Phƣơng pháp khảo sát động lực học phanh ô tô du lịch

Nội dung text: Phƣơng pháp khảo sát động lực học phanh ô tô du lịch

1. PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC PHANH Ô TÔ DU LỊCH A SURVEY METHODS FOR DYNAMIC BRAKING OF AN AUTOMOTIVE [1]TS. Lâm Mai Long, [2]KS. Bùi Văn Hoàng Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM [1]lammailong@hcmute.edu.vn, [2]buivanhoang79@gmail.com Tóm tắt Một phương pháp mô phỏng số học đã được tiến hành khảo sát động lực học phanh xe Hyundai Sonata 2011 cho cả hai hệ thống phanh ABS và phanh thường để so sánh đánh giá các chỉ tiêu hiệu quả phanh trong những điều kiện thay đổi sau: Trên đường bám tốt, đường bám kém với vận tốc bắt đầu phanh 60 km/h và 40 km/h. Tác giả đã xây dựng thành công mô hình tính toán động lực học phanh ABS và chương trình tính toán-khảo sát động lực học và quỹ đạo chuyển động của xe Huyndai sonata 2011 khi phanh với sự trợ giúp của phần mềm Matlab. Bên cạnh đó, đề tài đã xây dựng được phương pháp đánh giá hiệu quả phanh ôtô thông qua gia tốc phanh, thời gian phanh, quãng đường phanh, góc quay và vận tốc góc quay thân xe khi phanh. Kết quả được đánh giá và biểu diễn bằng đồ thị nhằm đánh giá, so sánh một cách thuận tiện bảo đảm độ chính xác, tin cậy và nhanh chóng. Từ khóa: Động lực học phanh ô tô, hiệu quả phanh, hệ số bám, phanh chống hãm cứng, Hyundai Sonata 2011, matlab Abstract A numerical simulation method was to survey dynamic brake Hyundai Sonata 2011 for both ABS and brake systems typically evaluated to compare the performance indicators of the brake after changing conditions: good grip on the road, it sits poorly with the speed brakes started 60 km/h and 40 km/h. The authors have developed a computational model of dynamic brake and the program calculates survey-orbit dynamics and movement of the brake Hyundai Sonata 2011 with the aid of software Matlab. Besides, the subject has developed methods to assess the effects of auto brakes through brake acceleration, braking time, braking distance, angle and rotation speed of the brake body. Results are evaluated and graphically represented to evaluate, compare a convenient way to ensure accurate, reliable and quickly. Keywords: Dynamics of vehicle braking, brake efficiency, sticking coefficient, antilock brake systems Hyundai Sonata 2011, matlab
2. 1. Giới thiệu hàm số tuần hoàn theo chu kỳ thời gian T và Đề tài này trình bày một phương pháp khảo được biểu diễn bởi hàm số: sát động lực học phanh thường và phanh ABS φ(t) = f(φmax, φmin, T,t) (1.1) trên cùng một chiếc xe cụ thể [01]. Dựa trên với T là chu kỳ hàm số φ(t) đạt giá trị lớn nhất cơ sở động lực học bánh xe khi phanh, tác giả φ(t) = φmax hoặc đạt giá trị bé nhất φ(t) = φmin đã xây dựng thành công mô hình tính toán cho Như vậy, sự khác biệt lớn nhất giữa phanh phanh thường và phanh ABS. Điểm khác biệt chống hãm cứng với phanh thường là giá trị giữa hai mô hình này là sự khác nhau về hệ số của hệ số bám hay độ trượt khi phanh. Đối với bám của bánh xe với mặt đường, được thể phanh thường thì hệ số bám đạt giá trị bé nhất hiện trên hình 1.1. φ(t) = φmin tương ứng độ trượt λ = 1, đối với phanh chống hãm cứng thì hệ số bám luôn ϕ dao động φ(t) = (φ ↔ φ ). Trong đề tài ϕmax Phanh thường max min này hàm số φ(t) được xác định dựa trên hàm ϕmin số lực phanh ABS [02], ta được: 1 1 t (t) ( ) ( )sin(π ) (1.2) Phanh ABS 2 max min 2 max min T với T là chu kỳ thay đổi hệ số bám φmax hoặc φmin và được lựa chọn T = 0,05 s, tương ứng 0 λ0 1 λ với tần số dao động f = 20 lần/s. Hình 1.1: Độ trượt của phanh chống hãm Trên hình 1.2 biểu diễn dạng đồ thị của cứng bánh xe và phanh thường hệ số bám φ(t) thay đổi theo thời gian t. Bản chất phanh ABS là chống hãm cứng ϕ(t) bánh xe, do đó bánh xe không bị bó cứng (không bị trượt lết) trong suốt quá trình phanh ϕmax hay khả năng bám của bánh xe với mặt đường luôn thay đổi với hệ số bám từ φmax đến φmin. ϕmin Tức là khả năng bám bánh xe luôn dao động trong khoảng giá trị: cực đại tại độ trượt tối ưu λ0 và bé nhất khi độ trượt λ = 1 (bánh xe bị 0 0,5 1 hãm cứng hay bị trượt lết) Từ đặc điểm phanh t chống hãm cứng bánh xe thì hệ số bám là một Hình 1.2: Đồ thị hệ số thay đổi theo thời gian
