Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:202

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô "Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu; cơ sở khoa học của hệ thống phanh bổ trợ sử dụng công nghệ dầu từ trường; mô phỏng, phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ xe xuống dốc;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Quang Tuấn NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ DẦU TỪ TRƯỜNG TRONG HỆ THỐNG PHANH BỔ TRỢ Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ Hà Nội – 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Quang Tuấn NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ DẦU TỪ TRƯỜNG TRONG HỆ THỐNG PHANH BỔ TRỢ Ô TÔ Ngành: Kỹ thuật ô tô Mã số: 9520130 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Trịnh Minh Hoàng 2. TS. Nguyễn Anh Ngọc Hà Nội – 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận án tiến sĩ kĩ thuật ô tô của tôi với đề tài "Nghiên cứu áp dụng công nghệ dầu từ trường trong hệ thống phanh bổ trợ ô tô" là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Hà Nội,… tháng…. năm 2024 Người hướng dẫn khoa học 1 Người hướng dẫn khoa học 2 Nghiên cứu sinh TS. Trịnh Minh Hoàng TS. Nguyễn Anh Ngọc Hoàng Quang Tuấn i
LỜI CẢM ƠN NCS xin trân trọng cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực, Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng đã tạo điều kiện cho NCS thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tập thể hướng dẫn là TS. Trịnh Minh Hoàng và TS. Nguyễn Anh Ngọc, những người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn trong việc định hướng nghiên cứu và phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra giúp thực hiện và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn Ban Giám hiệu và quý Thầy, Cô Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn quý Thầy, Cô, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã ủng hộ và giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu của NCS. Cuối cùng NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích giúp đỡ trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN.................................................................................................. ii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. x DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. xi LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................... xv Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................... 1 1.1. Thực trạng ô tô khi di chuyển trên đường đèo dốc tại Việt Nam .............. 1 1.1.1. Thực trạng tai nạn giao thông .................................................................... 1 1.1.2. Điều kiện địa hình đồi núi tại Việt Nam và các quy chuẩn đường dốc ..... 1 1.2. Các hệ thống phanh bổ trợ trên ô tô .......................................................... 3 1.2.1. Phanh động cơ ........................................................................................... 4 1.2.2. Phanh khí xả .............................................................................................. 5 1.2.3. Thiết bị hãm thủy lực................................................................................. 5 1.2.4. Phanh điện tử ............................................................................................. 6 1.2.5. Phanh điện từ ............................................................................................. 7 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................... 8 1.3.1. Các nghiên cứu về phanh bổ trợ ................................................................ 8 1.3.2. Các nghiên cứu chính về dầu MR và các ứng dụng ................................ 11 1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến phanh dầu từ trường ................................................................................................................. 13 1.4. Mục tiêu của luận án ................................................................................ 