Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích động lực học quá trình phanh của tổ hợp xe đầu kéo - bán móc kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab - Simmechanics

TRẦN HOÀNG VỦ

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHANH CỦA TỔ HỢP XE ĐẦU KÉO – BÁN MÓC KẾT HỢP SỬ DỤNG

PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MATLAB – SIMMECHANICS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 năm 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN HOÀNG VỦ MSHV: 1570828

Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1992 Nơi sinh: Trảng Bàng – Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích động lực học quá trình phanh của tổ hợp xe đầu kéo –

bán móc kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab – Simmechanics

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán học mô tả

dao động trong suốt quá trình phanh của đầu kéo, bán móc và tổ hợp đầu kéo – bán móc Xây dựng mô hình mô phỏng dao động xe bằng phần mềm Matlab – Simmechanics dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của xe Nhận xét kết quả thu được từ đó rút ra các kết luận về ảnh hưởng của thông số hệ thống phanh đến trạng

thái dao động của xe

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2019 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN HỮU NHÂN

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyễn Lê Duy Khải

LỜI CẢM ƠN

Trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Trần Hữu Nhân vì đã tận tình hướng dẫn, khuyến khích và giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin kính chúc Thầy và gia đình luôn luôn mạnh khỏe, vui tươi và hạnh phúc

Cũng xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải và Thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Dũng vì đã tham dự hội đồng phản biện và có những góp ý đáng giá để nội dung của luận văn được hoàn thiện hơn

Xin cảm ơn Bộ phận đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian thực hiện và bảo vệ luận văn

Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân đã khuyến khích, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn

Cuối cùng xin cảm ơn các anh chị học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực đã có nhiều đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thành luận văn này

Dù đã rất cố gắng nhưng nội dung luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để nội dung luận văn hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019

Trần Hoàng Vủ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tóm tắt:

Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, luận văn trình bày mô hình vật lý và mô hình toán học mô tả dao động trong suốt quá trình phanh của đầu kéo, bán móc và tổ hợp đầu kéo – bán móc Tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng dao động xe bằng phần mềm Matlab – Simmechanics dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của xe Từ đó, ta có thể nhận xét kết quả thu được và rút ra các kết luận về ảnh hưởng của thông số hệ thống phanh đến trạng thái dao động của xe

Abstract:

Utilizing theoretical research method, this thesis demonstrates the physical and mathematical model illustrating movement during brake of the tractor, semi-trailer and the tractor - semi-trailer combination The author built the simulation model for vehicle movement using Matlab - Simmechanics software based on the vehicle’s technical specification From that, the thesis discusses the results to draw conclusions on the brake system’s specification to the vehicle’s movement

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trinh nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Hữu Nhân Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Tp HCM, ngày 05 tháng 09 năm 2019

Trần Hoàng Vủ

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU xiii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Đối tượng nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Lực phanh và các moment tác dụng lên bánh xe khi phanh 4

