Phƣơng pháp nghiên cứu

2.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Theo phƣơng pháp giải tích, sau khi lựa chọn mô hình mô tả động lực quá trình phanh và mô hình tính toán kết hợp với các thông số của hệ thống, dựa vào các định luật cơ học, đề tài mô tả các chuyển động của các cơ hệ cơ học bằng các phƣơng trình vi phân, vận dụng lý thuyết về động lực phanh, lý thuyết ô tô để xây dựng mô hình tính toán động lực học quá trình phanh ô tô khi vận chuyển gỗ.

2.3.1.2.Phương pháp số

Do quá trình phanh của liên hợp máy có đặc tính phi tuyến, vì thế hệ phƣơng trình vi phân biểu diễn quy luật chuyển động của ôtô trong quá trình phanh với giả thiết hệ số bám đồng đều, tốc độ ban đầu nhƣ nhau. Đây là hệ phƣơng trình vi phân bậc hai, ta có thể sử dụng phƣơng pháp số để giải bài toán này. Một trong những phƣơng pháp giải gần đúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các bài toán về động lực học liên hợp máy là phƣơng pháp Runge – Kutta. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể áp dụng để giải cho nhiều bài toán khác nhau, với điều kiện giới hạn khác nhau.

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử, với tốc độ xử lý và thu thập số liệu rất nhạy và chính xác, với độ chuẩn xác cao cho hiệu quả tối ƣu trong tính toán và có thể thực hiện đƣợc các yêu cầu phức tạp của bài toán đặt ra. Vì vậy phƣơng pháp số ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi.

Trong phƣơng pháp số áp dụng để giải một cách gần đúng các phƣơng trình vi phân phi tuyến, thì phƣơng pháp giải Runge – Kutta là phƣơng pháp giải đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Với nhiệm vụ của đề tài, khi nghiên cứu quá trình phanh của ôtô tải cỡ trung khi vận chuyển gỗ rừng trồng cũng sẽ ứng dụng phƣơng pháp giải Runge – Kutta để giải gần đúng hệ phƣơng trình vi phân bậc hai của mô hình.

Tham khảo các tài liệu liên quan để hoàn thành nội dung tổng quan, cơ sở lý thuyết quá trình phanh ô tô.

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.3.2.1. Xác định các thông số động lực học của ô tô Thaco Foton cỡ trung

Xác định thông số đầu vào phục vụ cho bài toán lý thuyết (trọng lƣợng xe, tọa độ trọng tâm của xe, hệ số bám, cản lăn ở các loại đƣờng vận chuyển khác nhau).

2.3.2.2.Phương pháp kiểm định chất lượng phanh

Để kiểm định chất lƣợng phanh theo TCVN: các trạm đăng kiểm tiến hành kiểm tra theo các bƣớc sau:

Hiệu quả phanh chính khi thử trên đường:

- Thử trên mặt đƣờng bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng bằng phẳng và khô, hệ số bám không nhỏ hơn 0,6.

- Hiệu quả phanh đƣợc đánh giá bằng một trong hai chỉ tiêu quãng đƣờng phanh Sp(m) hoặc gia tốc chậm dần lớn nhất khi phanh Jpmax(m/s2) với chế độ thử phƣơng tiện không tải ở tốc độ 30km/h và đƣợc quy định nhƣ sau:

- Khi phanh, quĩ đạo chuyển động của phƣơng tiện không lệch quá 8o so với phƣơng chuyển động ban đầu và không lệch khỏi hành lang 3,50 m.

Hiệu quả phanh chính khi thử trên băng thử:

- Tổng lực phanh không nhỏ hơn 50% trọng lƣợng phƣơng tiện không tải G0 đối với tất cả các loại xe.

- Sai lệch lực phanh trên một trục (giữa bánh bên phải và bên trái):

% 100 . max min max PF PF PF KSL   KSL không đƣợc lớn hơn 25%.

Đánh giá hiệu quả hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE 13 và tiêu chuẩn ngành của Bộ Giao thông vận tải TCN224-2001.

Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1. Cơ sở lý thuyết đánh giá chất lƣợng phanh ô tô

3.1.1. Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi phanh nhƣ hình 3.1

Hình 3.1. Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

Xét trƣờng hợp tổng quát, khi ô tô đang chạy trên dốc và tiến hành quá trình phanh ta có các lực tác dụng lên ô tô bao gồm:

- Lực phanh Pp1 và Pp2 đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đƣờng tƣơng ứng ở các bánh xe trƣớc và bánh xe sau;

- Lực quán tính đặt tại trọng tâm ô tô Pj, lực này có chiều cùng với chiều chuyển động của ô tô vì khi phanh thì gia tốc chậm dần có chiều ngƣợc với chiều chuyển động của ô tô;

- Trọng lƣợng ô tô G, trọng lƣợng này đƣợc phân thành hai thành phần

 cos

G và Gsin;

2

f P ;

- Lực cản không khíP; Khi phanh, lực cản không khí P, các lực Pf1, 2

f

P là nhỏ có thể bỏ qua mà chỉ gây sai số (1,5 – 2)%;

- Lực cản lên dốc, chính là thành phần của trọng lƣợng chiếu trên phƣơng mặt đƣờng (Pi Gsin;  - Góc dốc của đƣờng).

- Lực cản do ma sát trong hệ thống truyền động, P;

- Phản lực pháp tuyến của mặt đƣờng lên các bánh xe trƣớc và sau Z1, Z2.

Chất lƣợng phanh của quá trình phanh của ô tô đƣợc đánh giá thông qua các chỉ tiêu: hiệu quả phanh và tính ổn định hƣớng khi phanh.

3.1.2. Hiệu quả quá trình phanh ô tô tải vận chuyển gỗ

Hiệu quả phanh đƣợc đánh giá thông qua các chỉ tiêu sau đây: quãng đƣờng phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh, lực phanh hay lực phanh riêng.

3.1.2.1. Gia tốc chậm dần khi phanh

Đây là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả phanh ô tô. Khi phân tích các lực tác dụng lên ô tô có thể viết phƣơng trình cân bằng lực kéo khi phanh của ôtô nhƣ sau:

J P f w i

P P P P PP ( 3.1)

Trong đó: Pp, Pf, Pw, Pη, Pi lần lƣợt là lực phanh sinh ra ở các bánh xe, lực cản lăn, lực cản không khí, lực để thắng tiêu hao ma sát không khí, lực cản lên dốc.

Thực nghiệm chứng tỏ các lực Pf, Pw, Pη, rất bé so với lực phanh Pp. Khi phanh trên đƣờng nằm ngang (Pi = 0) thì lực phanh Pp chiếm khoảng 98% tổng các lực có xu hƣớng cản sự chuyển động của ô tô, ta có phƣơng trình sau:

J P

P P ( 3.2 )

Lực phanh lớn nhất đƣợc xác định theo điều kiện bám khi các bánh xe bị phanh hoàn toàn và đồng thời theo biểu thức:

max . p P P G ( 3.3 ) max .G.Jp G. g    ( 3.4 )

Trong đó: δ: Hệ số tính đến ảnh hƣởng khối lƣợng quay của ô tô khi phanh Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh xác định theo công thức sau:

max g. p J    ( 3.5)

Jpmax phụ thuộc vào hệ số bám φ giữa lốp và mặt đƣờng. Giá trị hệ số bám lớn nhất φmax = 0,75 – 0,8 thì gia tốc chậm dần cực đại khi phanh trên đƣờng nhựa tốt, khô, nằm ngang có thể đạt trị số Jpmax =7,5 – 8,0 [m/s2

].

Trong quá trình phanh chậm dần, ô tô đạt gia tốc phanh chậm dần thấp hơn nhiều. Phanh đột ngột chỉ xảy ra trong tình huống nguy hiểm.

3.1.2.2. Thời gian phanh

Thời gian phanh cũng là một trong các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh cũng nhƣ chất lƣợng của quá trình phanh. Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lƣợng phanh càng cao.

Công thức (3.5) đƣợc thể hiện dƣới dạng vi phân nhƣ sau:

. dv g dt    => . . dt dv g    (3.6)

Muốn xác định thời gian phanh cần tích phân lƣợng dt trong giới hạn vận tốc từ thời điểm ứng với vận tốc bắt đầu phanh v1 tới thời điểm vận tốc v2 ở cuối quá trình phanh:

1 2 1 2 . .(v ) . . v p v t dv v g g        (3.7)

Nếu phanh ô tô đến khi dừng hẳn thì v2 = 0, khi đó thời gian phanh nhỏ nhất tpmin đƣợc tính nhƣ sau : min .v1 . p t g    (3.8)

Ta thấy thời gian phanh nhỏ nhất không phụ thuộc vào trọng lƣợng xe mà phụ thuộc và vận tốc bắt đầu phanh ô tô v1, phụ thuộc vào hệ số khối lƣợng quay và phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe với mặt đƣờng. Để giảm thời gian phanh, ngƣời lái nên cắt ly hợp khi phanh.

