Luận án Nghiên cứu hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy - Nguyễn Sỹ An

trong vùng II (Hình 2.2), là vùng có độ trƣợt s nằm trong khoảng 15% ÷ 25%, khi đó hệ số bám dọc φx nằm trong vùng cực đại, còn hệ số bám ngang φy cũng có giá trị tƣơng đối cao. Để hệ thống làm việc trong vùng mong muốn nói trên phải điều chỉnh giá trị lực phanh theo lực bám giữa bánh xe và mặt đƣờng. Việc điều chỉnh lực phanh đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh áp suất dầu phanh đi đến cơ cấu phanh. Trên đƣờng ống dẫn dầu phanh từ xy lanh chính đến cơ cấu phanh sẽ đƣợc lắp một cơ cấu điều chỉnh áp suất gọi là cơ cấu điều áp (đóng vai trò nhƣ cơ cấu chấp hành). Hoạt động của cơ cấu điều áp sẽ đƣợc điều khiển bởi một bộ điều khiển điện tử (ECU). Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu về trạng thái hoạt động của bánh xe từ cảm biến đặt tại bánh xe. Bộ phận điều khiển nhận tín hiệu từ bánh xe, sẽ tính toán, phân tích và cần thiết sẽ ra lệnh cho cơ cấu điều áp để điều chỉnh tăng, giảm áp suất đi đến cơ cấu phanh. Để hệ thống hoạt động trong vùng II, lực phanh (thông qua áp suất phanh) phải đƣợc điều chỉnh theo độ trƣợt giữa bánh xe và mặt đƣờng. Tuy nhiên, việc đo tức thời độ trƣợt khi phanh hiện là rất khó khăn. Do vậy, cũng tƣơng tự nhƣ hầu hết hệ thống ABS trên ô tô, lực phanh sẽ đƣợc điều chỉnh theo gia tốc góc bánh xe. 1. Tác động phanh 3. Đường ống dẫn dầu 2. Xy lanh chính 4. Xy lanh công tác 5. Đĩa phanh Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống phanh - 34 - Để xác định gia tốc góc bánh xe, cảm biến gắn tại bánh xe sẽ là cảm biến đo vận tốc góc bánh xe. Từ vận tốc góc bánh xe đo đƣợc, bộ điều khiển (ECU) sẽ tính toán ra gia tốc góc bánh xe. Nhƣ vậy hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết cho xe máy đƣợc đề xuất có sơ đồ cấu hình nhƣ trên Hình 2.8. Hệ thống bao gồm xy lanh phanh chính, cơ cấu điều áp, cơ cấu phanh, bộ điều khiển và cảm biến vận tốc góc bánh xe. Trong đó xy lanh phanh chính và cơ cấu phanh có sẵn trên xe nghiên cứu, còn cơ cấu điều áp, bộ điều khiển và cảm biến vận tốc góc bánh xe sẽ đƣợc trang bị thêm vào hệ thống. Xy lanh chính đã có sẵn trên xe máy, có vai trò đẩy dầu phanh qua cơ cấu điều chỉnh áp suất đến cơ cấu phanh khi ngƣời lái tác động vào chân phanh. Xy lanh chính đƣợc cấp dầu từ bình chứa dầu phanh (Hình 2.7). Cơ cấu phanh đã có sẵn trên xe bao gồm đĩa phanh, các má phanh và xy lanh công tác (Hình 2.9). Dầu phanh đƣợc cấp từ xy lanh chính đến xy lanh công tác (qua cơ cấu điều áp) tạo áp lực ép lên các má phanh vào đĩa phanh tạo mô men phanh. Cảm biến vận tốc góc theo dõi tín hiệu động học của xe khi phanh gửi về bộ điều khiển và dựa vào đó bộ điều khiển đƣa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu điều áp. Luận án sử dụng cảm biến đo vận tốc góc bánh xe là dạng cảm biến từ trở biến thiên và vành răng cảm biến là đĩa xích có sẵn trên xe nghiên cứu. Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trượt lết cho xe máy Hình 2.7. Xy lanh chính Hình 2.9. Xy lanh công tác - 35 - Bộ điều khiển tiếp nhận thông tin phản hồi từ cảm biến vận tốc góc bánh xe và tính toán và đƣa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu điều áp. Nội dung nghiên cứu này sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 3. Cơ cấu điều áp đóng vai trò nhƣ cơ cấu chấp hành nhằm điều tiết áp suất trong hệ thống phanh. Cơ cấu điều áp nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và tiến hành điều chỉnh áp suất trong hệ thống bằng cách đóng mở các van đồng thời mở khoang hồi dầu để giảm áp suất phanh. Cơ cấu điều áp sẽ đƣợc nghiên cứu đề xuất trong phần sau của luận án. 2.3. Đề xuất cơ cấu điều áp Để hệ thống luôn làm việc trong vùng II (Hình 1.1) khi phanh, hệ thống sẽ có 2 chế độ làm việc: - Chế độ tăng áp: áp suất trong hệ thống tăng theo lực bàn đạp; - Chế độ giảm áp: áp suất trong hệ thống giảm. Khi bắt đầu phanh, hệ thống sẽ ở chế độ tăng áp. Khi đó áp suất phanh sẽ tăng theo lực bàn đạp. Khi áp suất phanh (và theo đó là lực phanh và gia tốc góc bánh xe) tăng đến một giá trị nào đó và có nguy cơ vùng làm việc của hệ thống vƣợt ra ngoài vùng mong muốn, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho cơ cấu điều áp chuyển sang chế độ giảm áp. Và khi áp suất phanh (và theo đó là lực phanh và gia tốc góc bánh xe) giảm đến một giá trị có nguy cơ ra khỏi vùng mong muốn thì bộ điều khiển lại lệnh cho cơ cấu điều áp chuyển sang chế độ tăng áp. Cơ cấu điều áp có nhiệm vụ: khi nhận đƣợc tín hiệu tăng áp, phải mở thông đƣờng dầu phanh đi từ xy lanh chính đến cơ cấu phanh và khi nhận đƣợc tín hiệu giảm áp phải đóng đƣờng dầu từ xy lanh chính đến và mở đƣờng dầu từ cơ cấu phanh thông với khoang hồi dầu để giảm áp suất. Trong mục này, luận án sẽ tiến hành đề xuất sơ đồ cấu tạo của cơ cấu điều áp, tính toán các kích thƣớc cơ cấu điều áp, lực nam châm điện, lò xo hồi vị và các chi tiết khác đảm bảo cơ cấu hoạt động nhƣ mong muốn. Quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu điều áp bao gồm các bƣớc theo trình tự nhƣ trên sơ đồ Hình 2.10. - 36 - 2.3.1. Cấu tạo cơ cấu điều áp Cơ cấu điều áp đƣợc đề xuất có cấu tạo nhƣ Hình 2.11 bao gồm 2 bộ phận chính là van điều áp và nam châm điện (4), van điều áp bao gồm con trƣợt (1), vỏ van (2) và lò xo hồi vị (3). Hình 2.10. Sơ đồ quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu điều áp 1. Con trượt 3. Lo xo hồi vị 2. Vỏ van 4. Nam châm điện I: Cửa dầu vào cơ cấu điều áp từ xy lanh chính II: Cửa dầu từ cơ cấu điều áp đến xy lanh công tác A. Khoang cấp dầu từ xy lanh chính B. Khoang hồi dầu từ xy lanh công tác Hình 2.11. Cấu tạo cơ cấu điều áp - 37 - Van điều áp có khả năng đóng mở đƣờng cấp dầu để cho dầu phanh lƣu thông qua cơ cấu điều áp xuống cơ cấu phanh để tăng áp suất hoặc ngăn đƣờng cấp dầu phanh từ xy lanh chính đồng thời mở khoang hồi dầu để giảm áp suất dầu trong cơ cấu phanh. Trên vỏ van có cửa I nối với đƣờng dầu từ xy lanh chính, cửa II nối với đƣờng dầu đến xy lanh công tác của cơ cấu phanh. Thông số quan trọng của van điều áp là đƣờng kính con trƣợt (vì nó có mối tƣơng quan với lực đàn hồi của lò xo hồi vị, lực nam châm điện để cơ cấu điều áp làm việc