2.2 Lực phanh trên ô tô và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu 6

2.2.1 Lực phanh trên ô tô 6

2.2.2 Điều kiện đảm bảo phanh tối ưu 8

2.2.3 Phân bố lực phanh và moment phanh của ô tô 10

2.2.4 Moment phanh cần thiết tại các cơ cấu phanh 13

2.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh 15

2.3.1 Gia tốc chậm dần khi phanh 15

2.3.2 Thời gian phanh 16

2.3.3 Quãng đường phanh 17

2.4 Giản đồ phanh và chỉ tiêu phanh thực tế 21

2.5 Tổng quan về Matlab, Simulink & Simechanics 25

2.5.1 Tổng quan về Matlab 25

2.5.2 Matlab Simulink & Simcape 25

2.5.3 Sim Mechanics 26

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 29

3.1 Giới thiệu về mô hình mô phỏng 29

3.2 Mô tả mô hình mô phỏng 35

3.3 Mô phỏng khối lượng được treo 36

3.4 Mô phỏng các phần tử treo 37

3.5 Mô phỏng lốp xe 37

3.6 Thông số của mô hình mô phỏng 37

Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VỚI MATLAB SIMULINK 43

4.1 Giới thiệu 43

4.2 Mô phỏng kết cấu xe với Matlab Simulink 43

4.3 Mô phỏng tín hiệu đường biên dạng lực phanh theo thời gian với Matlab Simulink 45

Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 49

5.1 Giới thiệu 49

5.2 Cơ sở đánh giá kết quả mô phỏng 49

5.3 Phân tích các nhân tố động học liên quan đến quá trình phanh 50

5.4 Phân tích các nhân tố động lực học liên quan đến quá trình phanh 59

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

6.1 Kết luận 74

6.2 Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC A: THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA MÔ HÌNH XE ĐẦU KÉO VÀ SƠMI RƠMOÓC 77 PHỤ LỤC B: MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK CỦA TỔ HỢP XE ĐẦU KÉO VÀ SƠ MIRƠ MOÓC 81 PHỤ LỤC C: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG BIÊN DẠNG LỰC THEO THỜI GIAN CỦA XE ĐẦU KÉO VỚI MATLAB SIMULINK 88 PHỤ LỤC D: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG BIÊN DẠNG LỰC THEO THỜI GIAN CỦA SƠMI RƠMOÓC VỚI MATLAB SIMULINK 89 PHỤ LỤC E: VỊ TRÍ ĐẶT CẢM BIẾN TRÊN MÔ HÌNH MATLAB SIMULINK CỦA TỔ HỢP XE ĐẦU KÉO VÀ SƠMI RƠMOÓC 90 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 91

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 b1 m Khoảng cách từ đường tâm dọc xe đến tâm hệ thống treo trước

2 b2 m Khoảng cách từ đường tâm dọc xe đến tâm hệ thống treo sau

3 c N/(m/s) Hệ số giảm chấn của phần tử giảm chấn hệ thống treo

4 ct N/(m/s) Hệ số giảm chấn của lốp xe (Cĩ giá trị nhỏ)

7 Fj N Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô

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

10 !# N Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

12 g m/s2 Gia tốc trọng trường

13 h m Khoảng cách từ toạ độ trọng tâm xe đầu kéo đến mặt đất

14 ht m Khoảng cách từ toạ độ trọng tâm sơmi rơmoĩc đến mặt đất

15 Iɵ Kg.m2 Mô men quán tính lắc dọc 16 Ij Kg.m2 Mô men quán tính lắc ngang

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Lực phanh trên bánh xe 4

Hình 2.2: Các lực tác dụng lên ôtô khi phanh 6

Hình 2.3: Mối liên hệ giữa moment phanh Mp1 và Mp2 với hệ số bám φ 11

Hình 2.4: Đường đặc tính phanh lý tưởng 12

Hình 2.5: Quan hệ giữa áp suất dẫn động phanh trước và phanh sau 13

Hình 2.6: Sự thay đổi quãng đường phanh theo vận tốc bắt đầu phanh và hệ số bám 19

Hình 2.7: Giản đồ phanh 21

Hình 2.8: Các công cụ sử dụng trong Matlab 28

Hình 3.1: Mô hình 3D đầu kéo với khoang người lái đặt trên động cơ và sơmi rơmoóc hai trục tiêu chuẩn 29

Hình 3.2: Mô hình thực tế, đầu kéo với khoang người lái đặt trên động cơ và sơmi rơmoóc ba trục tiêu chuẩn 30

Hình 3.3: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe đầu kéo và sơmi rơmoóc 31

Hình 3.4: Sơ đồ các lực tác dụng lên xe đầu kéo 32

Hình 3.5: Sơ đồ các lực tác dụng lên sơmi rơmoóc 33

Hình 3.6: Mô hình hệ 10 bậc tự do 34

Hình 3.7: Các thông số kích thước cơ bản của mô hình 35

Hình 3.8: Vị trí các trục phân bố tải trọng của đầu kéo 38

Hình 3.9: Vị trí các trục phân bố tải trọng của sơ mi rơmoóc 39

Hình 4.1: Thông số đầu vào, đầu ra của mô hình mô phỏng……….44

Hình 4.2: Đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmoóc cùng lúc 46

Hình 4.3: Đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmoóc một giây 47Hình 4.4: Đường biên dạng lực khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmoóc một giây 48