22 1.5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 22 1.5.1. Phương pháp mô phỏng số để xác định các vùng từ trường trong cơ cấu phanh MRB ........................................................................................................... 22 1.5.2. Phương pháp tính toán số xác định mômen phanh bổ trợ ....................... 23 1.5.3. Phương pháp thực nghiệm ....................................................................... 23 1.6. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 23 1.7. Bố cục và nội dung của luận án ............................................................... 23 1.8. Kết luận chương 1 ................................................................................... 25 iii
Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA HỆ THỐNG PHANH BỔ TRỢ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DẦU TỪ TRƯỜNG ............................................................ 26 2.1. Cơ sở khoa học xác định mômen phanh bổ trợ ....................................... 26 2.1.1. Vị trí lắp đặt phanh bổ trợ trên ô tô tải Suzuki Van ................................. 26 2.1.2. Xây dựng mô hình động lực học quá trình phanh xe tải van khi xuống dốc ................................................................................................................. 28 2.1.3. Khảo sát xác định mômen phanh bổ trợ cần thiết của cơ cấu phanh MRB ................................................................................................................. 32 2.2. Cơ sở khoa học cho việc tính toán- mô phỏng MRB .............................. 40 2.2.1. Cơ sở lý thuyết về chất lỏng MR ......................................................... 40 2.2.2. Cơ sở lý thuyết điện từ trường ............................................................. 47 2.2.3. Đặc tính của dầu từ trường MRF-140CG ............................................ 50 2.3. Cơ sở lý thuyết lựa chọn kết cấu của phanh dầu từ trường ..................... 52 2.4. Phương pháp tính toán mômen phanh MRB sinh ra ............................... 53 2.4.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp tính mômen phanh MRB ...................... 53 2.4.2. Phần mềm sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng phanh dầu từ trường 57 2.5. Phương pháp khảo sát nhiệt của phanh MRB ......................................... 58 2.5.1. Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 58 2.5.2. Lựa chọn mô hình đưa vào mô phỏng ................................................. 60 2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................... 61 Chương 3. MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHANH DẦU TỪ TRƯỜNG HỖ TRỢ XE XUỐNG DỐC ................................... 62 3.1. Phân tích đặc điểm kết cấu của MRB ...................................................... 62 3.1.1. Cấu tạo phanh MRB ................................................................................ 62 3.1.2. Nguyên lý làm việc của MRB ................................................................. 63 3.2. Thiết kế hệ thống phanh dầu từ trường hỗ trợ quá trình xe xuống dốc ... 64 3.2.1. Yêu cầu thiết kế ....................................................................................... 64 3.2.2. Phương án lắp MRB lên xe thực tế ......................................................... 65 3.3. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh dầu từ trường .................................. 66 3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng phanh từ trường ....................................... 66 3.3.2. Chia lưới mô hình .................................................................................... 67 iv