hiệu quả cũng nhƣ khả năng công nghệ chế tạo van điều áp). Lò xo hồi vị (3) có vai trò đẩy con trƣợt van điều áp dịch chuyển sang trái mở thông cửa cấp dầu từ xy lanh chính (đồng thời tạo lực đẩy dầu phanh về xy lanh công tác) làm tăng áp suất dầu trong cơ cấu phanh (pha tăng áp). Nam châm điện (4) có vai trò tạo ra lực hút làm dịch chuyển con trƣợt van điều áp về bên phải đóng cửa cấp dầu phanh từ xy lanh chính, đồng thời mở rộng khoang hồi dầu B giúp giảm áp suất trong hệ thống (pha giảm áp). 2.3.2. Nguyên lý làm việc cơ cấu điều áp Khi làm việc, con trƣợt van điều áp chịu tác dụng của lực điện từ nam châm điện (4), áp lực dầu trong khoang B và lực đàn hồi của lò xo hồi vị (3). Hình 2.12. Cơ cấu điều áp ở chế độ phanh bình thường (chế độ tăng áp) Ở chế độ tăng áp, dầu phanh từ cửa I đƣợc thông hoàn toàn sang cửa II nghĩa là dầu phanh đi từ xy lanh chính đến cơ cấu phanh, áp suất phanh đến cơ cấu phanh phụ thuộc lực bàn đạp. Lúc này nam châm điện không sinh lực (không có dòng điện đi đến nam châm), con trƣợt 1 bị lò xo hồi vị 3 đẩy hoàn toàn sang phía trái, dầu thông từ cửa I sang cửa II (Hình 2.12). Hình 2.13. Cơ cấu điều áp ở chế độ xảy ra trượt lết bánh xe (chế độ giảm áp) - 38 - Ở chế độ giảm áp, nam châm điện đƣợc cấp dòng tạo lực hút, hút con trƣợt 1 dịch chuyển sang phải, nén lò xo hồi vị 3 lại. Khi con trƣợt vƣợt dịch chuyển qua cửa I, cửa I bị đóng lại, ngăn dầu từ xy lanh chính. Con trƣợt tịnh tiến dịch chuyển sang phải, làm xuất hiện khoang hồi dầu B, dầu từ cơ cấu phanh đi đến khoang B và áp suất phanh ở cơ cấu phanh giảm xuống (Hình 2.13). Khi ngừng cấp dòng vào nam châm điện, lực hút điện từ mất đi, con trƣợt 1 bị lò xo hồi vị 3 đẩy sang trái đẩy dầu phanh từ khoang B trở lại xy lanh công tác và hệ thống trở về chế độ tăng áp: cửa I thông với cửa II. Để đảm bảo cơ cấu điều áp hoạt động hiệu quả có ba thông số quan trọng là lực hút của nam châm điện 4, lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 và đƣờng kính con trƣợt 1 van điều áp cần phải đƣợc xác định phù hợp. Lực hút của nam châm điện (phụ thuộc vào kích thƣớc nam châm điện và điện áp sử dụng cho hệ thống) phải đủ lớn để thắng đƣợc lực lò xo hồi vị 3. Lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 có vai trò đẩy con trƣợt 1 dịch chuyển sang trái khi nam châm điện ngắt điện (thôi tác dụng lực). Lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 cần đảm bảo để đẩy dầu trong khoang B về xy lanh công tác và mở đƣợc cửa cấp dầu I. Lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 phụ thuộc vào độ cứng và độ biến dạng của lò xo. Khi lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 lớn thì dễ dàng thắng đƣợc lực đẩy của dầu phanh trong khoang B. Tuy nhiên nếu lực đàn hồi của lò xo hồi vị 3 lớn sẽ đòi hỏi lực nam châm điện lớn điều này khó đáp ứng nhƣ phân tích ở trên. Lực đẩy (áp lực) của dầu phanh trong khoang B tác dụng lên con trƣợt phụ thuộc vào áp suất của hệ thống và đƣờng kính con trƣợt van điều áp. Đƣờng kính con trƣợt cần đƣợc tính chọn sao cho điều kiện gia công chế tạo dễ dàng và áp lực không quá lớn. Từ các phân tích trên cho thấy để hệ thống hoạt động cần xác định các giá trị lực hút nam châm điện, lực đàn hồi của lò xo hồi vị (độ cứng và độ biến dạng ban đầu), đƣờng kính con trƣợt hợp lý. 2.3.3. Tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp Từ cấu tạo và các trạng thái làm việc của cơ cấu điều áp luận án nghiên cứu tính toán mô phỏng cơ cấu điều áp làm cơ sở cho phần mô phỏng xác định định các thông số cơ bản của cơ cấu điều áp. Trên vỏ van điều áp, cửa I có tiết diện hình tròn với đƣờng kính bằng đƣờng kính trong của ống dẫn dầu của hệ thống dI = 0,003 m. Độ dịch chuyển x2 của con trƣợt van điều áp là do nam châm điện tạo ra. Độ dịch chuyển x2 chính là độ đóng cửa I, tại thời Hình 2.14. Lực tác dụng lên con trượt van điều áp - 39 - điểm x2 chƣa đóng hoàn toàn cửa I thì tại cửa I đóng vai trò nhƣ một tiết lƣu. Do vậy cửa I có ba chế độ là mở hoàn toàn khi x2 = 0 m, đóng hoàn toàn khi x2 ≥ 0,003m và chế độ tiết lƣu khi 0 < x2 < 0,003m. Từ sơ đồ các lực tác dụng vào con trƣợt van điều áp (Hình 2.14), phƣơng trình chuyển động của con trƣợt van điều áp đƣợc viết nhƣ sau :   222 xFFFxm lxdnc  (2.13) Trong đó: m2 khối lƣợng con trƣợt (kg); Fnc: lực nam châm tác động vào con trƣợt van (N); Fd: áp lực của dầu phanh lên đỉnh con trƣợt (N); 2SpF pd  ; pp: áp suất dầu trong xy lanh công tác (khoang B) (N/m 2 ); S2: diện tích bề mặt làm việc của đỉnh con trƣợt (m 2 ); lxF : lực đàn hồi của lò xo hồi vị (N);  : hệ số cản nhớt của dầu (N.s/m). Từ công thức (2.13) có thể xác định đƣợc vận tốc và độ dịch chuyển của con trƣợt: )0(222    xdtxx )0(2 2 2 xdtxx    (2.14) Tùy theo độ dịch x2 của con trƣợt van điều áp hệ thống làm việc theo bốn trạng thái: + Trạng thái 1: Khi ở chế độ phanh bình thƣờng con trƣợt van điều áp không dịch chuyển: 02 x . Lƣu lƣợng từ van điều áp cấp xuống xy lanh công tác dƣới bánh xe Q2 bằng đúng lƣu lƣợng của xy lanh chính cấp xuống van điều áp Q1 ( 12 QQ  ). Lực đàn hồi của lò xo hồi vị bằng lực căng ban đầu: 0. lkFF lxbdlx  (N) Trong đó 0l : Độ biến dạng ban đầu của lò xo (m); lxk : Độ cứng lò xo (N/m). Áp lực dầu trong khoang b: 0dF . Áp suất trong toàn bộ hệ thống trƣờng hợp này có thể coi bằng đúng áp suất trong xy lanh công tác 1ppp  (theo tài liệu [13]); + Trạng thái 2: Khi bánh xe bị trƣợt lết lực nam châm kéo con trƣợt van điều áp dịch chuyển sang phải một lƣợng x2: 003,00 2  x m đóng dần cửa I. Cửa I có dạng hình tròn có phƣơng trình 222 0015,0 yx (Hình 2.15), do vậy quá trình này tƣơng ứng với một van tiết lƣu có hệ số độ mở van thay đổi theo giá trị x2. Hình 2.15. Tiết diện cửa I - 40 - Hệ số độ mở cửa van: 2 0 2 2 22 21 2 0015,0 0015,020015,0 2         x tltl tl dxx SS S (2.15) Trong đó: Stl1, Stl2 là các phần diện tích của cửa I nhƣ Hình 2.15 Áp suất dầu trƣớc tiết lƣu (áp suất trong xy lanh chính) :  dtQQ V K p   21 1 1 (2.16) Trong đó: Q1: Lƣu lƣợng của xy lanh chính cấp xuống van điều áp; Q2: Lƣu lƣợng dầu từ van điều áp cấp xuống xy lanh công tác; K: modul đàn hồi của dầu phanh; V1 = VR1 + Vk1: Tổng thể tích đƣờng ống trƣớc tiết lƣu và thể tích xy lanh chính (m 3 ); Vk1 : Thể tích xy lanh chính 4 1 2 1 x k lD V   (m 3 ); VR1: Thể tích đoạn ống nối l1 trƣớc tiết lƣu 4 1 2 1 lD V oR   (m 3 ); oD : Đƣờng kính làm việc ống nối (m). Lƣu lƣợng dầu từ van điều áp cấp xuống xy lanh công tác Q2 (lƣu lƣợng sau tiết lƣu): )( 31 2 s m p pp QQ dn p dn    (2.17) Trong đó:  : hệ số độ mở cửa van; dnQ : Lƣu lƣợng danh nghĩa chảy qua van khi van mở hết mức và chênh áp trên van bằng áp suất danh nghĩa(m3/s); dnp : Độ chênh áp suất danh nghĩa trên tiết lƣu (N/m 2 ); 1p : Áp suất trƣớc tiết lƣu (N/m 2 ); pp : Áp suất sau tiết lƣu (áp suất dầu trong xy lanh công tác) (N/m 2 ) + Trạng thái 3: Khi độ dịch của con trƣợt van điều áp đóng kín hoàn toàn cửa I mx 003,02  . Khi đó thể tích khoang B là 22xS Lƣu lƣợng dầu Q3 từ xy lanh công tác của cơ cấu phanh hồi về khoang B đƣợc xác định nhƣ sau: 223 SxQ   (m 3 /s) (2.18) Áp suất dầu trong xy lanh công tác của cơ cấu phanh đƣợc xác định: dtxSQQ V K p ct tong p          332 (2.19) Trong đó: tongV : tổng thể tích từ van điều áp đến xy lanh công tác - 41 - btaRRtong VVVVVV  32 (2.20) 2RV : thể tích phần ống từ van điều áp đến xy lanh công tác; 3RV : thể tích phần ống từ khoang A đến khoang B; tV : thể tích xy lanh công tác ; aV : thể tích khoang A; bV : thể tích khoang B. + Trạng thái 4: Khi nam châm điện thôi tác dụng lực Fnc=0, con trƣợt van điều áp dịch chuyển sang bên phía tay trái, phƣơng trình (2.13) mất đi thành phần lực nam châm điện. Các phƣơng trình từ (2.13) đến phƣơng trình (2.20) là cơ sở để mô phỏng cơ cấu điều áp của hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết đã đề xuất. Mô hình mô phỏng nhƣ trên Hình 2.16 với đầu vào của mô hình là lƣu lƣợng cấp Q1 từ xy lanh chính đƣợc lấy từ mô hình xy lanh chính, lực nam châm điện Fnc và vận tốc của pít tông xy lanh công tác  3x đƣợc lấy từ mô hình xy lanh công tác, đầu ra là áp suất trong xy lanh chính p1 (áp suất trƣớc van điều áp) và áp suất trong xy lanh công tác pp(áp suất phanh). Hình 2.16. Mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp Để có thể mô phỏng đánh giá hoạt động của cơ cấu điều áp luận án tiến hành mô phỏng hệ thống phanh xe máy và mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe máy. - 42 - 2.4. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh xe máy có hệ thống hạn chế trƣợt lết Từ sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết trên Hình 2.8, luận án đề xuất sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống phanh hạn chế trƣợt lết dẫn động thủy lực nhƣ Hình 2.17 Hình 2.17. Sơ đồ hệ thống dẫn động phanh Trên hệ thống dẫn động phanh, cơ cấu điều áp đã đƣợc mô phỏng trong mục 2.3.3, mục này luận án sẽ tiếp tục xây dựng các mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính, cơ cấu phanh, bánh xe và bộ điều khiển. 