phân tích cơ sở lý thuyết, đặc điểm cấu tạo và mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh ôtô

- 2 - Mai Văn Thanh - CK43-OT TRƯờNG ĐạI HọC THUỷ SảN Mai Văn Thanh CK43-DLOT phân tích cơ sở lý thuyết, đặc điểm cấu tạo và mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh ôtô Đồ án tốt nghiệp ĐạI HọC Chuyên ngành : H ớng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận NHA TRANG - 5 / 2006 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 3 - Mai Văn Thanh - CK43-OT Cơ Sở Lý THUYếT của hệ thống PHANH ôTô 1.1. Khái niệm chung về quá trình phanh Khi ôtô đang chuyển động trên mặt đ ờng ngang với vận tốc nào đó, nếu ng ời lái cắt nguồn động lực truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thì ôtô sẽ chạy chậm lại và dừng hẳn sau một khoảng thời gian nào đó. Sở dĩ ôtô chạy chậm lại và dừng hẳn là vì động năng của ôtô sẽ bị tiêu hao cho lực cản của đ ờng, lực cản của không khí và lực cản do ma sát trong các bộ phận chuyển động của ôtô. Các loại lực cản nói trên đ ợc gọi là lực phanh tự nhiên (F ptn ). Trong tr ờng hợp muốn giảm nhanh vận tốc của ôtô hoặc duy trì vận tốc của ôtô khi đang chuyển động xuống dốc, th ờng phải có (F p ) - một loại lực cản nhân tạo - có trị số lớn hơn nhiều lần lực phanh tự nhiên. ôtô là hệ thống có chức năng tạo ra lực phanh. Quá trình tạo ra lực phanh để giảm nhanh vận tốc hoặc dừng ôtô đ ợc gọi là ôtô. Thời điểm đầu quá trình phanh ( ) là thời điểm lái xe bắt đầu tác động vào cơ cấu phanh. Thời điểm cuối quá trình phanh ( ) là thời điểm lực phanh giảm xuống bằng không trong tr ờng hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm vận tốc của xe giảm xuống bằng không trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp. Nếu vận tốc của xe giảm xuống bằng không tr ớc thời điểm lực phanh giảm xuống bằng không thì thời điểm cuối quá trình phanh là thời điểm xe bắt đầu dừng hẳn. Căn cứ vào mục đích thực hiện quá trình phanh ôtô, có thể phân biệt 3 chế độ phanh nh sau : ã Phanh khẩn cấp - là quá trình phanh với mục đích làm cho ôtô dừng hẳn trong thời gian ngắn nhất có thể. Khi phanh khẩn cấp thì động năng của ôtô bị tiêu hao chủ yếu do lực phanh (F p ) (khoảng 90 % tổng lực cản chuyển động của ôtô). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 4 - Mai Văn Thanh - CK43-OT Trong quá trình vận hành ôtô, số lần phanh khẩn cấp chiếm khoảng 5 á 10% tổng số các lần phanh. ã Phanh chậm dần - quá trình phanh nhằm giảm từ từ vận tốc của ôtô hoặc dừng ôtô ở một vị trí đã định tr ớc. ã Phanh tại chỗ - quá trình phanh khi ôtô đang đứng tại chỗ nhằm mục đích không cho ôtô dịch chuyển ngoài ý muốn ca ng ời lái hoặc khi không có ng ời lái. Hệ thống phanh không những chỉ đảm bảo tính an toàn trong quá trình vận hành xe mà còn nâng cao hiệu quả khai thác ph ơng tiện thông qua việc nâng cao vận tốc trung bình của xe. Do yêu cầu tính an toàn ngày càng cao và vận tốc của ôtô cũng có xu h ớng tăng nên hệ thống phanh là một trong những hệ thống chức năng đ ợc quan tâm và đầu t nghiên cứu nhiều. 