3.3.3. Vật liệu .................................................................................................... 69 3.3.4. Thiết lập cuộn dây ................................................................................... 71 3.3.5. Điều kiện biên .......................................................................................... 72 3.4. Phân tích hoạt động của hệ thống phanh dầu từ trường .......................... 74 3.4.1. Cường độ từ trường H ............................................................................. 74 3.4.2. Cảm ứng từ B........................................................................................... 77 3.4.3. Mômen phanh MRB tính toán theo mô phỏng ........................................ 78 3.4.4. Mô phỏng nhiệt phanh MRB ................................................................... 81 3.5. Kết quả mô phỏng.................................................................................... 82 3.5.1. Kết quả mô phỏng khi thay đổi số răng MRB ......................................... 82 3.5.2. Kết quả mô phỏng khi thay đổi góc nghiêng răng MRB ......................... 88 3.5.3. Kết quả mô phỏng khi thay đổi khe hở dầu ............................................. 89 3.5.4. Kết quả khảo sát nhiệt của MRB khi phanh xe xuống dốc ..................... 90 3.5.5. Phương án điều khiển cơ cấu khử mômen nhớt trường không cho MRB khi lắp lên xe ............................................................................................................. ................................................................................................................. 98 3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................. 101 Chương 4. THÍ NGHIỆM TRÊN BỆ THỬ .............................................. 102 4.1. Mục tiêu thí nghiệm ............................................................................... 102 4.2. Thiết kế chế tạo bệ thử phanh dầu từ trường ......................................... 102 4.2.1. Yêu cầu của bệ thử ................................................................................ 102 4.2.2. Cấu tạo bệ thử phanh MRB ................................................................... 104 4.3. Quy trình thí nghiệm trên bệ ................................................................. 106 4.3.1. Chế độ thử nghiệm 1 ............................................................................. 107 4.3.2. Chế độ thử nghiệm 2 ............................................................................. 108 4.4. Phương pháp đo và xử lý dữ liệu ........................................................... 108 4.4.1. Phương pháp quy đổi và hiển thị ....................................................... 109 4.4.2. Phương pháp xử lý dữ liệu ................................................................. 110 4.4.3. Quy trình calip bệ thử phanh MRB ....................................................... 110 4.5. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 112 4.5.1. Xác định đặc tính mômen phanh – số vòng quay của bộ MRB ............ 112 v
4.5.2. Xác định đặc tính mômen phanh - cường độ cường độ dòng điện của bộ MRB ............................................................................................................... 113 4.5.3. Kết quả đánh giá sai số giữa thí nghiệm và mô phỏng .......................... 115 4.6. Kết luận chương 4 ................................................................................. 117 KẾT LUẬN ................................................................................................. 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 121 vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3D Three Dimensional-Không gian 3 chiều BDW Brake Disk Wiping –Hệ thống loại bỏ nước bắn ra từ đĩa phanh bằng cách đạp phanh nhanh CDD Controlled Deceleration for Driver Assistance Systems – Hệ thống phanh xe kết hợp với phạm vi tự động giữa xe và xe CDP Controlled Deceleration for Parking Brake -Hệ thống giảm tốc có kiểm soát cho phanh đỗ xe ER Electro Rheological- Chất lỏng điện di FEA Finite Element Analysis- Phương pháp phần tử hữu hạn HBA Hydraulic Brake Assist -Hỗ trợ phanh thủy lực HDC Hill Descent Control – Hệ thống hỗ trợ người lái khi xuống dốc trên địa hình dốc bằng cách tự động tác dụng phanh HFC Hydraulic Fading Compensation – Hệ thống can thiệp nếu không đạt được tốc độ giảm tốc tối đa có thể của xe ngay cả khi người lái nhấn mạnh bàn đạp phanh, ví dụ do nhiệt độ đĩa phanh cao HHC Hill Hold Control – Hệ thống can thiệp vào hệ thống phanh khi kéo đi trên một ngọn đồi và ngăn chặn xe lăn ngược lại HRB Hydraulic Rear Wheel Boost – Hệ thống tăng áp suất phanh ở bánh sau lên đến giới hạn khóa bánh khi áp dụng phanh ABS MR Magneto Rheological MRB Magneto Rheological Brake MRF Magneto Rheological Fluid NCS Nghiên cứu sinh TVR Tỉ số mômen/thể tích vii
