Giáo trình ô tô 1 - Chương 9 doc

133 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 định của ô tô khi phanh. 134 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 M p. Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với đường xuất hiện lực phanh (F p ) ngược với chiều chuyển động của ô tô. Ta có: F p = p b M r (9.1) Với : M p – Mômen phanh tác dụng lên bánh xe. F p – Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. r b – Bán kính tính tốn của bánh xe. Khi mômen phanh M p tăng thì lực phanh F p tăng, nhưng lực phanh không thể tăng một cách tùy ý. Bởi vì lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường, nghĩa là: F pmax = F  = Z b . (9.2) G b F p F x Z b v M p M jb M f r b  0 135 Trong đó : F  – Lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường. Z b – 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 M jb và mômen cản lăn tác dụng lên bánh xe.Bởi vậy lực hãm tổng cộng tác dụng lên bánh xe sẽ là : F h = p f jb b M M M r   = F p + b jbf r MM  (9.3) Trong quá trình phanh, do M p tăng dần nên F p cũng tăng dần lên và đến một lúc nào đó F p = F pmax = F  thì các bánh xe bị trượt lết. Khi bánh xe bị trượt lết hồn tồn thì hệ số bám  giảm xuống giá trị  min , cho nên lực phanh cũng giảm xuống giá trị nhỏ nhất, dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất. Ngồi ra, nếu các bánh xe trước bị trượt lết sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh (xe không 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 F p lớn thì cả hệ số bám  và Z b đều 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 cả các bánh xe. Khi phanh, động năng hoặc thế năng của xe bị tiêu hao cho ma sát giữa má phanh và trống phanh, 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 má phanh, 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 giữa lốp và mặt đường. Sự trượt lết sẽ làm giảm hiệu quả phanh,tăng độ mòn của lốp, tăng độ trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe. 9.1.2. Lực phanh ô tô và điều kiện bảo đảm phanh tối ưu : 9.1.2.1. Lực phanh ô tô : 136 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 F f1 , F f2 . + Phản lực thẳng góc tác dụng lên các bánh xe trước và sau Z 1 , Z 2 . + Lực phanh ở các bánh xe trước và sau F p1 , F p2 . + Lực cản không khí F  . + Lực quán tính j F do khi phanh có gia tốc chậm dần. Lực quán tính j F được xác định theo biểu thức sau : F j = g G j p (9.4) Ở đây : g – Gia tốc trọng trường (g = 9,8 m/s 2 ). j p – Gia tốc chậm dần khi phanh. Khi phanh thì lực cản không khí F  và lực cản lăn F f1 và F f2 không 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 phanh đối với các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường tại E và F, ta có thể xác định các phản lực thẳng góc Z 1 và Z 2 tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau : Z 1 = L hFGb gj  = G 1 (9.5) L G 1 Z 2 Z v p1 F p2 F 1f F 2f F  F E F b a F j T 1 G 2 G h g 137 Z 2 = L hFGa gj  = G 2 (9.6) Trong đó : a, b, h g – Tọa độ trọng tâm của ô tô. L – Chiều dài cơ sở của ô tô. G 1 , G 2 – Tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh. Thay j F ở công thức (9.4) vào Z 1 và Z 2 , ta được : Z 1 = p g j h G (b ) L g  = p g j h Gb 1 L gb        = Z 1t .m 1p = G 1t .m 1p (9.7) Z 2 = p g j h G (a ) L g  = p g j h Ga 1 L ga        = Z 2t .m 2p = G 2t .m 2p (9.8) Với : Z 1t = L Gb ; Z 2t = L Ga m 1p = 1 + p g j h gb ; m 2p = 1 – p g j h ga Ở đây : Z 1t , Z 2t – 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). m 1p , m 2p – Hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên các bánh xe cầu trước và cầu sau khi phanh. G 1t , G 2t – 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 : F p1 = F 1 = Z 1  = p g j h G (b ) L g   (9.9) F p2 = F 2 = Z 2  = p g j h G (a ) L g   (9.10) 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 : F pmax = G  (9.11) 138 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 hiệu quả cao nhất thể hiện qua các chỉ tiêu : S p = S pmin , t p = t pmin , j p = j pmax . Với S p , t p , j p là quãng đường 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 trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình phanh lại thay đổi do lực quán tính j F 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 F F = 2 1 .Z .Z   = 2 1 Z Z = gj gj hFGa hFGb   (9.12) Trong quá trình phanh thì lực cản lăn F f1 và F f2 không đáng kể, có thể bỏ qua, do đó có thể viết : j F = F p1 + F p2 Và j F max = F pmax = G  (9.13) Thay j F max vào biểu thức (9.12), ta có : p1 p2 F F = g g h.a h.b   (9.14) Biểu thức (9.14) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất. Nghĩa là để đảm bảo phanh tối ưu thì khi phanh quan hệ giữa các lực phanh F p1 và F p2 phải luôn thỏa mãn biểu thức (9.14). Do trong quá trình phanh tọa độ trọng tâm (a, b, h g ) và hệ số bám dọc  luôn thay đổi cho nên tỷ số p1 p2 F F luôn thay đổi. Muốn vậy phải thay đổi được mômen phanh M p1 , M p2 sinh ra ở các cơ cấu phanh đặt ở các bánh xe cầu trước và cầu sau. Để thay đổi M pi thì phải thay đổi áp suất dầu 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 phanh gấp, sau một thời gian ngắn trong tổng thời gian phanh, thì G 1 (hoặc Z 1 ) tăng lên, G 2 (hoặc Z 2 ) giảm xuống, dẫn đến lực bám F 1 tăng, F 2 giảm, hậu quả là : F p1 < F 1 , F p2 > F 2 , làm cho các bánh xe cầu sau bị hãm cứng và trược lết hồn tồn. Lúc này chỉ cần một lực ngang nhỏ tác dụng lên xe là cầu sau sẽ trượt ngang, làm cho độ ổn định của xe giảm nhanh, xe bị quay ngang và có khả năng bị lật đổ. Vì thế, để tránh xảy ra hiện tượng này, hiện nay trên nhiều xe đã bố trí bộ điều hòa lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh. Các cơ cấu này sẽ tự động điều chỉnh lực phanh ở các bánh xe bằng cách thay đổi quan hệ áp suất dẫn động phanh đến các cơ cấu phanh ở cầu trước và cầu sau. 9.1.3. Phân bố lực phanh và mômen của ôtô khi phanh : 139 0 M p2 M p1  M p Muốn quá trình phanh có hiệu quả nhất thì phân bố các lực phanh sinh ra ở các bánh xe trước F p1 và ở các bánh xe sau F p2 phải tuân theo biểu thức (9.14). Nếu coi bán kính của bánh xe trước là r b1 và bánh xe sau la ør b2 bằng nhau trong quá trình phanh ta có thể viết quan hệ giữa mômen phanh ở các bánh xe trước M p1 và M p2 như sau: p2 p1 M M = p2 b2 p1 b1 F .r F .r = p2 p1 F F (9.15) Kết hợp các biểu thức (6.14) và (6.38) ta có quan hệ sau: p2 p1 M M = g g h.b h.a   (9.16) Trong đó: M p1 – Mômen phanh sinh ra ở các bánh xe trước. M p2 – 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 xe trước M p1 và mômen phanh sinh ra ở bánh xe sau M p2 phải tuân theo biểu thức (9.16). Mômen phanh sinh ra ở các bánh xe trước M p1 và mômen phanh sinh ra ở các bánh xe sau M p2 có thể xác định từ điều kiện bám theo biểu thức sau : M p1 =  Z 1 r b = L .G.r b  (b + .h g ) (9.17) M p2 =  Z 2 r b = L .G.r b  (a – .h g ) (9.18) Đối với ô tô đã chất tải nhất định, ta có a, b, h g cố định. Bằng cách thay đổi giá trị  dựa trên biểu thức (9.17) và (9.18) ta có thể vẽ đồ thị M p1 =f 1 (),M p2 = f 2 () như sau: Trên hình 9.3 là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa M p1 và M p2 với hệ số bám . Đường nét liền ứng với ô tô đầy tải, đường nét đứt ứng với ô tô không tải. Hình 9.