Nghiên cứu động học của dẫn động phanh khí nén trên xe ô tô

Khác với chất lỏng, không khí có khả năng chịu nén, dưới tác dụng của áp suất thể tích không khí bị thay đổi vì vậy lan truyền áp suất trong dẫn động khí nén bị chậm, không tức thời như

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA DẪN ĐỘNG

PHANH KHÍ NÉN TRÊN XE Ô TÔ

PHẠM ĐÌNH HÙNG

HÀ NỘI 2005

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA DẪN ĐỘNG

PHANH KHÍ NÉN TRÊN XE Ô TÔ

Lời nói đầu 5

Chương 2 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả động học 14 trong dẫn động phanh khí nén

2.1 Sơ đồ tiêu biểu của hệ thống phanh khí nén 14 2.2 Các chế độ làm việc đặc trưng trong dẫn động phanh khí nén 20 2.3 Phương pháp mô phỏng tập trung để nghiên cứu động 21 học trong dẫn động phanh khí nén

2.4 Các giả thiết khi xây dựng mô hình 23 2.5 Phương trình vi phân mô tả động học dòng khí qua mỗi 24 phần tử của dẫn động khí nén

2.5.1 Phương trình lưu lượng của máy nén khí 24 2.5.2 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén qua 25 đường ống

2.5.3 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén vào 26 bình khí nén

2.5.4 Lưu lượng và biến đổi áp suất qua các van 27 2.5.5 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén vào 31 bầu phanh

2.6 Hệ phương trình vi phân mô tả các chế độ làm việc dẫn 34 động khí nén của hệ thống phanh chính

2.6.3 Quá trình nhả phanh (xả khí) 49

Chương 3 Mô phỏng hệ thống phanh khí trên máy tính 51

3.1 Giới thiệu chung về MatLab - Simulink 51 3.2 Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí nén qua 57 các phần tử của hệ thống dẫn động phanh khí

3.2.1 Mô phỏng hoạt động của máy nén khí 57 3.2.2 Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí 58 nén qua đường ống

3.2.3 Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí 60 nén vào bình khí

3.2.4 Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí 60 nén qua van

3.2.5 Mô phỏng lưu lượng và sự biến đổi áp suất của khí 62 nén vào bầu phanh

3.3 Mô phỏng các quá trình làm việc của hệ thống dẫn động phanh 63 3.3.1 Mô phỏng quá trình nạp khí 63 3.3.2 Mô phỏng quá trình đạp phanh 65 3.3.3 Mô phỏng quá trình xả khí 67

Chương 4 Tính toán và phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến 70

hệ thống dẫn động phanh khí nén

4 2.1 Phân tích kết quả trong quá trình nạp khí 74 4.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình nạp khí 78 4.2.3 Phân tích kết quả trong quá trình đạp phanh 83 4.2.4 Phân tích kết quả trong quá trình nhả phanh (xả khí) 85

Chương 5 Nghiên cứu động học dẫn động phanh khí có trang 88

bị ABS

5.1 Vai trò của bộ chống hãm cứng bánh xe ABS 88

5.4 Mô phỏng sự làm việc của dẫn động phanh khí có bộ ABS 99 5.5 Khảo sát trên bộ số liệu cụ thể của xe PAZ-32053 102

Phụ lục 108

CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG TRONG LUẬN VĂN

A Hệ số thực nghiệm = 0,654

B Hệ số thực nghiệm = 1,13

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

.

.

pi Áp suất dòng khí tại tiết diện thứ i N/m2

pra Đối áp (áp suất đầu ra) của máy nén khí N/m2

R Hằng số khí lý tưởng, đối với không khí R=287,14 m2/(s2Ko)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự tăng trưởng kinh tế, giao thông ôtô ở nước ta đã có những phát triển mạnh cả về số lượng và chất lượng Tuy nhiên, khi mật độ giao thông cũng như tốc độ vận chuyển trung bình của ôtô trên đường tăng lên thì việc đảm bảo an toàn giao thông càng có ý nghĩa quan trọng đặc biệt

Các xe thế hệ mới có hệ thống phanh với những tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật cao nhằm đáp ứng các qui định ngày càng khắt khe đảm bảo an toàn cho người, hàng hoá vận chuyển và phương tiện giao thông Trên các xe ô tô hiện đại hệ thống phanh dẫn động hai dòng được sử dụng thay thế cho hệ thống phanh một dòng nhằm tăng mức độ an toàn cho xe Các hệ thống phanh có trang bị bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh được sử dụng rộng rãi không chỉ đối với xe du lịch mà còn trên các xe tải, xe bus

Ngành công nghiệp ôtô của nước ta trong những năm gần đây ngoài các liên doanh lắp ráp ôtô du lịch, xe bus cỡ nhỏ đã xây dựng nhiều nhà máy chế tạo ôtô mới và bắt đầu đưa vào sản xuất các xe vận tải, xe chở khách cỡ trung

và cỡ lớn Trên các loại xe này sử dụng hệ thống phanh khí nén dẫn động hai dòng, có đặt bộ tự động điều chỉnh lực phanh hoặc bộ ABS trên dẫn động phanh các bánh xe cầu sau

Các xe ôtô được lắp ráp, chế tạo trong nước trong tương lai gần sẽ không chỉ nhằm thoả mãn nhu cầu của vận chuyển hàng hoá và hành khách trong nước mà còn nhằm mục tiêu xuất khẩu ra nước ngoài Một số nhà máy như công ty ôtô 1-5 đã nhận được các đơn đặt hàng từ các nước Trung đông

và châu Phi

Phấn đấu cho mục tiêu tăng tỷ lệ nội địa hoá, tại các công ty liên doanh, các nhà máy sản xuất lắp ráp ôtô ngoài việc nhập tổng thành còn tiến hành sản xuất các hệ thống, cụm chi tiết của xe, trong đó có cả các cụm chi tiết của hệ

thống phanh Tuy nhiên để đảm bảo các yêu cầu về khả năng làm việc và chất lượng các cụm chi tiết sẽ chế tạo để "nội địa hoá", các nhà máy, cơ sở chế tạo rất cần có các tài liệu hướng dẫn cách tính toán, các khảo sát nghiên cứu và tập hợp đủ các số liệu cần thiết cho việc thiết kế, tính toán Cho đến nay, ở nước ta các công trình nghiên cứu tính toán hệ thống phanh khí nén thường chỉ dừng ở giai đoạn tính toán tĩnh mà chưa có các nghiên cứu đầy đủ về quá trình động học của dẫn động phanh cũng như khảo sát, phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của dẫn động phanh khí nén

Xuất phát từ tình hình trên, tôi đã đề xuất đề tài: “Nghiên cứu động học của dẫn động phanh khí nén trên xe ô tô” Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu quá trình động học dẫn động phanh khí nén ở trong các chế độ làm việc của

hệ thống phanh khí nói chung và hệ thống phanh khí có trang bị ABS nói riêng Phân tích các nhân tố ảnh hưởng tới các chế độ làm việc của dẫn động phanh khí nén để làm căn cứ cho việc xác định, lựa chọn các phần tử trong hệ thống dẫn động phanh

Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS TS Phạm Hữu Nam, cùng tập thể các thầy giáo trong bộ môn Ôtô - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm đào tạo sau đại học của Nhà trường đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt khoá học vừa qua

Phạm Đình Hùng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Hệ thống phanh trên các xe ôtô vận tải có tải trọng trung bình và lớn, các xe bus chở khách từ 24 chỗ ngồi trở lên thường sử dụng dẫn động phanh kiểu khí nén hoặc thuỷ- khí, điện-thuỷ-khí vì dẫn động phanh thuỷ lực thông thường đơn giản thì không thể đáp ứng được yêu cầu về lực phanh trên các xe tải trọng lớn

Môi chất công tác trong hệ thống phanh thuỷ lực làm nhiệm vụ truyền trực tiếp lực của người điều khiển tác động lên bàn đạp phanh tới các xi lanh công tác ở các bánh xe Vì lực cơ bắp của người điều khiển chỉ có hạn (tới

700 N) nên trị số lực phanh mà xi lanh công tác có thể sinh ra cũng bị giới hạn Trong hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén, lực của người điều khiển chỉ làm nhiệm vụ đóng mở van phanh chính cung cấp dòng khí nén tới các bầu phanh công tác ở các bánh xe Vì vậy lực phanh sinh ra ở các bánh xe không còn bị giới hạn bởi lực tác động lên bàn đạp phanh mà chỉ phụ thuộc vào áp suất của môi chất công tác là khí nén và các kích thước kết cấu của bộ phận sinh lực là các bầu phanh

Môi chất công tác trong dẫn động phanh khí là không khí nén Chất khí

và chất lỏng có một số tính chất giống nhau những cũng có rất nhiều điểm khác nhau nên phải có các công thức riêng để tính toán thông số trạng thái của chất khí Khác với chất lỏng, không khí có khả năng chịu nén, dưới tác dụng của áp suất thể tích không khí bị thay đổi vì vậy lan truyền áp suất trong dẫn động khí nén bị chậm, không tức thời như trong dẫn động phanh kiểu thuỷ lực

do đó trong các tính toán quá trình động học của dòng khí nén cần có các thông số đặc trưng cho tính chịu nén của không khí Khối lượng riêng của không khí nén thay đổi rất lớn khi áp suất hay nhiệt độ khối khí bị thay đổi Đặc trưng cho trạng thái của môi chất khí là các thông số áp suất p, nhiệt

độ T, thể tích V, khối lượng m Khi tính toán dẫn động khí nén, để khảo sát sự

biến đổi áp suất khí tại các điểm khác nhau trong dẫn động cần phải xây dựng được các biểu thức tính toán liên hệ giữa các thông số trạng thái p, V, T, m với các thông số kết cấu của dẫn động cụ thể như chiều dài, đường kính các đường ống dẫn, thể tích các bình chứa khí, các van cũng như cách bố trí, nối ghép giữa chúng

Trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản về nhiệt động học, các định luật thực nghiệm về chất khí cho phép khảo sát và tính toán các thông số trạng thái khí (p, V, T) của quá trình đẳng nhiệt (định luật Boyle-Mariotte), quá trình đẳng

áp (định luật Gay Lussac), quá trình đẳng tích (định luật Charles) Đối với khối lượng m khí theo định luật hợp nhất của chất khí ta luôn có đẳng thức:

= Nhà vật lý Vander Walls nghiên cứu

về trạng thái của các chất khí thực đã đưa ra phương trình liên hệ khi xét với 1 mol khí thực:

RT b V V

số này thường được xác định bằng thực nghiệm (xem chương II, hình 2.8)

Do mức độ phức tạp của các quá trình xảy ra trong hệ thống dẫn động khí nén nên cho đến nay vẫn chưa tìm được biểu thức toán học chính xác nhằm mô tả hàm lưu lượng Trong tính toán vẫn phải sử dụng các công thức kinh nghiệm hoặc các công thức gần đúng được xây dựng dựa trên cơ sở một

loạt các giả thiết nên độ chính xác không cao Hiện nay có nhiều công thức để tính lưu lượng khí Công thức Xanh-vơ-năng và Van-xê-li cho dòng khí chảy đoạn nhiệt qua vòi phun có hai trường hợp:

- dòng khí chảy dưới tới hạn (ứng với  >0,528) 

k

1 2

1

2 )

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

áp suất không thứ nguyên ở chế độ chảy giới hạn của dòng khí

579 , 0 1

2 2588 , 0 )

−

=

k gh





Công thức của F.E Sal-vi-lơ: trong khảo sát thực tế, dòng chảy trong các ống dẫn và các thiết bị khí cũng như thuỷ lực thường chỉ đạt các giá trị nhỏ hơn so với trị số gh và có dạng:

2 1

1 )

trong đó trị số gh được xác định bằng thực nghiệm

Công thức thực nghiệm của N.P Mết-li-úc:

Khi lấy A = 0,654 và B = 1,13 thì cuối cùng, phương trình tính lưu lượng khí đi qua tiết lưu có dạng:

1 654

, 0

RT

p v f dt

gh

Ngoài ra còn nhiều công thức tính hàm lưu lượng của các tác giả khác nhưng trong đề tài chỉ sử dụng các công thức của N.P Mết-li-úc bởi sử dụng công thức này trong các bài toán thì có thể đơn giản hoá bài toán đi rất nhiều

(không còn chế độ 2 dòng chảy nữa) và đặc biệt là khi ứng dụng cụ thể cho thấy công thức này cho kết quả rất gần với thực nghiệm

Một hệ thống dẫn động khí nén là sự nối ghép của nhiều phần tử khí động và có các chế độ làm việc đặc trưng Việc tính toán động học đối với hệ dẫn động phanh khí nén nhằm khảo sát qui luật biến đổi của áp suất khí nén theo thời gian tại các điểm bất kỳ trong hệ dẫn động, các nhân tố gây ra tổn thất lưu lượng, làm chậm quá trình xác lập trị số áp suất khí nén ở đầu ra của

hệ thống (tại các van điều khiển, các bầu phanh )

Trong các giáo trình đại học [2, 3, 14] hướng dẫn tính toán dẫn động phanh khí nén thường chỉ giới hạn ở việc tính toán các thông số cơ bản như tính chọn máy nén khí, diện tích làm việc của các van, các bầu phanh nhằm đảm bảo khả năng tạo lực phanh phù hợp với tải trọng tĩnh đặt trên các bánh

xe của ôtô Các công thức tính toán ở đây cho phép xác định được các quan

hệ lực với các dịch chuyển của các van, hành trình của pít tông trong bầu phanh khi thực hiện quá trình phanh [14] Nhược điểm của các tính toán này

là ở chỗ không khảo sát được qui luật biến đổi theo thời gian của áp suất, lưu lượng dòng khí qua các vị trí, phần tử trong hệ dẫn động do đó cũng khó khăn khi phân tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu, chế độ dòng chảy đến sự làm việc của hệ thống

