

+ Coi mômen phanh trên bốn bánh của ôtô là như nhau

Tình trạng mặt đường và lốp xe trên bốn bánh cần phải đồng nhất để đảm bảo an toàn Quá trình phanh hiệu quả nhất diễn ra trên đường phẳng, không có độ dốc dọc hoặc dốc ngang.

B ả ng 3.1 Các ph ươ ng án kh ả o sát

PAKS Điều kiện mặt đường thí nghiệm Vo (km/h) Phanh trong trường hợp có ABS

PAKS 1.1 Trên đường bê tông nhựa 40

Phanh trong trường hợp không có tác động của ABS

Phương án khảo sát 1.1(PAKS 1.1) Điều kiện khảo sát:

-Phanh ôtô có tác động của ABS

-Vận tốc bắt đầu phanh Vo 40 Km / h =

Kết quả chạy mô hình mô phỏng:

- Quãng đường phanh nhỏ nhất S Pmin- = 11,12 m

Các đồ thị vận tốc góc, độ trượt, quãng đường phanh theo thời gian: Đồ thị vận tốc góc bánh xe(PAKS 1.1):

Hình 3.12 Đ ồ th ị v ậ n t ố c góc (rad/s) c ủ a bánh xe (PA1.2) a) Vận tốc lý thuyết; b) Vận tốc thực của bánh xe a b

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 51 51 Đồ thị độ trượtcủa bánh xe(PAKS 1.1):

Hình 3.13 Đ ồ th ị đ ộ tr ượ t theo th ờ i gian (PAKS 1.1) Đồ thị quãng đường phanh (PAKS 1.1):

Hình 3.14 Đ ồ th ị quãng đ ườ ng (m) theo th ờ i gian (PAKS1.1);

Kết quả khảo sát cho thấy rằng khi vận tốc phanh ban đầu Vo đạt đến Km, vận tốc góc thực tế của bánh xe giảm dần từ ωo.

Theo quy luật của quá trình phanh, đồ thị vận tốc góc không phải là đường cong trơn mà có sự biến đổi, với một số thời điểm vận tốc góc tăng rồi lại giảm Điều này xảy ra do mômen phanh tăng và giảm, được điều khiển bởi ECU thông qua việc đóng mở các van điện từ Tổng thể, đường cong vận tốc góc thực của bánh xe luôn nằm dưới đường cong vận tốc góc lý thuyết tính từ vận tốc dài của xe Chu kỳ dao động của vận tốc bánh xe khoảng 0,3 giây, và sự dao động cục bộ của đường cong vận tốc có mối liên hệ chặt chẽ với độ trượt theo thời gian.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHỆM

KẾT LU ẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Một số kết luận về kết quả nghiên cứu

Tiêu đề	Nghiên Cứu Động Lực Học Quá Trình Phanh Trên Xe Ôtô Có Trang Bị Hệ Thống ABS
Tác giả	Vũ Duy Khiêm
Người hướng dẫn	PGS-TS. Nguyễn Ngọc Quế
Trường học	Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá Nông-Lâm nghiệp
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2008
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	3,74 MB