Chương 5 - Lý thuyết phanh ô tô

Chương 5 - Lý thuyết phanh ô tô (Phần 5 - Lý thuyết ô tô) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu Đại học - Cao đẳng

Chương 5 - Lý thuyết phanh ô tô5.1 Khái niệm chung về quá trình phanh ô tô.

Sự chuyển động an toàn của ô tô với vận tốc lớn được quyết định bởi hiệu quả của quá trình phanh Ta thường khảo sát quá trình phanh ô tô trên đường bằng

Khi ô tô chuyển động với vận tốc ban đầu nào đó, ta cắt nguồn động lực truyền từ động cơ xuống bánh xe chủ động, ô tô sẽ chuyển động chậm lại hoặc đến dừng hẳn Như vậy, năng lượng quán tính (động năng) của ô tô sẽ bị tiêu hao cho lực cản của đường (P ψ) và lực cản

Trong thực tế, quá trình phanh được phân theo các giai đoạn sau: phanh cấp tốc, phanh chậm dần và phanh dừng xe trên dốc

Phanh cấp tốc là quá trình phanh với gia tốc chậm dần khi phanh lớn nhất (j pmax).

Gia tốc phanh trung bình của ô tô khi chuyển động với vận tốc ban đầu là v1 đến vận tốc v2 bằng

tỷ số giữa hai hiệu hai vận tốc đó và thời gian phanh trong cùng một điều kiện chuyển động Nếu gia tốc lớn thì thời gian phanh nhỏ Khi phanh cấp tốc, động năng của ô tô chủ yếu bị tiêu hao do lực cản nhân tạo (chiếm 90%) Còn phần động năng bị tiêu hao do lực cản của đường và

của không khí nhỏ Số lần phanh cấp tốc chiếm từ (5 ÷ 10) % tổng số các lần phanh.

Phanh chậm dần được sử dụng để dừng ô tô ở vị trí đã được định trước hoặc để giảm từ từ vậntốc chuyển động của ô tô Khi phanh chậm dần, động năng được tiêu hao bởi lực cản của đường, của không khí và lực cản nhân tạo Gia tốc phanh chậm dần nhỏ hơn so với gia tốc phanh cực đại (khi phanh cấp tốc)

Phanh dừng được sử dụng để cố định ô tô tại chỗ ( v=0), trên đường bằng hoặc đứng trên dốc

(đầu ô tô có thể quay xuống hoặc quay lên) Gia tốc phanh trong trường hợp này bằng không.Ngoài hệ thống phanh của ô tô, động cơ cũng được sử dụng làm phanh phụ: phanh bằng động cơ

Phương pháp phanh xe bằng động cơ được thực hiện khi không cắt động cơ khỏi hệ thống truyền lực Lực phanh trên các bánh xe là do momen phanh của động cơ, momen ma sát trong

hệ thống truyền lực và ở các bánh xe sinh ra Phương pháp này được sử dụng khi cần giảm từ từtốc độ chuyển động của ô tô hoặc khi cho ô tô chuyển động với vận tốc không đổi lúc xuống dốcdài

Khi phanh, trên moay ơ bánh xe sẽ tác dụng momen phanh, còn trên bánh xe sẽ tác dụng phản lực tiếp tuyến của đường hướng ngược với chiều chuyển động Phản lực này được gọi là lực phanh.

Lực phanh của ô tô (P p) bằng tổng các lực phanh trên các bánh xe Khác với các lực cản tự

nhiên, lực phanh có thể điều chỉnh từ P p=0 đến trị số lớn nhất (P pmax) tương ứng với trường

hợp phanh cấp tốc Nếu bánh xe được phanh không bị trượt lết trên đường thì động năng của ô

tô sẽ biến (chuyển) thành công ma sát trong cơ cấu phanh và một phần là công của các lực cản

tự nhiên Khi phanh với cường độ lớn, bánh xe có thể bị hãm cứng Trong trường hợp này, bánh

xe sẽ bị trượt lết và động năng sẽ được chuyển thành công ma sát giữa lốp với mặt đường.Bảng 5-1 trình bày sự phân bố động năng theo các dạng lực cản khi phanh ô tô từ vận tốc ban

đầu v=4 km/h đến khi ô tô dừng hẳn trên đường bằng với cường độ phanh khác nhau Cường

độ phanh phụ thuộc vào lực tác dụng lên bàn đạp phanh Hệ số bám của đường trong trường

hợp này là φ=0,6; hệ số cản lăn f =0,025.