Các tác giả N.F Mết-Lúc, V.P, Av-tu-sen-kô [10] và nhiều tác giả khác

đã tiến hành nghiên cứu quá trình động học trong dẫn động khí nén và thủy lực Sử dụng phương pháp mô phỏng tập trung các tác giả N.F Mết-Lúc, V.P, Av-tu-sen-kô đã xây dựng các phương trình mô tả biến đổi của lưu lượng, áp suất qua các phần tử khí động (tiết lưu, thể tích khí) Các kết quả nghiên cứu này có thể dùng làm cơ sở để tính toán, khảo sát quá trình động học trong một

hệ dẫn động khí nén có nối ghép nhiều phần tử khí động phức tạp

Trên các ôtô hiện đại, dẫn động hệ thống phanh không sử dụng loại một dòng mà sử dụng hệ dẫn động nhiều dòng (đối với hệ phanh chính thông dụng

là dẫn động hai dòng) có khả năng làm việc độc lập nhờ đó làm tăng tính an toàn chuyển động của ôtô đặc biệt khi có xảy ra sự cố hư hỏng cục bộ ở trên đường ống dẫn, trong các van điều khiển hoặc hư hỏng riêng rẽ ở các xi lanh phanh bánh xe Đối với hệ thống phanh khí nén dẫn động nhiều dòng, mỗi dòng có nguồn năng lượng (bình chứa khí riêng), có tín hiệu điều khiển riêng

và có tính độc lập tương đối với các tín hiệu điều khiển ở các dòng khác Với đặc điểm này việc tính toán các phần tử trong hệ thống phanh khí nén dẫn động nhiều dòng sẽ có nhiều điểm khác với tính toán ở dẫn động phanh một dòng

Nhằm nâng cao chất lượng phanh của ôtô trong hệ thống phanh các xe hiện đại sử dụng bộ tự động điều chỉnh lực phanh cho các bánh xe cầu sau hoặc bộ chống hãm cứng các bánh xe khi phanh Bộ điều chỉnh lực phanh làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh áp suất trong dẫn động ra bầu phanh của các bánh xe cầu sau, không cho lực phanh vượt quá giới hạn bám của các bánh xe với mặt đường, nhờ đó làm tăng tính ổn định của xe trong quá trình phanh

Bộ chống hãm cứng bánh xe trong quá trình phanh (ABS) làm nhiệm vụ điều chỉnh áp suất trong dẫn động sao cho lực phanh sinh ra ở các bánh xe được phát huy ứng với khả năng bám tối ưu giữa bánh xe với mặt đường Các nghiên cứu thực nghiệm [2] cho thấy, hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh thay đổi phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và độ trượt của bánh xe với mặt đường Trong vùng độ trượt dọc của bánh xe từ 0,17  0,3 hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường có trị số cao nhất trong khi hệ

số bám ngang cũng đạt trị số khá lớn

Trong hệ thống phanh có trang bị ABS, các tín hiệu về gia tốc, tốc độ chuyển động của xe, vận tốc góc của bánh xe được gửi về bộ điều khiển điện

tử trung tâm (ECU) Từ ECU sẽ phát ra tín hiệu điều khiển các trạng thái đóng mở các van điện từ để điều khiển quá trình nạp, xả khí ở các bầu phanh sao cho lực phanh ở bánh xe luôn đạt được trị số cao nhất theo khả năng bám ứng với độ trượt tối ưu (opt = 0,17  0,3)

Các hãng sản xuất ôtô, các trung tâm nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản cũng như tính toán cụ thể đối với dẫn động phanh khí nén trên các ôtô hiện đại, tuy nhiên các số liệu, công thức tính toán này thường không được công bố rộng rãi Đối với lĩnh vực nghiên cứu chế tạo ôtô trong nước, cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu, tính toán dẫn động phanh khí hai dòng cũng như khảo sat quá trình hoạt động của dẫn động phanh khí có trang bị ABS

Tính toán động học đối với hệ thống dẫn động phanh khí nén rất phức tạp do số lượng các phương trình vi phân liên hệ các thông số khí động giữa các phần tử được nối ghép, các thông số trạng thái dòng khí Trước đây khi chưa có phương tiện máy tính điện tử, các tính toán phải thực hiện bằng tay nên không những mất nhiều thời gian mà còn phải chấp nhận những giả thiết đơn giản nhằm đảm bảo cho khả năng thực hiện các tính toán [10] Những điều đó làm hạn chế độ chính xác, tin cậy giữa kết quả tính theo mô hình lý thuyết và thực tế

Ngày nay, phương tiện máy tính điện tử đã phát triển trở thành công cụ trợ giúp đắc lực để tính toán kỹ thuật đặc biệt đối với việc tính toán các quá trình động học các hệ thống năng lượng Sử dụng phần mềm tính toán MATLAB cùng công cụ Simulink của nó sẽ cho phép ta mô phỏng quá trình động học trong dẫn động phanh khí nén, tiến hành tính toán nhanh và cho kết quả với độ chính xác và tin cậy cao hơn

Để có thể đạt được các chỉ tiêu chất lượng, số lượng và tính chất kỹ thuật công nghệ cao của các cụm chi tiết, hệ thống trên ôtô sẽ được "nội địa

hoá", các nhà máy, cơ sở chế tạo rất cần có các tài liệu hướng dẫn cách tính toán, các mô hình khảo sát nghiên cứu có độ tin cậy và cho kết quả sát tính toán lý thuyết sát với thực nghiệm Việc xây dựng mô hình nghiên cứu quá trình động học trong dẫn động phanh khí nén trên các ôtô hiện đại đối với công nghiệp ôtô trong nước sẽ có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cấp bách Xuất phát từ các nhu cầu nêu trên, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu động học của dẫn động phanh khí nén trên ô tô”

Các mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

1 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả động học của hệ thống phanh khí dẫn động hai dòng

2 Sử dụng công cụ Simulink để mô phỏng trên máy tính quá trình động học của dẫn động phanh khí nén trong các trường hợp không có bộ ABS và có trang bị bộ ABS

3 Đo đạc các thông số của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên một

xe cụ thể để làm bộ số liệu tính toán khảo sát quá trình động học trong dẫn động phanh khí nén Tiến hành tính toán trên mô hình đã xây dựng

4 Đánh giá các kết quả thu được và phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số kết cấu, chế độ làm việc của dẫn động đến quá trình động học trong dẫn động phanh khí nén ôtô, trên cơ sở đó đề xuất các yêu cầu kỹ thuật, biện pháp cải thiện hiệu quả làm việc của dẫn động phanh khí nén trên ôtô

Nội dung luận văn được trình bày trong 6 chương:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả động học dẫn động phanh khí nén