DANH MỤC KÝ HIỆU A (m2) Vùng dầu MR làm việc b (m) Chiều rộng răng B (T) Cảm ứng từ Bm (T) Mật độ từ thông bão hoà Br (T) Mật độ từ thông d (m) Khe hở dầu H (kA/m) Cường độ từ trường h (m) Chiều dài của rãnh dầu I (A) Cường độ dòng điện K chỉ số nhất quán của mô hình chất lỏng Herschel-Bulkley l (m) Chiều dài rãnh dầu nghiêng m chỉ số hành vi dòng chảy của mô hình chất lỏng Herschel- Bulkley mx (kg) Khối lượng xe Nd Số đĩa của kết cấu phanh Rr (m) Bán kính đĩa quay S (m2) Tiết diện của dây dẫn điện T (Nm) Mômen phanh MRB Ta (Nm) Mômen phanh ở lớp dầu nằm nghiêng Tc (Nm) Mômen phanh lớp dầu ngoài cùng Te (Nm) Mômen phanh ở lớp dầu nằm vuông góc với trục roto 𝑇𝜏 (Nm) Mômen phanh do độ nhớt động của dầu MR khi chưa đặt từ trường 𝑇 𝑦 (Nm) Mômen phanh do từ trường H sinh ra Wdiss (J) Năng lượng tiêu tán khi phanh viii
Wequ (J) Năng lượng tương đương Wpot (J) Thế năng khi phanh xe xuống dốc Wrr (J) Năng lượng tiêu tán do lực cản lăn khi phanh γ ̇ (rad/s) Tốc độ cắt Δh (m) Chênh lệch độ cao η (kPa.s) Độ nhớt động của chất lỏng MR khi không có từ trường áp dụng τ (kPa) Ứng suất cắt tổng cộng của dầu từ trường τγ (kPa) Ứng suất chảy của dầu ⬚ 𝜏0 (kPa) Ứng suất khi chưa có tác dụng của từ trường H φ (độ) Góc nghiêng răng Φ (T) Từ thông đi qua một diện tích bề mặt Ω (rad/s) Tốc độ quay của roto 𝜇 (Henry/m) Độ từ thẩm 𝜇0 (Henry/m) Độ từ thẩm tuyệt đối của chân không 𝜇 𝑟 (Henry/m) Độ từ thẩm tương đối của môi trường ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Độ dốc dọc lớn nhất của các cấp thiết kế của đường [2] ............................ 2 Bảng 1.2 Vận tốc thiết kế của các cấp đường [2] ....................................................... 2 Bảng 1.3 Chiều dài lớn nhất của dốc dọc (m) [2] ...................................................... 2 Bảng 1.4 Thuật ngữ và định nghĩa về hệ thống phanh bổ trợ [6] .............................. 3 Bảng 1.5 Các thành tựu thiết kế phanh MRB cho ô tô ............................................. 13 Bảng 1.6 So sánh kết quả MRB và CHB có và không có ABS [48] ........................ 20 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của mô hình mô phỏng ................................................ 35 Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả đánh giá hiệu quả của mômen phanh bổ trợ cho xe tải khi xuống dốc ................................................................................................................. 40 Bảng 2.3 Cảm ứng từ - độ từ thẩm của vật liệu từ tính [71] .................................... 49 Bảng 2.4 Thông số vật lý của dầu MR- 140 CG [58]............................................... 50 Bảng 2.5 Các tiêu chí lựa chọn sơ bộ kết cấu phanh MR [71] ................................. 53 Bảng 3.1 Số phần tử chia lưới. ................................................................................. 68 Bảng 3.2 Bảng tính toán mômen phanh từ trường sinh ra với cường độ dòng điện 1.5A (số vòng quay 1500v/ph) ................................................................................. 80 Bảng 3.3 Tính toán quy đổi vận tốc bánh xe sang số vòng quay đĩa phanh MRB .. 90 Bảng 3.4 Bảng tính công suất cần thiết của MRB để giữ xe với các mỗi vận tốc ổn định (trong vùng khảo sát từ 20 km/h đến 50 km/h), đi trên đường dốc có góc dốc không đổi (trong vùng khảo sát từ 5 % đến 11 %), quãng đường dốc dài S = 6 km theo tiêu chuẩn thử ISO ............................................................................................ 91 Bảng 4.3: Kết quả đánh giá sai số giữa mô phỏng và thí nghiệm .......................... 116 x