1.2. lực và momen tác dụng trong quá trình phanh T - Trng tõm ca xe; a - Gúc nghiờng dc; G - Trng lc; G - Trng lng bỏm; Z 1 , Z 2 - Lc ; F f1 , F f2 - Lc cn ln; Fg - Lc cn dc; Fw - Lc cn giú; F p1 , F p2 - Lc phanh; Fj -Lc quỏn tớnh; Fm - Lc kộo rmooc; M p1 , M p2 - Momen phanh; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 5 - Mai Văn Thanh - CK43-OT M f1 , M f2 - Momen cn ln; hg -To trng tõm ca ụ tụ; L- Chiu di c s; V- Vn tc. 1.2.1. trọng l ợng (G) là lực hút của trái đất tác dụng lên khối l ợng của xe. Trọng l ợng có ph ơng vuông góc với mặt đất, chiều thẳng đứng, điểm đặt tại trọng tâm của xe. Trong đó : G - Trọng l ợng, [N] ; m - Khối l ợng của xe, [kg] ; g - Gia tốc trọng tr ờng, [m/s 2 ]. g = 9,81 m/s 2 . T a G F g G 2 G 1 T G j G Y'' Y' Z'' Z' b G y PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 6 - Mai Văn Thanh - CK43-OT G 1 2 G j g y 1.2.2. phản lực của mặt đ ờng Trong thực tế, cả mặt đ ờng và bánh xe đều không phải là những vật cứng tuyệt đối nên chúng đều biến dạng d ới tác dụng của trọng l ợng của ôtô. Mặt đ ờng và bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên . Tại mỗi điểm tiếp xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đ ờng. Tổng của tất cả các lực thành phần đó đ ợc gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đ ờng hay gọi tắt là . Phản lực của mặt đ ờng có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc. ZZ G b G b a)c) F Y Y Z G b b) 1 2 1 2 1 2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 7 - Mai Văn Thanh - CK43-OT Để tiện trong nghiên cứu, ng ời ta th ờng phân tích phản lực của mặt đ ờng thành 3 thành phần : Z, X và Y. ã Phản lực vuông góc (Z) - còn gọi là - là thành phần có ph ơng vuông góc với mặt đ ờng. Z 1 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe tr ớc, Z 2 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe sau, Z 1 = G b1 . cos a = G j 1 (1.2a) Z 2 = G b2 . cos a = G j 2 (1.2b) ã Phản lực tiếp tuyến (X) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đ ờng và có ph ơng cùng ph ơng chuyển động của ôtô. ã Phản lực ngang (Y) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song với mặt đ ờng và theo ph ơng ngang. G b1 G b1 F x F y X 1 Y 1 Z 1 X 1 Y 1 G b1 F x X 1 Z 1 Z 1 a 1 ww M f1 a)b)c) G x F y 1 1 Y 1 1 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 8 - Mai Văn Thanh - CK43-OT Khi bánh xe lăn trên mặt đ ờng, vùng tiếp xúc không đối xứng qua các mặt phẳng tâm của bánh xe (H. 1-3b, 1-3c) và điểm đặt của phản lực lệch so với đ ờng tâm bánh xe một đoạn a 1 (H. 1-4a). Để thuận tiện trong nghiên cứu, có thể thay phản lực vuông góc Z có điểm đặt tại tâm tiếp xúc (H. 1-4a) bằng lực Z có điểm tại đ ờng tâm bánh xe và (M f1 ). + Momen cản lăn ở bánh xe phía tr ớc : M f1 = Z 1 . a 1 (1.2c) + Momen cản lăn ở bánh xe phía sau : M f2 = Z 2 . a 2 (1.2d) 1.2.3. Lực cản lăn Lực cản lăn (F f ) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đ ờng và do biến dạng của bánh xe và của mặt đ ờng. Lực cản lăn có ph ơng song song với chiều chuyển động của xe, chiều ng ợc chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc. Trị số của lực cản lăn đ ợc xác định bằng biểu thức : F f = F f1 + F f2 = f 1 . Z 1 + f 2 . Z 2 (1.3a) trong đó : F f - tổng lực cản lăn ; F f1 , F f2 - lực cản lăn ở các bánh xe tr ớc và sau ; f 1 , f 2 - hệ số cản lăn ở bánh xe tr ớc và ở bánh xe sau ; Z 1 , Z 2 - phản lực vuông góc tại các bánh xe tr ớc và sau. Nếu f 1 = f 2 , ta có : F f = f. ( Z 1 + Z 2 ) = f. G. cosa (1.3b) 1.2.4. Lực cản dốc Lực cản dốc (F g ) là lực xuất hiện khi xe chuyển động trên đ ờng dốc. Lực cản dốc có ph ơng song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc chiều chuyển động của xe khi xe lên dốc và cùng chiều khi xe xuống dốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe. F g = G. sina (1.4a) trong đó : dấu (+) ứng với tr ờng hợp xe xuống dốc ; dấu (-) khi xe lên dốc. Để thuận tiện trong trình bày và phân tích động lực học ôtô, ng ời ta th ờng kết hợp và thành một lực có tên gọi là (Fy) nh sau : PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 9 - Mai Văn Thanh - CK43-OT F y = F f F g = G. ( f . cosa sina ) = G. y (1.4b) trong đó : y là . y = f . cosa sina (1.4c) 1.2.5. Lực cản gió Lực cản gió (F w ) là lực của không khí tác dụng lên xe khi chuyển động. Lực cản gió có ph ơng song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc hoặc cùng chiều chuyển động của xe, tuỳ thuộc vào h ớng gió và tốc độ của xe, điểm đặt tại tâm chắn gió. Trị số của lực cản gió th ờng đ ợc xác định bằng các công thức thực nghiệm. Theo [5], lực cản gió đ ợc xác định nh sau : F w = 0.5 r o . c w . A. (v v o ) 2 (1.5) trong đó : r o - mật độ của không khí quanh xe, [kg/m 3 ] ; c w - hệ số cản gió ; A - tiết diện ngang chắn gió của xe, [m 2 ] ; v - vận tốc của xe, [m/s] ; v o - vận tốc chính diện của gió, [m/s]. Trị số của tiết diện ngang chắn gió : A = 0.9 L.H - xe con, A = 0.5 - 0.6 m 2 - xe môtô 2 bánh không có chắn gió, A đ 1.2 m 2 - xe môtô 3 bánh có chắn gió. 1.2.6. Lực quán tính Lực quán tính (F j ) là lực cần thiết để gia tốc các khối l ợng chuyển động của xe. Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của xe thay đổi. Lực quán tính có ph ơng song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc với chiều của gia tốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe. F j = F j' + F j'' j g G F j ì= ' ; j g G FF jjjj ìì=ì= dd '''' j g G FF jjjj ìì=ì= dd ' (1.6a) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 10 - Mai Văn Thanh - CK43-OT maxmax. j g G F jj ìì= d (1.6b) trong đó : F j - tổng lực quán tính quy về trọng tâm của xe ; F j - lực quán tính của các khối l ợng chuyển động tịnh tiến ; F j - lực quán tính của các khối l ợng chuyển động quay (bánh đà, trục khuỷu, trục cardan , ), j - gia tốc của xe ; d j - hệ số quán tính quay. 1.2.7. Lực kéo Remoorque Lực kéo remorque (F m ) là lực mà xe tác dụng lên remorque để kéo nó theo với cùng tốc độ của xe. Ph ơng của lực kéo remorque đ ợc qui ớc là song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại điểm liên kết xe với remorque. F m = y. SG m.i (1.7) trong đó : y - hệ số cản của đ ờng ; G m.i - trọng l ợng của các remorque. 1.1.8. momen phanh và lực phanh Momen phanh (M p ) là momen do hệ thống phanh sinh ra nhằm cản chuyển động quay của các bánh xe. Đa số hệ thống phanh thông dụng hiện nay tạo ra momen phanh bằng cách ép các má phanh vào bộ phận nào đó trên các bánh xe, trong đó má phanh đ ợc lắp trên bộ đ ợc cố định với khung xe. Lực phanh (F p ) là tổng của các phản lực của mặt đ ờng tác dụng lên bánh xe đ ợc hình thành khi xuất hiện momen phanh. T r b F p M p v P M p p b PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - 11 - Mai Văn Thanh - CK43-OT b p