Chương 3 Sử dụng Simulink để mô phỏng động học dẫn động phanh khí nén trên máy tính

Chương 4 Tính toán trên bộ số liệu cụ thể và phân tích các nhân tố ảnh hưởng

Chương 5 Nghiên cứu động học dẫn động phanh khí nén có trang bị ABS

Chương 6 Kết luận chung

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ ĐỘNG HỌC TRONG DẪN ĐỘNG PHANH KHÍ NÉN

Trong quá trình làm việc, các thông số trạng thái của không khí trong

hệ thống dẫn động phanh luôn luôn biến đổi Để nghiên cứu lưu lượng, áp suất của dòng khí qua mỗi phần tử của hệ thống dẫn động phanh cần phải xây dựng được các hệ phương trình vi phân để mô tả toán học Qua đó tìm ra được các kết quả bằng số để có thể xác định rõ được các thông số trạng thái của không khí trong hệ thống dẫn động phanh

2.1 Sơ đồ tiêu biểu của hệ thống phanh khí nén

Sơ đồ hệ thống phanh khí nén hai dòng đơn giản

Trên hình 2.1 trình bày sơ đồ hệ thống phanh khí hai dòng của xe

HIK-431410 không có bộ điều chỉnh lực phanh, không có hệ dẫn động khí nén ra phanh rơ moóc

Các phần tử chức năng của hệ thống dẫn động phanh khí nén gồm:

- Máy nén khí 20 là nguồn cung cấp khí nén cho toàn bộ hệ thống

- Các bình khí 2, 5, 14, 15 và van xả của bình khí là dung tích chứa khí nén cho hệ thống

- Van điều chỉnh áp suất 12 làm chức năng của van an toàn, nó có nhiệm vụ giữ cho áp suất của hệ thống không vượt quá áp suất qui định Trong hệ thống phanh khí nén ôtô, áp suất qui định từ 6,5 đến 7,5 .105 N/m2.

- Van bảo vệ ba ngả 8 sử dụng để phân dòng khí nén cấp cho các mạch dẫn động khác nhau Chức năng bảo vệ của van này là ở chỗ có khả năng tự động ngắt dòng khí cấp cho mạch bị hư hỏng (sự cố) với mục đích giữ cho các mạch còn lại có thể làm việc bình thường

- Van phanh chính kiểu 2 dòng 11 gồm có hai khoang làm việc, một khoang chứa van điều khiển chế độ làm việc của dòng khí nén cấp cho bầu

phanh các bánh xe cầu trước, một khoang để điều khiển dòng khí nén cấp cho bầu phanh của các bánh xe cầu sau

- Các bầu phanh 1, 16 ở các bánh xe là cơ cấu sinh lực phanh các bánh xe Ngoài các phần tử trên, trong hệ thống còn bố trí các phần tử khác như: các cảm biến, đồng hồ đo áp suất, van kiểm tra áp suất, van nhả phanh nhanh

- Trên xe còn có hệ thống phanh dừng được thực hiện nhờ các lò xo trong các bộ tích năng ở các bánh xe cầu sau Van phanh tay (phanh dừng) 18 điều khiển việc xả khí nén hoàn toàn ra khỏi xi lanh bộ tích trữ năng lượng (tích năng) của bầu phanh bánh xe sau (nhằm giữ cố định ô tô khi đỗ hoặc khi đứng ở trên dốc)

Hệ thống phanh khí không có bộ điều hoà lực phanh có nhược điểm là lực phanh ra các bánh xe cầu trước và cầu sau là như nhau không phù hợp với trọng lượng bám phân bố trên các bánh xe cầu trước và sau trong quá trình phanh vì vậy dẽ gây hiện tượng trượt lết các bánh xe cầu sau làm mất tính ổn định chuyển động của xe khi phanh

Sơ đồ hệ thống phanh khí nén hai dòng có bộ điều chỉnh lực phanh các bánh xe cầu sau.

Trên hình 2.2 trình bày sơ đồ hệ thống phanh khí hai dòng có bộ điều chỉnh lực phanh các bánh xe cầu sau của xe HIK-433100 Ngoài các phần tử chức năng như của hệ thống dẫn động phanh khí xe HIK-431410 trên hình 2.1,

hệ thống phanh này còn có phần tử quan trọng là bộ điều chỉnh lực phanh các bánh xe cầu sau 30 dùng để tự động thay đổi áp suất khí nén trong các bầu phanh các bánh xe cầu sau tuỳ thuộc vào tải trọng tác dụng lên cầu sau khi phanh Ngoài ra, để tăng thêm hiệu quả và ổn định ở các chế độ phanh khác nhau, trong hệ thống còn bố trí các van phụ như:

14

biến điện khí nénphanh rơ moóc; 6- Van hệ thống phanh bổ trợ; 7- Bộ chia khí (phân phối khí); 8- Van xả phanh dừng khi có sự cố; 9- Bình khí nén cho cầu sau; 10- Bình trung gian (bình ngưng); 11- Bình khí nén cho cầu trước; 12- Van xả cặn; 13- Cảm biến điện khí nén sự giảm áp trong hệ thống phanh và là cảm biến đóng phanh dừng; 14- Van bảo vệ 3 ngả (van chia); 15- Van phanh dừng; 16- Xi lanh khí nén của dẫn động cơ cấu phanh bổ trợ; 17- Đồng hồ áp suất 2 kim; 18- Van phanh chính; 19- Van bảo vệ hai ngả (van chia); 20- Bộ điều chỉnh áp suất (van an toàn); 21- Bình chống đông; 22- Bình khí cho hệ thống phanh dừng; 23- Bình khí cho hệ thống phanh bổ trợ; 24- Van điều khiển hệ thống phanh rơ moóc có 1 dẫn động; 25- Van điều khiển hệ thống phanh rơ moóc có 2 dẫn động; 26- Van bảo vệ 1 ngả; 27- Van tăng tốc; 28- Bầu phanh bánh sau; 29- Van nhả phanh nhanh; 30- Bộ điều hoà lực phanh; 31- Van thông hai đường; 32, 33- Các đầu nối

15

Hình 2.1 Sơ đồ phanh ZIL-431410 (Loại không có rơ moóc)

(Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh khí 2 dòng không có bộ điều hoà lực phanh và ABS) 1- Bầu phanh bánh xe cầu trước; 2- Bình khí nén cho cầu sau; 3- Cảm biến sự giảm áp suất tín hiệu phanh (kiểu điện khí nén); 4- Van xả cặn; 5- Bình tách hơi ẩm (bình trung gian); 6- Bộ chia (phân phối) khí nén; 7- Van bảo vệ 1 ngả; 8- Van bảo vệ 3 ngả (van chia); 9- Cảm biến tín hiệu phanh điện khí nén; 10- Van kiểm tra áp suất ra; 11- Van phanh chính (tổng phanh); 12- Van điều chỉnh áp suất (van an toàn); 13- Bình chống đông (xả cặn); 14- Bình khí cho phanh tay (phanh dừng); 15- Bình khí nén cho cầu trước; 16- Bình tích năng bánh xe cầu sau (bầu phanh bánh xe cầu sau); 17- Van nhả phanh nhanh; 18- Van phanh tay (phanh dừng); 19- Đồng hồ đo áp suất; 20- Máy nén khí

