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

Khái niệm chung về quá trình phanh Khi ôtô đang chuyển động trên mặt đường ngang với vận tốc nào đó, nếu người lái cắt nguồn động lực truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thì ôtô

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 :

Hướng dẫn khoa học : PGS TS.Nguyễn Văn Nhận

NHA TRANG - 5 / 2006

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 đường ngang với vận tốc nào đó, nếu người 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 đường, 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 được gọi là lực phanh tự nhiên (Fptn)

Trong trường hợp muốn giảm nhanh vận tốc của ôtô hoặc duy trì vận tốc của

ôtô khi đang chuyển động xuống dốc, thường phải có (Fp) - 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 được 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 trường hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm vận tốc của xe giảm xuống bằng không trong trường hợp phanh khẩn cấp Nếu vận tốc của xe giảm xuống bằng không trước 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 như 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 (Fp) (khoảng 90 % tổng lực cản chuyển động của ôtô)

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 trước

ã Phanh tại chỗ - quá trình phanh khi ôtô đang đứng tại chỗ nhằm mục

đích không cho ôtô dịch chuyển ngoài ý muốn của người lái hoặc khi không có người 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 phương 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 hướng tăng nên hệ thống phanh là một trong những hệ thống chức năng

được quan tâm và đầu tư nghiên cứu nhiều

1.2 lực và momen tác dụng trong quá trình phanh

T - Trọng tõm của xe; a - Gúc nghiờng dọc; G - Trọng lực;

Gφ - Trọng lượng bỏm; Z 1 , Z 2 - Lực đỡ; F f1 , F f2 - Lực cản lăn;

Fg - Lực cản dốc; Fw - Lực cản giú; F p1 , F p2 - Lực phanh;

M f1 , M f2 - Momen cản lăn; hg -Toạ độ trọng tõm của ụ tụ;

L- Chiều dài cơ sở; V- Vận tốc

1.2.1 trọng lượng

(G) là lực hút của trái đất tác dụng lên khối lượng của xe Trọng lượng có phương vuông góc với mặt đất, chiều thẳng đứng, điểm đặt tại trọng tâm của xe

Trong đó : G - Trọng lượng, [N] ; m - Khối lượng của xe, [kg] ; g - Gia tốc trọng trường, [m/s2] g = 9,81 m/s2

đường 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 đường Tổng của tất cả các lực thành phần đó được gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đường hay gọi tắt là Phản lực của mặt đường có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc

Gb

b)

1

Để tiện trong nghiên cứu, người ta thường phân tích phản lực của mặt đường thành 3 thành phần : Z, X và Y

ã Phản lực vuông góc (Z) - còn gọi là - là thành phần có phương vuông góc với mặt đường

Khi bánh xe lăn trên mặt đường, 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 đường tâm bánh xe một đoạn a1 (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 đường tâm bánh xe và (Mf1)

+ Momen cản lăn ở bánh xe phía trước : Mf1 = Z1 a1 (1.2c) + Momen cản lăn ở bánh xe phía sau : Mf2 = Z2 a2 (1.2d)

1.2.3 Lực cản lăn

Lực cản lăn (Ff) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và do biến dạng của bánh xe và của mặt đường Lực cản lăn có phương song song với chiều chuyển động của xe, chiều ngược chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc

Trị số của lực cản lăn được xác định bằng biểu thức :

Ff = Ff1 + Ff2 = f1 Z1 + f2 Z2 (1.3a) trong đó : Ff - tổng lực cản lăn ; Ff1 , Ff2 - lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau ; f1, f2 - hệ số cản lăn ở bánh xe trước và ở bánh xe sau ; Z1 , Z2 - phản lực vuông góc tại các bánh xe trước và sau

trong đó : dấu (+) ứng với trường hợp xe xuống dốc ; dấu (-) khi xe lên dốc

Để thuận tiện trong trình bày và phân tích động lực học ôtô, người ta thường kết hợp và thành một lực có tên gọi là

(Fy) như sau :

Fw = 0.5 ro cw A (v ± vo)2 (1.5) trong đó : ro - mật độ của không khí quanh xe, [kg/m3] ; cw - hệ số cản gió ; A - tiết diện ngang chắn gió của xe, [m2] ; v - vận tốc của xe, [m/s] ; vo - 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 m2 - xe môtô 2 bánh không có chắn gió,

A đ 1.2 m2 - xe môtô 3 bánh có chắn gió

1.2.6 Lực quán tính

Lực quán tính (Fj) là lực cần thiết để gia tốc các khối lượng chuyển động của

xe Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của xe thay đổi Lực quán tính có phương song song với mặt đường, chiều ngược với chiều của gia tốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe

Fj = Fj' + Fj''

j g

Fj'' = djì j'' = djì ì

j g

G F

Fj = d j ì j' = ì dj ì

(1.6a)

max max

số quán tính quay

1.2.7 Lực kéo Remoorque

Lực kéo remorque (Fm) là lực mà xe tác dụng lên remorque để kéo nó theo với cùng tốc độ của xe Phương của lực kéo remorque được qui ước là song song với mặt đường, chiều ngược chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại điểm liên kết xe với remorque Fm = y SGm.i (1.7) trong đó : y - hệ số cản của đường ; Gm.i - trọng lượng của các remorque

1.1.8 momen phanh và lực phanh

Momen phanh (Mp) 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 được lắp trên

bộ được cố định với khung xe

Lực phanh (Fp) là tổng của các phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh

xe được hình thành khi xuất hiện momen phanh

p P

Trong công thức (1.8b), Mp.max là momen phanh cực đại mà hệ thống phanh

có thể tạo ra Trị số của Mp.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 đường không chỉ phụ thuộc vào momen phanh mà còn phụ thuộc vào hệ số bám (j) và trọng lượng bám (Gj) Trị số của lực phanh cực đại (Fp.max) được giới hạn bởi

điều kiện bám như sau :

Fp.maxÊ Fj = j Gj (1.8c) trong đó : Fj - Lực bám, j - Hệ số bám, Gj - Trọng lượng bám

Nếu xe chạy trên đường bằng thì G = Gj và Fp.max = j G Lực F'p.max được gọi là lực phanh tiềm năng - lực phanh cực đại mà hệ thống phanh có thể tạo ra Nếu F'p.max > Fp.max thì bánh xe sẽ bị trượt lê, tức là bám xe chuyển động tịnh tiến nhưng không quay Để tránh hiện tượng trượt lê, lực phanh thực tế được hình thành tại vùng tiếp xúc chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng lực bám Tuyệt đại đa số xe cơ giới được 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 trước và phía sau tương ứng là : Mp1, Mp2, Fp1 và Fp2

Mp = Mp1 + Mp2

Fp = Fp1 + Fp2 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, như :

ã Lực ma sát (Fms) - lực ma sát giữa các bề mặt chuyển động tương đối với nhau trong các bộ phận của xe

ã Moment quán tính của các bánh xe (MJ.b1 , MJ.b2 ) - Moment xuất hiện khi tốc độ quay của các bánh xe thay đổi

ã Moment kéo (Mk) - moment tại các bánh xe chủ động được truyền đến từ

động cơ của ôtô

ã Lực kéo (Fk) - phản lực của mặt đường tác dụng lên các bánh xe chủ

động được sinh ra bởi momen kéo

Trừ một số trường hợp đặc biệt, lái xe thường cắt nguồn động lực từ động cơ khi phanh nên moment kéo và lực kéo được coi là bằng không trong quá trình phanh Lực ma sát (Fms) và moment quán tính của các bánh xe (Mj.b) thường được bỏ qua trong các phương trình động lực học ôtô vì chúng có trị số rất nhỏ so với các loại lực và momen khác

1.2.9 phương trình cân bằng lực phanh

Phương trình cân bằng lực tác dụng lên ôtô trong quá trình phanh trong trường hợp tổng quát có thể biểu diễn như sau :

Ff1 + Ff2 + Fg + Fw + Fm + Fms + Fp1 + Fp2 - Fj = 0 (1.9a) hoặc

Fy + Fw + Fm + Fms + Fp - Fj = 0 (1.9b) Trong trường hợp phanh khẩn cấp, để đảm bảo hiệu quả phanh cao, hệ thống phanh phải tạo ra được lực phanh lớn nhất có thể Trong trường hợp đó, các lực cản

tự nhiên (Fy, Fw, Fms) thường rất nhỏ so với lực phanh (Fp) Để thuận tiện khi phân tích các yếu tố ảnh hưởng và các biện pháp nâng cao tính năng phanh, chúng ta xét trường hợp phanh khi ôtô chạy trên đường bằng (Fg =0), không kéo remorque (Fm = 0) Với những giả định nêu trên, phương trình cân bằng lực phanh trong trường hợp phanh khẩn cấp có dạng :

Thay giá trị của Fj.max và Fp.max từ các công thức (1.6b) và (1.8c) vào (1.9c) ta

có :

max

và

j p

g j

(tp) là khoảng thời gian tính từ thời điểm lái xe bắt đầu tác

động vào cơ cấu phanh đến thời điểm điểm lực phanh giảm xuống bằng không trong trường hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm vận tốc của xe giảm xuống bằng không trong trường hợp phanh khẩn cấp Nói cách khác, thời gian phanh là khoảng thời gian diễn ra quá trình phanh

Trong trường hợp tổng quát, có thể xác định thời gian phanh như sau :