3. 2. Tính toán động lực học phanh xe - Quá trình phanh diễn ra trên đường phẳng Hyundai Sonata 2011 không có độ dốc dọc và dốc ngang. 2.1 Các giả thiết - Khảo sát trong trường hợp không có Quá trình phanh ô tô trên mỗi loại địa lực đẩy gió ngang. hình là một quá trình diễn ra hết sức phức tạp, - Bài toán khảo sát trong giới hạn góc α trong đó các đại lượng biến đổi không ngừng (góc lệch hướng chuyển động ô tô) cho phép và phụ thuộc lẫn nhau. Tác giả đề nghị chấp 2.2 Mô hình tính toán nhận một số giả thiết: Để khảo sát quá trình động lực hoc xe khi - Quá trình phanh là phanh gấp. phanh, đề tài chọn hệ trục tọa độ: - Ngoài lực phanh do khả năng bám của các - Hệ trục tọa độ O0X0Y0Z0 là hệ tọa độ cố bánh xe sinh ra, ảnh hưởng của các ngoại lực định đặt trên mặt đường, trục O0Z0 là trục khác đến quá trình phanh coi như không vuông góc với mặt đường. đáng kể. - Hệ trục tọa độ CXYZ là trục tọa độ di động, - Quá trình phanh diễn ra khi đã cắt ly hợp. được đặt tại trọng tâm C của ô tô, trục CZ là - Bỏ qua các ảnh hưởng của cơ cấu treo. trục vuông góc với mặt đường - Bỏ qua các lực cản lăn bánh xe. - Tình trạng mặt đường, tình trạng lốp xe trên bốn bánh xe là như nhau. Y0 Y Ry2 Bt Fp2 Fɷ X Mc v F Jz. p3  Ry3 Mq C Ry1 X0 mv mv(  ) Bs Fp1 a Fp4 Y0 b L Ry4 + X Z0 0
4. Hình 2.1: Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi phanh Trong hình 2.1: C = [(Fp2 – Fp1) + (Fp3 – Fp4) – (Ry1 + Ry2)a Ryi : Phản lực ngang của các bánh xe. – (Ry3 + Ry4)b] Mq : Mô men xoay thân xe sinh ra do chênh Thay vào hệ phương trình (3.1) ta được: lệch giữa tổng lực phanh bên trái và – m + mv( ) – B = 0 tổng lực phanh bên phải trên các cầu xe. – m – mv( ) + A = 0 (2.2) Mc : Mô men cản quay thân xe hay còn gọi là Jz – C = 0 mô men trả của lốp xe xuất hiện khi lốp Gọi s là quãng đường ô tô chuyển động trên xe bị biến dạng. thực tế (theo phương vận tốc v), thì : Jz : Mô men quán tính xe v s (2.3) Fω : Lực cản không khí. Kết hợp các phương trình trong hệ phương Fpi: Lực phanh trên các bánh xe. trình (2.2), sau khi biến đổi ta được hệ Bt : Bề rộng của cầu trước ô tô. phương trình vi phân chuyển động của ô tô Bs: Bề rộng của cầu sau ô tô. khi phanh: a : Khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm ô tô B Aα s b : Khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm ô tô. m(α 2 1) L: Chiều dài cơ sở ô tô. C ε (2.4) J v : Vận tốc chuyển động ô tô khi phanh. z α : Góc lệch hướng chuyển động ô tô khi phanh. 1 Bα A α ε 2 ɛ : Góc xoay thân xe. mv α 1 i = 1, 2, 3, 4 là số thứ tự các bánh xe. 2.3 Xác định lực phanh trên bánh xe Cân bằng các lực và mô men trên hình 2.1, ta Do trạng thái làm việc của các bộ phận, chi được hệ phương trình: tiết trong hệ thống phanh không đồng nhất, nên lực phanh trên mỗi bánh xe luôn có giá trị – m v + mv(   ) – (Fp1 + Fp2 + Fp3 + Fp4 + Fɷ) = 0 biến đổi và khác nhau. Vì vậy, các lực phanh – m – mv( ) + (Ry4 + Ry3 – Ry2 – Ry1) = 0 (3.1) trên các bánh xe được tính theo công thức: Jz  – [(Fp2 – Fp1) B t + (Fp3 – Fp4) Bs – (Ry1 + Ry2)a – (Ry3 2 2 Mpi + R )b] = 0 .γ (2.5) y4 Fpi (2.1) rb Đặt: A = (Ry4 + Ry3 – Ry2 – Ry1) Trong đó: B = (Fp1 + Fp2 + Fp3 + Fp4 + Fɷ) Mpi : Mô men phanh tại các bánh xe do cơ cấu phanh sinh ra.