2.4.1. Mô hình xy lanh – pít tông phanh chính Khi phanh ngƣời lái tác động phanh (đạp phanh) tác động một lực Fs vào pít tông xy lanh chính làm pít tông xy lanh chính dịch chuyển một khoảng x1 đẩy dầu phanh từ xy lanh chính xuống cơ cấu điều áp một lƣợng Qs1 (Hình 2.18). Bỏ qua ảnh hƣởng của lò xo hồi vị, phƣơng trình dịch chuyển của pít tông xy lanh chính:   11111 xSpFxm s  (2.21) Trong đó: m1: khối lƣợng pít tông của xy lanh chính (kg); Fs: lực tác động phanh tác dụng vào pít tông của xy lanh chính (N); p1: áp suất dầu trong xy lanh chính (N/m 2 ), xác định theo công thức (2.16); S1: diện tích bề mặt làm việc của pít tông (m 2 );  : hệ số cản nhớt của dầu (N.s/m). Từ công thức (2.21) có thể xác định đƣợc vận tốc và độ dịch chuyển của pít tông xy lanh chính:    )0(111 xdtxx )0(111 xdtxx    (2.22) Hình 2.18. Xy lanh-pít tông phanh chính - 43 - Lƣu lƣợng dầu Qs1 từ xy lanh chính cấp đến cơ cấu điều áp đƣợc tính nhƣ sau: )( 3 111 s mSxQ   (2.23) Trên cơ sở các phƣơng trình từ (2.21) đến (2.23) với các thông số đầu vào của mô hình là lực tác động phanh Fs và áp suất trong xy lanh p1 lấy từ mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp, thông số đầu ra là lƣu lƣợng dầu cấp đến cơ cấu điều áp Q1, luận án xây dựng mô hình nhƣ trên Hình 2.19. Hình 2.19. Mô hình mô phỏng xy lanh phanh chính 2.4.2. Mô hình xy lanh – pít tông công tác Khi phanh dầu phanh đi từ cơ cấu điều áp xuống xy lanh công tác làm dịch chuyển pít tông xy lanh công tác của cơ cấu phanh một khoảng x3. (Hình 2.20). Pít tông xy lanh công tác đẩy má phanh ép vào đĩa phanh một lực FN:        00 0)( )0(33 )0(33)0(33 xxkhi xxkhixxk FN Phƣơng trình chuyển động của pít tông xy lanh công tác: )( )0(3333 xxkxSpxm ctpct    (2.24) Trong đó: mct: khối lƣợng pít tông của xy lanh công tác (kg); Sct: diện tích làm việc của 2 pít tông của xy lanh công tác 4 2 2 ct ct D S   (m 2 ); Dct: đƣờng kính làm việc của đỉnh pít tông xy lanh công tác (m); k: độ cứng của má phanh (N/m); pp: áp suất dầu xy lanh công tác (N/m 2 ), xác định theo công thức (2.19); x3(0): khe hở phanh ban đầu (m). Từ công thức (2.24) có thể xác định đƣợc vận tốc và độ dịch chuyển x3 của pít tông xy lanh công tác đƣợc xác định công thức sau: Hình 2.20. Xy lanh-pít tông cơ cấu phanh - 44 - )0(333    xdtxx )0(333 xdtxx    (2.25) Mô men phanh đƣợc tính bằng công thức sau: )( )0(33 xxkRmfFRmfM tbdNtbdps  (2.26) Trong đó: m: số lƣợng bề mặt ma sát; FN: lực ép má phanh vào đĩa phanh; (N); k: Độ cứng má phanh (N/m); fd : hệ số ma sát giữa đĩa phanh và má phanh; Rtb: bán kính đặt lực FN (m). Trên cơ sở phƣơng trình (2.24) với các thông số đầu vào mô hình là áp suất phanh pp lấy từ mô hình mô phỏng cơ cấu điều áp, thông số đầu ra là lực ép tác dụng lên đĩa phanh FN và vận tốc pít tông xy lanh công tác 3  x , luận án xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng xy lanh công tác nhƣ Hình 2.21. Hình 2.21. Mô hình mô phỏng xy lanh công tác Kết nối các mô hình trên phần mềm Matlab-Simulink đƣợc mô hình dẫn động phanh (chƣa kể đến mô hình mô phỏng bộ điều khiển) và mô hình bánh xe nhƣ Hình 2.22. Đầu ra của mô hình dẫn động phanh là mô men phanh, nó cũng chính là đầu vào của mô hình bánh xe trong mô hình động lực học quá trình phanh xe máy đƣợc xây dựng ở phần tiếp sau đây. - 45 - Hình 2.22. Mô hình mô phỏng hệ thống dẫn động phanh 2.5. Mô hình mô phỏng động lực học của quá trình phanh xe Luận án tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống phanh hạn trƣợt lết cho xe máy vì vậy cần xây dựng mô hình mô phỏng động học quá trình phanh của xe máy phù hợp với mục tiêu nghiên cứu nhƣng vẫn đảm bảo phản ánh đúng bản chất động lực học xe máy khi phanh. Khi xây dựng mô hình mô phỏng luận án giả thiết quá trình phanh xe trên đƣờng thẳng (xe chuyển động thẳng), coi mặt đƣờng bằng phẳng, bỏ qua cản lăn, cản của không khí, bỏ qua sự đàn hồi của lốp và sự thay đổi chiều cao trọng tâm khi phanh. 2.5.1. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh Trong quá trình phanh, các lực và các mô men tác động vào bánh xe sau (bánh xe phanh) nhƣ trên Hình 2.24, từ đó có thể xây dựng đƣợc phƣơng trình chuyển động quay của bánh xe sau: bxsxspssbxs rFMJ    (2.27) Trong đó psM : Mô men phanh (Nm); zsxsxs FF  : tổng hợp lực mặt đƣờng tác động lên bánh xe sau theo phƣơng x (N); bxsJ : Mô men quán tính bánh xe sau (kgm 2 ); xs : hệ số bám phƣơng x ( xs là hàm phụ thuộc vào độ trƣợt s); Fxs: Tổng hợp lực mặt đường theo x Fzs: Phản lực mặt đường lên bánh xe F'zs: Lực bánh xe td lên mặt đường Fks: Lực đẩy từ khung xe Hình 2.23. Lực tác dụng lên bánh xe khi phanh - 46 - s : vận tốc góc bánh xe; )0(s : vận tốc góc ban đầu. Từ công thức (2.27) có thể xác định đƣợc gia tốc góc và vận tốc góc bánh xe sau nhƣ sau: )( 1 bxsxsps bxs s rFM J    )0(ssss dt     (2.28) Mô hình động lực học của bánh xe khi phanh nhƣ Hình 2.24 các thông số đầu vào: Phản lực thẳng đứng Fzs, Mô men phanh Mps, vận tốc xe v và thông số đầu ra là các thông số: độ trƣợt s, lực dọc (mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe phía sau) Fxs, vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe. Hình 2.24. Mô hình mô phỏng bánh xe khi phanh 2.5.2. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh (bánh xe trƣớc) Trong quá trình phanh xe máy, bánh xe phía trƣớc không phanh chỉ lăn bị động trong suốt quá trình phanh. bxtxttbxt rFJ    (2.29) Trong đó: ztxtxt FF  : tổng hợp lực mặt đƣờng tác động lên bánh xe trƣớc theo phƣơng x (N); bxtJ : Mô men quán tính bánh xe trƣớc (kgm2); xt : hệ số bám phƣơng x ( xt là hàm phụ thuộc vào độ trƣợt s); t : vận tốc góc bánh xe; )0(t : vận tốc góc ban đầu. Từ công thức (2.29) có thể xác định Fxt: Tổng hợp lực mặt đường theo x Fzt: Phản lực mặt đường lên bánh xe F’zt: Lực bánh xe td lên mặt đường Fkt: Lực đẩy từ khung xe Hình 2.25. Lực tác dụng lên bánh xe không phanh - 47 - đƣợc gia tốc góc và vận tốc góc bánh xe sau nhƣ sau: )( 1 bxtxt bxt t rF J    )0(tttt dt     (2.30) Mô hình động lực học của bánh xe khi phanh nhƣ Hình 2.26 các thông số đầu vào: Phản lực thẳng đứng Fzt, vận tốc xe v và thông số đầu ra là các thông số: độ trƣợt s, lực dọc (mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe phía trƣớc) Fxt, vận tốc góc, gia tốc góc bánh xe. Hình 2.26. Mô hình mô phỏng bánh xe không phanh 2.5.3. Mô hình mô phỏng lốp xe Mô hình mô phỏng lốp xe đƣợc đƣa vào nhằm xác định thành phần lực dọc do mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe. Có rất nhiều nghiên cứu đã đƣa ra mô hình lốp nhƣ: mô