Giáo trình ô tô 1 - Chương 9 doc

Khi đạp phanh thì ở cơ cấu phanh tạo ra mômen ma sát còn gọi là mômen phanh Mp.Tạivùng tiếp xúc giữa bánh xe với đường xuất hiện lực phanh Fp ngược với chiều chuyển động của ô tô.. Khi p

CHƯƠNG 9

PHANH Ô TÔ

Mục tiêu :

Sau khi học xong chương này các sinh viên có khả năng :

1 Nêu được lực phanh và mô men phanh cần thiết trên ô tô

2 Xác định được lực phanh và các mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

3 Xác định được lực phanh ô tô và điều kiện bảo đảm phanh tối ưu

4 Tính tốn được phân bố lực phanh và mô men phanh

5 Tính tốn được mômen phanh cần thiết tại các cơ cấu phanh

6 Xác định được các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh

7 Trình bày được ổn định của ô tô khi phanh

8 Trình bày được về phanh chống hãm cứng ABS, khả năng nâng cao hiệu quả và ổn địnhcủa ô tô khi phanh

9.1 LỰC PHANH VÀ MÔMEN PHANH CẦN THIẾT TRÊN Ô TÔ.

9.1.1 Lực phanh và các mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh :

Hình 9.1: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh.

Khi đạp phanh thì ở cơ cấu phanh tạo ra mômen ma sát còn gọi là mômen phanh Mp.Tạivùng tiếp xúc giữa bánh xe với đường xuất hiện lực phanh (Fp) ngược với chiều chuyển động của

ô tô

Ta có:

Fp= p b

M

Với :

Mp – Mômen phanh tác dụng lên bánh xe

Fp – Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

rb – Bán kính tính tốn của bánh xe

Khi mômen phanh Mp tăng thì lực phanh Fp tăng, nhưng lực phanh không thể tăng mộtcách tùy ý Bởi vì lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường,nghĩa là:

Trong đó :

F – Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Zb – Phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

 – Hệ số bám dọc giữa bánh xe với mặt đường

Khi phanh, ngồi mômen phanh, còn có mômen quán tính Mjbvà mômen cản lăn tác dụnglên bánh xe.Bởi vậy lực hãm tổng cộng tác dụng lên bánh xe sẽ là :

r

M

M 

(9.3)

Trong quá trình phanh, do Mptăng dần nên Fpcũng tăng dần lên và đến một lúc nào đó Fp

= Fpmax = F thì các bánh xe bị trượt lết Khi bánh xe bị trượt lết hồn tồn thì hệ số bám giảmxuống giá trịmin, cho nên lực phanh cũng giảm xuống giá trị nhỏ nhất, dẫn đến hiệu quả phanhthấp nhất Ngồi ra, nếu các bánh xe trước bị trượt lết sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh (xekhông điều khiển được), còn nếu các bánh xe sau bị trượt lết sẽ làm mất tính ổn định khi phanh(các bánh xe dễ dàng bị trượt ngang khi có lực ngang nhỏ tác dụng lên xe)

Từ biểu thức (9.2) ta thấy rằng để có Fplớn thì cả hệ số bámvà Zbđều phải có giá trị lớn.Cho nên để sử dụng hết tồn bộ trọng lượng bám của xe, chúng ta phải bố trí cơ cấu phanh ở tất cảcác bánh xe

Khi phanh, động năng hoặc thế năng của xe bị tiêu hao cho ma sát giữa má phanh và trốngphanh, giữa lốp và mặt đường cũng như để khắc phục các lực cản chuyển động

Nếu mômen phanh càng tăng thì cơ năng biến thành nhiệt năng giữa trống phanh và máphanh, giữa lốp và mặt đường càng tăng

Khi bánh xe bị hãm cứng hồn tồn thì công ma sát giữa trống phanh và má phanh cũng như

sự cản lăn không có nữa, tất cả năng lượng hầu như biến thành nhiệt năng ở vùng tiếp xúc giữalốp và mặt đường

Sự trượt lết sẽ làm giảm hiệu quả phanh,tăng độ mòn của lốp, tăng độ trượt dọc và ảnhhưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe

9.1.2.1 Lực phanh ô tô :

Hình 9.2: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh.