5. i = 1, 2, 3, 4 là số thứ tự của các bánh xe. 3. Phƣơng pháp khảo sát rb : Bán kính động lực học của bánh xe. Để tiến hành khảo sát tính chất động lực γ : Hệ số sử dụng mômen phanh (γ Fφ thì Fpi = Fφ = Zi.φ, với là phương trình vi phân chuyển động của ô tô khi hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường, Zi là phanh (2.4) trở thành: 1 phản lực pháp tuyến tại mỗi bánh xe. v (F F F F F ) m p1 p2 p3 p4 ω Như vậy: (2.9) (F F )B (F F )B M ε p2 p1 t p3 p4 s c - Trường hợp phanh thường (bánh xe bị hãm 2Jz Jz cứng) lực phanh luôn đạt giá trị cố định tại Trong đó: mọi thời điểm theo thời gian t: Độ chênh lệch lực phanh cầu trước: Fpi(t) = Fiφmim = Fiφ1 (2.6) ∆FT = Fp2 – Fp1 = 0,06Fp1 với φ1 là hệ số bám khi độ trượt λ = 1. Độ chênh lệch lực phanh cầu sau: - Trường hợp phanh ABS (chống hãm cứng ∆FS = Fp3 – Fp4 = 0,09Fp4 bánh xe) lực phanh luôn thay đổi theo thời Để giải hệ phương trình vi phân chuyển động gian t và có giá trị trong khoảng: (2.9) trong đề tài này sử dụng phương pháp Fiφmim < Fpi(t) < Fiφmax (2.7) giải gần đúng Runge-Kutta với sự trợ giúp của Trong đó, Fpi(t) được tính theo Kiencke, Daiss máy vi tính bằng ngôn ngữ lập trình Matlab và Mark Denny [02, 03]. [04] với các phương án khảo sát được trình 1 1 t Fpi(t) = (F F ) (F F )sin(π ) bày trong bảng 3.1. 2 max mim 2 max mim T Bảng 3.1: Các phương án khảo sát (PAKS) (2.8) V với T là chu kỳ mà Fpi(t) đạt giá trị Fφmax hoặc PAKS Điều kiện mặt đường khảo sát 0 (km/h) Fφmim. Phương trình (2.8) thỏa mãn điều kiện Phanh trong trường hợp có ABS chống hãm cứng bánh xe vì phương trình lực phanh ABS mang giá trị trong khoảng Fφmax 1.1 Trên đường có hệ số bám tốt 60 (lực phanh cực đại) ↔ Fφmim (lực phanh nhỏ 1.2 Trên đường có hệ số bám kém 40 nhất tại độ trượt λ = 1 tức là bánh xe bị hãm Phanh trong trường hợp không có ABS cứng và trượt lết).
