Thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén cho xe tải

Tài liệu tham khảo Thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén cho xe tải

Mục lục

Lời nói đầu 2

Phần I: Chọn phơng án thiết kế cơ cấu phanh 3

1.Yêu cầu của cơ cấu phanh 3

2.Một số loại cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén 3

3.Chọn kết cấu cơ cấu phanh 5

4.Lựa chọn sơ đồ dẫn động phanh 6

Thông số kỹ thuật ban đầu của xe 8

Phần II: Tính toán thiết kế cơ cấu phanh 9

1 Phân chia môn men phanh lên các cầu 9

2 Tính toán cơ cấu phanh 11

2.1 Tính chọn các thông số cơ bản 11

2.2 Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu phanh 12

2.3 Tính bền các chi tiết của cơ cấu phanh 15

2.3.1 Tính bền guốc phanh 15

2.3.2 Tính bền trống phanh 22

2.3.3 Tính bền chốt phanh 24

2.4 Tính toán thiết kế cam 25

2.5 Kiểm nghiệm yêu cầu của cơ cấu phanh theo các chỉ tiêu 27

2.5.1 áp suất giới hạn trên bề mặt 27

2.5.2 Công trợt ma sát riêng 28

2.5.3 Kiểm tra nhiệt độ tang trống 28

3 Trình tự tháo lắp và điều chỉnh cơ cấu phanh 29

Lời nói đầu

Trong học kỳ này em đợc bộ môn giao đồ án môn học với đề tài “Thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén cho xe tải” Em đã nghiên cứu yêu cầu đề tài cùng với sự giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn và đa ra phơng án thiết kế cùng với các bớc tính toán các thông số cho cơ cấu Đồ án gồm các nội dung sau:

Phần I: Chọn phơng án thiết kế cơ cấu phanh Trong phần này trình bày một cách sơ lợc về hệ thống phanh trên ô tô, các kết cấu của cơ cấu phanh khí nén Sau khi có những phân tích đa ra đợc kết cấu cụ thể sẽ tính toán, lựa chọn sơ đồ dẫn động phanh.

Phần II: Tính toán thiết kế cơ cấu phanh Phần này gồm các công việc sau:

1 Phân chia mô men phanh lên các cầu Nhằm mục đích tính đợc mô men phanh yêu cầu cho từng cầu xe Em đã lựa chọn cách tính thoả mãn tiêu chuẩn ECE đối với chế độ tải trọng lớn nhất Đây là bộ tiêu chuẩn tiên tiến về yêu cầu của hệ thống phanh ô tô khi tiến hành thiết kế.

2 Tính toán cơ cấu phanh Chọn các thông số cơ bản dựa theo tham khảo và một số chỉ tiêu của cơ cấu sau đó kiểm nghiệm lại xem có thoả mãn yêu cầu Trong phần tính lực tác dụng lên cơ cấu em dùng cách tính của ECE mà không dùng cách tính truyền thống là dùng hoạ đồ lực Cách tính này đơn giản hơn, không mất nhiều công sức nhng vẫn đảm bảo đợc độ tin cậy.

3 Hớng dẫn tháo lắp và điều chỉnh cơ cấu phanh.

Do những hạn chế về kiến thức và thời gian cho nên không thể không có những thiếu sót, rất mong nhận đợc những góp ý của các thầy Chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Nguyễn Khắc Trai đã hớng dẫn em hoàn thành đồ án.

Hà Nội, Ngày 24 tháng 11 năm 2007 Sinh viên thực hiện

Lê Minh Khôi

Phần I: Chọn phơng án thiết kế cơ cấu phanh

Hệ thống phanh có nhiệm vụ giảm tốc độ, dừng hẳn ô tô hoặc giữ cho xe đứng yên trên dốc Hệ thống phanh gồm hai thành phần chính: dẫn động phanh và cơ cấu phanh Dẫn động phanh có tác dụng truyền lực (từ ngời điều khiển) hoặc sinh lực và điều khiển dòng truyền lực đến cơ cấu phanh theo yêu cầu ngời điều khiển Cơ cấu phanh có vai trò tiếp nhận lực điều khiển này để thực hiện quá trình phanh bằng cách sinh ra lực cản lại chuyển động của ô tô hoặc giữ cho ô tô đứng yên.

