xây dựng quy trình thiết kế tính toán 1 cụm chi tiết chi tiết của hệ thống phanh khí nén

* Hệ thống phanh tái sinh Regenerative braking system *Hệ thống phanh tái sinh là một trong những công nghệ hiện đại trong ngành công nghiệp ô tô.Vấn đề của hệ thống phanh truyền thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

*****

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TẬP CÁ NHÂN MÔN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ OTO

Nhóm sinh viên thực hiện:

hệ thống phanh khí nén trên xe tải, xe buýt, sơ mi rơ moóc, xe đầu kéo, container, xe kháchhay các loại phương tiện cần lực phanh hãm rất lớn để giảm tốc và dừng xe

Dựa vào sơ đồ hệ thống phanh khí nén, cấu tạo hệ thống bao gồm các bộ phận: Máy nén khí,

bể chứa, bàn đạp phanh, bộ truyền đạp phanh, van an toàn, bộ thu gom bụi bẩn, phanh trống,dây dầu phanh, van ba, bộ lọc không khí và máy sấy Theo đó, các bộ phận trong cấu tạo hệthống phanh khí nén liên kết với nhau bằng đường ống, tạo thành tổng thể hoàn chỉnh

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh khí nén

Khi xe khởi động, máy nén bắt đầu hoạt động nhằm cung cấp khí nén cho hệ thống phanh.Trường hợp bình chứa khí nén không đủ lượng khí theo yêu cầu, bánh xe sẽ khóa chặt lại.Đồng thời, bộ phận hãm phanh cũng được kích hoạt nhằm đảm bảo an toàn cho xe

Khi người lái đạp phanh, ty đẩy khiến piston chuyển động nén lò xo và mở van khí nén, sau

đó khí nén được chuyển từ bình chứa đến các bầu phanh Lúc này, khí nén sẽ làm cho guốcphanh ép chặt vào má phanh và tang trống, tạo ra lực ma sát đủ lớn để giảm tốc và hãm xe

Khi người lái nhả chân phanh, lò xo cũng như piston điều khiển về lại vị trí cũ khiến van khínén đóng lại Đồng thời khí nén ở bầu phanh cũng được thoát hẳn ra ngoài Cuối cùng, lò xotại bầu phanh đàn hồi ngược lại, kéo guốc phanh ngược khỏi tang trống

Ngoài nguyên lý hoạt động cơ bản như trên, các xe có trọng tải lớn còn được lắp đặt thêmphanh khí xả Bộ phận này sẽ kích hoạt khi xe đạt vận tốc 20km/h Trong trường hợp phanhgấp, van điều chỉnh khí thải tự động ngắt, tạo ra áp suất lớn ở ống xả, tác động ngược lênpiston giúp giảm tốc độ di chuyển của xe

3 So sánh phanh khí nén và phanh thủy lực

STT Tiêu chí so sánh Phanh khí nén Phanh thủy lực

1 Độ an toàn Độ nhạy và độ an toàn cao hơnrất nhiều so với phanh thủy lực.

Độ nhạy và độ an toànkém hơn so với phanh khínén

2 Thiết kế Thiết kế phức tạp, cồng kềnhCác khớp nối dễ dàng tháo lắp Đơn giản hơn

3 Rủi ro cạn kiệt chấtcông tác

Không xảy ra do không khí làkhông giới hạn Khi gặp sự cố, ápsuất tự động giảm vừa đủ để tài

xế kích hoạt phanh khẩn cấp

Trong trường hợp bị rò rỉdầu thì phanh dạng thủylực sẽ mất tác dụng hoàntoàn

Được sử dụng chủ yếu cho các xehạng nặng, đòi hỏi lực hãmphanh cực lớn như xe đầu kéo, xetải tải trọng lớn, xe siêu trọng,…