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các hệ thống phanh bổ trợ trên ô tô [7]....................................................... 7 Hình 1.2 Hệ thống phanh điện từ trên ô tô [8] ........................................................... 8 Hình 1.3 Các nghiên cứu về chất lỏng MR [15]....................................................... 12 Hình 1.4 Ảnh hưởng của loại dầu MRF tới mômen phanh [34] .............................. 14 Hình 1.5 Sự thay đổi nhiệt độ tối đa ở MRB hai đĩa khi chịu chu kỳ nhả phanh lặp lại: (a) sử dụng MRF-132AD và (b) sử dụng MRF-241ES [42] .............................. 16 Hình 1.6 Phân bố nhiệt độ của MRB thông thường hình chữ nhật trong trường hợp không hạn chế nhiệt độ MRF (393,30Nm, khối lượng: 14,40kg) [43] .................... 17 Hình 1.7 Đường cong biến đổi nhiệt độ tối đa theo thời gian trong điều kiện phanh khẩn cấp ........................................................................................................ 18 Hình 1.8 Chiến lược điều khiển MRB [46] .............................................................. 19 Hình 2.1 Mô hình phanh khi lắp lên xe .................................................................... 27 Hình 2.2 Các lực và mômen tác động lên xe tải van khi xuống dốc và phanh ........ 28 Hình 2.3 Quá trình phanh khi xe xuống dốc ............................................................ 32 Hình 2.4 Phương án điều khiển MRB ...................................................................... 33 Hình 2.5 Khảo sát quãng đường phanh (a) và thời gian phanh (b) với độ dốc đường từ 5% đến 11%, mômen phanh bổ trợ T từ 0:40:120 Nm (hệ số bám  = 0.7, v1 = 60 km/h, v2 = 20 km/h, tỷ lệ lực bàn đạp phanh k = 50 %). .......................................... 36 Hình 2.6 Tổng hợp kết quả khảo sát quãng đường phanh (a) và thời gian phanh (b) với độ dốc đường từ 5% đến 11%, mômen phanh bổ trợ T từ 0 đến 120 Nm. ........ 37 Hình 2.7 Khảo sát quãng đường phanh và thời gian phanh với tỷ lệ lực bàn đạp phanh k từ 10 % đến 70%, mômen phanh bổ trợ T từ 0:40:120 Nm (độ dốc đường 11%, v1 = 60 km/h, v2 = 20 km/h, hệ số bám  = 0.7)........................................................... 38 Hình 2.8 Tổng hợp kết quả khảo sát quãng đường phanh (a) và thời gian phanh (b) với tỷ lệ lực bàn đạp phanh k từ 10 % đến 70%, mômen phanh bổ trợ T từ 0 đến 120 Nm ............................................................................................................................ 38 Hình 2.9 Sơ đồ đường cong dòng chảy của chất lỏng MR [15]. .............................. 40 Hình 2.10 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả phanh MR [15] ................................ 41 Hình 2.11 Mối quan hệ giữa vận tốc cắt và ứng suất cắt của các mô hình [15] ....... 43 xi
Hình 2.12 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn của phanh MR [15] ........................ 45 Hình 2.13 Các chế độ hoạt động của chất lỏng MR: a) chế độ nén (dòng chảy có áp)- b) chế độ cắt trực tiếp - c) Chế độ ép - d) chế độ thắt (nguồn [71]) ......................... 47 Hình 2.14 Đường cong B-H của vật liệu sắt từ (nguồn [71]) .................................. 48 Hình 2.15 Quan hệ cường độ từ trường - ứng suất chảy của dầu 140CG [58] ....... 50 Hình 2.16 Tác động của từ trường H làm quay kim nam châm [57] ...................... 51 Hình 2.17 Quy tắc vặn nút chai [57] ....................................................................... 51 Hình 2.18 Định luật Ampe [57] ............................................................................... 52 Hình 2.19 Tổng hợp mối liên hệ trong Flux [57] .................................................... 52 Hình 2.20 Phân tích các khu vực tính toán cụ thể tại lớp MRF .............................. 54 Hình 2.21 Mô hình tính toán mômen phanh tại vùng A (nguồn [59]) ..................... 55 Hình 2.22 Mô hình tính toán mômen phanh tại vùng E .......................................... 56 Hình 3.1 Phanh từ trường bổ trợ............................................................................... 63 Hình 3.2 Bản vẽ lắp phanh từ trường lên cụm cầu xe tải nhỏ .................................. 66 Hình 3.3 Chia lưới mô hình ...................................................................................... 