1.Yêu cầu của cơ cấu phanh

Cơ cấu phanh rất đa dạng, cơ cấu phanh có nhiệm vụ sinh ra lực cản nhằm cản lại chuyển động của bánh xe Tuỳ thuộc vào hệ dẫn động phanh mà mỗi kiểu cơ cấu phanh có kết cấu khác nhau Trong khuôn khổ đề tài là thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén, ta chỉ đề cập đến cơ cấu phanh của hệ thống phanh này Yêu cầu của cơ cấu phanh khí nén:

 Mô men phanh sinh ra tại cơ cấu phanh đủ lớn, ổn định trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau: phanh gấp, phanh liên lục trong thời gian dài, trên nhiều địa hình khác nhau.

 Thoát nhiệt tốt, nhiệt sinh ra trong quá trình phanh không làm ảnh h-ởng đến chi tiết hay các cụm chi tiết lân cận.

 Không xảy ra hiện tợng tự xiết.

 Kết hợp với hệ thống phanh đảm nhận tốt các chức năng khác: phanh dừng, phanh khẩn cấp.

 Độ tin cậy cao, dễ dàng bảo dỡng sửa chữa, giá thành thấp.

2.Một số loại cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén

Các cơ cấu phanh loại này đều là dạng tang trống, dùng bầu phanh biến áp lực khí nén thành lực đẩy các hệ đòn để tạo lực ép lên má phanh (là tấm ma sát đợc tán lên guốc phanh), ép má phanh vào trống phanh để sinh ra lực phanh chính là lực ma sát cản lại chuyển động của trống phanh Trống phanh đợc bắt chặt với bánh xe do đó cản lại chuyển động quay của bánh xe làm xe giảm tốc độ hoặc dừng hẳn Sự khác nhau của các cơ cấu phanh loại này là ph-ơng thức tác dụng lực đẩy lên guốc phanh.

a Dùng cam ép:

Lực sinh ra từ bầu phanh qua tay đòn làm quay cam ép, đẩy guốc phanh ép má phanh vào trống phanh.

Cơ cấu này đơn giản, đợc dùng phổ biến trên xe tải, xe buýt cỡ vừa và lớn, bán moóc và rơmoóc Có hai loại cam thờng dùng:

 Cam biên dạng Acsimet: Hình 1.1

Hình 1.1: Cơ cấu phanh có cam biên dạng Acsimet

1 - Guốc phanh; 2 - Lò xo phanh; 3 - Bầu phanh; 4 - Giá đỡ bầu phanh;5 - Đòn trục cam; 6 - Cam ép biên dạng Acsimet; 7 - Lò xo lá; 8 - Má phanh;

9 - Trống phanh; 10 - Chốt guốc phanh.

Cam Xicloit

 Cam biên dạng Cicloit: Hình 1.2

Hình 1.2: Cơ cấu phanh có cam biên dạng Cicloit b Cơ cấu ren đai ốc: Hình 1.3

Cơ cấu biến chuyển động quay của đai ốc thành chuyển động tịnh tiến của các gối, đẩy guốc phanh chuyển động ép má phanh vào trống phanh Kết cấu này không phổ biến, xuất hiện trên một số xe chuyên dùng.

Hình 1.3: Cơ cấu phanh dùng cơ cấu ren đai ốc

3.Chọn kết cấu cơ cấu phanh

Cơ cấu phanh lựa chọn thiết kế có kết cấu nh hình 1.4.

Với yêu cầu của đề tài là cơ cấu phanh cho xe tải có khối lợng toàn bộ 15 100 kg, hệ dẫn động 4x2, ta chọn cơ cấu phanh tang trống dùng cam ép có biên dạng Acsimet vì nó thoả mãn đợc những yêu cầu sau:

 Cơ cấu phanh đối xứng trục nên mô men phanh sinh ra ổn định cả khi chuyển động tiến và lùi đảm bảo đợc an toàn vì xe có tải tọng lớn.

 Cơ cấu phanh này phù hợp với dẫn động phanh bằng khí nén  Kết cấu khá phổ biến, dễ dàng trong việc bảo dỡng, sửa chữa.