- Van giảm áp 4 ở các bánh xe cầu trước: có nhiệm vụ làm giảm áp suất khí nén trong các bầu phanh của các bánh xe trước khi phanh với cường

độ phanh nhỏ, với mục đích làm chậm thời gian tác dụng của các bánh xe cầu trước so với các bánh xe cầu sau (khi mới bắt đầu phanh) nhằm cải thiện tính

ổn định và tính dẫn hướng (đặc biệt là trên đường trơn lầy) Mặt khác, van giảm áp còn dùng để tăng áp suất khí nén trong các bầu phanh trong các bánh

xe trước đến áp suất giới hạn trong các bánh xe cầu sau khi phanh với cường

độ lớn nhất Đồng thời làm nhiệm vụ xả nhanh khí nén từ bầu phanh các bánh

xe trước khi thôi phanh

- Van gia tốc 27 có tác dụng làm giảm thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh dừng và phanh dự trữ nhờ việc rút ngắn đường nạp khí nén vào bình tích trữ năng lượng lò xo và đường khí xả từ chúng ra khí quyển

Ngoài ra hệ thống phanh này còn có các mạch điều khiển phanh rơ moóc, phanh bổ trợ vv

Hệ thống phanh khí nén có bộ điều chỉnh lực phanh có thể tự động thay đổi áp suất khí nén trong các bầu phanh các bánh xe cầu sau tuỳ thuộc vào tải trọng tác dụng lên cầu sau khi phanh nên đã khắc phục được các nhược điểm của hệ thống phanh hai dòng thông thường, tính ổn định hướng của xe khi phanh được cải thiện Tuy nhiên, hệ thống phanh này còn nhược điểm là không khắc phục được hiện tượng trượt lết của các bánh xe cầu trước và không giữ được bánh xe luôn ở trong vùng có độ trượt tối ưu nên chưa đạt được hiệu quả phanh cao nhất

Những xe ô tô có hệ thống phanh khí nén có bộ điều chỉnh lực phanh hiện đang sử dụng ở trong nước như các xe: KAMAZ-5320, ZIL-133, ZIL-

43110, KAMAZ-54112, HYUNDAI vv

Sơ đồ hệ thống phanh khí có bộ chống hãm cứng bánh xe ABS

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh khí của xe OAH-32053

1- Máy nén khí; 2- Van phanh chính (tổng phanh); 3- Van bảo vệ 4 ngả (van chia); 4- Bộ gom dầu mỡ; 5- Van điều chỉnh áp suất (van an toàn) có bộ sấy; 6- Van nhả phanh nhanh; 7- Bộ chống hãm cứng bánh xe ABS; 8- Van phanh tay (phanh dừng); 9- Van xả cặn tự động; 10- Bình khí nén cho cầu sau; 11- Bình khí nén cho cầu trước; 12- Bình tích năng; 13- Bình trung gian (bình ngưng hơi nước); 14- Bình khí để mở cửa xe; 15- Bình tích năng bánh xe cầu sau (bầu phanh bánh xe cầu sau); 16- Bầu phanh bánh xe cầu trước; 17- Đồng

hồ đo áp suất; 18- Van xả cặn; 19- Công tắc tín hiệu phanh; 20- Cảm biến sự

cố áp suất khí; 21- Van kiểm tra đầu ra

Trên hình 2.3 giới thiệu sơ đồ hệ thống phanh khí hai dòng có bộ

chống hãm cứng bánh xe ABS của xe OAH-32053 Ngoài các phần tử chức

năng như của hệ thống dẫn động phanh khí xe HIK-431410 trên hình 2.1, hệ

thống phanh này còn có phần tử quan trọng là bộ điều khiển chống hãm cứng bánh xe ABS

ABS làm việc theo chế độ chu trình và có thể tiến hành theo chu kỳ hai pha hoặc ba pha ABS điều khiển quá trình tăng - giảm áp suất ở bầu phanh các bánh xe theo một trong các nguyên lý: theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh hoặc theo giá trị độ trượt cho trước hay theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của nó

Ưu điểm của hệ thống phanh có trang bị ABS là luôn đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu và đảm bảo giữ ổn định hướng trong khi phanh

Bộ chống hãm cứng bánh xe ABS làm nhiệm vụ giữ cho bánh xe trong quá trình phanh ở độ trượt thay đổi trong một giới hạn hẹp quanh giá trị tối ưu

0, do đó đảm bảo được cả hai yếu tố là: hiệu quả phanh cao nhất và tính ổn định hướng, tính dẫn hướng tốt khi phanh

Những xe ô tô có hệ thống phanh khí có bộ chống hãm cứng bánh xe

ABS được sử dụng trong nước như xe: OAH-32053; xe tải của hãng

Mercedes, xe tải Hino

2.2 Các chế độ làm việc đặc trưng trong dẫn động phanh khí nén

Hệ thống dẫn động phanh khí nén trên ôtô là sự nối ghép của nhiều phần tử khí động, mỗi phần tử có chức năng và nhiệm vụ riêng Tuỳ thuộc vào chế độ làm việc của hệ thống (nạp khí cho bình khí, đạp phanh, xả phanh ) các van điều khiển sẽ có trạng thái đóng mở phối hợp khác nhau Để tiện cho việc nghiên cứu quá trình động học có thể phân chia các trạng thái làm việc của dẫn động khí nén của hệ thống phanh chính ra 3 chế độ làm việc đặc trưng là: chế độ nạp khí, chế độ đạp phanh và chế độ xả phanh

Chế độ nạp khí là quá trình khí nén từ máy nén khí qua các phần tử (bộ

điều chỉnh áp suất vào bình trung gian, qua van chia ) đến các bình khí nén

của hệ thống Đặc trưng cho quá trình này là sự tăng áp suất trong các bình khí Trong chế độ này, máy nén khí thường làm việc với tốc độ vòng quay lớn nhất

Chế độ đạp phanh là quá trình từ khi đạp lên bàn đạp phanh, khí nén từ

bình khí nén của dẫn động phanh cầu sau qua khoang trên của van phanh chính, đến các bầu phanh sau và khí từ bình khí nén của dẫn động phanh cầu trước, qua khoang dưới của van phanh chính đến các bầu phanh trước Đặc điểm của quá trình này là sự tăng áp suất khí nén vào các bầu phanh, nhờ đó lực phanh tác dụng lên bánh xe sẽ tăng lên Trong quá trình này sẽ xảy ra hiện tượng xả khí (giảm áp suất) từ bình khí nén để nạp đầy cho các bầu phanh (là các phần tử có dung tích thay đổi)