1

v g

dv g

Công thức (1.11b) cho thấy, thời gian phanh sẽ dài khi vận tốc bắt đầu phanh lớn, thời gian phanh sẽ ngắn khi hệ số bám lớn Thời gian phanh trong trường hợp ly hợp vẫn đóng (dj > 1) sẽ dài hơn so với trường hợp mở ly hợp khi phanh

ã (t0) - khoảng thời gian tính từ thời điểm lái

xe quyết định phanh đến thời điểm chạm đến cơ cấu điều khiển phanh

Thời gian phản ứng (t0) phụ thuộc vào khả năng và kỹ năng của lái xe và thường nằm trong khoảng 0,4 - 1,0 s [4]

thời điểm cơ cấu điều khiển phanh bắt đầu được tác động đến thời điểm xuất hiện gia tốc phanh t1 phụ thuộc vào kiểu dẫn động phanh và tình trạng kỹ thuật của nó

t1 = 0,2 - 0,4 s - dẫn động phanh thuỷ lực

t1 = 0,6 - 0,8 s - dẫn động phanh khí nén [4]

lực phanh bắt đầu có tác dụng hãm xe đến thời điểm lực phanh đạt đến một trị số xác định Trong nhiều tài liệu giáo khoa, để dễ hiểu, thời điểm cuối của giai đoạn phát triển lực phanh được quy ước là thời điểm lực phanh đạt trị số cực đại

ã (t3) - Trong thời gian phanh chính, lực phanh

p m

p

t

v v

g j

(Sp) là đoạn đường mà xe đi qua trong thời gian phanh

Trong trường hợp phanh khẩn cấp có thể xác định quãng đường phanh như sau :

j p

g dt

dv j

dS dt

dS

g dv

0 min

1

v g dv

v g

ã - là khả năng của hệ thống phanh xét về phương diện giảm tốc độ của ôtô khi người lái tác động lên cơ cấu điều khiển phanh trong trường hợp phanh khẩn cấp

Hiệu quả phanh được đánh giá thông qua một trong các chỉ tiêu dưới đây:

- Gia tốc phanh (jp)

- Thời gian phanh (tp)

- Quãng đường phanh (sp)

- Hành lang phanh (Bp)

1.5 các biện pháp nâng cao tính năng phanh

Như chúng ta đã biết, nhờ có hệ thống phanh mà có thể nâng cao vận tốc trung bình của ôtô và độ an toàn khi giao thông Xu hướng chung là vận tốc của ôtô

ngày càng được nâng cao, bởi vậy việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao tính năng phanh luôn là một vấn đề được các nhà nghiên cứu,thiết kế, chế tạo ôtô quan tâm

Để nâng cao tính năng phanh, có thể áp dụng các biện pháp sau đây:

- Bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe để tận dụng trọng lượng bám của

Nếu xe chạy trên đường bằng thì G = Gj và Fp.max = j G Trong trường hợp ôtô chỉ bố trí cơ cấu phanh ở các bánh phía sau ta có:

F j 2 j2 (1.14a) Trường hợp cơ cấu phanh được bố trí ở tất cả các bánh xe ta có:

(1.14b)

Từ hai công thức (1.14a) và (1.14b) ta thấy rằng: Lực phanh ở trường hợp cơ

cấu phanh được bố trí ở tất cả các bánh xe lớn hơn trường hợp cơ cấu phanh chỉ bố trí ở các bánh xe sau

ã

Như vậy; với việc bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe sẽ tăng lực phanh cực đại ( Fp.max ) do tận dụng được trọng lượng bám (Gj)

Nhưng biện pháp này không chống được hiện tượng trượt lết khi phanh

L

h F b G

Z1p . + j. g

= (1.16a)

L

h F a G

Z2p . - j. g

= (1.16b) Trong đó: a,b,hg - Tọa độ trọng tâm cua xe; L- Chiều dài cơ sở của xe

Ta có:

L

h F b G Z

=

=j j (1.17a)

) (

. 2

max 2

L

h F a G Z

F p =j =j +j (1.17c)

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 lại thay đổi trong quá trình phanh do có lực quán tính (Fj) tác dụng

Trong trường hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe trước và lực phanh ở các bánh xe sau sẽ là:

2

1 2

1 2

1

.

Z

Z Z

Z F

g j

g j p

p

h F a G

h F b G F

F

.

2

g

g p

p

h a

h b F

F

.