Được sử dụng cho cácdòng xe đòi hỏi lực phanhnhỏ hơn như xe du lịch, xetải nhỏ,…

 Hệ thống phanh khí nén có cấu tạo phức tạp, nhiều chi tiết hơn các phanh khác

 Phanh khí nén thường có giá cao hơn

 Khi sử dụng phanh liên tục sẽ xuất hiện tình trạng nóng phanh, mất ma sát và có thểdẫn đến mất phanh Bên cạnh đó, việc phanh nhạy hơn mức cần thiết cũng có nguy cơ

gây ra va chạm Đối với xe có tải trọng lớn, khi cầu sau bị phanh cứng thường kéotheo vết trượt dài trên mặt đường Khi lái xe trong điều kiện thời tiết xấu, mặt đườngtrơn trượt, nếu phanh gấp hay đạp phanh quá nhiều sẽ dẫn tới nguy cơ trượt ngang Vìthế, nếu hiểu được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh, người lái cóthể linh hoạt xử lý tình huống, tránh nguy hiểm đáng tiếc xảy ra

 Hệ thống phanh khí nén có thể vẫn duy trì hoạt động khi xảy ra hiện tượng rò rỉ

-Quy trình thiết kế , tính

toán -Chú thích:

P1: áp suất của cụm xi lanh bánh xe đẩy guốc phanh trước

P2: áp suất của cụm xi lanh bánh xe đẩy guốc phanh sau

a: khoảng cách từ tâm bánh xe đến tâm piston phanh

b khoảng cách từ tâm bánh xe đến trục cố định

c: khoảng cách từ tâm bánh xe đến hai đầu guốc phanh

fN1: lực ma sát tại guốc trước

fN2: lực ma sát tại guốc sau

N1: lực kéo của lò xo hồi vị tác động lên guốc trước

N2: lực kéo của lò xo hồi vị tác động lên guốc sau

Thông số kỹ thuật xe tải Hyundai HD240 tải trọng 15 tấn

D x R x C (mm) 9.509 x 2.255 x 2.585

Chiều dài cơ sở (mm) 5.695

Trọng lượng tải tải (kg) 15.000

Thiết kế cơ cấu phanh khí nén (phanh tang trống) bánh sau

1) Xác định kích thước của má phanh

Kích thước má phanh guốc chọn trên cơ sở đảm bảo công ma sát riêng, áp suất trên mặt phanh, tỷ số trọng lượng toàn bộ của ô tô trên diện tích toàn bộ của các má phanh và chế độ làm việc của phanh

áp suất trên bề mặt má phanh được xác định theo công thức sau :

Rbx- là bán kính lăn của bánh xe là 2,05m ( tham khảo trên gogle bán kính lăn của xe tải)Thay vào CT(2) ta có:

M P ''= 15000.2847,5

2.5695 .(1− 6.1292,5

9,81.2847,5).0,6 2,05= ¿3331,98 N)b: là chiều rộng má phanh( là 100mm dựa vào thông số của hãng huyndai)

rt: là bán kính tang trống ( là 200mm dựa vào thông số của hãng huyndai)

* Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative braking system) *

Hệ thống phanh tái sinh là một trong những công nghệ hiện đại trong ngành công nghiệp ô tô.

Vấn đề của hệ thống phanh truyền thống

 Bạn phải tiêu hao nhiều nhiên liệu để tạo ra động năng giúp cho xe chuyển động

 Khi phanh những động năng đó chuyển đổi thành nhiệt lượng do ma sát giữa các chitiết của hệ thống phanh và biến mất

 Cuối cùng chúng ta phải tái tạo lại động năng đó và tiêu hao thêm nhiên liệu

Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative braking system) được cho là giải pháp cho vấn đề

này

Hệ thống phanh tái sinh là gì?