Cơ cấu phanh

Hình 1.4: Kết cấu cơ cấu phanh lựa chọn thiết kế

4.Lựa chọn sơ đồ dẫn động phanh

Lựa chọn sơ đồ dẫn động phanh hai dòng, một cho cầu trớc và một cho cầu sau Phơng án dẫn động này đảm bảo đợc sự an toàn cho xe

Sơ đồ có nguyên lý hoạt động nh sau: (Hình 1.5)

Máy nén khí nén khí qua bầu lọc ẩm 9 đến bình chứa khí đồng thời đến cụm van chia bốn ngả 17, tại đây khí đợc cấp đến 3 bình chứa còn lại từ 2 bình chứa khí đợc cấp thành 2 dòng riêng biệt đến van phân phối hai dòng 1 Khi ngời lái thực hiện quá trình phanh, tác động lên van phân phối 1 mở cho 2 dòng khí đến van xả nhanh 3 và 14 cấp khí tới cơ cấu phanh của cầu sau và cầu trớc thực hiện quá trình phanh Ngoài ra cầu sau dùng bầu phanh tích năng để đảm nhận chức năng phanh dừng, có đờng cấp khí đến van phanh

Hình 1.5: Sơ đồ dẫn động phanh

1.Van phân phối 2 dòng6.Bầu phanh bánh xe12.Đồng hồ áp suất2.Van phanh tay7.Bầu phanh tích năng14.Van xả nhanh3.Van tự động (R12)8.Van phanh bằng động cơ17.Van chia 4 ngả4.Van đổi chiều va xả nhanh9.Bộ lọc ẩm24.Bình chứa khí nén5.Van điện tử 3 ngả11.Van an toàn bình chứa

Thông số kỹ thuật ban đầu của xe

Khối lợng đầy tải: m = 15 100 kg

Chiều cao trọng tâm khi đầy tải: hg = 1,15 m

Công suất động cơ lớn nhất: Ne = 215 kW tại ne = 2 700 vòng/phút Mô men động cơ lớn nhất: Me = 620 Nm tại ne = 1 600 vòng/phút Hộp số có tỷ số truyền tại các tay số:

Phần II: Tính toán thiết kế cơ cấu phanh1 Phân chia môn men phanh lên các cầu:

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén không dùng bộ điều hoà lực phanh do đó ta thực hiện việc phân chia mô men phanh trong trờng hợp không có bộ điều hoà lực phanh:

Các đờng 1, 2 phải thoả mãn tiêu chuẩn ECE, với i = 0,408 ta có đồ thị thoả mãn yêu cầu của tiêu chuẩn: Hình 2.1

 Trong khoảng 0,15    0,30 thoả mãn 1 > 2 và hai đờng cong này nằm giữa hai đờng thẳng  =   0,08

 Trong khoảng  ≥ 0,3 thì  ≥ 0,3 + 0,74( - 0,38) hay thoả mãn điều kiện 1, 2 <  = ( - 0,0188)/74.

Hình 2.1: Các đờng 1, 2 thoả mãn tiêu chuẩn ECE Thay vào các công thức trên có lực phanh tại các cầu:

RBX = 0,495 m, thay vào có mômen phanh yêu cầu tại cơ cấu phanh của cầu trớc và cầu sau là:

M1 = 15 477 Nm; M2 = 10 648 Nm.

Theo tiêu chuẩn ECE, với mọi giá trị tải trọng thì các đờng hiệu quả phanh tơng ứng 1, 2 đều phải thoả mãn nằm trong vùng cho phép của tiều chuẩn Tuy nhiên trong khuôn khổ của đề tài là thiết kế cơ cấu phanh nên ta chỉ tính với giá trị tải trọng lớn nhất để lấy đợc các giá trị mômen phanh yêu cầu cho

Góc ôm tấm ma sát lấy theo xe tham khảo: 0 = 120o.

Bề rộng của má phanh của cơ cấu phanh trên từng cầu ta tính sơ bộ dựa vào khối lợng phân bố trên cầu đó thông qua thời hạn làm việc của má phanh,

 m: Khối lợng của xe trên một cầu

 F: Tổng diện tích các má phanh của các cơ cấu phanh trên

Do khi phanh xuất hiện gia tốc phanh j khiến khối lợng đợc phân bố lại trên các cầu theo hớng tăng khối lợng lên cầu trớc và giảm ở cầu sau Do đó ta chọn b1 có giá trị lớn còn b2 chọn giá trị nhỏ Ta chọn b1 = 140 mm, b2 = 120 mm.

Ta tính đợc diện tích cơ cấu phanh cầu trớc và cầu sau: F1 = 58 643 mm2, F2 = 50 265 mm2

2.2 Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu phanh

Ta coi lực tác dụng từ trống phanh lên má phanh là một lực tập trung đặt tại vị trí chính giữa má phanh, lực này gồm hai thành phần:

 Lực pháp tuyến (hớng vào tâm) FN

 Lực tiếp tuyến có độ lớn FN (với  là hệ số ma sát giữa trống phanh và má phanh), lực này có chiều cùng với chiều quay của trống phanh.