Các lực tác dụng lên ôtô khi phanh :

+ Trọng lượng tồn bộ của ô tô G đặt tại trọng tâm

+ Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau Ff1, Ff2

+ Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau Z1, Z2

+ Lực phanh ở các bánh xe trước và sau Fp1, Fp2

+ Lực cản không khí F

+ Lực quán tínhF do khi phanh có gia tốc chậm dần.j

Lực quán tính F được xác định theo biểu thức sau :j

Fj=g

Ở đây :

g – Gia tốc trọng trường (g = 9,8 m/s2)

jp – Gia tốc chậm dần khi phanh

Khi phanh thì lực cản không khí Fvà lực cản lăn Ff1và Ff2không đáng kể, có thể bỏ qua

Sự bỏ qua này chỉ gây sai số khoảng 1,52%

Bằng cách lập các phương trình cân bằng mômen của các lực tác dụng lên ô tô khi phanhđối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường tại E và F, ta có thể xác định các phản lựcthẳng góc Z1và Z2tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau :

Z1=

L

hF

L

hF

Ga j g

Trong đó :

a, b, hg– Tọa độ trọng tâm của ô tô

L – Chiều dài cơ sở của ô tô

G1, G2 – Tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh

Thay F ở công thức (9.4) vào Zj 1và Z2, ta được :

Z1t=L

Gb ; Z2t=

LGa

m1p= 1 + j hp g

gb ; m2p= 1 –

p g

j hga

Ở đây :

Z1t, Z2t – Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi xe đứng

yên trên mặt phẳng nằm ngang (phản lực tĩnh)

m1p, m2p – Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi

phanh

G1t, G2t – Tải trọng tĩnh tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau

Các lực phanh sinh ra ở các bánh xe cầu trước và cầu sau sẽ là :

Fp1= F1= Z1= G (b j hp g)

Fp2= F2= Z2= G (a j hp g )

Để sử dụng hết trọng lượng bám của ôtô thì cơ cấu phanh được bố trí ở các bánh xe trước

và sau và lực phanh lớn nhất đối với tồn bộ xe là :

9.1.2.2 Điều kiện bảo đảm phanh tối ưu :

Phanh tối ưu có nghĩa là quá trình phanh đạt hiệu quả cao nhất Quá trình phanh có hiệuquả cao nhất thể hiện qua các chỉ tiêu : Sp = Spmin, tp = tpmin, jp = jpmax Với Sp, tp, jp là quãngđường phanh, thời gian phanh và gia tốc phanh

Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỷ lệ thuận với tải trọngtác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh lại thay đổi dolực quán tính Fj tác dụng lên xe

Trong trường hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước

và sau là :

p1 p2

g j

hFGa

hFGb

F

g

h.a

h.b

Do trong quá trình phanh tọa độ trọng tâm (a, b, hg) và hệ số bám dọcluôn thay đổi chonên tỷ số p1

p2

F

F luôn thay đổi Muốn vậy phải thay đổi được mômen phanh Mp1, Mp2sinh ra ở các

cơ cấu phanh đặt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau Để thay đổi Mpi thì phải thay đổi áp suấtdầu hoặc khí nén dẫn đến các xy lanh ở các bánh xe (phanh dầu) hoặc dẫn đến các bầu phanh(phanh khí) Ở hệ thống phanh thường, sự thay đổi áp suất nói trên là không có, nên khi phanhgấp, sau một thời gian ngắn trong tổng thời gian phanh, thì G1 (hoặc Z1) tăng lên, G2(hoặc Z2)giảm xuống, dẫn đến lực bám F1 tăng, F2giảm, hậu quả là : Fp1< F1, Fp2> F2, làm cho cácbánh xe cầu sau bị hãm cứng và trược lết hồn tồn Lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụnglên xe là cầu sau sẽ trượt ngang, làm cho độ ổn định của xe giảm nhanh, xe bị quay ngang và cókhả năng bị lật đổ

