CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lực phanh và các moment tác dụng lên bánh xe khi phanh
Hình 2.1: Lực phanh trên bánh xe
Khi đạp phanh thì ở cơ cấu phanh tạo ra mômen ma sát còn gọi là mômen phanh
Mp Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với đường xuất hiện lực phanh (Fp) ngược với chiều chuyển động của ô tô
Mp – Mômen phanh tác dụng lên bánh xe
Fp – Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường rb – Bán kính tính toán của bánh xe
Khi mômen phanh Mp tăng thì lực phanh Fp tăng, nhưng lực phanh không thể tăng một cách tùy ý Bởi vì lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, nghĩa là:
! # – Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường
Wb – Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe
1 – Hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường
Khi phanh, ngoài mômen phanh, còn có mômen quán tính Mjb và mômen cản lăn tác dụng lên bánh xe.Bởi vậy lực hãm tổng cộng tác dụng lên bánh xe sẽ là :
Trong quá trình phanh, do Mp tăng dần nên Fp cũng tăng dần lên và đến một lúc nào đó Fp = Fpmax = ! # thì các bánh xe bị trượt lết Khi bánh xe bị trượt lết hoàn toàn thì hệ số bám 1 giảm xuống giá trị 1min, cho nên lực phanh cũng giảm xuống giá trị nhỏ nhất, dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất Ngoài ra, nếu các bánh xe trước bị trượt lết sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh (xe không điều khiển được), còn nếu các bánh xe sau bị trượt lết sẽ làm mất tính ổn định khi phanh (các bánh xe dễ dàng bị trượt ngang khi có lực ngang nhỏ tác dụng lên xe)
Từ biểu thức (2.2) ta thấy rằng để có Fp lớn thì cả hệ số bám 1 và Wb đều phải có giá trị lớn Cho nên để sử dụng hết toàn bộ trọng lượng bám của xe, chúng ta phải bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe
Khi phanh, động năng hoặc thế năng của xe bị tiêu hao cho ma sát giữa má phanh và trống phanh, giữa lốp và mặt đường cũng như để khắc phục các lực cản chuyển động
Nếu mômen phanh càng tăng thì cơ năng biến thành nhiệt năng giữa trống phanh và má phanh, giữa lốp và mặt đường càng tăng
Khi bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống phanh và má phanh cũng như sự cản lăn không có nữa, tất cả năng lượng hầu như biến thành nhiệt năng ở vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường
Sự trượt lết sẽ làm giảm hiệu quả phanh,tăng độ mòn của lốp, tăng độ trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe.
Lực phanh trên ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu
Hình 2.2: Các lực tác dụng lên ôtô khi phanh
Các lực tác dụng lên ôtô khi phanh :
+ G: Trọng lượng toàn bộ của ô tô đặt tại trọng tâm.
+ Ff1, Ff2: Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau.
+ W 1 , W 2 : Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau v
+ F p1 , F p2 : Lực phanh ở các bánh xe trước và sau.
+ F j : Lực quán tính khi phanh có gia tốc chậm dần.
Lực quán tính F j được xác định theo biểu thức sau :
! ; = < = > 8 (2.4) g – Gia tốc trọng trường (g = 9,8 m/s 2 ) j p – Gia tốc chậm dần khi phanh
Khi phanh thì lực cản không khí ! $ và lực cản lăn Ff1 và Ff2 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 tại cầu trước, sau Ta có thể xác định các phản lực thẳng góc W 1 và W2 tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau :
Trong đó : a, b, hg – Tọa độ trọng tâm của ô tô
L – Chiều dài cơ sở của ô tô
G 1 , G 2 – Tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh Thay F j ở công thức (2.4) vào W 1 và W 2 , ta được :
IJb + L M P N O Q = HR I J1 + L M PR N O Q = W AT m AV = G AT m AV (2.7)
IJa − L M P N O Q = HZ I J1 − L M PZ N O Q = W FT m FV = G FT m FV (2.8)
W 1t , W 2t – Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi xe đứng yên trên mặt phẳng nằm ngang (phản lực tĩnh) m 1p , m 2p – Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh
G 1t , G 2t – Tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau
Các lực phanh sinh ra ở các bánh xe cầu trước và cầu sau sẽ là :
! 8F = ! #F = F 1 = < D J\ − ; 3 = 2 C Q 1 (2.10) Để sử dụng hết trọng lượng bám của ôtô thì cơ cấu phanh được bố trí ở các bánh xe trước và sau và lực phanh lớn nhất đối với toàn bộ xe là :
2.2.2 Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu
Phanh tối ưu có nghĩa là quá trình phanh đạt hiệu qua cao nhất Quá trình phanh có hiệu quả cao nhất thể hiện qua các chỉ tiêu : Sp = Spmin, tp = tpmin, jp = jpmax Với Sp, tp, jp là quãng đường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh
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 lực quán tính Fj tác dụng lên xe
Trong trường hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và sau là :
Trong quá trình phanh thì lực cản lăn F f1 và Ff2 không đáng kể, có thể bỏ qua, do đó có thể viết :
Thay F LaZb vào biểu thức (2.12), ta có: d M] d M^ = R4eN Z6eN O
Biểu thức (2.14) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất Nghĩa là để đảm bảo phanh tối ưu thì khi phanh quan hệ giữa các lực phanh F p1 và F p2 phải luôn thỏa mãn biểu thức (2.14)
Do trong quá trình phanh tọa độ trọng tâm (a, b, hg) và hệ số bám dọc 1 luôn thay đổi cho nên tỷ số d M] d M^ luôn thay đổi Muốn vậy phải thay đổi được mômen phanh
M p1 , M p2 sinh ra ở các cơ cấu phanh đặt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau Để thay đổi M pi thì phải thay đổi áp suất dầu hoặc khí nén dẫn đến các xy lanh ở các bánh xe (phanh dầu) hoặc dẫn đến các bầu phanh (phanh khí) Ở hệ thống phanh thường, sự thay đổi áp suất nói trên là không có, nên khi phanh gấp, sau một thời gian ngắn trong tổng thời gian phanh, thì G 1 (hoặc W1) tăng lên, G 2 (hoặc W2) giảm xuống, dẫn đến lực bám Fj1 tăng, Fj2 giảm, hậu quả là : F p1 < F j1 , F p2 > F j2 , làm cho các bánh xe cầu sau bị hãm cứng và trược lết hoàn toàn Lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên xe là cầu sau sẽ trượt ngang, làm cho độ ổn định của xe giảm nhanh, xe bị quay ngang và có khả năng bị lật
Vì thế, để tránh xảy ra hiện tượng này, hiện nay trên nhiều xe đã bố trí bộ điều hòa lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh Các cơ cấu này sẽ tự động điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe bằng cách thay đổi quan hệ áp suất dẫn động phanh đến các cơ cấu phanh ở cầu trước và cầu sau
2.2.3 Phân bố lực phanh và moment phanh của ô tô
Muốn quá trình phanh có hiệu quả nhất thì phân bố các lực phanh sinh ra ở các bánh xe trước Fp1 và ở các bánh xe sau Fp2 phải tuân theo biểu thức (2.14) Nếu coi bán kính của bánh xe trước là rb1 và bánh xe sau là rb2 bằng nhau trong quá trình phanh thì ta có thể viết quan hệ giữa moment phanh ở các bánh xe như sau: f M^ f M] = d d M^ g h^
Mp1: Moment phanh sinh ra ở các bánh xe trước
Mp2: Moment phanh sinh ra ở các bánh xe sau
Như vậy muốn đảm bảo phanh hiệu quả nhất thì moment phanh sinh ra ở các bánh xe trước và sau phải tuân theo biểu thức (2.15)
Moment phanh sinh ra ở các bánh xe trước và các bánh xe sau cũng có thể xác định từ điều kiện bám theo biểu thức sau:
M VF = W F φ r R = H.e.g I h ka − φh P m (2.17) Đối với ô tô đã chất tải cố định, ta có a,b,hg cố định Bằng cách thay đổi giá trị φ dựa trên biểu thức (2.16) và (2.17) ta có thể vẽ đồ thị Mp1 = f1(1), Mp2 = f2(1):
Hình 2.3: Mối liên hệ giữa moment phanh Mp1 và Mp2 với hệ số bám φ
Trên hình 2.3 là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa moment phanh Mp1 và Mp2 với hệ số bám 1 Đường nét liền ứng với ô tô đầy tải, đường nét đứt ứng với ô tô không tải
Từ đồ thị hình 2.3 ta có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa moment phanh ở các bánh xe trước Mp1 và ở các bánh xe sau Mp2 Đồ thị này gọi là đặc tính phanh lý tưởng của ôtô Bởi vì nếu quan hệ giữa Mp1 và Mp2 theo đúng đường cong 1 (khi đầy tải) hoặc theo đúng đường cong 2 (khi không tải) thì ở các bánh xe trước Mp1 ≈ M11 và ở cầu sau Mp2 ≈ M12 Tức là moment phanh ở các bánh xe đã lớn xấp xỉ bằng moment bám tại mọi thời điểm trong suốt quá trình phanh Cho nên quảng đường phanh sẽ ngắn nhất, các bánh xe không bị hãm cứng trong khi phanh và đảm bảo được ổn định của ô tô khi phanh
Hình 2.4: Đường đặc tính phanh lý tưởng Đối với ô tô hiện nay thường dùng dẫn động phanh thuỷ lực hoặc dẫn động phanh bằng khí nén, quan hệ giữa moment phanh sinh ra và áp suất dẫn động phanh biểu thị như sau:
Trong đó: k1, k2 : Hệ số tỉ lệ tương ứng giữa phanh trước và phanh sau p1, p2: Áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh trước và sau
Từ các biểu thức (2.18) và (2.19) có thể xác định quan hệ giữa áp suất dẫn động phanh trước và phanh sau:
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh
Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ô tô có thể dùng các chỉ tiêu sau đây: quãng đường phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh, lực phanh
2.3.1 Gia tốc chậm dần khi phanh
Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh ôtô Khi phân tích các lực tác dụng lên ô tô có thể viết phương trình cân bằng lực kéo khi phanh ô tô như sau :
F j – Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô
F p – Lực phanh sinh ra ở các bánh xe
F h – Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí
Khi phanh trên đường nằm ngang thì lực cản lên dốc Fi =0 Các thành phẩn lực É $ ,
Pf và É " không đáng kể, có thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,5 ÷ 2% Do vậy ta có thể coi lực phanh sẽ cân bằng với lực quán tính:
Lực phanh lớn nhất F pmax được xác định theo điều kiện bám khi các bánh xe bị phanh hoàn toàn và đồng thời theo biểu thức :
Hay δ Ç H P j VaZb = G φ (2.25) ĩ ỏ – Hệ số tớnh đến ảnh hưởng cỏc trọng khối quay của ụtụ khi phanh
Từ (2.25) ta xác định được gia tốc chậm dần cực đại khi phanh :
> 8+,- = #= à â (2.26) Để j pmax tăng thỡ ta giảm ĩ ỏ và tăng 1.
+ Giảm ĩ ỏ bằng cỏch tỏch ly hợp khi phanh gấp.
+ Tăng 1 bằng cách cải thiện tình trạng mặt đường
Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh phụ thuộc vào hệ số bám 1 giữa lốp với mặt đường mà giá trị hệ số bám lớn nhất: 1 +,- = 0,70 ÷ 0,80 trên đường nhựa tốt Nếu coi ĩ ỏ = 1 và gia tốc trọng trường g = 10 m/s 2 thỡ gia tốc chậm dần cực đại khi phanh trên đường nhựa tốt, khô, nằm ngang có thể đạt trị số lớn nhất jpmax = 7,0 ÷ 8,0 m/s 2
Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh
Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt Để xác định thời gian phanh có thể sử dụng biểu thức sau :
Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất tpmin cần tích phân dt trong giới hạn từ thời điểm ứng với vận tốc khi bắt đầu phanh v 1 , vận tốc khi kết thúc phanh v2 (v1
> v2) t Vađẽ = ∫ úF úA eP ỡ ợ dv = ỡ ợ eP(v A − v F ) (2.29)
Khi phanh ô tô đến lúc dừng hẳn thì v2 = 0, do đó: t Vađẽ = ỡ ợ ú ] eP (2.30)
Từ biểu thức trên ta thất rằng thời gian phanh ôtô nhỏ nhất khơng phụ thuộc vào trọng lượng ơ tơ mà phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu phanh của ôtô, phụ thuộc vào hệ số khối lượng quay ĩ ỏ và hệ số bỏm 1 giữa cỏc bỏnh xe với mặt đường Để cho thời gian phanh nhỏ nhất cần phải giảm ĩ ỏ , vỡ vậy người lỏi xe nờn cắt ly hợp khi phanh Ngoài ra phải thực hiện các biện pháp để tăng hệ số bám dọc 1
Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ôtô Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức (2.27) bằng cách nhân hai vế với dS (dS – Vi phân của quãng đường), ta cĩ: dv dtdS = φg δ Ç dS Hay là : vdv = eP ì ợ dS (2.31)
Quãng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ v 1 đến v2 Ta có :
S Vađẽ = ∫ úF úA eP ỡ ợ vdv = eP ỡ ợ ∫ vdv úF úA (2.32) Khi phanh đến lúc ô tô dừng hẳn v 2 = 0 :
Từ biểu thức trên ta thấy rằng quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của ô tô lúc bắt đầu phanh, phụ thuộc vào hệ số bám 1 và hệ số tính đến ảnh hưởng của cỏc khối lượng quay ĩ ỏ Để giảm quóng đường phanh cần giảm hệ số ĩ ỏ , cho nờn nếu người lỏi cắt ly hợp trước khi phanh thỡ quóng đường phanh seõ ngaén hôn
Cần lưu ý rằng, theo các công thức trên thì j pmax , t pmin , S pmin phụ thuộc vào hệ số bám 1, nhưng do 1 lại phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên các bánh xe, tức là phụ thuộc vào trọng lượng toàn bộ của xe G Bởi vậy j p , t p , S p có phụ thuộc vào G, mặc dù trong các công thức tính j p , t p , S p không có mặt của G Để hình dung rõ sự thay đổi của quãng đường phanh phỏ nhất theo vận tốc bắt đầu phanh V1 và theo giá trị hệ số bám 1, ta có thể quan sát đồ thị hình 2.6 Từ đồ thị thấy rằng ở vận tốc phanh ban đầu càng cao thì quãng đường phanh Sp càng lớn vì quãng đường phanh phụ thuộc vào bình phương vận tốc V1, đồng thời hệ số bám càng cao thì quãng đường phanh càng giảm
Hình 2.6: Thay đổi quãng đường phanh theo vận tốc bắt đầu phanh và hệ số bám mặt đường
2.3.4 Lực phanh và lực phanh riêng
Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Chỉ tiêu này được dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ôtô trên bệ thử Lực phanh sinh ra ở các bánh xe của ô tô xác định theo biểu thức :
M p – Mômen phanh ở các cơ cấu phanh. r b – Bán kính làm việc trung bình của bánh xe
Lực phanh riêng là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng toàn bộ G
Lực phanh riêng cực đại ứng với khi lực phanh cực đại:
Từ biểu thức (2.37) ta thấy rằng lực phanh riêng cực đại bằng hệ số bám 1 Như vậy về lý thuyết mà nói, trên mặt đường nhựa khô nằm ngang, lực phanh riêng cực đại có thể đạt được giá trị 75 ÷ 80% Trong thực tế giá trị đạt được thấp hơn nhiều, chỉ khoảng 45 ÷ 65%
Ngoài ra cũng có thể sử dụng thông số lực phanh riêng cho từng cầu xe:
Giá trị lực phanh riêng cho từng cầu dùng để đánh giá khả năng sử dụng trọng lượng bám ở từng cầu
Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh thì chỉ tiêu quãng đường phanh là đặc trưng nhất và có ý nghĩa quan trọng nhất, vì quãng đường phanh cho phép người lái hình dung được vị trí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xe phanh ở tốc độ ban đầu nào đấy
Cần chú ý rằng bốn chỉ tiêu nêu trên đều có giá trị ngang nhau (giá trị tương đương), nghĩa là khi đánh giá chất lượng phanh chỉ cần dùng một trong bốn chỉ tieâu treân.