Từ bảng 5-1 ta thấy, phần lớn động năng của ô tô bị hấp thụ bởi ma sát trong cơ cấu phanh, sau

đó là do lực cản lăn Khi phanh với cường độ lớn, phần động năng do lực cản lăn (P f) hấp thụ bị

giảm xuống Lực cản không khí (P ω) trong mọi trường hợp đóng vai trò không đáng kể.

Khi tăng cường độ phanh, động năng tổn hao do sự trượt của lốp tăng, do đó tăng sự mài mòn lốp Sự mài mòn lốp sẽ rất lớn khi bánh xe bị bó cứng (ω k=0), trượt với vận tốc lớn trên mặt đường cứng

Không nên phanh đến bó cứng bánh xe, vì:

Thứ nhất: Khi phanh bó cứng bánh xe (ω k=0), lực phanh nhỏ hơn khá nhiều so với phanh bánh

xe ở giới hạn bám (ω k ≠ 0).

Khi phanh chưa bó cứng bánh xe, lực phanh (P p) chủ yếu được sinh ra do ma sát trong cơ cấu

phanh Khi phanh bó cứng bánh xe, lực phanh là do ma sát trượt của lốp với đường Giới hạn lực phanh lúc đó được xác định bởi khả năng bám của bánh xe với mặt đường Khi trượt, hệ số

bám φ giảm đáng kể Theo các kết quả thực nghiệm cho thấy lực phanh giảm khoảng (20 ÷ 30) %

Tương ứng với quãng đường phanh tăng lên

Thứ hai: Khi bánh xe bị bó cứng, ô tô sẽ mất tính điều khiển và mất tính ổn định chuyển động thẳng

Khảo sát sự mất ổn định của bánh xe

- Khi trượt trơn, sẽ xuất hiện phản lực của đường P ktr=φ P z tác dụng vào bánh xe theo

phương ngược hướng chuyển động;

- Nếu có lực ngang ngẫu nhiên nào đó đồng thời tác dụng thì tại điểm tiếp xúc của bánh

xe_đường cũng xuất hiện phản lực ngang Y k Hợp lực P Σ của hai phản lực này có

phương không trùng với phương chuyển động thẳng của ô tô do đó mất tính ổn định

P Σ=√R ktr2 +Y k2≤ φ P z

Nếu P ktr đạt tới trị số φ P z thì thậm chí chỉ cần một lực ngang nhỏ tác động cũng gây mất ổnđịnh (chưa kể đến vấn đề phanh không đồng thời giữa 2 bánh xe).

5.2 Phương trình động lực học của ô tô khi phanh

5.2.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe

Khi phanh, tại cơ cấu phanh sẽ tạo ra momen ma sát để hãm bánh xe lại, gọi là momen phanh (M p) (hình 5-2) Khi đó, tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện phản

lực tiếp tuyến P p ngược với chiều chuyển động của bánh xe P p được gọi là lực phanh với:

P p=M p

Trong đó:

M p – momen phanh tác dụng lên cơ cấu phanh tại bánh xe;

P p – lực phanh (phản lực tiếp tuyến tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường);

r d – bán kính động lực học của bánh xe.

Lực phanh sinh ra tại bánh xe là lực cản nhân tạo (do lái xe tác dụng vào cơ cấu phanh), có

giá trị thay đổi tùy điều kiện phanh, từ P p=0 tới P pmax (ứng với trường hợp phanh gấp)

P pmax bị giới hạn bởi điều kiện bám của bánh xe với mặt đường, có nghĩa:

Trong đó:

P pmax – lực phanh lớn nhất có thể có được từ khả năng bám của bánh xe với đường;

P φ – lực bám giữa bánh xe với mặt đường;

P z – phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe;

φ – hệ số bám của bánh xe với đường.