2

-

Là moment cần được tạo ra để có được hiệu quả phanh cao nhất

1 1

1 b. p

M = (1.18a)

2 2

2 b . p

M = (1.18b) Trong đó: rb1, rb2 - Bán kính của bánh xe trước và sau

Thay các giá trị của Fp1max và Fp2max từ biểu thức (1.17a) và (1.17b) vào biểu thức (1.18a) và (1.18b) ta có:

) (

1 1

L

r G F

r

M = =j +j (1.18c)

) (

2 2

L

r G F

Mp1 = k1 p1 (1.18e)

Mp2 = k2 p2 (1.18f) Trong đó:

j

p1, p2 - áp suất trong 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:

1 2

2 1 1

2

.

p

p

M k

M k p

Trên (h.1-10) trình bày đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh loại piston bậc

Trước hết chúng ta xét trường hợp khi xe đầy tải

Giai đoạn đầu áp suất p1 và p2 bằng nhau, đường đặc tính đi theo đường thẳng

OA nghiêng với trục hoành một góc 450, lúc đó bộ điều hòa lực phanh chưa làm việc Khi áp suất trong xi lanh chính đạt giá trị pdch ( áp suất điều chỉnh ) thì lúc đó

bộ điều hòa lực phanh bắt đầu làm việc Từ thời điểm đó áp suất p2 nhỏ hơn áp suất

p1 và đường đặc tính điều chỉnh đi theo đường thẳng AB gần sát với đường cong lý tưởng

Nếu xét ở trạng thái xe không tải thì ở giai đoạn đầu đường đặc tính đi theo

đường thẳng OC nghĩa là lúc đó bộ điều hòa lực phanh chưa làm việc Áp suất p’

d.ch

ứng với điểm C là áp suất ở dẫn động phanh trước ở thời điểm mà bộ điều hòa bắt

đầu làm việc Tiếp đó đường đặc tính đi theo đường thẳng CD Đường CD là đường

đặc tính của bộ điều hòa lực phanh khi xe không tải

Từ đồ thị (h.1-10) thấy rằng áp suất trong dẫn động phanh sau p2 khi đã có bộ

điều hòa lực phanh sẽ diễn biến theo đường gấp khúc OAB Đường gấp kghúc này nằm dưới đường cong lý tưởng 1 nghĩa là áp suất p2 có giá trị gần với áp suất lý tưởng nhưng luôn nhỏ hơn áp suất lý tưởng yêu cầu, cho nên không xảy ra hiện tượng bó cứng bánh xe sau khi phanh

Như vậy ứng với mỗi tải trọng khác nhau ta có đường đặc tính lý tưởng khác nhau (các đường cong khác nhau) và đường đặc tính của bộ điều hòa lực phanh ở các tải trọng khác nhau sẽ là một chùm đường nghiêng (h.1-11)

ã

Tóm lại bộ điều hòa lực phanh đảm bảo cho áp suất p2 ở dẫn động phanh sau gần với áp suất lý tưởng yêu cầu và có giá trị nhỏ hơn áp suất lý tưởng để tránh bó cứng bánh xe sau

ã

Trong tính toán động lực học của quá trình phanh ôtô thường sử dụng giá trị

hệ số bám cho trong các bảng Hệ số bám này được xác định bằng thực nghiệm bánh xe đang chuyển động bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là khi bánh xe bị trượt lê 100%

Thực tế ra, hệ số bám của bánh xe ôtô với mặt đường ngoài việc phụ thuộc vào tình trạng đường xá và mặt đường còn phụ thuộc khá nhiều bởi độ trượt của bánh xe tương đối với mặt đường trong quá trình phanh

Độ trượt tương đối được xác định theo biểu thức:

r w

wb- vận tốc góc của bánh xe đang phanh ;

rb- bán kính làm việc của bánh xe

Hệ số bám dọc được hiểu là tỷ số của lực phanh Fp trên tải trọng Gb tác dụng lên bánh xe :

l

Theo đồ thị ta thấy hệ số bám dọc có giá trị cực đại jx.max ở giá trị độ trượt tối

ưu l0 Thực nghiệm chứng tỏ rằng giá trị l0 thường nằm trong giới hạn từ 15 á 25%

Ở giá trị độ trượt tối ưu l0 không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá trị cực đại

mà hệ số bám ngang jy cũng có giá trị khá cao

Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ trượt của bánh xe là l0 thì

sẽ đạt được lực phanh cực đại : Fp.max = jx.max Gb nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất

và đảm bảo tính ổn định tốt khi phanh

để độ trượt nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị l0 thì hệ thống phanh trường được gắn thêm hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (ABS), nhờ vậy

sẽ đảm bảo hiệu quả phanh , tính ổn định, tính dẫn hướng khi phanh nhờ có giá trị

jx.max, jy đạt giá trị cao Theo đồ thị thấy rằng nếu phanh mà các bánh xe bị bó cứng ngay từ đầu thì hiệu quả phanh, tính ổn định phanh, tính dẫn hướng sẽ giảm đột ngột

do jx giảm gần một nửa và jy giảm đi vài lần

Hệ thống phanh ABS dựa vào nguyên lý điều chỉnh sau :

- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe được phanh ;

- Theo giá trị độ trượt cho trước ;

- Theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần của nó

Trong quá trình hãm bánh xe, sự ma sát của bố phanh và trống phanh ( đĩa phanh) sẽ làm chậm dần tốc độ quay của bánh xe, sau đó sự ma sát giữa mặt đường

và lốp xe làm xe dừng lại Khi hãm phanh thật nhanh, nếu các bánh xe bị khóa cứng, lực quán tính của xe đang chuyển động sẽ làm cho các bánh xe bị trượt lê trên mặt

đường

Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì ma sát giữa lốp xe với mặt đường là ma sát động Ngược lại, nếu hệ thống phanh giảm tốc độ của các bánh xe không quá đột ngột thì các bánh xe vẫn tiếp tục quay chậm dần trên mặt đường thì ma sát giữa bánh xe với mặt đường lúc này là ma sát tĩnh Do ma sát tĩnh giữa lốp xe với mặt

đường hãm bánh xe dừng lại nhanh hơn ma sát động giữa bánh xe với mặt đường nên trượt lê sẽ làm giảm chất lượng phanh, làm mất tính dẫn hướng cũng như làm mất tính ổn định khi phanh

Ngoài ra khi các bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống phanh và bố phanh cũng như sự cản lăn hoàn toàn không còn nữa, tất cả năng lượng hầu như biến thành nhiệt ở khu vực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường Sự trượt lê ngoài việc làm giảm hiệu quả phanh còn làm tăng thêm độ mòn lốp , tăng độ trượt dọc và ảnh hưởng xấu tới tính ổn định ngang của xe khi phanh

Để khắc phục hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh nhằm làm tăng hiệu quả

và tính ổn định của quá trình phanh, trên ôtô hiện đại thường lắp hệ thống chống hãm cứng bánh xe gọi tắt là ABS ( anti-lock brake system)

Hệ thống phanh ABS gồm các phần tử chính sau :

+ Cảm biến tốc độ bánh xe

Được đặt tại các bánh xe, thu nhận và gởi các tín hiệu về tình trạng của các bánh xe đến bộ điều khiển trung tâm Ngoài ra còn có một số thiết bị cảm biến khác như : cảm biến gia tốc,cảm biến trọng lực, …

Tiếp nhận, xử lý các thông tin từ các thiết bị cảm biến và ra lệnh tăng hoặc giảm áp lực phanh ( Bộ điều khiển này ngày nay là điện tử )

Thực hiện các lệnh do bộ điều khiển trung tâm gởi đến ( bộ thực hiện thường

là loại thủy lực, loại khí hoặc loại hỗn hợp thủy khí)

Hệ thống phanh ABS thường điều chỉnh áp suất trong dẫn động phanh theo gia tốc chậm dần của các bánh xe và các bánh xe có bố trí các cảm biến tốc độ Chúng ta xét sự làm việc của hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

bằng nguyên lý điều chỉnh theo gia tốc chậm dần

p p

Khi bàn đạp phanh được tác động thì áp suất trong dẫn động phanh tăng lên Tức là moment phanh tăng lên làm tăng giá trị gia tốc chậm dần của bánh xe và làm tăng độ trượt của nó Sau khi vượt qua điểm cực đại trên đường cong jx = f(l) thì gia tốc chậm dần của bánh xe bắt đầu tăng đột ngột Điều này báo hiệu bánh xe có thể

bị hãm cứng Giai đoạn này ứng với các đường cong 0-1 trên (h.1-14) Giai đoạn này gọi là pha I (pha bắt đầu phanh hay pha tăng áp suất trong dẫn động phanh)

Bộ điều khiển trung tâm của hệ thống chống hãm cứng lúc này ghi lại gia tốc tại điểm 1 đạt giá trị tới hạn ( đoạn C1 trên hình 1-14c) và ra lệnh cho bộ điều khiển thuỷ lực phải giảm áp suất trong dẫn động phanh Sự giảm áp suất này được bắt đầu với độ chậm trễ nhất định do đặc tính của bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh Quá trình này diễn ra từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi là pha II ( pha giảm sự phanh hay pha giảm áp suất trong dẫn động phanh) Gia tốc của bánh xe lúc này giảm dần

và tại điểm 2 gia tốc tiến gần tới giá trị 0 Giá trị gia tốc lúc này tương ứng với đoạn C2 trên hình 1-14c Sau khi ghi lại giá trị này bộ điều khiển trung tâm ra lệnh cho bộ

điều khiển thủy lực ổn định áp suất trong dẫn động phanh Lúc này bánh xe sẽ tăng tốc trong chuyển động tương đối và vận tốc của bánh xe tiến gần tới vận tốc của ôtô, nghĩa là độ trượt sẽ giảm và hệ số bám dọc tăng lên ( đoạn 2-3 ) Giai đoạn này được gọi là pha III ( pha giữ áp suất ổn định)

Như vậy sau điểm 3 lại bắt đầu pha I của chu kỳ làm việc mới của hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh

điều khiển moment phanh thay đổi theo chu kỳ khép kín 1-2-3-1 khi đó bánh xe làm việc ở hệ số bám dọc jx.max và hệ số bám ngang jy cũng có giá trị khá cao Trong trường hợp bánh xe bị hãm cứng thì các thông số diễn biến theo đường nét đứt (h.1-14a)

Trên trình bày đồ thị thay đổi vận tốc góc của bánh xe, tốc độ ôtô

và độ trượt bánh xe theo thời gian khi phanh có bộ chống hám cứng bánh xe

Từ đồ thị (h.1-15) ta thấy rằng trong quá trình phanh có hệ thống chống hãm cứng bánh xe, vận tốc góc wb của bánh xe thay đổi theo chu kỳ

Một số hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh áp suất trong dẫn động phanh thay đổi, có lúc tăng lúc giảm và đồ thị thay đổi áp suất theo thời gian có dạng hình răng cưa Hệ thống như vậy được gọi là hai pha, nó khác với sự làm việc của hệ thống được xét ở trên

w b l

ã

Hệ thống phanh ABS được lắp trên xe với mục đích nhằm chống hãm cứng bánh xe trong quá trình phanh, mặt khác còn luôn tạo việc duy trì độ trượt của các bánh xe nằm trong giới han tối ưu để tận dụng được khả năng bám cao nhất

các bộ phận cơ bản của hệ thống phanh ôtô

2.1 chức năng, yêu cầu và phân loại

trên ôtô có chức năng như sau :

ã Giảm vận tốc của ôtô đến một trị số xác định hoặc đến khi ôtô dừng hẳn

ã Duy trì vận tốc của ôtô ở một trị số xác định trong trường hợp xe chuyển

Hệ thống phanh ôtô phải đáp ứng được những yêu cầu cơ bản sau đây :

ã Đảm bảo hiệu quả phanh và tính ổn định khi phanh cao

ã Lực đạp phanh cần thiết không quá lớn

ã Làm việc tin cậy, dễ dàng trong việc điều chỉnh, bảo dưỡng, sửa chữa, v.v Các bộ phận cơ bản của hệ thống phanh ôtô bao gồm :

Ngoài ra, hệ thống

phanh của xe kéo remorque còn có các bộ phận phụ trợ khác đảm bảo việc thực hiện chức năng phanh đối với remorque trong các điều kiện vận hành khác nhau

Bộ phận cung cấp năng lượng phanh

Bộ phận phụ trợ trên remorque

Vị trí lắp đặt cơ cấu phanh ã Phanh bánh xe

ã Phanh trục truyền động

Dẫn động phanh

ã Phanh cơ khí

ã Phanh dầu

ã Phanh hơi Năng lượng sử dụng

khi phanh

ã Hệ thống phanh không trợ lực

ã Hệ thống phanh trợ lực

ã Hệ thống phanh quán tính

thống phanh có chức năng chính là không cho xe dịch chuyển khi đang đứng tại chỗ Ngoài ra, hệ thống phanh phụ còn được xem như hệ thống phanh sự cố, tức là

sẽ được dùng khi hệ thống phanh chính bị sự cố trong quá trình phanh Hệ thống phanh phụ thường là loại cơ khí

HIK

3) Hệ thống phanh hãm - hệ thống phanh có chức năng duy trì hoặc giảm tốc độ xe mà không cần dừng xe lại Hệ thống phanh này có tác dụng tăng tính an toàn giao thông, đặc biệt khi xe chạy trên đoạn đường dốc dài Việc sử dụng hệ thống hãm để duy trì vận tốc xe trong thời gian dài thay cho hệ thống phanh chính

sẽ tránh cho cơ cấu phanh chính không bị quá nóng và sẵn sàng cho việc phanh khẩn cấp khi cần thiết Hệ thống phanh hãm thường được trang bị cơ cấu phanh điện hoặc thuỷ lực

4) Hệ thống phanh tự động - hệ thống phanh được trang bị cho xe kéo remorque có chức năng tự động phanh remorque khi nó tách ra khỏi xe kéo vì một nguyên 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, 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 trí nào đó trên đường trục truyền 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 nguồn từ người lái khi đạp phanh

9) Hệ thống phanh trợ lực - hệ thống phanh được trang bị hệ thống khuyếch

đại lực đạp phanh của người lái để thực hiện việc phanh Hệ thống phanh trợ lực thường được trang bị cho các loại xe cơ giới trọng tải lớn để giảm sức lao động của người lái đồng thời tăng tính an toàn giao thông

2 3

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 cứng bánh xe - hệ thống phanh được trang

bị hệ thống tự động điều chỉnh áp lực phanh tại các bánh xe để ngăn ngừa hiện tượng hãm cứng bánh xe khi lực phanh lớn hơn lực bám