3.1.2.3. Quãng đường phanh

a). Quãng đường phanh lý thuyết

Quãng đƣờng phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lƣợng quá trình phanh của ô tô. Chỉ tiêu này mang tính trực quan giúp lái xe xử lý tốt khi phanh trên đƣờng.

Để xác định quãng đƣờng phanh nhỏ nhất bằng cách nhân hai vế của biểu thức (3.6) với một lƣợng vi phân dS của quãng đƣờng phanh :

. . . dv g dS dS dt    => dS.dv v dv. g. .dS dt     (3.9) => dS g..vdv   (3.10)

Quãng đƣờng phanh đƣợc xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn vận tốc từ thời điểm ứng với vận tốc bắt đầu phanh v1 tới thời điểm vận tốc cuối quá trình phanh v2.

1 2 2 2 1 2 . ( ) . 2. . v P v S vdv v v g g        (3.11)

Nếu phanh xe đến khi dừng hẳn thì v2 = 0 ta có thời gian phanh nhỏ nhất Spmin đƣợc tính nhƣ sau:

2 min 1 2. . P S v g    (3.12)

Nhƣ vậy quãng đƣờng phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh v1, phụ thuộc vào hệ số ảnh hƣởng của khối lƣợng quay và phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe với mặt đƣờng.

Các công thức (3.5), (3.8), (3.12) phụ thuộc vào hệ số bám , mà hệ số phụ thuộc vào tải trọng G của ô tô.

Khi G tăng lên thì giảm, do đó gia tốc phanh chậm dần sẽ giảm còn thời gian phanh và quãng đƣờng phanh sẽ tăng lên. Thực nghiệm đã chứng minh rằng quãng đƣờng phanh của xe con, xe tải và xe khách khác nhau dù bắt đầu phanh ở cùng một vận tốc v1 trên cùng một loại đƣờng.

Đồ thị trên hình 3.2 đã cho thấy rằng vận tốc bắt đầu phanh v1 càng cao thì quãng đƣờng phanh càng lớn vì quãng đƣờng phanh phụ thuộc bình phƣơng của vận tốc v1, đồng thời hệ số bám càng cao thì quãng đƣờng phanh càng giảm.

Hình 3.2. Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đường phanh theo vận tốc bắt đầu phanh v1 và theo hệ số bám

Các công thức (3.5), (3.8), (3.12) xác định gia tốc chậm dần, thời gian phanh và quãng đƣờng phanh đều mang tính lý thuyết, tức là trong điều kiện lý tƣởng, áp suất chất lỏng (khí nén) có giá trị cực đại ngay tại thời điểm bắt đầu phanh và thời gian phản ứng của lái xe không đƣợc kể đến. Thời gian phanh không phải đƣợc tính từ khi phanh bắt đầu có hiệu quả mà phải tính từ khi ngƣời lái nhận đƣợc tín hiệu để phanh.

Để xác định quãng đƣờng phanh thực tế, cần nghiên cứu quá trình phanh qua các đồ thị thực nghiệm thể hiện quan hệ giữa lực phanh Pp sinh ra ở bánh xe (hoặc mô men phanh Mp) với thời gian t. Đồ thị này đƣợc gọi là giản đồ phanh.

Giản đồ phanh nhận đƣợc bằng thực nghiệm và qua giản đồ phanh có thể phân tích và thấy đƣợc bản chất của quá trình phanh.

Hình 3.3. Giản đồ phanh

Trên giản đồ, gốc tọa độ đƣợc coi là thời điểm ngƣời lái phát hiện ra chƣớng ngại vật ở phía trƣớc và nhận thức đƣợc rằng cần phải phanh xe. Thời gian các giai đoạn trong quá trình phanh thực tế đƣợc xác định cụ thể gồm có: - t1: Thời gian phản xạ của ngƣời lái, tức là từ lúc thấy đƣợc chƣớng ngại vật cho đến lúc tác dụng vào bàn đạp phanh. Thời gian này phụ thuộc vào trình độ của ngƣời lái. Thời gian nằm trong giới hạn: 0,3 – 0,8s.

- t2: Thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh do khắc phục hành trình tự do trong hệ thống, tức là từ lúc ngƣời lái tác dụng vào bàn đạp phanh cho tới khi má phanh ép sát vào tang phanh. Thời gian này phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, đối với phanh khí nén t2= 0,2 – 0,4s, phanh dầu t2= 0,03 – 0,1s.