Trên bánh xe còn xuất hiện momen quán tính M jk (do các bánh xe chuyển động chậm dần

khi phanh) có chiều cùng với chiều chuyển động của bánh xe; momen cản lăn M f (do di dời phản lực pháp tuyến) gây cản trở chuyển động Lực phanh tổng cộng trên mỗi phanh xe có dạng:

P p Σ=M p+M f−M jk

Tuy nhiên, để đơn giản , trong nhiều trường hợp người ta sử dụng trị số của lực phanh P p

do cơ cấu phanh sinh ra, xác định theo công thức (5-1)

5.2.2 Phương trình động lực học của ô tô khi phanh

Xét trường hợp ô tô chuyển động trên đường bằng, không kéo rơ móc Khi phanh, trên ô tô

chịu tác dụng của các lực và momen: P j , P ω , P f , P p , … (hình 5-3).

Lập phương trình cân bằng động lực học của ô tô khi phanh, ta có:

P k+P j−P p−P ω−P f=0 (5-4)

Xét trường hợp phanh xe có cắt ly hợp nên P k=0; do đó:

δ k – hệ số kể đến ảnh hưởng của khối lượng vận động quay đến khối lượng chuyển động

tịnh tiến, trường hợp phanh ô tô có cắt ly hợp:

δ k=(1,02 ÷ 1,04) ≈ 1

G – trọng lượng toàn bộ của ô tô;

P p – lực phanh do cơ cấu phanh sinh ra, đặt tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường,

P p=M p

r k , với M p_momen phanh do cơ cấu phanh sinh ra.

Biến đổi biểu thức (5-5) ta được gia tốc chậm dần khi phanh j p:

Khi phanh cấp tốc, γ p có thể đạt gần tới trị số bám φ Trên đường tốt, φ ≫ f do đó có thể bỏ

qua f Như vậy, trên đường tốt:

j p=γ p g

Nhận xét: Gia tốc phanh (j p) tỷ lệ với lực phanh đơn vị (γ p).

Để đảm bảo phanh không bị bó cứng bánh xe, các bánh xe không bị trượt lết, lực phanh do

cơ cấu phanh sinh ra bị giới hạn bởi điều kiện bám, ta có:

P pmax ≤(P φ=φ G φ)

Do vậy, khi phanh với cường độ phanh lớn, giới hạn của γ p là φ hay γ p ≤ φ.

Mặt khác, phanh ô tô trên đường bằng có lớp phủ bề mặt đường cứng thì φ rất lớn so với f Trong trường hợp đó ta có thể bỏ qua hệ số cản lăn f Khi đó:

j p=γ p g[m/s2]

j pmax=φ g[m/s2]

Khi phanh không cắt động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực, ngoài lực phanh tạo nên bằng cơ cấu phanh còn có lực phanh sinh ra do lực cản của động cơ quy dẫn về bánh xe chủ động được phanh:

P pe=M mse i tl

r k η tl

Trong đó:

P pe – lực phanh do động cơ sinh ra quy dẫn đến bánh xe chủ động được phanh;

M mse – momen ma sát của động cơ;

i tl , η tl – tỷ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực;

r k – bán kính tính toán của bánh xe.

Momen ma sát của động cơ M mse được xác định bằng công thức thực nghiệm Tuy nhiên, trong quá trình phanh và không cắt động cơ khỏi hệ thống truyền lực thì phanh chỉ có hiệu

quả khi M mse>M je , trong đó M je_momen quán tính của động cơ Momen này cản trở quá

trình phanh khi không cắt ly hợp (xem 5.4.6 và hình 5-8)

5.3 Vấn đề sử dụng trọng lượng bám khi phanh

5.3.1 Điều kiện phanh ô tô có hiệu quả nhất

Như trên đã biết, lực phanh tỷ lệ với trọng lượng của ô tô khi phanh (P p=γ p G) hay tỷ lệ với

phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên bánh xe khi phanh (P p=γ p P z) Để đảm bảo sử

dụng được trọng lượng bám trong quá trình phanh thì lực phanh đơn vị trên tất cả các cầu

P zi – tổng phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên các bánh xe cầu thứ i;

P pi – lực phanh do cơ cấu phanh sinh ra ở bánh xe thứ i.

Như vậy:

Các lực phanh phải tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến:

P p 2=γ p P z 2

- Nếu điều kiện trên không đảm bảo thì sẽ gây ra sự hãm cứng một bánh xe nào đó trước

(giả sử tại đó P pi>γ p P zi) và sau đó đến các bánh xe khác Cuối cùng: mất ổn định của ô

tô khi phanh;

- Khi có phân bố lý tưởng các lực phanh, gia tốc phanh lớn nhất được xác định theo:

j pmax=γ pmax g=φg[m/ s2] ;

(γ pmax không phụ thuộc vào trọng lượng xe mà chỉ phụ thuộc vào φ).