Giản đồ phanh và chỉ tiêu phanh thực tế
Những công thức để xác định gia tốc chậm dần, thời gian phanh và quãng đường phanh dều mang tính lý thuyết, tức là trong điều kiện lý tưởng, khi phanh thì áp suất chất lỏng (hoặc khí nén) có giá trị cực đại ngay tại thời điểm bắt đầu phanh và thời gian phản ứng của lái xe không được kể đến Thời gian phanh không phải tính từ khi phanh bắt đầu có hiệu quả (thời điểm xe bắt đầu giảm V cho đến khi xe dừng hẳn) mà tính từ khi người lái nhận được tín hiệu để phanh Do vậy tp, Sp sẽ lớn hơn so với các giá trị tính theo công thức ở trên Để xác định được quãng đường phanh thực tế cần nghiên cứu quá trình phanh qua các đồ thị thực nghiệm thể hiện quan hệ giữa lực phanh Fp sinh ra ở bánh xe (hoặc moment phanh Mp) với thời gian t Dồ thị này gọi là giản đồ phanh (Hình 2.7)
Giản đồ phanh nhận được từ thực nghiệm và qua giản đồ có thể phân tích được bản chất quá trình phanh
Cần phải hiểu rằng trên giản đồ phanh có thể biểu thị cả quan hệ của lực phanh và gia tốc chậm dần khi phanh
Trên giản đồ góc toạ độ được coi là thời điểm người lái bắt đầu phát hiện ra vật cản, nghĩa là lúc người lái nhìn thấy chướng ngại vật ở phía trước và nhận thức được cần phải phanh xe
Thời gian chuẩn bị phanh và thời gian phanh được phân ra các gian đoạn sau: t1: thời gian phản xạ của người lái, tức là từ lúc thấy chướng ngại vật cho đến lúc tác dụng vào bàn đạp phanh, thời gian này phụ thuộc vào trình độ của người lái Thời gian t1 thời trong khoảng giới hạn t1 = 0,3 – 0,8s t2: thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh, tức là từ lúc người lái tác dụng vào bàn đạp phanh cho đến khi má phanh ép sát vào tang phanh Thời gian này phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, đối với phanh dầu t2 = 0,03 – 0,1s và đối với phanh khí nén t2 = 0,2 – 0,4s t3: thời gian tăng lực phanh hoặc tăng gia tốc chậm dần thời gian này cũng phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, đối với phanh dầu t3 = 0,2 – 0,4s và phanh khí nén là t3 = 0,5 – 1s t4: thời gian phanh hoàn toàn với lực phanh cực đại hoặc với gia tốc chậm dần cực đại Thời gian này được xác định theo công thức (2.31) Trong thời gian này lực phanh và gia tốc chậm dần có giá trị không đổi t5: thời gian nhả phanh sau khi xe dừng, lực phanh giảm đến 0 Đối với phanh dầu t5
= 0,2s và đối với phanh khí nén t5 = 1,5 – 2s
Khi ô tô dừng hoàn toàn thời gian t5 không ảnh hưởng đến quãng đường phanh nhỏ nhất như vậy thời gian phanh tổng cộng kể từ lúc có tín hiệu phanh đến khi xe dừng hẳn là: t = t1 + t2 + t3 + t4 (2.39)
Nếu kể đến thời gian phản xạ của người lái và thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh thì quãng đường phanh thực tế sẽ được xác định theo công thức sau:
Quãng đường phanh tương ứng với khoảng thời gian t1 và t2 khi xe phanh ở vận tốc
S1 + S2 = V1(t1 + t2) (2.41) Quãng đường xe chạy tương ứng với thời gian t3 là:
Quãng đường xe chạy trong thời gian t4 được xác định từ điều kiện cân bằng giữa công do lực phanh sinh ra với động năng của xe:
Trong đó: Fp là lực phanh; V12 là vận tốc ban đầu của ô tô trên đoạn đường S4
Từ đó ta xác định được quãng đường S4 như sau:
Mtuv− °T F ù + L Mtuv ¢ T ù ^ (2.45) Tổng quãng đường của ô tô sẽ là:
Mtuv− j VaZb Fü T ù ^ (2.46) Khi phanh dến hãm cứng các bánh xe ở cả hai cầu, nghĩa là: j VaZb = £ φ (2.47)
Khi đó quãng đường phanh khi cấp tốc sẽ là:
Công thức (2.48) cho phép xác định chính xác hơn quãng đường phanh của ô tô khi phanh cấp tốc trên đường có lớp phủ cứng và lực cản lăn ảnh hưởng không đáng kể nên có thể bỏ qua
Khi tìm hiểu các nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông, thường phải xác định vận tốc của xe khi bắt đầu phanh Để xác định vận tốc này cần phải đo quãng đường trượt lếch của các bánh xe trên đường
Quãng đường trượt lếch của các bánh xe khi chúng bị hãm cứng bằng quãng đường phanh trong khoảng thời gian t4 khi Jpmax không đổi Ta xác định được vận tốc khi bắt đầu phanh V1 như sau:
Trong quá trình sử dụng thực tế, do má phanh bị mòn và do điều chỉnh phanh không đúng sẽ làm cho quãng đường phanh lớn hơn rất nhiều và gia tốc chậm dần khi phanh giảm đi 10 – 15% so với khi phanh còn mới và điều chỉnh đúng
Số liệu cho phép về hiệu quả phanh để ô tô có thể chuyển động an toàn trong mang lưới giao thông đường bộ được Bộ Giao Thông Vận Tải Việt Nam quy định trong “ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với xe ô tô” trình bày ở bảng 2.1 và bảng 2.2
Bảng 2.1: Hiệu quả phanh khi thử không tải (QCVN 09:2015/BGTVT)
Bảng 2.2: Hiệu quả phanh khi thử đầy tải (QCVN 09:2015/BGTVT)
Khi xác định hiệu quả phanh của hệ thống phanh dự trữ của rơ móc và sơmi rơ móc trong thời gian thử trên băng thử cần thoả mãn tiêu chuẩn sau:
Lực phanh tổng không nhỏ hơn 28% trọng lượng toàn bộ ô tô
Thời gian chậm tác dụng phanh của hệ thống không lớn hơn 0,6s.