Vì thế, để tránh xảy ra hiện tượng này, hiện nay trên nhiều xe đã bố trí bộ điều hòa lựcphanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh Các cơ cấu này sẽ tự động điều chỉnh lựcphanh ở các bánh xe bằng cách thay đổi quan hệ áp suất dẫn động phanh đến các cơ cấu phanh ởcầu trước và cầu sau

p2 p1

M

M =

p2 b2 p1 b1

F r

F r =

p2 p1

F

Kết hợp các biểu thức (6.14) và (6.38) ta có quan hệ sau:

p2 p1

M

g

h.b

h.a

Mp1– Mômen phanh sinh ra ở các bánh xe trước

Mp2– Mômen phanh sinh ra ở các bánh xe sau

Như vậy muốn đảm bảo hiệu quả phanh tốt nhất thì mômen phanh sinh ra ở các bánh xetrước Mp1và mômen phanh sinh ra ở bánh xe sau Mp2phải tuân theo biểu thức (9.16)

Mômen phanh sinh ra ở các bánh xe trước Mp1và mômen phanh sinh ra ở các bánh xe sau

Mp2có thể xác định từ điều kiện bám theo biểu thức sau :

Mp1=Z1rb=

L

.G.rb

Mp2=Z2rb=

L

.G.rb

Hình 9.4: Đường đặc tính phanh lý tưởng của ô tô.

1 - Đầy tải 2 - Không tải

Đối với ô tô hiện nay thường dùng dẫn động phanh thủy lực hoặc dẫn động phanh bằng khínén, quan hệ giữa mômen phanh sinh ra ở bánh xe và áp suất trong dẫn động phanh biểu thị nhưsau :

p1dđ, p2dđ – Áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau

k1và k2 – Hệ số tỷ lệ tương ứng với phanh trước và phanh sau

Từ các biểu thức (9.19) và (9.20) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong dẫn độngphanh trước và phanh sau :

Như vậy để đảm bảo sự phanh lý tưởng thì quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau

và trong dẫn động phanh trước phải tuân theo đồ thị trên hình 9.5 Đồ thị này được gọi là đườngđặc tính lý tưởng của bộ điều hòa lực phanh

Muốn đảm bảo đường đặc tính p2= f(p1) theo đúng đồ thị trên hình 9.5 thì bộ điều hòa lựcphanh phải có kết cấu rất phức tạp

Hiện nay trên ô tô để bảo đảm đường đặc tính thực tế gần đúng với đường đặc tính lý tưởngngười ta phải bố trí hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

Hình 9.5: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh sau và dẫn động phanh

trước để đảm bảo sự phanh lý tưởng

1 - Đầy tải 2 - Không tải

9.1.4 Mômen phanh cần thiết tại các cơ cấu phanh :

Mômen phanh sinh ra ở các cơ cấu phanh của ô tô phải đảm bảo giảm tốc độ hoặc dừng ô

tô hồn tồn với gia tốc chậm dần trong giới hạn cho phép Ngồi ra còn phải đảm bảo giữ ô tô đứng

ở độ dốc cực đại (mômen phanh sinh ra ở phanh tay)

Đối với ô tô lực phanh cực đại có thể tác dụng lên một bánh xe ở cầu trước khi phanh trênđường bằng phẳng là:

G Trọng lượng ô tô khi tải đầy.

G1t, G2t Tải trọng tương ứng (phản lực của đất) tác dụng lên cầu trước và sau ở trạng

thái tĩnh, trên bề mặt nằm ngang

m1p, m2p  Hệ số thay đổi tải trọng tương ứng lên cầu trước và cầu sau khi phanh

a, b Khoảng cách tương ứng từ trọng tâm ô tô đến cầu trước và cầu sau

L Chiều dài cơ sở của ô tô

 Hệ số bám dọc giữa lốp và đường (= 0,7 ÷ 0,8)

Các hệ số m1p, m2pcho trường hợp phanh với cường độ phanh lớn nhất (jp= jpmax) sẽ là :

b

h'1gb

hj1

hj-1

jmax Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh

’ Hệ số đặc trưng cho cường độ phanh (’ =

g

jmax)