- Khi các P pi không bằng nhau ta sẽ có:

5.3.2 Cơ sở lý thuyết về điều hòa lực phanh

Ta đã biết (5-6), yêu cầu P p 1=γ p P z 1 ; P p 2=γ p P z 2

Tức là lực phanh phải tỷ lệ với phản lực pháp tuyến của đường

Tuy nhiên, trong quá trình phanh, phản lực pháp tuyến của đường luôn biến đổi

Trong qúa trình sử dụng ô tô a, b, h g thay đổi; j p thay đổi nên P z 1 , P z 2 thay đổi Vậy P p 1 , P p 2

luôn cần biến đổi để phù hợp với (5-6)

b+ j p h g g a− j p h g g

đổi giá trị tương ứng cho thích hợp

Mối liên hệ giữa P zi=f(j p) và Mpi=f(j p) ứng với khi ô tô có tải và không tải được biểu diễn

trên đồ thị hình 5-4

- Hệ thống phanh ô tô cần tạo ra P pi (và M pi) thỏa mãn theo quan hệ trên đồ thị hình 5-4 (

⟺ theo phương trình 5-7 và 5-8).

- Phụ thuộc j p tức là phụ thuộc vào γ p; hoặc khi phanh với cường độ cao thì phụ thuộc

vào φ (vì j pmax=γ pmax g=φg)

Với các hệ thống phanh cổ điển không có bộ điều hòa lực phanh P p và momen phanh M p

thì tỷ số C c thực tế của cơ cấu:

C c=M ' p 1

M ' p 2=A1Q1

Với: A1, A2_hệ số tỉ lệ giữa momen phanh bánh xe trước, sau với lực tác dụng lên cơ cấu

doãng của cơ cấu phanh Q1,Q2 Nó phụ thuộc vào kết cấu phanh, kích thước của phanh và

hệ số ma sát ( μ) trong cơ cấu.

Q1,Q2 _ lực tác dụng lên cơ cấu doãng.

Coi rằng hệ số ma sát μ=const thì A i=const.

Nếu không có bộ đều hòa lực phanh thì Q1

- Hoặc không sử dụng hết trọng lượng bám

- Hoặc là gây bó cứng bánh xe ở một cầu

Ta có thể giải thích điều đó bằng đồ thị hình 5-5 như sau:

- Khi phanh ô tô trên đường trơn (φ min<φ o), lực tác dụng lên bàn đạp phanh được giới hạn

bởi điều kiện hãm cứng các bánh xe cầu trước (ứng với Q2, có M p 1=M φ1) trong khi

momen phanh do có cơ cấu phanh sinh ra ở cầu sau M p 2<M φ2 (với M φ 2−M p 2=∆ M2)

Điều đó làm giảm hiệu quả phanh của toàn xe Mặt khác, phanh làm bó cứng các bánh

xe cầu trước khi đi trên đường trơn sẽ không có lợi bởi khi đó sẽ mất tính điều khiển và

có thể gây ra tai nạn

- Khi phanh ô tô trên đường tốt, có hệ số bám lớn (chẳng hạn phanh với hệ số bám

φ max>φ o), để sử dụng hoàn toàn trọng lượng bám phân bố lên cầu sau, thì lực tác dụng

lên bàn đạp phanh phải là Q1 (ứng với Q1 có M p 2=M φ 2 ) Khi đó M p 1<M φ1 (với

M φ1−M p1=∆ M) Như vậy, trọng lượng bám phân bố lên cầu trước sẽ không được sử

dụng hoàn toàn Hiệu quả phanh của toàn xe cũng sẽ giảm Nếu tiếp tục tăng lực tác dụng lên bàn đạp phanh (Q>Q1) thì các bánh xe cầu sau sẽ bị bó cứng, và xe có thể bị

trượt ngang

Chỉ có một giá trị hệ số bám trên đường φ o (ứng với một gia tốc phanh xác định) thỏa mãn