Tổng quan về Matlab, Simulink & Simechanics
Phần mềm Matlab là một chương trình được viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là các ma trận trên máy tính cá nhân, do công ty “The Mathwors” lập trình Thuật ngữ Matlab có được là do hai từ Matrix và Laboratory ghép lại Chương trình này đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề về tính toán của các bài toán kỹ thuật như: lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu
Matlab được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động bằng bàn phím Nó cũng cho phép chúng ta lập trình với một số ngôn ngữ (C, C++), nhằm tạo ra những thư viện riêng phục vụ cho những mục đích khác nhau Matlab có hơn 25 Toolbox để trợ giúp cho việc khảo sát Toolbox Simulink là phần mở rộng của Matlab, sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi Để mô hình hóa, Simulink cung cấp một giao diện đồ họa để sử dụng và xây dựng mô hình thông qua thao tác “nhấn và kéo chuột” Với giao diện đồ họa ta có thể xây dựng mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn Đây là sự khác xa các phần mềm trước đó mà người ta sử dụng Đặc điểm của Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống Nghĩa là, để mô phỏng hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc thì chuyển sang chương trình Simulink dưới dạng các khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc khảo sát Với cách lập trình như vậy, người nghiên cứu sẽ thấy trực quan và dễ hiểu hơn
Thư viện của Matlab Simulink rất đa dạng với từng phân mục sử dụng cho các lĩnh vực và mục đích khác nhau bao gồm: Simulink, Communications System Toolbox, Compputer Vision System Toolbox, Simcape, Simulink 3D Animation
Simcape là một phân mục của Simulink cho phép tạo nhanh các mô hình vật lý khác nhau Với Simcape, việc xây dựng các thành phần của mô hình vật lý và các kết nối vật lý thực tế sẽ được thay thế bởi việc tạo các biểu đồ khối và kết nối giữa các biểu đồ này Các mô hình vật lý có thể xây dựng với Simcape như: Motor điện, bộ phận chỉnh lưu kiểu cầu, bộ truyền động thủy lực, hệ thống làm mát bằng cách kết nối các thành phần cơ bản vào trong một lược đồ
Sim Mechanics là một mục của Simcape cung cấp một môi trường đa thành phần mô phỏng cho các hệ thống cơ khí như robot, hệ thống treo xe, thiết bị xây dựng và cơ chế, máy móc bất kỳ
Chúng ta mô hình hệ thống bằng cách sử dụng các khối đại diện cho các bộ phận, khớp, các liên kết, và các yếu tố lực, sau đó Sim Mechanics sẽ trình bày và giải các phương trình của chuyển động cho các hệ thống cơ khí hoàn chỉnh
Các mô hình từ các hệ thống CAD, bao gồm khối lượng, quán tính, khớp, các liên kết, và hình học 3D có thể được đưa vào SimMechanics
Một ảnh động 3D tự động được tạo ra cho phép hình dung được một hệ thống động lực học
• Khối và cấu trúc mô hình để mô phỏng và phân tích hệ thống cơ khí 3D trong Simulink
• Định nghĩa vật thể rắn sử dụng tiêu chuẩn hình học và tùy chỉnh extrusions được xác định trong MATLAB
• Tính toán tự động khối lượng và lực quán tính
• Chế độ mô phỏng cho phân tích chuyển động và tính toán lực
• Hình dung và tạo ảnh động của hệ thống động lực học nhiều thành phần với hình học 3D
SimMechanics cung cấp 4 chế độ phân tích chuyển động:
1 Forward Dynamics (Chuyển tiếp động lực) - Gán lực gây trượt và mômen xoắn vào các cơ cấu chấp hành chuyển động dẫn và tính toán các kết quả chuyển động của toàn bộ hệ thống
2 Inverse Dynamics and Kinematics (Nghịch đảo động lực và động học) - Xác định các lực và mômen xoắn được tạo ra bởi các cơ cấu chấp hành để trình bày chuyển động do người dùng quy định
3 Trimming - Nhận diện các nút cân bằng ở trạng thái ổn định được sử dụng cho tuyến tính hóa và hệ thống phân tích
4 Linearization (Tuyến tính hóa) - Trích ra một mô hình tuyến tính có thể dự đoán phản hồi của hệ thống cho các nhiễu loạn trong lực gây trượt, khớp và cấu hình các liên kết, và điều kiện ban đầu
Nhìn chung, các chế độ phân tích trên cho phép kiểm tra hiệu suất cơ học, chọn hệ thống dẫn động thích hợp, và phát triển điều khiển tối ưu
Hình 2.8: Các công cụ sử dụng trong Matlab
SimDriveline Simelectronics Simhydraulics Simmechanics SimPower
Forces and Torques Frame and
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ
Giới thiệu về mô hình mô phỏng
Hình 3.1 Mô hình 3D đầu kéo với khoang người lái đặt trên động cơ và sơmi rơmoóc hai trục tiêu chuẩn
5 Trục chủ động xe đầu kéo
7 Trục bị động xe đầu kéo
Hình 3.2: Mô hình thực tế, đầu kéo với khoang người lái đặt trên động cơ và sơmi rơmoóc ba trục tiêu chuẩn
Hệ phanh tổ hợp xe đầu kéo – bán móc được nhập đồng bộ cùng hệ trục bánh xe là hệ thống phanh tiên tiến có 2 đường dẫn hơi điều khiển từ đầu kéo, bao gồm phanh công tác và phanh đỗ (phanh dừng) Hệ thống phanh được lắp ở tất cả các trục của tổ hợp xe đầu kéo – bán móc
• Phanh công tác: Cơ cấu phanh kiểu tang trống - guốc bố trí ở tất cả vị trí bánh xe Dẫn động cơ cấu phanh bằng khí nén qua đường ống nối từ đầu kéo
• Phanh đỗ (phanh dừng): Cơ cấu phanh sử dụng cùng cơ cấu phanh bánh xe của phanh công tác, dẫn động cơ cấu phanh bằng lò xo tích năng, điều khiển phanh ở sơmi rơmoóc bằng tay, độc lập với điều khiển phanh dừng xe đầu kéo
3.1.1 Các lực tác dụng lên đầu kéo và sơmi rơmoóc
Hình 3.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên xe đầu kéo và sơmi rơmoóc
G, Gt : Trọng lượng xe đầu kéo và trọng lượng sơmi rơmoóc
W1, W2, W3: Phản lực từ mặt đường lên các bánh xe đầu kéo
W4, W5, W6: Phản lực từ mặt đường lên các bánh xe sơmi rơmoóc
Fb1, Fb2, Fb3: Lực phanh tại các bánh xe đầu kéo
Fb4, Fb5, Fb6: Lực phanh tại các bánh xe sơmi rơmoóc
Rdx: Lực dọc tại mâm xoay
Rdz: Phản lực từ mâm xoay lên chốt kéo
Rr1, Rr2, Rr3: Lực cản lăn tại các bánh xe đầu kéo
Rr4, Rr5, Rr6: Lực cản lăn tại các bánh xe sơmi rơmoóc
Ra: Lực cản không khí
Fib1, Fib2: Lực quán tính khi phanh
Cân bằng lực của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc:
- Xét các thành phần lực và moment trên xe đầu kéo:
Hình 3.4: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe đầu kéo
F ầRA + R ảb = R Z + (R gA + R gF + R gừ ) + (F RA + F RF + F Rừ ) (3.2) Nếu bỏ qua lực cản lăn và lực cản không khí:
F ầRA + R ảb = (F RA + F RF + F Rừ ) (3.3)
+ Cân bằng moment của xe đầu kéo:
+ Từ phương trình (3.1), (3.3) và (3.4) suy ta công thức tính lực quán tính khi phanh trên đầu kéo: l 1 l 2 h d
- Xét các thành phần lực và moment trên sơmi rơmoóc:
Hình 3.5: Sơ đồ các lực tác dụng lên sơmi rơmoóc
F ầRF = R ảb + R Z + (R gỹ + R ≠ + R gỷ ) + (F Rỹ + F R≠ + F Rỷ ) (3.7) Nếu bỏ qua lực cản lăn và lực cản không khí:
+ Cân bằng moment của sơmi rơmoóc: l 5
+ Từ phương trình (3.6), (3.8) và (3.9) suy ta công thức tính lực quán tính khi phanh trên sơmi rơmoóc:
Mô hình xe đầu kéo và rơmoóc được xét đến trong đề tài này là dạng đầu kéo với khoang người lái đặt trên động cơ xe liên kết với một sơmi rơmoóc tiêu chuẩn Mô hình có 10 bậc tự do (DOF), với 5 bậc tự do của đầu kéo và 5 bậc tự do của sơmi rơmoóc Mô hình này có xét đến liên kết giữa sơmi rơmoóc và đầu kéo, liên kết này được đưa vào mô hình toán học như là một lò xo liên kết và một giảm chấn với các thông số xác định
Các bậc tự do của đầu kéo bao gồm: Chuyển vị đứng và lắc dọc của khung chassis, và chuyển vị đứng của 3 trục (Một trục bị động và hai trục chủ động) Các bậc tự do của của sơmi rơmoóc bao gồm: Chuyển vị đứng và lắc dọc của chassis và chuyển vị đứng của ba trục sơmi rơmoóc
Hình 3.6: Mô hình hệ 10 bậc tự do z T k 1 c 1 z 1 q T z TLR q TLR k t1 z R1 z R2 z R3 z R4 z R5 k t2 k t3 k t4 k t5 k 2 c 2 k 3 c 3 z 2 z 3 z 4 z 5 k 4 c 4 k 5 c 5 k fw c fw k t6 z 6 z R6 k 6 c 6
Hình 3.7: Các thông số kích thước cơ bản của mô hình
Mô tả mô hình mô phỏng
Để nghiên cứu đáp ứng dao động của đầu kéo sơmi rơmoóc, mô hình toán học được xây dựng bao gồm 10 bậc tự do Các bậc tự do của đầu kéo bao gồm:
Trọng tâm đầu kéo zT
Các bậc tự do của sơmi rơmoóc bao gồm:
1 Chuyển vị đứng: l T2 l T4 l TLR2 l TLR3 l TLR4 l T1 l T3 l TLR1
Trọng tâm sơmi rơmoóc zTLR
Các chuyển vị được xét đến là chuyển vị tuyệt đối.