Tại vị trí chốt phanh ta phân tích lực đặt lên guốc phanh thành 2 thành phần vuông góc nhau là: FZ và FX nh hình vẽ

Lực tác dụng của cam FP Hình 2.2

Hình 2.2: Lực tác dụng lên cơ cấu phanh

a) Xét trờng hợp trống phanh quay cùng chiều tác dụng với lực tác dụng của cam (Hình a):

Hình 2.3: Lực tác dụng lên guốc phanh của cơ cấu phanh khí nén Mômen phanh sinh ra sẽ là:

ở đây ht tăng lên, nhng Fpt giảm còn ở guốc phanh sau hs giảm và Fps

tăng, bởi vậy kết cấu cho thấy sự sai khác mômen phanh của cơ cấu phanh dẫn động thuỷ lực và dẫn động khí nén trong tính toán là không đáng

 Đối với cơ cấu phanh ở cầu trớc:

Mô men phanh yêu cầu Mccp = M1 = 15 477 Nm

Và với cơ cấu phanh đã chọn ta có các thông số kết cấu:

 Đối với cơ cấu phanh cầu sau ta tính tơng tự:

Mô men phanh yêu cầu: Mccp = M2 = 10 648 Nm

Dựa vào các lực tác dụng lên cơ cấu phanh ở cầu trớc mà ta kiểm tra độ bền các chi tiết của cơ cấu phanh cầu trớc.

2.3 Tính bền các chi tiết của cơ cấu phanh

 T¹i mÆt c¾t 0-0:  = 75o, 1 = 0o, FN1 = 0, thay vµo ta cã:

a.2 Xét phần dới của guốc phanh (từ mặt cắt 3-3 đến 5-5):

Ta vẽ đợc biểu đồ nội lực của guốc phanh:

Dựa vào biểu đồ nội lực, ta xác định đợc vị trí nguy hiểm là mặt cắt 3-3, ta cần phải kiểm tra tại vị trí này.

b Các thông số hình học của mặt cắt guốc phanh:

Tiết diện guốc hình chữ .

 YC1: Kích thớc của trọng tâm phần trên đến đờng trung hoà  R’1: Bán kính trọng tâm của phần diện tích trên tính đến tâm tang

trống, R’1 = 186 mm.

 R’2: Bán kính trọng tâm của phần diện tích dới tính đến tâm tang trống, R’2 = 157 mm.

 RG: Kích thớc từ tâm bánh xe đến trọng tâm của guốc phanh Theo kết cấu tiết diện guốc phanh có:

c Kiểm nghiệm ứng suất cho phép đối với guốc phanh:

Với tiết diện guốc phanh hình chữ , vị trí các điểm cần phải kiểm bên là 1, 2, 3 trên hình 2.5.

Từ biểu đồ nội lực ta có ở phần trên, ta thấy mặt cắt nguy hiểm là mặt cắt 3-3 cần phải kiểm nghiệm có:

 Ri: Khoảng cách từ tâm đến điểm đang xét.

 Sx: Mômen tĩnh phần bị cắt đối với trục trung tâm

- TÝnh øng suÊt híng t©m vµ øng suÊt híng kÝnh - KiÓm tra bÒn

a TÝnh ¸p suÊt q t¸c dông lªn trèng phanh

¸p suÊt trong trèng phanh tÝnh theo c«ng thøc kinh nghiÖm sau:

b.TÝnh øng suÊt híng t©m vµ øng suÊt tiÕp tuyÕn

øng suÊt híng t©m tÝnh theo c«ng thøc sau:

Để đảm bảo an toàn ta láy thêm hệ số an toàn n = 1,5:

- Má phanh quay quanh trục lệch tâm.

- Tính toán chính xác độ bền chi tiết này là rất khó Ta có thể tính theo bài toán: Tính toán các mối ghép bằng đinh tán và bu lông Phơng pháp tính trình bày trong mục này chỉ là gần đúng và có tính quy ớc.

a Thân chốt phanh chịu cắt ở hai mặt phẳng

Điều kiện bền của chốt phanh làm việc theo hai mặt, công thức:

l – Chiều dài của tấm truyền sức ép vào thân chốt, l = 50 mm Thay các giá trị vào ta có:

*Kết luận: Chốt phanh thiết kế đủ bền.