Chế độ nhả phanh (xả khí) là quá trình khi nhả phanh (không đạp lên

bàn đạp phanh), khí nén từ bầu phanh thoát ra khí quyển, các chi tiết của bầu phanh trở về vị trí ban đầu

Việc phân chia 3 chế độ làm việc của dẫn động phanh khí nén nhằm khoanh vùng, phân nhỏ để dễ khảo sát các biến đổi về lưu lượng và áp suất khí nén qua từng phần tử của hệ thống Qua đó xác định rõ và dễ phân tích các nhân tố ảnh hưởng Mặt khác, mỗi chế độ có đặc điểm khác nhau, yêu cầu khác nhau nên việc tính toán cũng khác nhau Việc phân chia các chế độ làm việc về cơ bản không ảnh hưởng tới các thông số cần nghiên cứu, khảo sát và

có thể cho kết quả theo yêu cầu

2.3 Phương pháp mô phỏng tập trung để nghiên cứu động học trong dẫn động phanh khí nén

Bản chất phương pháp mô phỏng tập trung

Để nghiên cứu động lực học của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén cần phải thiết lập được các phương trình vi phân mô tả quá trình làm việc của

hệ thống Vì trong thực tế bản chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong hệ thống rất phức tạp nên việc mô phỏng một cách chính xác là không thể thực

hiện được, đặc biệt là quá trình quá độ Do vậy, người ta thường phải sử dụng các phương pháp mô phỏng gần đúng để giải quyết vấn đề này Để nghiên cứu động học của hệ thống dẫn động phanh khí nén trên xe ô tô có nhiều phương pháp để nghiên cứu Một trong những phương pháp được sử dụng

rộng rãi nhất là phương pháp mô phỏng có tên gọi là “Mô phỏng tập trung”

Bản chất của phương pháp này là tính toán động học khí nén qua các phần tử của hệ thống dẫn động phanh khí nén (máy nén khí, các bình chứa khí, đường ống dẫn khí và van phân chia, van hạn chế áp suất, van phanh chính, các bầu phanh ở các bánh xe, các van phụ) thực hiện theo các nguyên tắc sau:

1 - Thể tích khí chứa trong phần tử được coi là tập trung tại một dung tích Dung tích này có thể là không đổi hoặc biến đổi trong quá trình hệ thống làm việc (quá trình tính toán)

2 - Sức cản dòng chuyển động của các phần tử khí được ký hiệu tập trung bằng một tiết lưu, tiết lưu này có thể có tiết diện không đổi hoặc có thể thay đổi Đặc trưng sức cản khí động qua mỗi phần tử là hệ số cản khí động  Qua mỗi phần tử có cản khí động phức tạp (ví dụ: cản của ống và van; cản của các đoạn ống có các đường cong khác nhau ), hệ số cản khí động được tính theo nguyên lý cộng (xếp chồng) các tổn thất

=  

o i f

3 - Mối ghép giữa các phần tử gọi là điểm nút Tổng lưu lượng khí đi vào

và ra khỏi điểm nút (có xét đến dấu) tại thời điểm xét bằng 0

0 ) ( (2.2)

Hình 2.4 Lưu lượng đi qua điểm nút

Từ hình 2.4 ta có phương trình lưu lượng khí tức thời đi qua điểm A như

sau:

m1 - m2- m3 - m4 + m5= 0 (2.3)

Hình 2 5 biểu diễn phân chia các điểm nút (Y 1 và Y 2) để khảo sát tính

toán cho một mạch nối ghép gồm các phần tử: máy nén khí, van điều chỉnh áp

Hình 2.5 Điểm nút khảo sát một mạch nối ghép

Phương pháp chung để tính toán các thông số trạng thái của hệ thống là

tiến hành tính toán lần lượt từng nút theo trình tự kể từ đầu vào lần lượt tới

các nút kế tiếp sau Lấy kết quả tính áp suất cuối của nút trước làm áp suất

đầu vào cho nút sau

Phương pháp “Mô phỏng tập trung” có ưu điểm là tương đối đơn giản,

dễ thực hiện Mặc dù khối lượng tính toán lớn nhưng nó cho phép nghiên cứu

hệ thống phức tạp có những giả thiết gần giống với thực tế với độ chính xác

cao

2.4 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

V 2

Để cho việc xây dựng mô hình mô tả toán học sự làm việc của hệ thống dẫn động phanh khí nén không quá phức tạp và việc tính toán đơn giản hơn

mà vẫn đảm bảo được tính chính xác cần thiết, trong đề tài có một số giả thiết sau:

- Nhiệt độ trong toàn hệ thống dẫn động phanh khí nén và trong suốt quá trình khảo sát đều bằng nhau và không đổi

- Khi tính toán các phần tử có thể tích thay đổi (bầu phanh), có thể bỏ qua: hệ số ma sát giữa màng bầu phanh với thành bầu phanh; ma sát nhớt; khối lượng của màng bầu phanh

- Việc đóng mở các van điều khiển được coi là tức thời

2.5 Phương trình vi phân mô tả động học dòng khí qua mỗi phần tử của dẫn động phanh khí nén

Trong hệ thống phanh khí có nhiều phần tử như: máy nén khí, các đường ống, các bình khí và các loại van Mỗi phần tử đều có những kết cấu, chế độ làm việc đặc trưng riêng Để khảo sát động học chung của dẫn động phanh khí nén cần phải xây dựng các phương trình mô tả hoạt động của từng phần tử trong hệ thống

2.5.1 Phương trình lưu lượng của máy nén khí

Máy nén khí là nguồn cung cấp khí cho toàn bộ hệ thống phanh khí Nó

là bơm Pit tông, dẫn động bằng đai truyền từ pu li trục khuỷu động cơ Lưu lượng của máy nén khí là hàm của các thông số vận tốc làm việc và đối áp trên đầu ra của máy nén Các đặc tính lưu lượng của máy nén khí thường được xác định bằng thực nghiệm của nhà máy chế tạo

Hình 2.6 trình bày đặc tính lưu lượng của máy nén khí ký hiệu dùng trong hệ thống phanh của xe

Dựa trên đường đặc tính lưu lượng của máy nén khí trên hình 2.6 ta có

thể viết phương trình lưu lượng máy nén khí như sau:

Qn = Q0n - kpra (2.4)

trong đó:

Qn - lưu lượng máy nén khí ở số vòng quay n ứng với áp Pra bất kỳ;

Q0n - giá trị lưu lượng máy nén khí ở số vòng quay n ứng với áp suất pra = 0;

Q0n = kđ.n (2.5)

k đ – hệ số xác định bằng thực nghiệm từ đường đặc tính trên hình 2.6

pra - đối áp (áp suất đầu ra của máy nén khí)