Mô phỏng khối lượng được treo
Mô hình xe đầu kéo và sơmi rơmoóc bao gồm các khối lượng được treo bởi một hệ thống treo bao gồm hai cặp phần tử đàn hồi và phần tử giảm chấn đặt song song Các tín hiệu kích thích dao động truyền từ mặt đường đến xe thông qua các lốp xe, các lốp này có thể được mô phỏng như là một cặp phần tử đàn hồi và giảm chấn với các thông số độ cứng, và hệ số giảm chấn lốp xác định Tuy nhiên hệ số giảm chấn của các lốp xe rất nhỏ, mô phỏng lốp xe được rút gọn thành một phần tử đàn hồi Liên kết giữa lốp xe và chassis được mô phỏng là một cặp phần tử đàn hồi và giảm chấn khác, tương ứng với các phần tử của hệ thống treo trên mỗi trục xe
Chassis xe đầu kéo lắp trên 3 trục xe, một trục bị động phía trước và hai trục chủ động phía sau Tương tự, chassis sơmi rơmoóc lắp trên 3 trục xe phía sau chassis Sơmi rơmoóc liên kết với đầu kéo qua một mâm móc hậu, mâm móc này cũng được mô phỏng như là một cặp phần tử đàn hồi và giảm chấn đặt song song Mâm móc hậu cũng có thể được xét đến như là một liên kết chốt bằng cách gán giá trị độ cứng của phần tử đàn hồi một giá trị rất lớn, liên kết này chỉ cho phép lực cắt và lực dọc mà không cho phép mômen uốn truyền qua.
Mô phỏng các phần tử treo
Mục đích của hệ thống treo là giảm tác động từ mặt đường lên ô tô đồng thời tối ưu hóa điều kiện lái Có nhiều loại phần tử treo có thề tìm thấy trên các xe đầu kéo và sơmi rơmoóc Các dạng phổ biến là lò xo xoắn ốc, nhíp lá hay dạng lò xo khí nén Trong mô hình đang khảo sát, tất cả các phần tử treo trên mô hình được thể hiện là sự kết hợp của một phần tử đàn hồi và một phần tử giảm chấn
Các tín hiệu kích thích từ mặt đường được xem là đồng nhất giữa bên trái và bên phải Cũng vậy, thông số của các phần tử hệ thống treo được xem là giống nhau giữa hai bên, do vậy mô hình chỉ tập trung khảo sát một phía của hệ thống treo.
Mô phỏng lốp xe
Lốp xe được mô phỏng là một khối lượng đơn giản tại trung tại tâm trục xe bao gồm khối lượng của lốp xe, vành bánh xe và khối lượng trục xe Khối lượng này liên kết với mặt đường thông qua một phần tử đàn hồi và một phần tử giảm chấn tương đương Độ cứng của phần tử đàn hồi này tương ứng với độ cứng lốp, trong khi đó hệ số giảm chấn thể hiện khả năng tiêu tán năng lượng từ sự biến dạng của lốp Hệ số giảm chấn của lốp trong mô hình đang nghiên cứu được xem là một hằng số có giá trị rất nhỏ, nên được bỏ qua không xét đến Trong thực tế hệ số này thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ và các điều kiện môi trường khác.
Thông số của mô hình mô phỏng
Thông số của mô hình mô phỏng được chọn theo đầu kéo Hyundai HD700 có cabin phía trên động cơ và sơmi rơmooc dạng ba trục phổ biến Các thông số được thu thập từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau nhằm tạo ra một bộ thông số mô tả chính xác và đầy đủ nhất cho việc mô phỏng các xe thực tế
Với giả thuyết rằng các thông số của mô hình xe được khảo sát và kích thích từ mặt đường là đối xứng nhau qua đường tâm dọc của xe Nói một cách đơn giản, trục xe bên phải và bên trái có cùng một kích thích từ mặt đường Giả thuyết này cho phép xem xét dao động ở một bên trục duy nhất Bảng thông số chi tiết của mô hình mô phỏng được cho trong phụ lục B
Tọa độ trọng tâm đầu kéo:
Hình 3.8: Vị trí các trục phân bố tải trọng của đầu kéo
Bảng 3.1: Tải trọng phân bố lên các trục của đầu kéo theo nhà sản xuất
Vị trí Tải trọng phân bố
Tọa độ trọng tâm xe đầu kéo:
Tọa độ trọng tâm sơ mi rơmooc:
Truùc 1 Trục 2 Truùc 2 Trục 3 Truùc 3
Hình 3.9: Vị trí các trục phân bố tải trọng của sơ mi rơmoóc
Bảng 3.2: Tải trọng phân bố lên các trục sơ mi rơ mooc khi đầy tải theo nhà sản xuất
Vị trí Tải trọng phân bố
Tọa độ trọng tâm sơ mi rơmooc:
Trục 4 Trục 5 Trục 6 Mâm móc hậu
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật xe đầu kéo
STT Thông số kỹ thuật Đơn vị Giá trị
2 Chiều dài cơ sở mm 3050+1300
3 Vết bánh xe trước sau mm 2040/1850
4 Chiều cao mặt trên mâm kéo mm 1330
Phân bố lên trục trước
Phân bố lên các trục sau kg kg kg
6 Số người ngồi trên cabin 02
Khối lượng cho phép đặt lên mâm kéo theo thiết kế của nhà sản xuất kg 20000
8 Khối lượng cho phép kéo theo kg 70000
9 Khối lượng toàn bộ kg 27900
10 Động cơ D6AC, 4 kỳ, 6 xy lanh thẳng hàng
Công suất cực đại/ số vòng quay ml/v/ph 340/2200
Mô men xoắn lớn nhất kg.m/v/ph 148/1200
11 Hộp số 05 cấp tốc độ, 01 số lùi
12 Hộp số phụ 02 cấp tốc độ, điều khiển khí nén
13 Tỷ số truyền lực chính 5,571
15 Bán kính quay vòng nhỏ nhất m 6,8
16 Vận tốc lớn nhất của đầu kéo km/h 99
Bảng 3.4: Phân bố Khối lượng lên các trục của SMRM
STT Thành phần khối lượng
Phân bố khối lượng (kg)
Mâm móc hậu Trục 4 Trục 5 Trục 6
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của đoàn xe
STT Thông số chung Đơn vị Thông số
1 Kích thước chung ( Dài x Rộng x Cao) mm 12510x2495x4000
2 Khối lượng không tải kg 14250
3 Khối lượng toàn bộ của đoàn xe kg 48750
- Phân bố lên trục trước đầu kéo kg 5490
- Phân bố lên các trục sau đầu kéo kg 19260
- Phân bố lên các trục sau SMRM kg 24000
5 Bán kính ngoài của hành lang quay vòng m
6 Bán kính trong của hành lang quay vòng m
7 Khả năng vượt dốc của đoàn xe % 26
8 Vận tốc cực đại km/h 65
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VỚI MATLAB SIMULINK
Giới thiệu
Mô hình Matlab Simulink mô phỏng dao động của tổ hợp xe đầu kéo và sơmi rơmoóc được xây dựng dựa trên mô hình vật lý với các thông số đã nêu trong Chương 3 và phụ lục A Mô hình cho phép người sử dụng thay đổi các thông số kết cấu và thông số điều kiện làm việc của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc để nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số đến động lực học quá trình phanh của xe Nội dung xây dựng mô hình bao gồm 3 phần chính: Mô phỏng kết cấu xe, mô phỏng đường biên dạng lực phanh theo thời gian và xây dựng các cảm biến đo thông số đầu ra trong môi trường Matlab Simulink.