- t3: Thời gian tăng lực phanh và tăng gia tốc chậm dần, nó phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, với phanh khí nén t3= 0,5 – 1s, phanh dầu t3= 0,2 – 0,4s.

- t4: Thời gian phanh hoàn toàn với lực phanh cực đại PPmax và với gia tốc chậm dần cực đại JPmax. Thời gian này đƣợc xác định theo công thức (3.8). 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 dần về 0. Đối với phanh khí nén t5= 1,5 – 2s, phanh dầu t5 = 0,2s.

Khi ôtô đã dừng hoàn toàn thì thời gian phanh t5 không ảnh hƣởng đến quãng đƣờng phanh nhỏ nhất. Nhƣ vậy thời gian phanh thực tế tổng cộng kể từ lúc có tín hiệu phanh đến khi phanh dừng hẳn sẽ là:

tp     t1 t2 t3 t4 t5 (3.13)

Từ giản đồ phanh cho thấy ở thời gian t1 + t2 lực phanh và gia tốc chậm dần bằng không. Lực phanh và gia tốc bắt đầu tăng lên từ thời điểm A là điểm khởi đầu thời gian t3, cuối thời gian t3 lực phanh và gia tốc chậm dần đạt giá trị cực đại và giữ không đổi trong suốt thời gian t4. Cuối thời gian t4, gia tốc chậm dần và lực phanh bắt đầu giảm. Hết thời gian t5, lực phanh bằng không. Gia tốc chậm dần trong thời gian t4 đƣợc gọi là gia tốc chậm dần ổn định.

Giản đồ phanh trên đây đã đƣợc đơn giản hóa, còn giản đồ phanh lấy từ thực nghiệm có dạng đƣờng gợn sóng nhấp nhô.

Nếu kể đến thời gian phản xạ của ngƣời lái và thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh thì quãng đƣờng phanh thực tế đƣợc xác định nhƣ sau:

1 2 3 4 5 p S  S S  S S S (3.14) Trong đó : S1S2(t1t2) v2 (3.15) 2 3 3 3. 3 max. 6 p t S t v J (3.16)

Quãng đƣờng xe chạy trong thời gian t4 đƣợc xác định từ điều kiện cân bằng giữa công do lực phanh sinh ra với động năng của xe trong thời gian t4:

2 max. 4 . 4 2. P G P S v g  (3.17)

Trong đó: PPmax là lực phanh ô tô trên đoạn đƣờng S4,[N];

v4 là vận tốc ban đầu của ô tô trên đoạn đƣờng S4,[m/s]; 3 4 1 max. 2 P t v  v J Từ đó ta có công thức xác định S4 nhƣ sau: 2 2 1 1 3 max 3 4 max . . 2. 2 8 P P v v t J t S J    (3.18)

Tổng quãng đƣờng phanh trong trƣờng hợp phanh cấp tốc sẽ là:

2 2 3 1 max 3 1 1 2 max . .( ) 2 2. 24 P p P t v J t S v t t J      (3.19)

Khi phanh cấp tốc đến giới hạn hãm cứng bánh xe các cầu thì: JPmax = g.

Khi đó quãng đƣờng phanh trong trƣờng hợp phanh cấp tốc sẽ là:

2 2 3 1 3 1 1 2 g. . .( ) 2 2.g. 24 p t v t S v t t        (3.20)

Trong quá trình sử dụng, do má phanh bị mòn và do điều chỉnh không đúng sẽ làm cho quãng đƣờng phanh lớn hơn rất nhiều và gia tốc phanh chậm dần giảm đi 10 – 15 % so với khi phanh còn mới và điều chỉnh đúng.

3.1.2.4. Lực phanh riêng

Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả phanh. Chỉ tiêu này chỉ đƣợc dùng thuận lợi nhất khi thử phanh ô tô trên bệ thử. Lực phanh sinh ra ở các bánh xe ô tô xác định theo công thức:

p P k M P r  ( 3.21)

Trong đó : Mp- mô men phanh của các cơ cấu phanh. rk- bán kính tính toán của bánh xe.

Lực phanh riêng ϒP là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lƣợng toàn

bộ G của ô tô: P P P G   (3.22)

Lực phanh riêng đạt cực đại khi lực phanh đạt cực đại: max . P P P G G G      (3.23)

Lực phanh riêng cực đại có giá trị bằng hệ số bám. Nhƣ vậy, về mặt lý thuyết, lực phanh riêng có thể đạt giá trị 75 – 80% trên mặt đƣờng nhựa khô nằm ngang. Thực tế, giá trị đạt đƣợc chỉ trong khoảng 45 – 65%.