Ở ô tô cơ cấu phanh đặt trực tiếp ở tất cả các bánh xe (phanh chân) Do đó mômen phanhtính tốn cần sinh ra của mỗi cơ cấu phanh ở cầu trước là:

b g b

G

Ở cầu sau (ô tô hai cầu) là:

b g b

Mp2= M’p2+ M’’p2 (9.29)

Ở đây:

M’p1, M’’p1 – Mômen phanh sinh ra ở má phanh trước và má phanh sau của mỗi cơ cấu

phanh ở cầu trước

M’p2, M’’p2 – Mômen phanh sinh ra ở má phanh trước và má phanh sau của mỗi cơ cấu

phanh ở cầu sau

9.2 XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHANH :

9.2.1 Gia tốc chậm dần khi phanh :

Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượngphanh ôtô Khi phân tích các lực tác dụng lên ô tô có thể viết phương trình cân bằng lực kéo khiphanh ô tô như sau :

Fj= Fp+ Ff+ F+ FFi (9.30)

Ở đây :

Fj – Lực quán tính sinh ra khi phanh ôtô

Fp – Lực phanh sinh ra ở các bánh xe

Ff – Lực cản lăn

F – Lực cản không khí

F – Lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí

Fi – Lực cản lên dốc Khi phanh trên đường nằm ngang thì lực cản lên dốc Fi=0.Khi phanh thì F, Ff và F không đáng kể, có thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây sai sốkhoảng 1,52%

Khi bỏ qua các lực F, Ff, F, và khi ô tô phanh trên đường nằm ngang Fi= 0, ta có phươngtrình sau :

i– Hệ số tính đến ảnh hưởng các trọng khối quay của ôtô

Từ (9.32) ta xác định được gia tốc chậm dần cực đại khi phanh :

Để jpmaxtăng thì ta giảmivà tăng

+ Giảmibằng cách tách ly hợp khi phanh gấp

+ Tăngbằng cách cải thiện tình trạng mặt đường

9.2.2 Thời gian phanh :

Thời gian phanh cũng là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Thời gianphanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt Để xác định thời gian phanh có thể sử dụng biểuthức sau :

jp =dt

9.2.3 Quãng đường phanh :

Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ôtô Đểxác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức 9.34 bằng cách nhân hai vế với

dS (dS – Vi phân của quãng đường), ta có :

Quãng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ v1đến v2 Ta có :

Spmin= 1

2

vdv.g

δi =

.g

δi

 12

Spmin=

.g.2

.v

δ 2 1 i

Từ biểu thức trên ta thấy rằng quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc chuyểnđộng của ô tô lúc bắt đầu phanh, phụ thuộc vào hệ số bámvà hệ số tính đến ảnh hưởng của cáckhối lượng quayi Để giảm quãng đường phanh cần giảm hệ sối,cho nên nếu người lái cắt lyhợp trước khi phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn

Cần lưu ý rằng, theo các công thức trên thì jpmax, tpmin, Spmin phụ thuộc vào hệ số bám ,nhưng dolại phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên các bánh xe, tức là phụ thuộc vào trọng lượngtồn bộ của xe G Bởi vậy jp, tp, Spcó phụ thuộc vào G, mặc dù trong các công thức tính jp, tp, Spkhông có mặt của G

9.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng:

Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh Chỉ tiêu nàyđược dùng thuận lợi nhất là khi thử phanh ôtô trên bệ thử Lực phanh sinh ra ở các bánh xe của ô

tô xác định theo biểu thức :

Mp– Mômen phanh ở các cơ cấu phanh

rb – Bán kính làm việc trung bình của bánh xe

Lực phanh riêng là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lượng tồn bộ G của ô tô, nghĩa là :

Fpr= Fp

Lực phanh riêng cực đại ứng với khi lực phanh cực đại :

* Nhận xét :

Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh thì chỉ tiêu quãng đường phanh là đặc trưngnhất và có ý nghĩa quan trọng nhất, vì quãng đường phanh cho phép người lái hình dung được vịtrí xe sẽ dừng trước một chướng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai nạn khi người lái xephanh ở tốc độ ban đầu nào đấy

Cần chú ý rằng bốn chỉ tiêu nêu trên đều có giá trị ngang nhau (giá trị tương đương), nghĩa

là khi đánh giá chất lượng phanh chỉ cần dùng một trong bốn chỉ tiêu trên

9.3 ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ KHI PHANH:

9.3.1 Ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng:

Để thấy rõ ổn định của ô tô khi phanh nếu các bánh xe bị hãm cứng, trước hết chúng taphải khảo sát mối quan hệ giữa phản lực tiếp tuyến Xb và phản lực ngang Ybtác dụng từ mặtđường lên bánh xe trong quá trình phanh

Khi phanh, phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe sẽ là:

Xb= Fpb+ Ffb (9.45)Nhưng do Ffbrất nhỏ so với Fpb, nên có thể coi:

Ở đây:

Fpb– Lực phanh tác dụng lên bánh xe

Ffb – Lực cản lăn tác dụng lên bánh xe

Hình 9.6: Nguyên nhân xuất hiện phản lực ngang ở các bánh xe khi phanh.

Trong quá trình phanh, nếu có lực ngang Y tác dụng lên thân xe, thì tại tâm các bánh xe

sẽ có lực ngang Fytác dụng, lập tức dưới các bánh xe xuất hiện các phản lực ngang Yb ngượcchiều với Fy( hình 9.6 )

Chúng ta giả thiết rằng:

φ φ φ  φLúc này dưới bánh xe sẽ xuất hiện đồng thời các lực Fpbvà Yb Hợp lực của chúng là Nb:

GT

Yb

Y

sẽ xuất hiện một lực ngang Fyrất nhỏ tác dụng tại tâm bánh xe là làm cho bánh xe sẽ trượt ngang,

do ở dưới bánh xe Yb= 0 và không còn cân bằng lực theo chiều ngang

Chúng ta sẽ sử dụng kết luận trên để xét ổn định của xe khi phanh nếu các bánh xe bị hãmcứng

9.3.1.1 Các bánh xe ở cầu sau bị hãm cứng khi phanh:

Ybmax

Giả thiết rằng xe đang phanh trên đường không thẳng tuyệt đối, cho nên lực quán tính Fj

sẽ tạo với trục dọc của xe một góc α 0 ( xem hình 9.8 ) Nếu đường thẳng thì vẫn có lực ngangtác dụng tại trọng tâm T, đó là thành phần Gsindo mặt đường nghiêng ngang một góc β 0 Như vậy, khi phanh sẽ xuất hiện lực ngang Y tác dụng tại T ( Y = Fjyhay Y = Gsinhoặc Y làlực của gió tạt ngang )

9.3.1.2 Các bánh xe cầu trước bị hãm cứng khi phanh:

Vẫn giả thiết rằng: khi xe đang phanh thì có lực ngang Y tác dụng lên thân xe ( Y = Fjyhay Y = Gsinhoặc Y là lực của gió tạt ngang ) Lúc này các bánh xe ở cầu trước bị hãm cứng (xem hình 9.9 )

Y1

Y2= 0T

x v

Fj Fjy

' q

M

Fjx



yba

Y2T

và xe chuyển động không ổn định Nếu hợp lực của lực ngang Y và lực Fjquá lớn thì xe có thể bịlật đổ.

9.3.2 Ổn định của ô tô khi phanh nếu các lực phanh phân bố không đều:

Trong quá trình phanh ô tô thì trục dọc của ô tô có thể bị nghiêng đi một gócnào đấy sovới phương quỹ đạo đang chuyển động Sở dĩ như vậy là do tổng các lực phanh sinh ra ở cácbánh xe bên phải khác với tổng các lực phanh sinh ra ở các bánh xe bên trái và tạo thành mômenquay vòng Mqquanh trục thẳng đứng z đi qua trọng tâm T của ô tô (hình 9.10)