Mô phỏng kết cấu xe với Matlab Simulink
Kết cấu xe được xây dựng với mục đích mô phỏng dao động bao gồm các thành phần chính như mô hình vật lý đã xây dựng bao gồm:
• Hệ thống treo xe đầu kéo và sơmi rơmoóc
• Lốp xe đầu kéo và sơmi rơmoóc
Matlab Simulink cung cấp các khối chức năng mô phỏng đặc điểm của từng thành phần kết cấu cũng như liên kết giữa chúng với các thông số đặc trưng Bảng 4.1 trình bày các khối chức năng Matlab Simulink sử dụng để mô phỏng kết cấu xe trong nội dung luận văn tương ứng với các thông số đặc trưng của từng khối Nội dung chi tiết của mô hình Matlab Simulink được cho trong phụ lục C
Hình 4.1: Các thông số đầu vào, đầu ra của mô hình mô phỏng
Bảng 4.1: Các khối chức năng Matlab Simulink sử dụng cho mô phỏng kết cấu xe Khối chức năng Simulink
Thông số đặc trưng của thành phần/ Thông số của khối chức năng
Solid Thân xe đầu kéo
Khối lượng/ Mass Mômen quán tính/ Moments of Inertia
Hệ thống treo xe đầu kéo và sơmi rơmoóc Lốp xe đầu kéo và sơmi rơmoóc Mâm móc hậu Độ cứng/ Spring Stiffness (Z Prismatic Primitive (Pz))
Hệ số giảm chấn/ Damping Coefficient (Z Prismatic Primitive (Pz))
Liên kết giữa thân xe và hệ thống treo Độ cứng/ Spring Stiffness (Spherical Prismatic Primitive (S))
Hệ số giảm chấn/ Damping Coefficient (Spherical Prismatic Primitive (S))
Dịch chuyển vị trí tương đối giữa các thành phần
Khoảng cách dịch chuyển/ Translation
Mô phỏng tín hiệu đường biên dạng lực phanh theo thời gian với Matlab
Tín hiệu đường biên dạng lực theo thời gian dùng cho mô phỏng trong nội dung luận văn bao gồm ba dạng:
- Tín hiệu đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmoóc cùng lúc
- Tín hiệu đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmoóc một giây
- Tín hiệu đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmoóc một giây
Tín hiệu đường biên dạng lực theo thời gian dùng cho mô phỏng được xây dựng ở trạng thái tổ hợp xe đang chuyển động với vận tốc 60km/h trên đường phẳng có hệ số bám mặt đường j = 0,7 Khối lượng xe đầu kéo mt = 8720 kg và của sơmi rơmoóc mtlr = 39900 kg
Lực phanh lớn nhất Fpmax được xác định theo điều kiện bám khi các bánh xe bị phanh hoàn toàn và đồng thời theo biểu thức:
! 8+,- = ! # = E 1 Các giá trị thời gian được chọn theo bảng sau:
Bảng 4.2: Các giá trị thời gian tính chọn
Ký hiệu Giá trị(giây) Chú thích t1 0,6 Thời gian phản xạ của người lái: t1 = 0,3 – 0,8s t2 0,4 Thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh: t2 = 0,2
– 0,4s t3 1 Thời gian tăng lực phanh hoặc tăng gia tốc chậm dần: t3 = 0,5 – 1s t4 2,38 Thời gian phanh hoàn toàn với lực phanh cực đại t5 1 Thời gian nhả phanh sau khi xe dừng tt 5,88 Tổng thời gian từ lúc tác động phanh cho đến khi phanh nhả hoàn toàn: tt = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 Điểm O tại gốc toạ độ tương ứng với thời điểm người lái phát hiện ra vật cản, nghĩa là lúc người lái nhìn thấy chướng ngại vật ở phía trước và nhận thức được cần phải phanh xe Giá trị lực phanh cực đại của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc lần lượt là 0,61x10 5 và 2,79x10 5
Hình 4.2: Đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmoóc cùng lúc
Trên hình 4.1 là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực phanh của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc với thời gian phanh như nhau Đường nét liền ứng với lực phanh xe đầu kéo, đường nét đứt ứng với lực phanh sơmi rơmoóc
Từ đồ thị hình 4.1 ta thấy thời gian phanh của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc là như nhau nhưng lực phanh của sơmi rơmoóc lớn hơn của xe đầu kéo rất nhiều Nguyên nhân do tải trọng sơmi rơmoóc lớn
Hình 4.3: Đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmoóc một giây
Trên hình 4.2 là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực phanh của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc với thời gian phanh khác nhau Đường nét liền ứng với lực phanh xe đầu kéo, đường nét đứt ứng với lực phanh sơmi rơmoóc
Từ đồ thị hình 4.2 ta thấy thời gian phanh của xe đầu kéo trễ hơn một giây (1s) so với sơmi rơmoóc do đó khi lực phanh sơmi rơmoóc về giá trị không nhưng xe đầu kéo vẫn còn phanh
Hình 4.4: Đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmoóc một giây
Trên hình 4.3 là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực phanh của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc với thời gian phanh khác nhau Đường nét liền ứng với lực phanh xe đầu kéo, đường nét đứt ứng với lực phanh sơmi rơmoóc
Từ đồ thị hình 4.3 ta thấy thời gian phanh của xe đầu kéo sớm hơn một giây (1s) so với sơmi rơmoóc do đó khi lực phanh xe đầu kéo về giá trị không nhưng sơmi rơmoóc vẫn còn phanh.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Giới thiệu
Mô hình Matlab Simulink đã xây dựng cho phép nghiên cứu dao động của tổ hợp xe đầu kéo và sơmi rơmoóc 3 trục trong các điều kiện hoạt động và thông số kết cấu khác nhau Trong quá trình mô phỏng, điều kiện hoạt động của xe có thể thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của từng trường hợp đến tính năng dao động của xe Tương tự, các thông số liên quan kết cấu của từng bộ phận trên mô hình cũng có thể thay đổi lần lượt để nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của từng bộ phận đến tính năng dao động của xe Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng được phân tích để đánh giá tính năng dao động của tổ hợp xe đầu kéo và sơmi rơmoóc Kết quả mô phỏng bao gồm các thông số đầu ra như: Góc lắc dọc, chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc theo phương thẳng đứng của trọng tâm đầu kéo và sơmi rơmoóc Một số kết quả khác có thể thu được và nghiên cứu trong tương lai, hiện tại không đề cập đến trong nội dung luận văn này bao gồm: Tải trọng tĩnh và tải trọng động tác dụng lên các trục xe, chuyển vị uốn của chassis đầu kéo và sơmi rơmoóc trong quá trình dao động
Các nội dung nghiên cứu và thảo luận cụ thể trong đề tài bao gồm:
• Phân tích các nhân tố động học liên quan đến quá trình phanh:
1 Chuyển vị góc của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
2 Vận tốc góc của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
3 Gia tốc góc của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
• Phân tích các nhân tố động lực học liên quan đến quá trình phanh:
1 Lực tại từng trục của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
2 Lực tác dụng tại chốt kéo của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
3 Mô men quay của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
Cơ sở đánh giá kết quả mô phỏng
Mô hình thực tế với các thông số đã cho trong Chương 3 và Phụ lục A được dùng làm cơ sở để so sánh và đánh giá mô hình xây dựng bằng Matlab Simulink khi thay đổi các thông số mô phỏng Các thông số của mô hình thực tế thu được từ dữ liệu của nhà sản xuất và quá trình khảo sát thực tế Đối với mô hình thực tế, mâm móc hậu là dạng liên kết chốt thông thường và được xem như một liên kết cứng không cho phép dịch chuyển giữa đầu kéo và sơmi rơmoóc.