P r M F= (1.8a) b p p r M F max. ' max. = (1.8b) Trong công thức (1.8b), M p.max là momen phanh cực đại mà hệ thống phanh có thể tạo ra. Trị số của M p.max phụ thuộc vào lực ép má phanh (P), diện tích bề mặt ma sát của má phanh, tính chất vật liệu chế tạo má phanh, v.v. Lực phanh lớn nhất có thể hình thành tại vùng tiếp xúc giữa các bánh xe và mặt đ ờng không chỉ phụ thuộc vào momen phanh mà còn phụ thuộc vào hệ số bám (j) và trọng l ợng bám (G j ). Trị số của lực phanh cực đại (F p.max ) đ ợc giới hạn bởi điều kiện bám nh sau : F p.max Ê F j = j . G j (1.8c) trong đó : F j - Lực bám, j - Hệ số bám, G j - Trọng l ợng bám. Nếu xe chạy trên đ ờng bằng thì G = G j và F p.max = j. G Lực F' p.max đ ợc gọi là lực phanh tiềm năng - lực phanh cực đại mà hệ thống phanh có thể tạo ra. Nếu F' p.max > F p.max thì bánh xe sẽ bị tr ợt lê, tức là bám xe chuyển động tịnh tiến nh ng không quay. Để tránh hiện t ợng tr ợt lê, lực phanh thực tế đ ợc hình thành tại vùng tiếp xúc chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng lực bám. Tuyệt đại đa số xe cơ giới đ ợc trang bị cơ cấu phanh trên tất cả các bánh xe. Chúng ta ký hiệu tổng momen phanh và tổng lực lực phanh tác dụng lên các bánh xe phía tr ớc và phía sau t ơng ứng là : M p1 , M p2 , F p1 và F p2 . M p = M p1 + M p2 F p = F p1 + F p2 Ngoài các loại lực và moment đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực và moment khác tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động, nh : ã Lực ma sát (F ms ) - lực ma sát giữa các bề mặt chuyển động t ơng đối với nhau trong các bộ phận của xe. ã Moment quán tính của các bánh xe (M J.b1 , M J.b2 ) - Moment xuất hiện khi tốc độ quay của các bánh xe thay đổi. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com [...]... Trong cơ cấu phanh đĩa, momen phanh được tạo ra bằng cách ép má phanh vào đĩa phanh gắn trên bánh xe 6) Hệ thống phanh bánh xe và phanh trục truyền động Trong hệ thống phanh bánh xe, cơ cấu phanh được bố trí tại các bánh xe của ôtô Cơ cấu phanh của hệ thống phanh bánh xe có thể là cơ cấu phanh tang trống hoặc cơ cấu phanh đĩa Trong hệ thống phanh trục truyền động, cơ cấu phanh được lắp đặt tại một vị... khiển Cơ cấu phanh Dẫn động phanh Bộ phận cung cấp năng lượng phanh Bộ phận phụ trợ trên remorque ã Năng lượng sử dụng khi phanh Mai Văn Thanh Hệ thống phanh tự động Phanh tang trống ã Phanh đĩa ã Phanh động cơ ã Phanh thuỷ lực Phanh điện ã Phanh bánh xe ã Phanh trục truyền động Phanh cơ khí ã Phanh dầu ã Dẫn động phanh Hệ thống phanh hãm ã Vị trí lắp đặt cơ cấu phanh ã ã cơ cấu phanh Hệ thống phanh. .. nhân nào đó Phanh tự động thường là loại phanh hoạt động dưới tác dụng của lực quán tính hoặc trọng lượng của remorque 5) Hệ thống phanh tang trống và phanh đĩa Hệ thống phanh tang trống được trang bị cơ cấu phanh tang trống Trong cơ cấu phanh tang trống, momen phanh được tạo ra bằng cách ép các má phanh vào tang trống của bánh xe Hệ thống phanh đĩa được trang bị cơ cấu phanh đĩa Trong cơ cấu phanh đĩa,... phanh phụ (phanh tay) ã Đặc điểm cấu tạo ã ã Mục đích sử dụng Hệ thống phanh chính (phanh chân) Phanh hơi ã Hệ thống phanh không trợ lực ã Hệ thống phanh trợ lực ã Hệ thống phanh quán tính - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CK43-OT - 31 ã ã Hệ thống phanh có điều hoà lực phanh ã Mức độ hoàn thiện Hệ thống phanh thường Hệ thống phanh chống hãm cứng 1) Hệ thống phanh chính... momen quay từ động cơ đến bánh xe chủ động Hệ thống phanh trục truyền động đôi khi được sử dụng với chức năng của hệ thống phanh tại chỗ 7) Hệ thống phanh điện - hệ thống phanh được trang bị cơ cấu phanh điện, trong đó xuất hiện lực điện từ cản chuyển động của bánh xe khi lái xe đóng dòng điện phanh 8) Hệ thống phanh không trợ lực - hệ thống phanh mà năng lượng cần thiết để tạo ra momen phanh chỉ bắt... 3 1 3 2 3 10) Hệ thống phanh thường - Hệ thống phanh thường là hệ thống phanh mà lực phanh tạo ra là do áp lực dầu trong hệ thống thuỷ lực Trên các ô tô con ngày nay hầu hết dùng loại phanh này 11) Hệ thống phanh có điều hoà lực phanh - hệ thống phanh cho phép tự động điều chỉnh áp lực phanh ở các cơ cấu phanh phía trước và phía sau nhằm mục đích nâng cao hiệu quả phanh 12) Hệ thống phanh chống hãm... dẫn động phanh của cơ cấu phanh trước và cơ cấu phanh sau; k1,k2 - hệ số tỷ lệ tương ứng với phanh trước và phanh sau Từ các biểu thức (1.18e) và (1.18f) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong dẫn động phanh trước và phanh sau: p 2 k1 M p 2 = p1 k 2 M p1 (1.18g) Dựa vào biểu thức (1.18g) có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa áp suất p1 và p2 khi quan hệ giữa các moment phanh Mp1 và Mp2 tuân theo đường đặc. .. t4 Giản đồ phanh nhận được bằng thực nghiệm và qua giản đồ phanh có thể phân tích và thấy được bản chất của quá trình phanh Giản đồ phanh là quan hệ của lực phanh (Fp) với thời gian phanh (t), hay cũng là quan hệ của gia tốc phanh (jp) với thời gian phanh (t) 1.4 tính năng phanh hay chất lượng quá trình phanh là khả năng và hiệu quả của việc thực hiện chức năng của hệ thống phanh Tính năng phanh được... cầu mô men phanh ít hơn So với cơ cấu phanh loại một xylanh có hai piston bằng nhau thì mômen phanh (hiệu quả phanh) của cơ cấu phanh này tăng được từ 1,6 á1,8 lần khi trống phanh quay theo chiều tiến của ôtô Loại cơ cấu phanh này thường đặt ở bánh trước của ô tô du lịch khi cần đạt hiệu quả nhanh lớn với kích thước cơ cấu phanh nhỏ ở cơ cấu phanh loại hai xylanh con đều tác dụng lên đầu trên và đầu... dưới của guốc phanh Khi phanh, các guốc phanh sẽ chuyển dịch theo chiều ngang và ép bố phanh sát vào trống phanh Nhờ sự ma sát giữa trống phanh và bố phanh cho nên khi ép sát vào trống phanh thì bố phanh bị cuốn theo chiều quay của trống phanh Mỗi bố phanh lúc đó sẽ tác dụng vào piston và đẩy ống xylanh con tì sát vào điểm tựa cố định Lúc đó, hiệu quả phanh sẽ tốt hơn Thí nghiệm cho thấy rằng cơ cấu phanh . ĐạI HọC THUỷ SảN Mai Văn Thanh CK43-DLOT phân tích cơ sở lý thuyết, đặc điểm cấu tạo và mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh ôtô Đồ án tốt nghiệp ĐạI HọC Chuyên ngành. trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh tr ớc và cơ cấu phanh sau; k 1 ,k 2 - hệ số tỷ lệ t ơng ứng với phanh tr ớc và phanh sau. Từ các biểu thức (1.18e) và (1.18f) có thể xác định quan hệ giữa. phanh cực đại mà hệ thống phanh có thể tạo ra. Trị số của M p.max phụ thuộc vào lực ép má phanh (P), diện tích bề mặt ma sát của má phanh, tính chất vật liệu chế tạo má phanh, v.v. Lực phanh