2.2 CƠ CấU PHANH

Cơ cấu phanh là bộ phận trực tiếp làm giảm tốc độ của xe

Quá trình phanh được thực hiện nhờ cơ cấu ma sát giữa phần quay và phần cố

định Phần quay có thể ở dạng trống hoặc dạng đĩa phần cố định được liên kết cứng với dầm cầu ( hệ thống treo phụ thuộc ) đôi khi phần cố định đặt ở vỏ của xe

Cơ cấu phanh đặt trong lòng bánh xe có ưu điểm là phanh trực tiếp bánh xe , không ảnh hưởng đến khoảng sáng gầm xe , dễ dàng bảo dưỡng điều chỉnh, phù hợp với các dạng cầu chủ động và bị động

Cơ cấu phanh đặt cạnh cầu xe (truyền lực chính ) chỉ phù hợp với cầu chủ

động , ưu điểm chủ yếu của nó là giảm bớt một phần tải trọng đặt trên các đòn khớp của hệ treo

2.2.1 Cơ cấu phanh tang trống

Tang trống quay, bên trong tang trống là guốc phanh, lò xo hồi vị và xylanh công tác guốc phanh làm bằng kim loại, trên bề mặt được tán hoặc dán với bố phanh, guốc phanh quay xung quanh chốt quay

Lúc không phanh lò xo hồi vị kéo guốc phanh vào trong tạo ra một khe hở cần thiết giữa bố phanh và trống phanh, tang trống quay cùng với bánh xe, moay ơ, khi phanh dưới tác dụng của áp lực dầu trong xylanh công tác sẽ đẩy guốc phanh ép sát

bố phanh vào tang trống tạo lên lực ma sát giữa chúng, do đó mà làm giảm dần tốc

độ quay của bánh xe và tang trống

Cơ cấu phanh có các dạng như trong ( ) Cơ cấu phanh tang trống thường gặp ở cầu sau, còn ở cầu trước thường ít gặp

trình bày loại guốc phanh được dùng trong truyền động phanh bằng thủy lực

Cơ cấu phanh loại này gồm có đĩa chứa đựng các cụm chi tiết của cơ cấu phanh được gắn lên mặt bích của dầm cầu Các guốc phanh được đặt trên các chốt lệch tâm Dưới tác dụng của lò xo, các bố phanh được lắp bằng các đinh tán vào guốc phanh và chúng được ép chặt vào các cam lệch tâm và ép các chốt tựa làm các piston ở trong xylanh con sát lại gần nhau để các piston luôn luôn áp sát vào các guốc phanh, tấm kẹp là để giữ cho các guốc phanh luôn luôn có một hướng

Trong quá trình sử dụng, các bố phanh sẽ hao mòn, do đó khe hở giữa bố phanh và trống phanh sẽ tăng lên Muốn giữ cho khe hở trở lại bình thường phải điều chỉnh khe hở ở phía trên bố phanh bằng cách xoay cam lệch tâm và ở phía dưới bằng cách xoay chốt lệch tâm

Khi người điều khiển tác dụng vào bàn đạp phanh, chất lỏng từ xylanh chính với áp suất cao truyền đến xylanh con tạo nên lực ép trên các piston của xylanh con

và đẩy guốc phanh ép sát vào trống phanh, do đó quá trình phanh được tiến hành Khi người điều khiển nhả bàn đạp phanh, lò xo sẽ kéo các guốc phanh trở lại

vị trí ban đầu, giữa bố phanh và trống phanh có khe hở và quá trình phanh kết thúc Trường hợp cơ cấu phanh với xylanh con có đường kính của các piston bên trong nó khác nhau, lực tác dụng lên hai guốc phanh trong trường hợp này sẽ khác nhau, trên ( với chiều quay của trống phanh ngược chiều kim đồng hồ thì bố bên trái làm việc thuận lợi hơn vì có hiện tượng tự siết, vì thế bố bên trái cần ít lực

ép hơn nghĩa là đường kính piston ở bố bên trái làm nhỏ hơn bố bên phải

Ưu điểm của cơ cấu phanh này là đảm bảo các bố phanh mòn đều

Nhược điểm là có một bố phanh làm việc không thuận lợi, do đó hiệu suất phanh chưa cao Cơ cấu phanh loại này làm việc tốt khi trống phanh quay theo chiều

ở trên hình vẽ (chiều tiến của ôtô), khi quay ngược lại (ôtô lùi)

trình bày cơ cấu phanh với hai xylanh con hoạt động riêng rẽ

Mỗi guốc phanh quay quanh chốt lệch tâm, bố trí đối xứng với đường trục của cơ cấu phanh