Phân tích các nhân tố động học liên quan đến quá trình phanh
5.3.1 Chuyển vị góc của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
Hình 5.1: Chuyển vị góc khi phanh của đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc
Hình 5.1 thể hiện trong suốt quá trình phanh, chuyển vị góc của đầu kéo dao động với giá trị dương trong khi chuyển vị góc của sơmi rơmóoc dao động với giá trị âm Điều này chứng tỏ đầu kéo bị nghiêng về phía sau còn sơmi rơmóoc bị nghiêng về phía trước Nguyên nhân do khi phanh tải trọng dịch chuyển về phía chốt kéo.Tải trong đầu kéo cũng bị dịch chuyển về phía trước nhưng do tải trọng ở chốt kéo lớn hơn nhiều nên đầu kéo bị nghiêng về phía sau
Chuyển vị góc đầu kéo đạt giá trị cực đại 0.03 rad (1.72 0 ) Chuyển vị góc của sơmi rơmóoc đạt giá trị cực đại 0.125 rad (7.17 0 )
Hình 5.2: Chuyển vị góc khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc một giây
Hình 5.2 thể hiện chuyển vị góc của đầu kéo dao động với giá trị âm (đầu kéo bị nghiêng về phía trước) trước khi sơmi rơ moóc bắt đầu phanh và dao động với giá trị dương (đầu kéo bị nghiêng về phía sau) trong suốt quá trình phanh của sơmi rơ moóc Nguyên nhân do trước khi sơmi rơ moóc thực hiện quá trình phanh tải trọng đầu kéo bị dịch chuyển về phía trước Khi sơmi rơ moóc thực hiện quá trình phanh, lượng lớn tải trọng dịch chuyển về phía chốt kéo và tác động lên các trục sau của đầu kéo Đối với chuyển vị góc của xe đầu kéo, biên độ dao động thay đổi liên tục và thời gian dao động (16s) kéo dài hơn so với sơmi rơmoóc (12s)
Hình 5.3: Chuyển vị góc khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc một giây
Hình 5.3 thể hiện chuyển vị góc của đầu kéo dao động với giá trị dương (đầu kéo bị nghiêng về phía sau) và chuyển vị góc của sơmi rơmoóc dao động với giá trị âm (sơmi rơmoóc bị nghiêng về phía trước) trong suốt quá trình phanh của sơmi rơmoóc Ở trường hợp này dù xe đầu kéo chưa tác động phanh nhưng vẫn có dao động lớn Nguyên nhân do lượng lớn tải trọng ở sơmi rơmoóc dịch chuyển về phía chốt kéo Khi vừa kết thúc phanh sơmi rơmóoc thì đầu kéo dao động với giá trị âm (nghiêng về phía trước) do tải trọng của sơmi rơmóoc dịch chuyển về phía sau và dao động với giá trị dương Thời gian dao động của xe đầu kéo là 15s và sơmi rơmoóc là 11s
Hình 5.4: Chuyển vị góc của xe đầu kéo ở các thời điểm phanh khác nhau Ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau khi phanh sơmi rơmoóc một giây (đường chấm màu đỏ): xe đầu kéo nghiêng về phía sau nhiều ở thời điểm bắt đầu tác dụng phanh và nghiêng về phía trước nhiều ở thời điểm kết thúc tác dụng phanh Ngược lại với trường hợp trên, Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước khi phanh sơmi rơmoóc một giây (đường chấm gạch màu xanh): xe đầu kéo nghiêng về phía trước nhiều ở thời điểm bắt đầu tác dụng phanh và nghiêng về phía sau nhiều ở thời điểm kết thúc tác dụng phanh
Chuyển vị góc của xe đầu kéo có giá trị lớn nhất ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau khi phanh sơmi rơmoóc một giây (đường chấm màu đỏ), có giá trị nhỏ nhất ở trường hợp phanh xe đầu kéo và sơmi rơmoóc cùng lúc (đường liền màu xanh) Chuyển vị góc đầu kéo đạt giá trị cực đại 0.085 rad (4.87 0 )
Hình 5.5: Chuyển vị góc của sơmi rơmóoc ở các thời điểm phanh khác nhau
Chuyển vị góc của sơmi rơmoóc tương đối giống nhau ở cả ba trường hợp Giá trị lớn nhất ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau khi phanh sơmi rơmoóc một giây (đường chấm màu đỏ), giá trị nhỏ nhất ở trường hợp phanh xe đầu kéo và sơmi rơmoóc cùng lúc (đường liền màu xanh) Chuyển vị góc của sơmi rơmoóc đạt giá trị cực đại 0.138 rad (7.9 0 )
5.3.2 Vận tốc góc của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
Hình 5.6 Vận tốc góc của xe đầu kéo ở các thời điểm phanh khác nhau
Vận tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh sơmi rơmóoc trước (đường chấm màu đỏ) thay đổi nhanh khi vừa tác dụng phanh vào đầu kéo và đạt giá trị cực đại 0.19 rad/s
Vận tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc (đường liền màu xanh dương) thay đổi giống nhau trong suốt quá trình phanh Giá trị cực đại ở trường hợp này là 0.1 rad/s
Vận tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước (đường chấm gạch màu xanh lá) thay đổi nhanh khi vừa bắt đầu và kết thúc tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc Giá trị cực đại tại thời điểm vừa tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc 0.15 rad/s
Hình 5.7: Vận tốc góc của sơmi rơmóoc ở các thời điểm phanh khác nhau
Vận tốc góc của sơmi rơmóoc ở trường hợp phanh sơmi rơmóoc trước (đường chấm màu đỏ) thay đổi nhanh khi vừa bắt đầu và kết thúc tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc và đạt giá trị cực đại 0.19 rad/s
Vận tốc góc của sơmi rơmóoc ở trường hợp phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc (đường liền màu xanh dương) thay đổi cũng tương tự trường hợp phanh sơmi rơmóoc trước Giá trị cực đại ở trường hợp này là 0.17 rad/s
Vận tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước (đường chấm gạch màu xanh lá) thay đổi nhanh khi vừa bắt đầu và kết thúc tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc Giá trị cực đại tại thời điểm vừa tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc 0.21 rad/s
5.3.3 Gia tốc góc của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
Hình 5.8: Gia tốc góc của xe đầu kéo ở các thời điểm phanh khác nhau
Gia tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh sơmi rơmóoc trước (đường chấm màu đỏ) thay đổi nhanh khi vừa tác dụng phanh vào đầu kéo và đạt giá trị cực đại 0.78 rad/s 2
Gia tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc (đường liền màu xanh dương) thay đổi giống nhau trong suốt quá trình phanh Giá trị cực đại ở trường hợp này là 0.5 rad/s 2
Gia tốc góc của xe đầu kéo ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước (đường chấm gạch màu xanh lá)giảm nhẹ sau đó tăng nhanh và thay đổi nhanh khi vừa kết thúc tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc Giá trị gia tốc góc cực đại tại thời điểm vừa kết thúc phanh vào sơmi rơmóoc 0.62 rad/s 2
Hình 5.9: Gia tốc góc của sơmi rơmóoc ở các thời điểm phanh khác nhau
Phân tích các nhân tố động lực học liên quan đến quá trình phanh
5.4.1 Lực tại từng trục của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
5.4.1.1 Lực tại các trục của xe đầu kéo
Hình 5.10: Lực tại các trục của xe đầu kéo khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc
Lực tác dụng lên cả ba trục của đầu kéo đều tăng trong suốt quá trình phanh do ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng từ sơmi rơ moóc qua đầu kéo Tải trọng phân bố chủ yếu tại trục II và trục III của đầu kéo
Lực phân bố lên các trục I,II,III đạt giá trị cực đại tương ứng 1.2x10 5 N, 2.3x10 5 N, 2.4x10 5 N
Hình 5.11: Lực tại các trục của xe đầu kéo khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc một giây
Lực tác dụng lên trục I tăng, trong khi trục II và III giảm trong khoảng thời gian 1s trước khi sơmi rơmoóc bắt đầu phanh do có sự dịch chuyển tải trọng về phía trước đầu xe Lực tác dụng tại các trục I,II,III đều tăng sau khi sơmi rơ moóc phanh Nguyên nhân do khi sơmi rơ moóc thực hiện quá trình phanh, tải trọng dịch chuyển về phía chốt kéo và tác động lên các trục sau của đầu kéo
Lực phân bố lên các trục I,II,III đạt giá trị cực đại tương ứng 1.2x10 5 N, 2.3x10 5 N, 2.5x10 5 N
Hình 5.12: Lực tại các trục của xe đầu kéo khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc một giây