69 Hình 3.4 Mô hình cuộn dây ...................................................................................... 71 Hình 3.5 Đặt điều kiện biên giải bài toán từ trường tĩnh.......................................... 73 Hình 3.6 Cường độ từ trường sinh ra khi cường độ dòng điện I=1A ....................... 74 Hình 3.7 Cường độ từ trường sinh ra khi cường độ dòng điện I=3A ....................... 74 Hình 3.8 Cường độ từ trường, cảm ứng từ B và đường sức từ của phanh từ trường. .................................................................................................................................. 75 Hình 3.9 Đường đi của từ thông bên trong phanh từ trường .................................... 76 Hình 3.10 Cảm ứng từ B của phanh từ trường. ........................................................ 77 Hình 3.11 Các vùng dầu trên đĩa phanh ................................................................... 79 Hình 3.12 Không gian tính toán ............................................................................... 81 Hình 3.13 Mặt cắt lưới tính toán .............................................................................. 81 Hình 3.14 Liên kết giữa các phần tử ........................................................................ 82 Hình 3.15 Đồ thị ảnh hưởng của số răng đến mômen phanh ................................... 83 Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng của số răng đến mômen phanh ................................... 84 Hình 3.17 Quan hệ mômen phanh MRB- số vòng quay trục roto............................ 85 xii
Hình 3.18 Kết quả khảo sát mômen phanh- số vòng quay theo vùng dầu và nguồn tạo cản trên phanh MR ................................................................................................... 85 Hình 3.19 Đồ thị đặc tính Mômen phanh – cường độ cường độ dòng điện trong mô phỏng với số vòng quay thay đổi từ 1000-2500v/ph ................................................ 86 Hình 3.20 Kết quả khảo sát mômen phanh khi thay đổi cường độ dòng điện theo vùng dầu và nguồn tạo cản trên phanh MR ....................................................................... 87 Hình 3.21 Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng răng đến mômen phanh ................... 88 Hình 3.22 Đồ thị ảnh hưởng của khe hở dầu đến mômen phanh ............................. 89 Hình 3.23 Năng lượng (EMRB) và công suất (PMRB) của MRB để giữ vận tốc của xe trên dốc ..................................................................................................................... 90 Hình 3.24 Mômen và dòng điện của MRB để giữ vận tốc của xe trên dốc ............. 91 Hình 3.25 Trường nhiệt độ mặt cắt phanh trường hợp 7 răng không có làm mát .... 92 Hình 3.26 Nhiệt độ các chi tiết chính của MRB ở độ dốc 6% ................................. 93 Hình 3. 27 Trường vận tốc không khí môi trường ................................................... 94 Hình 3.28 Nhiệt độ các chi tiết chính của MRB ở chế độ thử với độ dốc 11% ....... 94 Hình 3.29 Mặt cắt phanh 7 răng không có áo nước ................................................. 95 Hình 3.30 Mặt cắt phanh 7 răng có áo nước ............................................................ 95 Hình 3.31 Mặt cắt phanh có áo nước........................................................................ 96 Hình 3.32 Các mặt cắt qua phanh ............................................................................. 96 Hình 3.33 Vector vận tốc dòng nước làm mát .......................................................... 97 Hình 3.34 Nhiệt độ các chi tiết chính của MRB ở độ dốc 6% (có làm mát) ............ 97 Hình 3.35. Nhiệt độ các chi tiết chính của MRB ở chế độ thử với độ dốc 11% (có làm mát) ........................................................................................................................... 98 Hình 3.37. Phương án sử dụng cơ cấu gài số để giảm nhớt trường không ............ 100 Hình 4.1 Cấu tạo bệ thử phanh MRB ..................................................................... 104 Hình 4.2 Cảm biến lực ............................................................................................ 105 Hình 4.3 Cảm biến nhiệt một đầu cố định .............................................................. 105 Hình 4.4 Đồ thị đặc tính mômen phanh MRB - số vòng quay ............................... 112 Hình 4.5 Đồ thị đặc tính mômen phanh MRB - cường độ cường độ dòng điện cấp cho phanh MRB (n=150 v/ph) ...................................................................................... 113 xiii