Đây là một hệ thống phanh tiên tiến được sử dụng cùng với hệ thống phanh truyền thốngthông thường trong xe điện/hybrid hiện đại Nó biến đổi động – nhiệt năng của quá trìnhphanh sinh ra thành điện để sử dụng lại

Hầu hết các xe mới nhất từ các nhà sản xuất như Tesla, Toyota, Volkswagen và Mercedesđều sử dụng công nghệ phanh này

Nguyên lý hoạt động của phanh tái sinh

Khi phanh ở xe hybrid hoặc xe điện, động cơ điện sẽ chuyển sang chế độ máy phát Các

bánh xe truyền động năng thông qua hệ thống truyền động đến ”máy phát” Máy phát điệnbiến một phần lớn của động năng thành năng lượng điện, sau đó được lưu trữ trong một pinđiện áp cao của xe Đồng thời, điện trở máy phát trong quá trình tạo ra điện sẽ làm chậmchiếc xe

Nguyên lý hoạt động của phanh tái sinh

Tất nhiên quá trình phanh này diễn ra rất lâu đến khi xe dừng lại Vì vậy, khi cần nhiều men phanh hơn so với máy phát điện có thể cung cấp, hệ thống phanh bổ sung được thựchiện bằng phanh ma sát

 Tăng đáng kể trong phạm vi hoạt động của xe cho mỗi lần sạc đầy (xe điện)

 Hạn chế bào mòn các chi tiết phanh cơ khí truyền thống

 Giảm phát thải bụi phanh

Nhược điểm

Chỉ phát huy hiệu quả trong trường hợp giảm tốc ở tốc độ rất thấp Vì momen phanh sinh ra

từ máy phát điện không đủ để dừng xe lại trong thời gian ngắn

Hệ thống phanh tái sinh RBS có bao nhiêu kiểu tích trữ năng lượng?

- Quá trình phanh là quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng tại các cơ

cấu phanh, làm tổn hao năng lượng động năng mà xe ô tô Do đó, hệ thống phanh tái sinhRBS; Regenerative Braking System; ra đời với mục đích thu hồi để tái sử dụng lại nănglượng quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăngtuổi thọ cho cơ cấu phanh

Theo nghiên cứu, hệ thống phanh tái sinh RBS được ứng dụng trên ba dòng xe chính như:

Xe chạy hoàn toàn bằng điện (EV: Electric Vehicle)

 Xe lai điện (HEV: Hybrid Electric Vehicle)

 Xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV: Fuel Cell Vehicle)

Đặc điểm của hệ thống phanh tái sinh RBS: Có năng lượng cơ năng được chuyển hóa thànhđiện năng để dẫn động các mô tơ điện hoạt động phục vụ cho quá trình tăng tốc của xe

Với xe ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong, hệ thống phanh tái sinh cũng đã đượcnghiên cứu và ứng dụng dưới các dạng khác nhau như:

 Năng lượng cơ năng thu hồi được trong quá trình xe phanh hoặc giảm tốc được tíchtrữ dưới dạng thủy lực được áp dụng cho các xe tải trọng lớn có kiểu hệ thống truyềnlực thủy lực (Hydraulic Powertrain)

 Sử dụng bánh đà làm một thiết bị tích trữ năng lượng dưới dạng cơ năng sau đó sửdụng cơ năng này để phục vụ quá trình tăng tốc được áp dụng trên các xe đua F1 vàcác xe du lịch tải trọng nhỏ

Tuy nhiên với xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực kiểu truyền thống, hệ thống phanh tái

sinh chưa được hiện thực hóa công đoạn nghiên cứu về quá trình phanh hay giảm tốc, mặc

dù trên thị trường rất phổ biến

I Hệ thống phanh tái sinh RBS có bao nhiêu kiểu tích trữ năng lượng chính?

 RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng

 RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực

 RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà

 RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi

1 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng:

Áp dụng rộng rãi trên xe EV và HEV Năng lượng điện để dẫn động xe có thể được tích trữbằng các thiết bị điều khiển, biến đổi động năng khi phanh thành điện năng lưu trữ vào ắcquy để có thể sử dụng lại

Mô tơ dẫn động có thể hoạt động như một máy phát điện cung cấp một tải cản trở lại sự quaycủa bánh xe có tác dụng như mô mem phanh Trong khi phanh tái sinh mô tơ điện hoạt độngnhư một máy phát để nạp cho ắc quy do đó hiệu suất nạp thấp khi xe ở tốc độ thấp nên ở dảitốc độ này thường dùng hệ thống phanh bằng cơ khí

Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng.