6. 2.1 Trên đường có hệ số bám tốt 60 2.2 Trên đường có hệ số bám kém 40 17,880 m 4. Kết quả nghiên cứu và thảo luận Hiệu quả phanh của ô tô được đánh giá dựa (m) phanh ng ờ trên các chỉ tiêu: Gia tốc phanh, vận tốc trong quá trình phanh, quãng đường phanh và thời gian phanh. Trong đó, quãng đường phanh là đư Quãng chỉ tiêu quan trọng nhất để dánh giá hiệu quả Thời gian phanh (s) phanh cũng như chất lượng quá trình phanh Hình 4.1: Quãng đường phanh ABS của ô tô [05]. So với các chỉ tiêu khác thì chỉ tiêu này mang tính trực quan và thực tế nhất. 33,584 m ng phanh (m) phanh ng ờ Quãng đư Quãng Thời gian phanh (s) Hình 4.2: Quãng đường phanh thường Trong cùng một điều kiện khảo sát quãng đường phanh ABS (xem Hình 4.1) và quãng đường phanh thường (xem Hình 4.2) có sự chênh lệch về khoảng cách từ lúc xe bắt đầu phanh cho đến khi xe dừng hẳn. Từ kết quả khảo sát cho thấy, hiệu quả phanh ABS tốt hơn nhiều so với phanh thường và được đánh giá thông qua mức tăng hiệu quả phanh η: S S η th ABS .100% (4.1) Sth Trong đó:
7. η: Mức tăng hiệu quả phanh ABS quả nghiên cứu liên quan đến sự khảo sát, so với phanh thường đánh giá các yếu tố hưởng đến hiệu quả phanh Sth: Quãng đường phanh thường của hệ thống phanh ABS và phanh thường; đã SABS: Quãng đường phanh ABS xây dựng mô hình tính toán động lực học Mức tăng hiệu quả phanh ABS so với phanh phanh ABS và khảo sát được động lực học thường được thể hiện trong Bảng 4.4 phanh của xe Huyndai sonata 2011 với sự trợ Bảng 4.1: Mức tăng hiệu quả phanh ABS so giúp của phần mềm Matlab 7.10. với phanh thường trên các loại đường Đề tài đã xây dựng được phương pháp Tốc độ Quảng đường đánh giá hiệu quả phanh ôtô thông qua quãng bắt đầu phanh Sp(m) đường, vận tốc, gia tốc, thời gian phanh, góc Loại đường η(%) phanh Có Không quay và vận tốc góc quay thân xe. Kết quả V(km/h) ABS ABS được đánh giá và biểu diễn bằng đồ thị nhằm Đường bám tốt 40 5,969 9,710 38,5 đánh giá một cách thuận tiện, bảo đảm độ Đường bám kém 40 6,331 15,662 59,5 chính xác tin cậy và nhanh chóng. Đường bám tốt 60 13,064 20,163 35,2 Đường bám kém 60 17,880 33,584 46,7 5.2 Kiến nghị Qua kết quả nghiên cứu người thực hiện đề Từ kết quả tính toán trong bảng 4.1, hiệu tài thấy rằng việc trang bị hệ thống phanh quả phanh ABS thực sự đạt hiệu quả lớn hơn ABS cho các xe ô tô du lịch hết sức cần thiết. nhiều so với phanh thường trên mọi loại Bởi vì, đặc biệt trên đường bám kém và ở đường. Đặc biệt trên những loại đường bám cùng tốc độ thì hiệu quả phanh ABS tốt hơn kém phanh ABS phát huy tốt hiệu quả phanh nhiều so với hệ thống phanh thường. Nếu có điều kiện và thời gian thì người thực hiện đề tài 5. Kết luận và hƣớng phát triển sẽ kiểm chứng kết quả tính toán trên thực tế, 5.1. Kết luận để kết quả đạt được trong đồ án có tính thuyết Khảo sát, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng phục cao. đến hiệu quả phanh của ô tô du lịch làm cơ sở Mở rộng khảo sát sâu hơn nữa về các vấn khoa học nhằm hoàn thiện hệ thống phanh đề khác trong lĩnh vực động lực học chuyển đưa vào khai thác và sử dụng có hiệu quả. Do động của ô tô, đưa thêm vào các hệ thống điều đó, vấn đề khảo sát hiệu quả phanh ô tô du lịch khiển động lực học: ASR, EBD, v.v. là hết sức cần thiết. Tài liệu tham khảo Nghiên cứu này đã tổng quan được các kết
8. [01] U.S. Department of Transportation “National highway traffic safety administration laboratory test procedure for rollover stability measurement for new car assessment program (ncap) static stability factor (ssf) measurement” Washington, DC 20590, 2013 [02] Canudas-de-Wit C, Tsiotras P, Velenis E, Basset M and Gissinger G 2003 “Vehicle Syst. Dyn”. 39 189–226. [03] Mark Denny “The dynamics of antilock brake Systems” European Journal of Physics, 26 (2005) 1007–1016. [04] Andrew Knight “Basics of Matlab and Beyond ” © 2000 by CRC Press LLC [05] QCVN 09 “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường đối với ô tô”, 2011/BGTVT Tp. HCM, ngày tháng năm 2014 XÁC NHẬN CBHD
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.