2.5.2 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén qua đường ống

Đường ống có chiều dài l, đường kính ống d sẽ được mô phỏng bằng

một nút tính toán Y gồm áp suất trước khi vào đường ống p1; lưu lượng khí

1

m , dung tích V2, áp suất p2 trong đường ống và áp suất p3, lưu lượng m2 của

phần tử sau đường ống được thể hiện trên hình 2.7

- Sơ đồ mô phỏng đường ống:

P 1 (f)1 Y (f)2

p3

p2

Hình 2.7 Sơ đồ mô phỏng đường ống

- Phương trình lưu lượng của ống (tại điểm nút Y):

m1 - m2 - mE = 0 (2.6)

- Phương trình hàm khí động:

2 1

2 1 1 2

2

p p B

p p A p v

3 2 2 3 3

p p B

p p A p v

2 1 1 2 2

p p B

p p A p v

3 2 2 3 3

p p B

p p A p v

f2 - diện tích tiết diện ngang của đường ống, m2;

f3 - tiết diện ngang của phần tử sau đường ống, m2;

2 - Hệ số lưu lượng của đường ống;

3 - Hệ số lưu lượng của phần tử sau đường ống

Đối với ống dẫn, hệ số cản phụ thuộc vào hệ số ma sát  = 0,0025, đường kính d và đặc biệt là chiều dài đường ống l

d

l ong 

 = (2.8)

2.5.3 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén vào bình chứa khí nén

V2

1

- Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào bình khí nén:

P o (f) Y P 1

D

E

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào bình khí nén

- Phương trình lưu lượng của bình khí nén (tại điểm nút Y):

m - mE = 0 (2.9)

- Phương trình hàm khí động học:

1 0

1 0 0

p p B

p p A p v

1 0 0

p p B

p p A p v

f - tiết diện của đường ống dẫn vào bình khí, m2;

po - Áp suất ở đầu vào của bình khí, N/m2;

p1 - Áp suất tức thời của bình khí, N/m2;

V - Thể tích của bình khí và đường ống nối, m3;

 - Hệ số lưu lượng của bình khí và đường ống nối

2.5.4 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén qua các van

Trong hệ thống phanh khí có nhiều loại van như: van hạn chế áp suất (van an toàn), van chia (van bảo vệ nhiều ngả), van tăng tốc, van nhả phanh nhanh Van được đặc trưng bởi hệ số cản và thể tích Thông thường, thể tích

V

của van nhỏ và được coi là không đổi Tuỳ từng loại van mà tiết diện van thay đổi hoặc không thay đổi Đặc trưng quá trình động học của dòng khí qua van

là hệ số cản của van phụ thuộc chủ yếu vào kiểu van và các kích thước đặc trưng cho tiết diện thông qua của van

Tiết diện thông qua của van phụ thuộc vào hình dạng và hành trình làm việc của van Trong dẫn động phanh khí ôtô thường sử dụng các van có tiết diện phẳng hoặc côn được trình bày trong hình 2.9 Hành trình lớn nhất của van được xác định tương ứng bởi diện tích tiết diện thông qua của nó khi nâng van từ đế đến trị số hmax và tiết diện được tạo thành của đế van

Bảng 2.1 Diện tích tiết diện thông qua và hành trình nâng van

Sơ

đồ

Diện tích tiết diện thông

qua của van ứng với độ

4 4

2

−

c

2 sin ) sin 2

) sin 2 sin 2 ( sin

d

2 sin ) sin 2

sin )

sin 2 sin 2 ( sin

1

2 2

D

br br

h

h

Hình 2.9 Sơ đồ các loại van

Khi tính toán ở chế độ phanh ngặt, diện tích tiết diện theo phương ngang (diện tích thông qua) của van của các thiết bị điều khiển có thể coi là hằng số

Có thể sử dụng công thức kinh nghiệm để tính hệ số cản của van:

Với van nạp tiết diện phẳng

=

D h o

Với van xả tiết diện phẳng

D

h D

Sức cản đường ống nối giữa bình khí và van phanh:

2 (2.17)

Hệ số cản qui đổi chung của hệ thống

2 2 2

T T

f

f f

Mỗi loại van có những đặc điểm khác nhau và có các thông số về thể tích, tiết diện thông qua, hệ số cản khác nhau Ví dụ: Van hạn chế áp suất (được nối từ máy nén khí đến các bình trung gian nên có đặc điểm là áp suất đầu vào có thể cao nhưng áp suất sau van không vượt quá áp suất qui định Van xả khí có đặc điểm là áp suất trước van bằng áp suất của hệ thống nhưng

áp suất sau van (khi mở) bằng áp suất của khí trời, như vậy, thể tích trước khi

mở van thì nhỏ nhưng khi xả khí thì thể tích được coi là lớn vô cùng

- Sơ đồ mô phỏng van:

P o (f)1 Y (f)2

D p2

p1

Hình 2.10 Sơ đồ mô phỏng dòng khí qua van

- Phương trình lưu lượng của van (tại điểm nút Y):

m1 - m2 - mE = 0 (2.19)

- Phương trình hàm khí động:

) ( 0

1 1

1

p

p RT

p v

p

p RT

p v

dt

dp kRT V

1 0

1 0 0 1

1

p p B

p p A p v

2 1 1 2 2

p p B

p p A p v

1 0 0 1 1

p p B

p p A p v

2 1 1 2 2

p p B

p p A p v

f1 - diện tích tiết diện thông qua của van, m2;

f2 - tiết diện ngang của của đường ống sau van, m2;

po - Áp suất dòng khí ở đầu ra của máy nén khí, N/m2;

V 1

1

p1 - Áp suất dòng khí ở đầu ra của van, N/m2;

p2 - Áp suất dòng khí ở đầu ra của đường ống sau van, N/m2;

1 - Hệ số lưu lượng của van;

2 - Hệ số lưu lượng của đường ống sau van

2.5.5 Lưu lượng và biến đổi áp suất của khí nén vào bầu phanh

Bầu phanh là phần tử khí động có dung tích thay đổi Quá trình quá độ của dòng khí vào bầu phanh gồm 3 giai đoạn:

I- nạp khí vào thể tích ban đầu V0 từ áp suất p10 tới áp suất p1 = pI, áp suất pI tương ứng với thời điểm thể tích bắt đầu thay đổi (Màng bầu phanh bắt đầu chuyển động)

II- Màng bầu phanh di chuyển và nạp khí vào bầu phanh (tương ứng với dịch chuyển của màng bầu phanh) với áp suất p1 tăng từ PI đến pII Áp suất pII

tương ứng với vị trí dừng lại của Màng bầu phanh

III - tiếp tục nạp khí vào bầu phanh từ áp suất pI đến áp suất max (bằng

áp suất đầu vào po), trường hợp ở vị trí cuối của màng bầu phanh mà p1 > p0

thì giai đoạn III sẽ không có

Thời gian tIII khi nạp đầy và tI khi xả khí ít có ý nghĩa trong thực tế, khi

đó thời gian tổng cộng nạp đầy (xả khí) đối với dung tích thay đổi chỉ gồm có

tI + tII (ứng với quá trình nạp) hay tII + tIII (ứng với xả khí)