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen phanh M p1 và M p2 với hệ số bám . 140 M p2 0 M p1 1 1 2 Từ đồ thị 9.3 có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa mômen phanh ở các bánh xe trước M p1 và ở các bánh xe sau M p2 . Đồ thị trình bày ở hình 9.4 được gọi là đặc tính phanh lý tưởng của ô tô. Bởi vì nếu quan hệ giữa M p1 và M p2 theo đúng đường cong 1 (khi đầy tải) hoặc theo đúng đường cong 2 (khi không tải) thì ở các bánh xe trước M p1  M 1 và ở cầu sau M p2  M 2 (với M 1 , M 2 là mômen bám của các bánh xe cầu trước và cầu sau). Tức là mômen phanh ở các bánh xe đã lớn xấp xỉ bằng mômen bám tại mọi thời điểm trong suốt quá trình phanh. Cho nên quãng đường phanh sẽ ngắn nhất, các bánh xe không bị hãm cứng trong khi phanh và đảm bảo được ổn định của ô tô khi phanh. 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 khí nén, quan hệ giữa mômen phanh sinh ra ở bánh xe và áp suất trong dẫn động phanh biểu thị như sau :  p1 1 1dñ M k p (9.19)  p2 2 2dñ M k p (9.20) Ở đây : p 1dđ , p 2dđ – Áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau. k 1 và k 2 – 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 động phanh trước và phanh sau : 1dñ 2dñ p p = 1 p2 2 p1 k M k M (9.21) 141 p 1 0 p 2 1 2 Trên hình 9.5 trình bày đồ thị quan hệ giữa áp suất p 1dđ và p 2dđ khi quan hệ giữa các mômen phanh M p1 và M p2 tuân theo đường đặc tính phanh lý tưởng. 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 đường đặc tính lý tưởng của bộ điều hòa lực phanh. Muốn đảm bảo đường đặc tính p 2 = f(p 1 ) theo đúng đồ thị trên hình 9.5 thì bộ điều hòa lực phanh 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 tưởng người 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 trên đường bằng phẳng là: 1t p1 1p 1p G Gb F m m 2 2L     (9.22) Ở cầu sau là: 142 2t p2 2p 2p G Ga F m m 2 2L     (9.23) Ở đây: G  Trọng lượng ô tô khi tải đầy. G 1t , G 2t  Tải trọng tương ứng (phản lực của đất) tác dụng lên cầu trước và sau ở trạng thái tĩnh, trên bề mặt nằm ngang. m 1p , m 2p  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 m 1p , m 2p cho trường hợp phanh với cường độ phanh lớn nhất (j p = j pmax ) sẽ là : b h' 1 gb hj 1m ggmax 1p   (9.24) a h' -1 ga hj -1m ggmax 2p   (9.25) Trong đó: h g  Chiều cao trọng tâm của ô tô. g  Gia tốc trọng trường. j max  Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh. ’  Hệ số đặc trưng cho cường độ phanh. (’ = g j max ) Ở ô tô cơ cấu phanh đặt trực tiếp ở tất cả các bánh xe (phanh chân). Do đó mômen phanh tính tốn cần sinh ra của mỗi cơ cấu phanh ở cầu trước là: bgb1p 1t p1 r)h'(b 2L G rm 2 G M  (9.26) Ở cầu sau (ô tô hai cầu) là: bgb2p 2t p2 r)h'-(a 2L G rm 2 G M  (9.27) Trong đó: r b – Bán kính làm việc trung bình của bánh xe. Khi tính tốn có thể chọn ’ = 0,4  0,5 và  = 0,7  0,8. Đứng về kết cấu của cơ cấu phanh guốc mà xét thì mômen phanh M p1 và M p2 phải bằng: M p1 = M’ p1 + M’’ p1 (9.28) . định ngang của xe. 9 .1. 2. Lực phanh ô tô và điều kiện bảo đảm phanh tối ưu : 9 .1. 2 .1. Lực phanh ô tô : 13 6 Hình 9. 2: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh. Các lực tác dụng lên tô khi phanh : + Trọng. các biểu thức (9 . 19 ) và (9. 20) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh trước và phanh sau : 1dñ 2dñ p p = 1 p2 2 p1 k M k M (9. 21) 14 1 p 1 0 p 2 1 2 Trên hình 9. 5 trình bày đồ. 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