Trên những xe điện các bộ chấp hành phanh RBS là các mô tơ/máy phát hoạt động ở các chế

độ khác nhau, có thể hoạt động với điện áp một chiều hoặc xoay chiều Các thiết bị tích trữnăng lượng tái tạo khi phanh có thể là ắc quy, siêu tụ hoặc kết hợp cả hai Hệ thống RBS vớithiết bị tích trữ năng lượng là ắc quy thường được sử dụng cho các xe EV và HEV và cầnphải có các bộ biến đổi điện (Inverter và Converter)

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter.

Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ.

2 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực:

Hệ thống phanh tái sinh tích trữ năng lượng dưới dạng thủy lực sử dụng một bộ tích trữ thủylực hình trụ có thể tích trữ được một lượng dầu áp suất lớn Thiết bị này tích trữ năng lượngbằng việc nén một chất khí (thường là khí Nitơ)

Một hệ thống hybrid thủy lực cơ bản thường có: một bộ tích năng, một bình chứa dầu, vàmột bơm/mô tơ thủy lực Tuy nhiên, dạng tích trữ này ít hiệu quả ở tốc độ thấp bởi vì tổnhao cơ lớn.

 Có 2 kiểu kết cấu hệ thống truyền lực Hybrid thủy lực (Hydraulic Hybrid)

+ Kiểu tích hợp hay nối tiếp được dựa trên hộp số thủy tĩnh thuần túy và yêu cầu một bơm

và bơm/mô tơ bơm Kết cấu này cho phép phanh tái sinh và tích trữ năng lượng vào bộ tíchnăng và năng lượng này sẽ dẫn động xe khi tăng tốc thông qua hộp số

Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp.

+ Kiểu tiếp theo là kiểu song song yêu cầu chỉ có một bơm/mô tơ đơn cộng với hộp số loại

tỷ số truyền thay đổi liên tục CVT Hệ thống hybrid thủy lực song song gồm có các bơm/mô

tơ thủy lực được gắn trên hộp số của một xe thông thường Hệ thống này cho phép hỗ trợđộng cơ xăng khi tăng tốc Nó không cho phép động cơ xăng tắt máy khi xe không dichuyển Điều này có nghĩa là động cơ luôn luôn làm việc

Nếu sử dụng hộp số thì động cơ luôn được kết nối với hệ thống truyền lực đễ dẫn động bánh

xe Kết cấu kiểu này có tác dụng khi hệ thống thủy lực bị hỏng xe vẫn hoạt động được

Bộ phân phối công suất thủy cơ (Hydromechanical) bao gồm 2 bộ phận thủy tĩnh có hànhtrình thay đổi, một thiết bị phân phối công suất và một bộ tích năng Kết cấu này cho phépthuận lợi trong việc tích trữ năng lượng phanh tái sinh và có thể khởi động động cơ xăng ởnhững thời điểm hiệu quả nhất

Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song.

3 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng bánh đà:

Năng lượng được tích trữ vào bánh đà được tính theo công thức: E=1/2 J* ω 2 trong đó J là

mô men quán tính và ω là tốc độ góc của bánh đà Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc

độ quay do đó tăng tốc độ lên sẽ có thể tích trữ năng lượng nhiều hơn Do đó một bánh đàđược sử dụng như một thiết bị tích trữ năng lượng phải được quay với tốc độ rất cao và phảiđặt trong môi trường chân không để giảm lực cản gió

Hiện nay trên thế giới có 2 hãng sản xuất bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS(Kinetic Energy Recovery System) lần đầu tiên được áp dụng trên xe đua F1 đó là

hãng Flybrid và Williams Hybrid Power.

Công nghệ KERS (Kinetic Energy Recovery System).