Hình 4.6 Đồ thị kết quả thực nghiệm mômen phanh MRB khi thay đổi cường độ dòng điện ở các số vòng quay đĩa phanh khác nhau ....................................................... 114 Hình 4.7 Kết quả đánh giá mômen phanh MRB mô phỏng và thực nghiệm ở các số vòng quay khác nhau khi thay đổi cường độ dòng điện ......................................... 115 xiv
LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình phanh ô tô, động năng được chuyển hóa thành nhiệt, làm nóng các cơ cấu phanh và tấm ma sát, có thể dẫn đến giảm hiệu quả phanh. Việc suy giảm hiệu quả phanh có thể trở nên nghiêm trọng khi chế độ phanh liên tục trên dốc dài, khiến cơ cấu phanh quá nóng, dẫn đến mất phanh. Để giảm tải cho hệ thống phanh chính, các hệ thống phanh bổ trợ đã được đề xuất. Một số nghiên cứu trong thời gian qua cho thấy cơ cấu phanh sử dụng dầu từ trường (Magneto-Rheological Fluid -MRF) đã có một số ưu điểm như khả năng đáp ứng và điều khiển linh hoạt, tiêu thụ năng lượng thấp. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ dầu từ trường cho hệ thống phanh trên ô tô còn ít được quan tâm do khả năng tạo mômen của cơ cấu phanh chưa lớn. Chính vì vậy, việc nghiên cứu để đánh giá một cách cụ thể hơn khả năng áp dụng công nghệ dầu từ trường cho hệ thống phanh nói chung và cơ cấu phanh bổ trợ nói riêng là một nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Do điều kiện nghiên cứu, đối tượng được lựa chọn là xe tải van cỡ nhỏ. Việc đánh giá khả năng áp dụng công nghệ dầu từ trường cho cơ cấu phanh bổ trợ xe tải lựa chọn theo thông số đường đồi núi theo quy chuẩn đường dốc ở Việt Nam. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của cơ cấu phanh bổ trợ bao gồm quãng đường, thời gian, vận tốc đầu và cuối của xe khi xuống dốc và hệ thống phanh chính ở chế độ rà phanh. Luận án với mục tiêu là nghiên cứu khả năng áp dụng phanh dầu từ trường cho hệ thống phanh bổ trợ khi ô tô xuống dốc. Hệ thống phanh bổ trợ (MRB) hoạt động độc lập với hệ thống phanh chính, nhằm cung cấp một phần mômen phanh để giảm tải cho hệ thống phanh chính khi xe xuống dốc duy trì với một tốc độ chuyển động theo mong muốn của người lái. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nội dung nghiên cứu lý thuyết cụ thể của đề tài bao gồm: xác định mômen phanh yêu cầu khi xe xuống dốc, từ đó lựa chọn kết cấu và phương án bố trí phanh bổ trợ; sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới khả năng tạo mômen phanh của MRB. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết, luận án đã thiết kế chế tạo mẫu phanh bổ trợ và chế tạo bệ thử trong phòng thí nghiệm để đo kiểm chứng đặc tính của MRB trên bệ thử. xv
Các kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án cho thấy cơ cấu MRB được thiết kế, chế tạo thỏa mãn được mục tiêu đề ra. Cấu hình mômen phanh MRB cho phép tạo ra được mômen phanh thỏa mãn yêu cầu giảm tải cho hệ thống phanh chính. Việc xây dựng mô hình mô phỏng và tính toán số để tính toán mômen phanh và phân tích ảnh hưởng của kết cấu đến mômen phanh của cơ cấu phanh MRB cho phép ứng dụng phương pháp này trong tính toán kết cấu và nghiên cứu phát triển MRB. Luận án cũng đã chế tạo mẫu MRB và bệ thử đo đặc tính MRB bằng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Sai lệch giữa thực nghiệm và tính toán mô phỏng dưới 10 % cho thấy độ tin cậy của mô hình mô phỏng. Thông qua việc mô phỏng nhiệt và đánh giá năng lượng của MRB, tác giả tiến hành đề xuất giải pháp làm mát cho MRB, cũng như biện pháp kết cấu nhằm hạn chế mômen nhớt trường không sinh ra ở chế độ MRB chưa làm việc. Các kết quả nghiên cứu là sơ sở khoa học để nghiên cứu phát triển MRB ứng dụng cho hệ thống phanh bổ trợ cho xe tải khi xuống dốc. Mặc dù đã có những kết quả rất đáng khích lệ, tuy nhiên luận án còn một số hạn chế như chưa đánh giá được hiệu quả thực tế của cơ cấu phanh ở các chế độ làm việc khắc nghiệt (nhiệt độ, số vòng quay cao) để đánh giá toàn diện và hoàn thiện kết cấu, cũng như chưa xây dựng được phương án chế tạo bộ điều khiển MRB theo chế độ vận hành. Do đó chưa thể lắp đặt thử nghiệm để ứng dụng trên xe thực. Đây cũng chính là hướng phát triển của đề tài sau này. xvi