Hình 5.1: Chuyển vị góc khi phanh của đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc 50

Hình 5.2: Chuyển vị góc khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc một giây 51

Hình 5.3: Chuyển vị góc khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc một giây 52

Hình 5.4: Chuyển vị góc của xe đầu kéo ở các thời điểm phanh khác nhau 53

Hình 5.5: Chuyển vị góc của sơmi rơmóoc ở các thời điểm khác nhau 54

Hình 5.6: Vận tốc góc của xe đầu kéo ở các thời điểm khác nhau 55

Hình 5.7: Vận tốc góc của sơmi rơmóoc ở các thời điểm khác nhau 56

Hình 5.8: Gia tốc góc của xe đầu kéo ở các thời điểm khác nhau 57

Hình 5.9: Gia tốc góc của sơmi rơmóoc ở các thời điểm khác nhau 58

Hình 5.10: Lực tại các trục của xe đầu kéo khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc 59

Hình 5.11: Lực tại các trục của xe đầu kéo khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc một giây 60

Hình 5.12: Lực tại các trục của xe đầu kéo khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc một giây 61

Hình 5.13: Lực tại các trục của sơmi rơmóoc khi phanh xe đầu kéo và sơmi rơmóoc cùng lúc 62

Hình 5.14: Lực tại các trục của sơmi rơmóoc khi phanh xe đầu kéo trước sơmi rơmóoc một giây 63

Hình 5.15: Lực tại các trục của sơmi rơmóoc khi phanh xe đầu kéo sau sơmi rơmóoc một giây 64

Hình 5.16: Lực tại trục I của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh 65

Hình 5.17: Lực tại trục II của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh 66

Hình 5.18: Lực tại trục III của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh 67

Hình 5.19: Lực tại trục IV của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh 68

Hình 5.20: Lực tại trục V của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh 69

Hình 5.21: Lực tại trục VI của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh 70

Hình 5.22: Lực tại chốt kéo theo các trường hợp phanh 71

Hình 5.23: Mô men quay của xe đầu kéo theo các trường hợp phanh 72

Hình 5.24: Mô men quay của sơmi rơmóoc theo các trường hợp phanh 73

Hình A.1 ― Mô hình hệ 10 bậc tự do DOF 77

Hình A.2 ― Các thông số kích thước cơ bản của mô hình 78

Hình B.1 ― Mô hình Matlab Simulink của tổ hợp xe đầu kéo & sơmi rơmoóc 81

Hình B.2 ― Mô hình Matlab Simulink của thân xe đầu kéo (Tractor Body) 82

Hình B.3 ― Mô hình Matlab Simulink của sơmi rơmoóc (Trailer Body) 83Hình B.4 ― Mô hình Matlab Simulink của hệ thống treo xe đầu kéo (Tractor Suspension) sơmi rơmoóc (Trailer Suspension) 84Hình B.5 ― Mô hình Matlab Simulink của hệ thống treo xe đầu kéo (Tractor Suspension) sơmi rơmoóc (Trailer Suspension) 85Hình B.6 ― Mô hình Matlab Simulink của lốp xe đầu kéo (Tractor Tire) 86Hình B.7 ― Mô hình Matlab Simulink của lốp xe sơmi rơmoóc (Trailer Tire) 87Hình C.1 ― Mô phỏng đường biên dạng lực theo thời gian của xe đầu kéo với Matlab Simulink 88Hình D.1 ― Mô phỏng đường biên dạng lực theo thời gian của xe đầu kéo với Matlab Simulink 89Hình E.1 ― Vị trí đặt cảm biến (Sensor) trên mô hình mô hình Matlab Simulink của tổ hợp xe đầu kéo và sơmi rơmoóc 90