hình lốp xe Dugoff [31], mô hình lốp theo công thức Pacejka [50], mô hình lốp theo công thức Burckhardt [26], mô hình lốp đƣợc xây dựng bởi Kiencke và Daiss Trong nghiên cứu này luận án sử dụng mô hình Burckhardt để xác định hệ số bám dọc. Mô hình Burckhardt [52], [62] xác định quan hệ độ trƣợt của lốp xe và hệ số bám x theo hệ số bám tổng r và độ trƣợt tổng rs . Với giả thiết, chƣa khảo đến trƣợt bên của bánh xe, coi 0ys , sss xr  , rx   đƣợc xác định bằng công thức (2.31) với các hệ số C1, C2, C3 nhƣ trong Bảng 2.1:   sCeC sCx 31 21   (2.31) Bảng 2.1. Hệ số theo công thức Burckhardt của một số loại đường[52] Loại đƣờng 1C 2C 3C Đƣờng asphalt khô 1,029 17,16 0,523 Đƣờng asphalt ƣớt 0,857 33,822 0,347 Đƣờng bùn đất ƣớt 0,1946 94,129 0,0646 - 48 - Sử dụng công thức Burckhardt, trên cơ sở phƣơng trình (2.31) xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng lốp xe bằng công cụ Matlab-Simulink Hình 2.27. Hình 2.27. Mô hình mô phỏng lốp xe 2.5.4. Mô hình mô phỏng quá trình phanh trên đƣờng thẳng Trong quá trình phanh, với các giả thiết đã nêu, xe máy chịu các lực tổng hợp tác dụng theo phƣơng chuyển động của xe nhƣ trên Hình 2.28, phƣơng trình chuyển động của xe khi phanh đƣợc viết nhƣ sau:   xmFF tongxsxt (2.32) Trong đó: mtong : khối lƣợng của toàn bộ xe (kg); Fxt: lực mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe phía trƣớc theo phƣơng x (N); ztxxt FF  ; Fxs: lực mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe phía sau theo phƣơng x (N), zsxxs FF  . Từ phƣơng trình (2.32) xác định đƣợc gia tốc của xe và vận tốc của xe theo công thức sau: Hình 2.28. Lực tác dụng lên xe máy - 49 - )( 1 xsxt tong FF m x   0)( 1 vdxFF m xv xsxt tong    (2.33) Trong đó: v: vận tốc dài của xe (m/s); v0: vận tốc dài ban đầu của xe (m/s). Trong quá trình phanh, khối lƣợng tác dụng lên các bánh xe có sự thay đổi theo gia tốc của xe. Do vậy cần tính toán trọng lƣợng phân bố trên bánh xe phía trƣớc và bánh xe phía sau để xác định lực phanh tác dụng lên các bánh xe. Phản lực theo phƣơng thẳng đứng tác dụng vào bánh xe phía trƣớc: )(     xhgb ba m F g tong zt (2.34) Phản lực theo phƣơng thẳng đứng tác dụng vào bánh xe phía sau: )(     xhga ba m F g tong zs (2.35) Trong đó: a: Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm quay bánh xe phía trƣớc (m); b: Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm quay bánh xe phía sau (m); hg: Chiều cao trọng tâm xe (m). Trên cơ sở các phƣơng trình (2.32), (2.34) và (2.35), với các thông số đầu vào là lực mặt đƣờng tác dụng lên các bánh xe Fxt , Fxs đƣợc lấy tƣ mô hình bánh xe và đầu ra là vận tốc xe v và phản lực thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe Fzt, Fzs, luận án xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe khi phanh nhƣ hình Hình 2.29. Hình 2.29. Mô hình mô phỏng chuyển động thẳng của xe khi phanh Kết nối các mô hình mô phỏng ở các mục 2.4, 2.5 đƣợc mô hình tổng quát phanh xe máy nhƣ Hình 2.30. - 50 - Hình 2.30. Mô hình mô phỏng phanh xe máy 2.5.5. Kết quả mô phỏng bằng mô hình đã xây dựng Để kiểm tra mô hình mô phỏng luận án