Sự biến đổi áp suất ở phần II (ứng với quá trình nạp) xảy ra đồng thời với dịch chuyển của màng bầu phanh Khi diện tích màng bầu phanh không đổi, dung tích thay đổi theo công thức: V = V0 + Fy

V0 - thể tích ban đầu, F - diện tích màng bầu phanh, y - dịch chuyển của màng bầu phanh

Thay giá trị V vào công thức tính quá trình nạp hoặc xả khí đối với bầu phanh:

Khi nạp khí:

1

1 1

1

p p B

p p A p v f dt

dy p F dt

dp k

Fy V

o

o o gh

o

−

−

= +

Khi xả khí:

o gh

o

p p B

p p A p v f dt

dy p F dt

dp k

Fy V

−

−

−

= +

+

1

0 1 1 1

P = 0+ + ( 1− ) (2.24)

P0 - thành phần lực ma sát có trị số không đổi được tính bằng pIF

b.(dy/dt) thành phần lực ma sát tỷ lệ với tốc độ chuyển động của màng bầu phanh (lực cản ma sát nhớt), b là hệ số tỷ lệ

(p1 -pI)fmsFk là thành phần ma sát do các vòng đệm làm kín, trong đó fms

là hệ số ma sát, Fk là diện tích tiếp xúc với bề mặt bầu phanh, m2

Pc là hàm của dịch chuyển của màng bầu phanh, nhiều trường hợp Pc = c.y trong đó c là hệ số cứng qui đổi của hệ thống (ví dụ độ cứng của lò xo hồi vị)

Thay các giá trị ở trên vào phương trình tính dịch chuyển của màng bầu phanh:

dy b dt

y d

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

F dt

dy = 1 (2.26) Phương trình tính cho trường hợp nạp khí (po > p1):

1

1 1

0 1 2

p p B

p p A p v f dt

dp k

V p c

F

o

o o

0 1 1 1

0 1 2

p p B

p p A p v f dt

dp k

V p c

Hình 2.11 Sơ đồ mô phỏng dòng khí vào bầu phanh

- Phương trình lưu lượng của bầu phanh (tại điểm nút Y):

1 0 0

p p B

p p A p v

po - Áp suất ở trước bầu phanh, N/m2;

p1 - Áp suất của bầu phanh, N/m2;

V0 - Thể tích ban đầu của bầu phanh, m3;

 - Hệ số lưu lượng của bầu phanh;

Trong trường hợp thể tích ban đầu của bầu phanh V0 = 0, phương trình hàm khí động như sau:

1 0 0

p p B

p p A p v

từ bầu phanh ra ngoài khí quyển

2.6.1 Quá trình nạp khí

Nạp khí là quá trình làm đầy các bình khí từ nguồn cung cấp là máy nén khí Hình 2.12 là sơ đồ mạch nạp khí nén từ máy nén khí qua van điều chỉnh áp suất, bình ngưng tới các bình khí của dòng phanh trước, phanh sau

và phanh tay Các bình khí cấp cho phanh trước, phanh sau và phanh tay được nối ghép song song với nhau

Bình khí cầu sau

Bình khí phanh tay

Bình ngung

Hình 2.12 Sơ đồ phần nạp khí của hệ thống dẫn động phanh

Hình 2.13 trình bày sơ đồ và ký hiệu các nút tính toán mạch

Hình 2.13 Sơ đồ mô phỏng quá trình nạp khí

Giải thích các ký hiệu trên sơ đồ:

l1- Chiều dài đường ống từ máy nén khí đến van điều chỉnh áp suất, m

l2- Chiều dài đường ống từ van điều chỉnh áp suất đến bình trung gian,

m

l3- Chiều dài đường ống từ bình trung gian đến van bảo vệ 3 ngả, m

l41- Chiều dài đường ống từ van bảo vệ 3 ngả đến bình khí cầu trước,

m

l42- Chiều dài đường ống từ van bảo vệ 3 ngả đến bình khí cầu sau, m

l43- Chiều dài đường ống từ van bảo vệ 3 ngả đến bình khí phanh tay,

m

l51- Chiều dài đường ống từ bình khí cầu trước đến van phanh chính, m

l52- Chiều dài đường ống từ bình khí cầu sau đến van phanh chính, m

V 2

l53- Chiều dài đường ống từ bình khí phanh tay đến van phanh tay, m

V1 - Thể tích qui đổi về van điều chỉnh áp suất (van an toàn), m3

V2 - Thể tích qui đổi về bình khí trung gian (bình ngưng), m3

V3 - Thể tích qui đổi về van bảo vệ 3 ngả, m3

V41 - Thể tích qui đổi về bình khí nén cầu trước, m3

V42 - Thể tích qui đổi về bình khí nén cầu sau, m3

V43 - Thể tích qui đổi về bình khí nén phanh tay, m3

V51 - Thể tích van phanh chính cầu trước và ống dẫn từ bình khí nén cầu trước đến van phanh chính, m3

V52 - Thể tích van phanh chính cầu sau và ống dẫn từ bình khí nén cầu sau đến van phanh chính, m3

V53 - Thể tích ống dẫn từ bình khí nén phanh tay đến van phanh tay,

m3

 1 - Hệ số lưu lượng ở nút Y1 (van điều chỉnh áp suất)

f 1 - Diện tích tiết diện thông qua của van điều chỉnh áp suất

 2 - Hệ số lưu lượng ở nút Y2 (bình trung gian)

f 2 -Tiết diện ngang của đường ống từ van điều chỉnh áp suất đến bình khí trung gian

3 - Hệ số lưu lượng ở nút Y3 (van bảo vệ 3 ngả)

f3 - Diện tích tiết diện thông qua của van bảo vệ 3 ngả

41 - Hệ số lưu lượng ở nút Y41 (bình khí cầu trước)

f41 - Tiết diện ngang của đường ống từ van bảo vệ 3 ngả đến bình khí cầu trước

42 - Hệ số lưu lượng ở nút Y42 (bình khí cầu sau)

f42 - Tiết diện ngang của đường ống từ van chia đến bình khí cầu sau

43 - Hệ số lưu lượng ở nút Y43 (bình khí phanh tay)

f43 - Tiết diện ngang của đường ống từ van chia đến bình khí phanh tay

Xây dựng hệ phương trình vi phân:

Sử dụng nguyên tắc tính điểm nút để tính phương trình lưu lượng qua các điểm nút theo sơ đồ trên hình 2.13

- Tại điểm nút Y 1 :

+ Phương trình lưu lượng tại điểm nút:

m1 - m2 - mE1 = 0 (2.32) + Phương trình hàm khí động học:

1 0

1 0 0 1

1

p p B

p p A p v

2 1 1 2 2

p p B

p p A p v

2 1

2 1 1 2

2

p p B

p p A p v

3 2 2 3 3

p p B

p p A p v