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1: Hiệu quả phanh khi thử không tải (QCVN 09:2015/BGTVT) 24Bảng 2.2: Hiệu quả phanh khi thử đầy tải (QCVN 09:2015/BGTVT) 25Bảng 3.1: Tải trọng phân bố lên các trục của đầu kéo theo nhà sản xuất 38Bảng 3.2: Tải trọng phân bố lên các trục sơ mi rơ mooc khi đầy tải theo nhà sản 39Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật xe đầu kéo 40Bảng 3.4: Phân bố Khối lượng lên các trục của SMRM 41Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của đoàn xe 41Bảng 4.1: Các khối chức năng Matlab Simulink sử dụng cho mô phỏng kết cấu xe 44Bảng 4.2: Các giá trị thời gian tính chọn 45Bảng A.1: Thông số hình học của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc 79Bảng A.2: Các thông số đặc trưng cho quán tính của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc 79Bảng A.3: Thông số hệ thống treo của xe đầu kéo và sơmi rơmoóc 79Bảng A.5: Thông số độ cứng lốp 80

Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Số lượng phương tiện giao thông đường bộ ngày càng nhiều, đa dạng về chủng loại, trong khi đó, hạ tầng giao thông chưa đáp ứng kịp Tai nạn giao thông do ô tô gây ra phụ thuộc điều kiện môi trường giao thông, người lái và tình trạng kỹ thuật ô tô Hệ thống phanh trên ô tô là hệ thống cơ bản giúp bảo đảm ổn định và an toàn chuyển động của xe

Hệ thống phanh giữ một vai trò quan trọng đảm bảo an toàn khi chuyển động của ô tô, giúp giữ an toàn cho người, hàng hóa và phương tiện Để quá trình phanh ô tô đạt hiệu quả cao, giữ ổn định hướng chuyển động tốt phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển quá trình phanh

Do yêu cầu ngày càng cao về tính an toàn chuyển động và tiện nghi của ô tô, việc nghiên cứu động lực học chuyển động xe nói chung, nghiên cứu chuyển động của xe khi phanh và phát triển các hệ thống điều khiển quá trình phanh nói riêng luôn được các nhà khoa học và hãng sản xuất ô tô trên thế giới dành sự quan tâm đặc biệt Có thể nói, trên thế giới việc nghiên cứu hệ thống phanh và điều khiển quá trình phanh đã phát triển tương đối toàn diện nhưng vì nhiều lý do khác nhau mà các kết quả nghiên cứu chưa công bố một cách đầy đủ, chủ yếu mang tính chất giới thiệu, vì vậy việc ứng dụng vào sản xuất ô tô trong nước còn hạn chế

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và mang tính cấp thiết của ngành công nghiệp ô tô đòi hỏi nhanh chóng làm chủ kỹ thuật, công nghệ hiện đại, tiến tới tự chủ trong khai thác, sửa chữa và sản xuất chế tạo các cụm, hệ thống, trong đó có hệ thống phanh Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống phanh, điều khiển quá trình phanh ô tô, nhưng cho đến nay, các kết quả nghiên cứu đó chưa đáp ứng yêu cầu thiết kế, chế tạo các cụm, hệ thống, chi tiết nhằm nâng cao chất lượng ô tô lắp ráp và sản xuất trong nước

Ý tưởng phân tích động lực học quá trình phanh tổ hợp xe đầu kéo - bán móc

kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab – Simmechanics được đưa ra từ

những phân tích trên Qua đó đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của hệ dẫn động và độ tin cậy của hệ thống phanh

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là tính năng động lực học của tổ hợp xe đầu kéo và sơ mi rơmooc 3 trục Cụ thể, các thông số của mô hình nghiên cứu được lấy từ xe đầu kéo Hyundai HD700 và một sơmi rơmoóc 3 trục có tải trọng 30T tiêu chuẩn

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Vấn đề dao động của xe khi chuyển động là một vấn đề rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và các trạng thái làm việc khác nhau Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu động lực học quá trình phanh của tổ hợp xe đầu kéo bán móc trên đường thẳng