Nhờ bố trí xylanh con và chốt lệch tâm đối xứng như vậy cho nên hiệu quả phanh của hai bố phanh sẽ bằng nhau khi trống phanh quay bất kỳ chiều nào Khi trống phanh quay theo chiều tiến của ôtô thì hiệu quả phanh tốt, nhưng khi ôtô chạy lùi thì hiệu quả phanh thấp hơn khoảng hai lần Nhược điểm này không quan trọng lắm đối với ôtô có trọng lượng nhỏ như ôtô du lịch và các ôtô tải nhẹ, hơn nữa khi

ôtô chạy lùi tốc độ cũng thấp cho nên yêu 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 loại này so với cơ cấu phanh loại một xylanh có hai piston bằng nhau thì đoạn đường khi phanh ngắt sẽ giảm đi 22 á 35% ( tùy theo tốc độ lúc bắt đầu phanh) và lực tác dụng lên bàn đạp cũng giảm đi nhiều Hiệu quả phanh của ôtô khi tiến và lùi của hai guốc phanh đều bằng nhau

H2-5.c

Loại cơ cấu này dùng lực ma sát giữa bố phanh trước và trống phanh để cường hóa hiệu quả phanh cho bố phanh sau vì guốc phanh trước được nối với guốc phanh sau nhờ thanh trung gian (trong trường hợp trống phanh quay ngược chiều kim đồng hồ) Khi trống phanh quay theo một chiều nào đó, guốc phanh luôn luôn tựa vào chốt lệch tâm

Theo chiều quay của trống phanh ngược với chiều kim đồng hồ thì hiệu quả phanh của guốc bên trái (guốc phanh được cường hóa và tì sát vào điểm tựa cứng) sẽ lớn hơn guốc bên phải nhiều Đặc điểm của cơ cấu phanh này là hiệu quả phanh khi

ôtô tiến và lùi đều như nhau

H.2-5d

Cơ cấu phanh này gần giống như cơ cấu phanh thủy lực gồm có đĩa chứa đựng các cụm chi tiết của cơ cấu phanh, được gắn lên mặt bích của dầm cầu Các guốc phanh được đặt trên các chốt lệch tâm Dưới tác dụng của lò xo, các bố phanh được

ép chặt vào các cam lệch tâm và ép các đầu tựa có con lăn ở guốc phanh vào cam xoay

Khi người điều khiển tác dụng vào bàn đạp phanh khí nén đã được chứa trong bình chứa khí nén qua tổng van khí nén với áp suất cao theo các đường ống dẫn khí nén đến tác động lên màng cao su của bầu phanh tác động cho cam xoay đẩy hai bố phanh trên hai guốc phanh ép sát vào trống phanh như vậy quá trình phanh được tiến hành

Khi người điều khiển nhả bàn đạp phanh, khí nén ở bầu phanh và trên các

đường ống dẫn sẽ xả nhanh ra ngoài không khí bằng các ngõ xả của các van, lúc này

lò xo sẽ kéo các guốc phanh trở lại vị trí ban đầu, giữa bố phanh và trống phanh có khe hở và quá trình phanh kết thúc

Tang trống là một chi tiết quay chịu lực ép của các guốc phanh từ trong ra, bởi vậy tang trống phải có độ bền cao, ít biến dạng, cân bằng tốt, dễ truyền nhiệt

Bề mặt làm việc của tang trống là mặt phía trong, có độ bóng cao, bề mặt lắp ghép với moay ơ có độ chính xác cao để định vị và đồng tâm Vật liệu chế tạo tang trống thường bằng gang, hay hợp kim nhôm để tăng khả năng dẫn nhiệt và đảm bảo

về hệ số ma sát với bố phanh

Guốc phanh bao gồm xương và bố phanh Xương được chế tạo bằng thép lá hàn hoặc nhôm đúc, tiết diện có dạng chữ T Xương và bố phanh liên kết với nhau nhờ đinh tán hoặc keo dán bố phanh được chế tạo bằng vật liệu Amiăng

Chiều dài bố phanh lúc ban đầu từ 5 đến 8 mm Với loại liên kết bằng đinh tán khi bố phanh bị mòn đến mặt đinh tán phải thay Còn các bố phanh dán cho phép sử dụng 0,5 mm mới bỏ Việc sử dụng keo dán cho phép tận dụng tối đa vật liệu ma sát Bố phanh được chế tạo từ atbét hoặc atbét đồng, có hệ số ma sát ổn định, từ 0,25

đến 0,3

Đinh tán thường bằng hợp kim nhôm hoặc đồng

Cụm bố phanh và tang trống được gia công chính xác để đảm bảo diện tích ma sát lớn nhất Khi sửa chữa hoặc thay thế cần mài chà đảm bảo tiếp xúc từ 80% đến 90% diện tích làm việc Bề mặt làm việc phải sạch, tránh bụi và dầu mỡ

Xylanh công tác được bắt chặt trên mâm phanh nhiệm vụ của nó là tiếp nhận

áp suất thủy lực từ xylanh chính để tạo nên lực điều khiển ép sát guốc phanh vào