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hệ thống phanh trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lực hãm chuyển động của xe. Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ vật liệu, ô tô ngày càng hiện đại, vận tốc di chuyển cao hơn, đòi hỏi hệ thống phanh cũng cần được cải tiến và áp dụng những công nghệ mới. Nhằm nâng cao tính an toàn, tiện nghi và điều khiển dễ dàng, nhiều hệ thống phanh bổ trợ đã được nghiên cứu và ứng dụng trên ô tô. Chương này đề cập đến quá trình phanh khi xe xuống dốc, các hệ thống hỗ trợ phanh trên ô tô, cũng như các nghiên cứu về lĩnh vực phanh ứng dụng dầu từ trường đã được thực hiện trong những năm gần đây. 1.1. Thực trạng ô tô khi di chuyển trên đường đèo dốc tại Việt Nam 1.1.1. Thực trạng tai nạn giao thông Mỗi năm, cả nước xảy ra khoảng 20.000 vụ tai nạn giao thông, trong đó có khoảng 9.000 người tử vong và hàng chục nghìn người bị thương [1]. Tai nạn liên quan đến đường đèo dốc là một trong những nguyên nhân gây ra tình trạng này. Bên cạnh đó còn do kỹ năng lái xe của người điều khiển phương tiện yếu kém, đặc biệt là lái xe mới, ít kinh nghiệm khi đi đường đồi núi. Về mặt kĩ thuật phương tiện, hệ thống phanh của một số dòng xe chở hàng còn yếu kém, không đảm bảo an toàn khi xuống dốc. Để giảm thiểu tai nạn giao thông trên đường đèo dốc, cần có sự phối hợp của nhiều bên. Cụ thể, nhà nước cần đầu tư xây dựng, nâng cấp hệ thống giao thông trên đường đèo dốc, đảm bảo đủ bề rộng, có đường lánh nạn, biển báo an toàn. Người điều khiển phương tiện cần nâng cao kỹ năng lái xe, đặc biệt là khi đi đường đồi núi. Các nhà sản xuất xe cần cải tiến hệ thống phanh, đảm bảo an toàn khi xuống dốc. 1.1.2. Điều kiện địa hình đồi núi tại Việt Nam và các quy chuẩn đường dốc Các nghiên cứu về độ dốc chung về đường xá ở Việt Nam cho thấy, địa hình Việt Nam ít bằng phẳng, phần lớn là đồi núi, bị chia cắt nhanh nên độ dốc rất đa dạng. Tuỳ theo cấp thiết kế của đường, độ dốc dọc tối đa được quy định trong Bảng 1.1. Có thể thấy dốc dọc lớn nhất không vượt quá 11 % [2]. 1
Bảng 1.1 Độ dốc dọc lớn nhất của các cấp thiết kế của đường [2] Cấp thiết kế I II III IV V VI Địa hình Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng bằng, Núi bằng, Núi bằng, Núi bằng, Núi bằng bằng đồi đồi đồi đồi Độ dốc dọc lớn 3 4 5 7 6 8 7 10 9 11 nhất (%) Vận tốc lưu hành cho phép lưu hành của xe trên đường phụ thuộc tình trạng thực tế của đường (khí hậu, thời tiết, tình trạng đường, điều kiện giao thông,...). Vận tốc thiết kế các cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, được qui định trong Bảng 1.2. Theo đó, chiều dài đoạn có dốc dọc không được quá dài, giá trị của nó được tham khảo trong bảng 1.3. Bảng 1.2 Vận tốc thiết kế của các cấp đường [2] Cấp thiết kế I II III IV V VI Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Địa hình Núi Núi Núi Núi bằng bằng bằng bằng bằng bằng Vận tốc thiết kế, 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 vtk, km/h Bảng 1.3 Chiều dài lớn nhất của dốc dọc (m) [2] Độ dốc Vận tốc thiết kế, vtk, km/h dọc, % 20 30 40 60 80 100 120 4 1200 1100 1100 1000 900 800 - 5 1000 900 900 800 700 - - 6 800 700 700 600 - - - 7 700 600 600 500 - - - 8 600 500 500 - - - - 9 400 400 - - - - - 10 và 11 300 - - - - - - Từ thực tế về điều kiện địa hình đồi dốc tại Việt Nam nói trên, việc di chuyển của các phương tiện vận tải đòi hỏi ngày càng đảm bảo an toàn, đặc biệt là quá trình xe xuống dốc trong thời gian dài. Vì thế cần sự ra đời và ứng dụng của các loại phanh 2