Ứng dụng phần mềm MATLAB Simmechanics, tiến hành mô phỏng, phân tích các tính năng động lực học khi phanh của xe đầu kéo bán móc

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục đích chính của đề tài này mang tính từng bước góp phần xây dựng cơ sở cho việc nghiên cứu có bài bản về xe đầu kéo bán móc ở Việt Nam Nội dung đề cập ở đây là nghiên cứu phân tích các tính năng động lực học quá trình phanh, qua đó đánh giá được hiệu quả sử dụng của xe, từ đó khắc phục những nhược điểm về cấu tạo, đề xuất phương án cải tạo, nếu có nhu cầu phát triển để sử dụng phổ biến

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng MATLAB - SIMMECHANICS và nghiên cứu ứng dụng phần mềm trong phần tính để đánh giá các tiêu chí kỹ thuật của xe về tính năng động học, động lực học của xe Phát triển các đề tài mô phỏng trước đây bằng cách thay đổi thông số để tìm ra kết quả mô phỏng tốt nhất

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: 1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Sử dụng các kiến thức về cơ học chuyển động của ô tô để phân tích bài toán dao động xe, từ đó đưa ra được ảnh hưởng của thông số hệ thống phanh tới tính năng ổn định của xe Tìm hiểu về các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả hệ thống phanh để phân tích khả năng thay đổi thời gian phanh của đầu kéo và bán móc, từ đó rút ra được kết luận về khả năng cải thiện được sự ổn định của xe với việc sử dụng hệ thống phanh

2 Sử dụng phần mềm MATLAB Simmechanics để mô phỏng lại sự thay đổi các thông số của hệ thống phanh, ứng với các các trạng thái làm việc khác nhau Từ các đồ thị kết quả thu được ta rút ra các nhận xét và đánh giá mức độ ổn định của tổ hợp xe đầu kéo bán móc

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 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:

Trong đó :

!#– 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 :

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

2.2 Lực phanh trên ơ tơ và điều kiện đảm bảo phanh tối ưu

2.2.1 Lực phanh trên ơ tơ

Hình 2.2: Các lực tác dụng lên ơtơ 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.

+ W1, W2: Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau v

FjF

+ Fp1, Fp2: Lực phanh ở các bánh xe trước và sau.
+ !$: Lực cản không khí.

+ Fj: Lực quán tính khi phanh có gia tốc chậm dần.
Lực quán tính Fj được xác định theo biểu thức sau :

WA =H

PR Q = WAT mAV = GAT mAV (2.7) WF = H

PZ Q = WFT mFV = GFT mFV (2.8) W1t, W2t – 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)

m1p, m2p – Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh

G1t, G2t – 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 :

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 :

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 dM]

dM^ luôn thay đổi Muốn vậy phải thay đổi được mômen phanh Mp1, Mp2 sinh ra ở các cơ cấu phanh đặt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau Để thay đổi Mpi 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 G1 (hoặc W1) tăng lên, G2 (hoặc W2) giảm xuống, dẫn đến lực bám Fj1 tăng, Fj2 giảm, hậu quả là : Fp1 < Fj1, Fp2 > Fj2,

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 ơ tơ

Muốn quá trình phanh cĩ 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 cĩ thể viết quan hệ giữa moment phanh ở các bánh xe như sau:

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

Mp2

1: Đầy tải 2: Không tải

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:

21

được gọi là đường đặc tính lý tưởng của bộ điều hồ lực phanh

Muốn đảm bảo đường đặc tính p2 = f(p1) theo đúng đồ thị trên hình 2.5 thì bộ điều hồ lực phanh phải cĩ kết cấu rất phức tạp Hiện nay trên ơ tơ để đường đặc tính thực tế gần đúng với đường đặc tính lý tưởng người ta phải bố trí hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

1: Đầy tải 2: Khơng tải

Hình 2.5 Quan hệ giữa áp suất dẫn động phanh trước và phanh sau

2.2.4 Moment phanh cần thiết tại các cơ cấu phanh

Mômen phanh sinh ra ở các cơ cấu phanh của ô tô phải đảm bảo giảm tốc độ hoặc dừng ô tô hoàn toàn với gia tốc chậm dần trong giới hạn cho phép Ngoài ra còn phải đảm bảo giữ ô tô đứng ở độ dốc cực đại (mômen phanh sinh ra ở phanh tay)

Đối với ô tô lực phanh cực đại có thể tác dụng lên một bánh xe ở cầu trước khi phanh trên đường bằng phẳng là:

1

Với:

G - Trọng lượng ô tô khi tải đầy.