Dòng Flybrid KERS trên Volvo S60

Williams Hybrid Power dành cho xe đua F1.

Bánh đà của Flybrid là một hệ thống cơ khí đơn thuần Có thể được gắn với một số bộ phậnquay trong hệ thống truyền lực, từ trục tốc độ động cơ cho tới vi sai, bánh đà kết hợp với hộp

số có dải tỷ số truyền rộng để phù hợp với tốc độ của động cơ

Loại bánh đà này thường ứng dụng với xe du lịch khi sử dụng hộp số vô cấp CVT(Continuously Variable Transmission); để giảm chi phí cũng có thể sử dụng hộp số truyềnthống với các bánh răng và ly hợp thay thế

Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng bánh đà.

Ngược lại với Flybird, hệ thống của Williams Hybrid Power (WHP) sử dụng điện để tíchhoặc rút điện năng khỏi bánh đà, lợi dụng composite từ tính (MLC) để đạt hiệu suất chuyểnđổi rất cao Do có giá thành cao hơn, hệ thống này được ứng dụng cho xe cao cấp Chiếc xeđua 918 RS R Hybrid của Porsche sử dụng hệ thống của WHP, và nó hoạt động thông quacác mô-tơ điện đặt ở bánh trước

Bánh đà tích điện trên xe Porches 918 RSR concept.

Theo nghiên cứu mới đây nhất thì bánh đà bằng sợi carbon KERS của hãng Volvo đượctrang bị cho cầu sau Nó chỉ nặng 6 kg và đường kính 20 cm, có khả năng quay với tốc độ60.000 vòng/phút Với công suất tăng thêm 80 mã lực, xe này có thể tăng tốc lên 100 km/hchỉ trong 5.5 giây

Hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng trên xe Volvo.

Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục cho những nơi mà động lựcđược cung cấp bị ngắt quãng Khi phanh xe, bánh đà có tác dụng thu hồi năng lượng, sau đó

“góp” động năng cùng với động cơ khi xe tăng tốc, điều này có thể làm giảm tiêu hao 25%nhiên liệu Động cơ 4 xi-lanh vận hành sẽ sinh ra lực tương đương với động cơ 6 xi-lanh

4 Hệ thống phanh tái sinh RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng vật liệu đàn hồi:

Phương pháp này được ứng dụng mô phỏng trên dòng xe Mercedes Benz với kết cấu được

mô tả như dưới đây Trên mỗi trục bánh xe được lắp một bộ tích trữ năng lượng KERS(Kinetic Energy Recovery System) bao gồm một bộ bánh răng hành tinh, bộ lò xo đàn hồi đểtích trữ năng lượng và các khớp một chiều

Hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh bằng lò xo cuộn.

Trên bán trục của mỗi bánh xe được lắp một bộ bánh răng hành tinh Khi xe chuyển độngtrên đường bình thường thì hệ bánh răng hành tinh này quay lồng không (quay trơn) Khi bànđạp phanh được tác dụng áp suất dầu phanh được đưa tới một xy lanh phanh được lắp trêncần dẫn của bộ bánh răng hành tinh Lúc này cần dẫn được hãm cố định làm cho lực đượctruyền từ trục bánh xe qua bánh răng mặt trời tới bánh răng hành tinh và làm cho bánh răngbao quay ngược chiều kim đồng hồ

Trên bánh răng bao được lắp một cụm lò xo cuộn và các khớp một chiều Lúc này nănglượng làm cho xe giảm tốc được tích trữ vào cụm lò xo cuộn Khi bàn đạp phanh được nhả ra

lò xo giải phóng năng lượng tác dụng lên trục bánh xe làm cho xe chuyển động

Với kết cấu này thì năng lượng khi phanh đã được tích trữ và sử dụng lại cho việc tăng tốccủa xe nên giảm tiêu hao nhiên liệu Trong trường hợp phanh khẩn cấp để đảm bảo an toànthì hệ thống phanh chính trên xe sẽ làm việc