điều kiện momen phanh do cơ cấu phanh sinh ra ở cả hai cầu M p (dưới tác dụng của lực đặt

trên bàn đạp phanh Q=Q o ) đồng thời bằng M φ theo điều kiện lý tưởng

Như vậy, khi tỷ số giữa các momen phanh không đổi, trọng lượng bám chỉ được sử dụng hoàn toàn tại một điểm ứng với một gia tốc phanh xác định Ngoài ra, ở các điểm khác, trọng lượng bám sẽ không được sử dụng hoàn toàn; gia tốc phanh của ô tô sẽ nhỏ hơn gia tốc lớn nhất có thể có được Hiệu quả phanh vì vậy sẽ giảm

Vì vậy, cần có hệ thống phân phối lại lực phanh khi phanh xe trên đường

Hệ thống phanh các ô tô ngày nay đã khắc phục được nhược điểm nêu trên của hệ thống phanh “cổ điển” nhờ được trang bị bộ điều hòa lực phanh (dẫn động phanh khi nén) và bộ hạn chế áp suất (dẫn động phanh thủy lực) lắp cho các mạch phanh cầu sau nhằm đảm bảo quá trình phanh các bánh xe cầu sau có được điều kiện phanh gần với điều kiện lý tưởng (

⟺ nắn đường M φ 2 _nhánh II về đường M φ 2_nhánh I)

5.3.3 Vấn đề chống hãm cứng bánh xe khi phanh

Trong quá trính tính toán động lực học ta thường sử dụng giá trị hệ số bám φ cho trước trong các bảng số liệu Giá trị φ này được tính toán bằng thực nghiệm, ứng với trường hợp bánh xe trượt lết hoàn toàn trên đường (khi v ≠ 0 và ω k=0)

Thực ra hệ số bám φ ngoài việc phụ thuộc vào đường sá và trạng thái mặt đường, nó còn phụ thuộc vào độ trượt tương đối λ (%) của bánh xe với mặt đường trong quá trình phanh.

Có hai khái niệm về bám: bám dọc φ x và bám ngang φ y

Hệ số bám dọc là tỷ số giữa lực phanh P p (tiếp tuyến với bánh xe) và tải trọng G k tác dụng lên bánh xe

r k – bán kính trung bình của bánh xe.

− Khi (v−ω k r k)=0⟺ v=ω k r k : bánh xe lăn không trượt, hoặc λ=0;

− Khi (v−ω k r k)>0⟺ v >ω k r k : bánh xe lăn (ω k ≠ 0) và có trượt lết Hệ số φx thay đổi (hình

5-6) và đạt φ max trong khoảng λ=(15 ÷ 25) %.

− Khi ω k=0 , v k ≠ 0 ⟺ λ=100 % : bánh xe trượt lết hoàn toàn ⟹ φx , φ y đều giảm.

Ở giá trị độ trượt tối ưu, hệ số bám ngang cũng có giá trị khá cao Như vậy, nếu duy trì cho

quá trình phanh xảy ra ở vùng có độ trượt tối ưu λ=(15 ÷ 25) % thì sẽ đạt được

P pmax=φ xmax P z Có nghĩa, hiệu quả phanh đạt cực đại, đảm bảo độ ổn định tốt khi phanh (do

hệ số bám ngang cũng có giá trị cao) Vì vậy, khi thiết kế hệ thống phanh người ta đã đưa vào bộ chống hãm cứng bánh xe (thường gọi là bộ ABS_Anti lock Brakes System) với ý tưởng:

Để có P pmax ⟹ J pmax ⟹ φ xmax ⟹ λ=(15 ÷ 25) % cần thiết kế hệ thống phanh có khả năng tự

động đều chỉnh áp lực phanh các bánh xe sao cho:

λ=(v−ω k r k

v ).100 %=(15 ÷ 25) %

Hệ số bám dọc trung bình của một số loại đường cho trong bảng 5-2 ứng với trường hợp

trượt tối ưu λ=(15 ÷ 25) % và khi độ trượt λ=100 %.

5.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh ô tô.

Khi đánh giá tính năng tăng tốc của ô tô người ta đã sử dụng các thông số thời gian tăng tóc

và quãng đường tăng tốc

Phanh ô tô là một quá trình hoàn toàn ngược lại với quá trình tăng tốc Bởi vậy, thời gian phanh và quãng đường phanh cũng được sử dụng làm thông số đánh giá chất lượng phanh

ô tô