GAT, GFT - Tải trọng tương ứng (phản lực của đất) tác dụng lên cầu trước và sau ở trạng thái tĩnh, trên bề mặt nằm ngang.

mAV, mFV- Hệ số thay đổi tải trọng tương ứng lên cầu trước và cầu sau khi phanh

a,b - Khoảng cách tương ứng từ trọng tâm ô tô đến cầu trước và cầu sau.
L - Chiều dài cơ sở của ô tô.

1 - Hệ số bám dọc giữa lốp và đường (1 = 0,7 ÷ 0,8)

Các hệ số m1p, m2p cho trường hợp phanh với cường độ phanh lớn nhất (jp = jpmax) sẽ là :

jmax - Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh

1x - Hệ số đặc trưng cho cường độ phanh.( 1x =;yz{

rb – Bán kính làm việc trung bình của bánh xe Khi tính toán có thể chọn 1x = 0,4 ÷ 0,5 và 1 = 0,7 ÷ 0,8

Đứng về kết cấu của cơ cấu phanh guốc mà xét thì mômen phanh Mp1 và Mp2 phải bằng:

2.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình phanh

Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh ơ tơ cĩ 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 :

Trong đĩ :

Fj – Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô Fp – Lực phanh sinh ra ở các bánh xe Ff – Lực cản lăn

Fw – Lực cản không khí

Fh – Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí

Fi – Lực cản lên dốc

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 cĩ thể coi lực phanh sẽ cân bằng với lực quán tính:

Để jpmax tăng thì ta giảm Üá và tăng 1.

+ Giảm Üá bằng cách tách 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 Üá= 1 và gia tốc trọng trường g = 10 m/s2 thì gia tốc chậm dần cực đại khi phanh trên đường nhựa tốt, khơ, nằm ngang cĩ thể đạt trị số lớn nhất jpmax = 7,0 ÷ 8,0 m/s2

2.3.2 Thời gian phanh

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 :

2.3.3 Quãng đường phanh

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:

dvdtdS =

φgδÇ dS Hay là : vdv = ePì

Quãng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ v1 đến v2 Ta có :

Cần lưu ý rằng, theo các công thức trên thì jpmax, tpmin, Spmin 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 jp, tp, Sp có phụ thuộc vào G, mặc dù trong các công thức tính jp, tp, Sp 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 cĩ 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 :

FV = fM

Trong đĩ :

Fp – Lực phanh ô tô.

Mp – Mômen phanh ở các cơ cấu phanh.
rb – 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 0

5,511,1 16,6 22,2V1[m/s]

=0,5 =0,7

của ô tô, nghĩa là :

Ngồi ra cũng cĩ thể sử dụng thơng số lực phanh riêng cho từng cầu xe: FgA =dM]

2.4 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

Hình 2.7: Giản đồ phanh

Pp

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:

Sp = S1 + S2 + S3 + S4 (2.40)

Quãng đường phanh tương ứng với khoảng thời gian t1 và t2 khi xe phanh ở vận tốc V1 sẽ là:

S1 + S2 = V1(t1 + t2) (2.41) Quãng đường xe chạy tương ứng với thời gian t3 là:

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:

VA = §2 g φ STg+=.e.Tù

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

2.5 Tổng quan về Matlab, Simulink & Simechanics

2.5.1 Tổng quan về Matlab

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

2.5.2 Matlab Simulink & Simcape

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

2.5.3 Sim Mechanics

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