Lực tác dụng lên cả ba trục của đầu kéo đều tăng trong suốt quá trình phanh Nguyên nhân do khi sơmi rơ moóc thực hiện quá trình phanh, tải trọng dịch chuyển về phía chốt kéo và tác động lên các trục sau của đầu kéo
Lực phân bố lên các trục I,II,III đạt giá trị cực đại tương ứng 1.2x10 5 N, 2.4x10 5 N, 2.8x10 5 N
5.4.1.2 Lực tại các trục của sơmi rơmóoc
Hình 5.13: Lực tại các trục của sơmi rơmóoc khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc
Tải trọng phân bố lên trục IV tăng nhẹ trong khi các trục V, VI đều giảm Nguyên nhân do tải trọng phân bố bị dịch chuyển về phía trước trong quá trình phanh
Lực phân bố lên các trục IV, V, VI đạt cực trị tương ứng 1.2x10 5 N, -0.13x10 5 N, -1.4x10 5 N
Hình 5.14: Lực tại các trục của sơmi rơmóoc khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc một giây
Lực tác dụng lên trục IV giảm, trong khi trục V và VI tăng trong khoảng thời gian 1s trước khi sơmi rơ moóc bắt đầu phanh do có sự dịch chuyển tải trọng về phía trước đầu xe Lực tác dụng tại các trục V, VI đều giảm sau khi sơmi rơmoóc phanh và có giá trị âm điều này chứng tỏ các trục này không còn chịu tải (các bánh xe không còn tiếp xúc mặt đường) nhưng do thiết kế hệ thống treo nên thực tế các bánh xe vẫn tiếp xúc mặt đường
Lực phân bố lên các trục IV, V, VI đạt cực trị tương ứng 1.2x10 5 N, -0.13x10 5 N, -1.5x10 5 N
Hình 5.15: Lực tại các trục của sơmi rơmóoc khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc một giây
Lực phân bố lên trục IV tăng nhẹ trong khi các trục V,VI đều giảm Lực tác dụng tại các trục V, VI đều giảm sau khi sơmi rơmoóc phanh và có giá trị âm điều này chứng tỏ các trục này không còn chịu tải (các bánh xe không còn tiếp xúc mặt đường) nhưng do thiết kế hệ thống treo nên thực tế các bánh xe vẫn tiếp xúc mặt đường.Lực phân bố lên các trục IV, V ,VI đạt cực trị tương ứng 1.2x10 5 N, -0.13x10 5 N, -1.6x10 5 N
5.4.1.3 Lực tại từng trục theo các trường hợp tác dụng phanh
Hình 5.16: Lực tại trục I của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh Ở cả ba trường hợp, lực tác dụng lên trục I của xe điều tăng mạnh trong suốt quá trình phanh và đạt giá trị lớn nhất 11.7x10 4 N Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng từ sơmi rơmóoc phân bố qua trục trước và hai trục sau của đầu kéo trong quá trình phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc, lực tại trục I không tăng liền mà chỉ tăng nhẹ ở khoảng thời gian 1 giây trước khi xe đầu kéo tác dụng phanh, sau đó giảm gần về giá trị ban đầu rồi tăng vọt trong suốt quá trình phanh của đầu kéo Nguyên nhân khi tác dụng phanh vào đầu kéo, lượng nhỏ tải trọng phân bố lên trục I sau đó lại dịch chuyền ngay về hai trục sau của xe đầu kéo
Hình 5.17: Lực tại trục II của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh Ở cả ba trường hợp, lực tác dụng lên trục II của xe điều tăng mạnh trong suốt quá trình phanh đạt giá trị lớn nhất 2.42x10 5 N Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng từ sơmi rơmóoc phân bố qua hai trục sau của đầu kéo trong quá trình phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, lực tại trục II không tăng liền mà giảm nhẹ ở khoảng thời gian 1 giây trước khi sơmi rơmóoc tác dụng phanh, sau đó tăng vọt trong suốt quá trình phanh của đầu kéo
Hình 5.18: Lực tại trục III của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh Ở cả ba trường hợp, lực tác dụng lên trục III của xe đều tăng mạnh trong suốt quá trình phanh đạt giá trị lớn nhất 2.8x10 5 N ở trường hợp phanh sơmi rơmóoc trước Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng từ sơmi rơmóoc phân bố qua hai trục sau của đầu kéo trong quá trình phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, lực tại trục III không tăng liền mà giảm (0.4x10 5 N) ở khoảng thời gian 1 giây trước khi sơmi rơmóoc tác dụng phanh, sau đó tăng vọt trong suốt quá trình phanh của đầu kéo Ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc, lực tại trục III giảm nhỏ hơn giá trị ban đầu ở khoảng thời gian 1 giây sau khi sơmi rơmóoc kết thúc tác dụng phanh
Hình 5.19: Phản lực tại trục IV của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh Ở cả ba trường hợp, lực tác dụng lên trục IV của xe đều tăng mạnh trong suốt quá trình phanh, sau đó giảm nhẹ khi vừa kết thúc tác dụng phanh vào xe Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng từ sơmi rơmóoc phân bố qua hai trục sau của đầu kéo trong quá trình phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc, lực tại trục IV không giảm liền về giá trị ban đầu mà tiếp tục giảm ở khoảng thời gian 1 giây sau khi sơmi rơmóoc kết thúc tác dụng phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, lực tại trục IV không tăng liền mà giảm (0.7x10 5 ) ở khoảng thời gian 2 giây trước khi sơmi rơmóoc tác dụng phanh, sau đó tăng vọt trong suốt quá trình phanh của đầu kéo
Hình 5.20: Lực tại trục V của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh Ở cả ba trường hợp, lực tác dụng lên trục V của xe đều giảm mạnh trong suốt quá trình phanh đạt giá trị nhỏ nhất -1.2x10 4 N Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng từ sơmi rơmóoc phân bố qua hai trục sau của đầu kéo trong quá trình phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, phản lực tại trục V không giảm liền mà chỉ giảm ở khoảng thời gian sau khi sơmi rơmóoc tác dụng phanh
Hình 5.21: Lực tại trục VI của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh Ở cả ba trường hợp, lực tác dụng lên trục VI của xe điều giảm mạnh trong suốt quá trình phanh đạt giá trị nhỏ nhất -1.5x10 4 N Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng từ sơmi rơmóoc phân bố qua hai trục sau của đầu kéo trong quá trình phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, lực tại trục VI không giảm liền mà tăng nhẹ sau đó mới giảm ở khoảng thời gian sau khi sơmi rơmóoc tác dụng phanh
5.4.2 Lực tác dụng tại chốt kéo của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
Hình 5.22: Lực tại chốt kéo theo các trường hợp phanh
Lực tác dụng tại chốt kéo tăng nhanh khi tác dụng phanh vào sơmi rơmoóc Nguyên nhân do có một lượng lớn tải trọng của sơmi rơmoóc dịch chuyển về phía chốt kéo Lực tác dụng tại chốt kéo làm thay đổi tải trọng phân bố lên các trục của xe đầu kéo dẫn đến chuyển vị góc cũng thay đổi theo khi tác dụng phanh Lực tác dụng lên chốt kéo đạt giá trị cực đại 3.2x10 5 N
5.4.3 Mô men quay quanh trục y (trục pitch) của tổ hợp xe đầu kéo – sơmi rơmóoc
Hình 5 23: Mô men quay quanh trục y (trục pitch) của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc, mô men quay của đầu kéo có cực trị lớn nhất (6.2x10 4 Nm) ở khoảng thời gian khi vừa tác dụng phanh vào đầu kéo Ở trường hợp phanh xe đầu kéo và cùng lúc sơmi rơmóoc, mô men quay của xe đầu kéo thay đổi như nhau ở đầu và kết thúc tác dụng phanh, cực trị 3.8x10 4 Nm Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, Mô men quay của đầu kéo có cực trị lớn nhất (5x10 4 Nm) ở khoảng thời gian khi kết thúc tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc
Hình 5.24: Mô men quay quanh trục y (trục pitch) của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc, mô men quay của sơmi rơmóoc có cực trị lớn nhất (1.9x10 5 Nm) ở khoảng thời gian khi vừa tác dụng phanh vào đầu kéo Ở trường hợp phanh xe đầu kéo và cùng lúc sơmi rơmóoc, mô men quay của sơmi rơmóoc có cực trị lớn nhất (1.7x10 5 Nm) ở khoảng thời gian khi vừa tác dụng phanh Ở trường hợp phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc, Mô men quay của sơmi rơmóoc hầu như không thay đổi cho đến khi vừa tác dụng phanh vào sơmi rơmóoc,có cực trị 2x10 5 Nm.