2.4 Tính toán thiết kế cam:

a Xác định đờng kính trục cam.

Để xác định đợc đờng kính trục của cam ta cần tính đợc mômen dụng ηT – Hiệu suất truyền động của cam ηT = 0,7

P’, P’’ - Lực đẩy của cam lên guốc trớc và guốc sau Trong phần tính lực tác dụng lên guốc phanh có: P’ = P’’ = FP = 58 268 N

h – khoảng cách giữa hai lực P’và P’’, Chọn theo xe tham khảo: h = 46 mm.

Với vật liệu là thép 45, ứng suất xoắn cho phép: [] = 1220 MPa Vậy: d ≥ 39 mm, theo tham khảo lấy d = 40 mm.

Bán kính tối thiểu của cam ta chọn: min = 22 mm ≥ d/2

Khi má phanh bị mòn đi 2/3 bề dầy, cam vẫn phải thực hiện đợc việc ép má phanh vào trống phanh, coi khe hở giữa má phanh và trống phanh là không đáng kể, qua quan hệ hình học của kết cấu, với mà phanh có chiều dầy 10mm thì cam phải đẩy đi đợc một đoạn là l = 15 mm Bán kính lớn nhất của cam:

2.5 Kiểm nghiệm yêu cầu của cơ cấu phanh theo các chỉ tiêu:

Khi phanh ôtô đang chuyển động với vận tốc V0 cho tới khi dừng hẳn (V = 0) thì toàn bộ động năng của ôtô có thể đợc coi là đã chuyển thành công ma sát L tại các cơ cấu phanh:

 m = 15 100 (kg), là trọng lợng ôtô khi đầy tải.

 V0= 60 (km/h) = 16,7 (m/s), là tốc độ của ôtô khi bắt đầu phanh  F: Tổng diện tích các má phanh ở tất cả các cơ cấu phanh.

* Kết luận: Vậy giá trị công trợt ma sát riêng l nằm trong giới hạn cho phép.

2.5.3 Kiểm tra nhiệt độ tang trống

Trong quá trình phanh động năng của ôtô chuyển thanh nhiệt năng ở trống phanh và một phần thoát ra môi trờng không khí, phơng trình cân bằng

Khi phanh ngặt ở thời gian ngắn, số hạng thứ hai có thể bỏ qua Do đó ta có thể xác định sự tăng nhiệt độ trống phanh nh sau:

* Kết luận: Sự thoát nhiệt của cơ cấu phanh đã thiết kế là tốt.

Nh vậy cơ cấu phanh ta thiết kế thoả mãn các điều kiện về mô men phanh yêu cầu, thoát nhiệt, độ bền, thời hạn làm việc.

3 Trình tự tháo lắp và điều chỉnh cơ cấu phanh3.1 Trình tự tháo lắp

Trình tự tháo cơ cấu phanh:

 Kích nâng bánh xe, tháo bánh xe.

 Tháo bu lông bắt tang trống, tháo tang trống  Dùng kìm tháo lò xo hồi vị má phanh.

 Tháo phanh chặn chốt lệch tâm, tháo chốt lệch tâm  Tháo guốc phanh.

 Rà phanh nhằm mục đích đảm bảo sự diện tích tiếp xúc giữa má phanh với trống phanh đủ lớn.

 Dùng phấn hay mầu bôi lên má phanh, lắp má phanh vào phanh thử nếu thấy diện tích tiếp xúc nhỏ hơn 70% diện tích má phanh cần phải điều chỉnh góc quay chốt lệch tâm kết hợp với điều chỉnh góc quay trục cam Nếu vẫn không đạt đợc thì phải mài bớt má phanh để diện tích tiếp xúc đủ lớn

Điều chỉnh khe hở giữa má phanh và tang trống:  Kích nâng bánh xe.

 Xoay chốt lệch tâm đến khi quay thử bánh xe mà không đợc, nới dần chốt ra đồng thời quay thử bánh xe đến khi thấy bánh xe quay nhẹ nhàng thì dùng căn lá kiểm tra khe hở vào khoảng 0,10,15 mm là đạt Kết hợp với điều chỉnh góc quay của cam ép.

Khi khoảng cách từ đinh tán đến má phanh ít hơn 0,5mm thì cần phải thay má phanh Nếu trống phanh bị cào xớc do đinh tán hay bị méo thì cần tiện láng lại trống phanh cho tròn đều.