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

3.1 Trình tự tháo lắp 29

3.2 Điều chỉnh cơ cấu phanh 30

Kết luận chung 31

Tài liệu tham khảo 32

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 cứuyêu cầu đề tài cùng với sự giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn và đa ra phơng ánthiết kế cùng với các bớc tính toán các thông số cho cơ cấu Đồ án gồm cácnội dung sau:

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

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

1 Phân chia mô men phanh lên các cầu Nhằm mục đích tính đợc mômen phanh yêu cầu cho từng cầu xe Em đã lựa chọn cách tính thoả mãn tiêuchuẩn ECE đối với chế độ tải trọng lớn nhất Đây là bộ tiêu chuẩn tiên tiến vềyêu 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 thamkhảo và một số chỉ tiêu của cơ cấu sau đó kiểm nghiệm lại xem có thoả mãnyêu 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 đơngiản 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 thànhcảm 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 độngphanh và cơ cấu phanh Dẫn động phanh có tác dụng truyền lực (từ ngời điềukhiển) hoặc sinh lực và điều khiển dòng truyền lực đến cơ cấu phanh theo yêucầu ngời điều khiển Cơ cấu phanh có vai trò tiếp nhận lực điều khiển này đểthực hiện quá trình phanh bằng cách sinh ra lực cản lại chuyển động của ô tôhoặc 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 cảnnhằm cản lại chuyển động của bánh xe Tuỳ thuộc vào hệ dẫn động phanh màmỗi 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 phanhcủa 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 ởng đến chi tiết hay các cụm chi tiết lân cận

h- 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 masát đợc tán lên guốc phanh), ép má phanh vào trống phanh để sinh ra lựcphanh 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 xegiảm 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 épmá 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 tiếncủa các gối, đẩy guốc phanh chuyển động ép má phanh vào trống phanh Kếtcấu 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 cóbiên 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 khichuyển 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 chocầu 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 đếncụm van chia bốn ngả 17, tại đây khí đợc cấp đến 3 bình chứa còn lại từ 2bình 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 2dòng khí đến van xả nhanh 3 và 14 cấp khí tới cơ cấu phanh của cầu sau vàcầu trớc thực hiện quá trình phanh Ngoài ra cầu sau dùng bầu phanh tíchnăng để đảm nhận chức năng phanh dừng, có đờng cấp khí đến van phanh

4

5

14 6

Hình 1.5: Sơ đồ dẫn động phanh

1.Van phân phối 2 dòng 6.Bầu phanh bánh xe 12.Đồng hồ áp suất

2.Van phanh tay 7.Bầu phanh tích năng 14.Van xả nhanh

3.Van tự động (R12) 8.Van phanh bằng động cơ 17.Van chia 4 ngả

4.Van đổi chiều va xả nhanh 9.Bộ lọc ẩm 24.Bình chứa khí nén

5.Van điện tử 3 ngả 11.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:

Dựa vào các thông số ban đầunày ta tính toán đợc các thông số kết cấu khác của xe:

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trớc:

m 89 , 2 m

L m

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau:

m 21 , 2 m

L m





PhÇn II: TÝnh to¸n thiÕt kÕ c¬ cÊu phanh

1 Ph©n chia m«n men phanh lªn c¸c cÇu:

Z1   

) jy x ( G

§Æt tû lÖ:

i G

) y 1 ( ) y x 1 ( G

F Z

1

1 1

i )

y x ( G

F Z

2

2 2

 Trong khoảng  ≥ 0,3 thì  ≥ 0,3 + 0,74( - 0,38) hay thoả mãn

2 Tính toán cơ cấu phanh:

2.1 Tính chọn các thông số cơ bản:

Do yêu cầu đảm bảo thoát nhiệt tốt khi phanh, đối với xe tải bán kínhtang trống lấy nhỏ hơn bán kính lắp vành 55 mm  70 mm Xe dùng lốp10.00-20 có đờng kính lắp vành Dv = 508 cm

Ta lấy bán kính tang trống rt = 200 mm = 0,2 m

 = (  0,0188)/74

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,

đợc tính bằng tỉ số:

m / kg 10 5 , 3 5 , 2 p F

m

p    

Trong đó:

 m: Khối lợng của xe trên một cầu

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

180 4

m p

m b

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 đặttại 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 trốngphanh và má phanh), lực này có chiều cùng với chiều quay củatrống phanh.

Tại vị trí chốt phanh ta phân tích lực đặt lên guốc phanh thành 2 thànhphần 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 dụngcủa cam (Hình a):

Viết các phơng trình cân bằng lực và mômen:

FX + FP - FN = 0

Fz - FN = 0

FPh - FN.a + FNrt = 0 Giải ra ta có: FN = p

t

F r a

h



 (1)Mômen phanh sinh ra dới tác dụng của lực tiếp tuyến tác dụng lên tangtrống (ngợc chiều ) và có giá trị bằng:

Mp = FNrt = p

t

F r a

FN = p

t

F r a

Hình 2.3: Lực tác dụng lên guốc phanh của cơ cấu phanh khí nén

Mômen phanh sinh ra sẽ là:

Mccp = ( pt

t

r a

h



 )rt

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

kể

Nếu coi Fpt =Fps =Fp và d1 = d2 = d thì:

t P 2 t 2 2

r a

a h 2 M

P 2 h a r

) r a

.(

M F









 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:

P

Fx Fz

 o

H×nh 2.4: BiÓu diÔn lùc t¸c dông

lªn guèc phanh

FN = 169 030 N

FX = 110 770 N

FZ = 50 710 N

FP = 58 268 N

 §èi víi c¬ cÊu phanh cÇu sau ta tÝnh t¬ng tù:

M« men phanh yªu cÇu: Mccp = M2 = 10 648 Nm

2.3 TÝnh bÒn c¸c chi tiÕt cña c¬ cÊu phanh

F ) 2 / cos(

F

Q1 N1 1   N1 1   

0 sin P ) 2 / cos(

F ) 2 / sin(

F

1

N  N1 1   N1 1   

0 ) sin r a ( P )) sin(

1 ( r F ) sin(

r F

1 ( r F ) sin(

r F

M1  N1 t 1/2   N1 t  1/2   t 

 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):

Phơng trình cân bằng :

0 sin F cos F ) 2 / sin(

F ) 2 / cos(

F

Q2  N2 2   N2 2  X   Z  

0 cos F sin F ) 2 / cos(

F ) 2 / sin(

F

N2  N2 2   N2 2  X   Z  

0 ) b cos r F ) sin r a ( F

)) 2 / sin(

1 ( r F ) 2 / sin(

r F M

t Z t

X

2 t

2 N 2

t 2 N 2

1 ( r F ) 2 / sin(

X

2 t

2 N 2

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 

Hình 2.5: Thông số hình học mặt cắt guốc phanh

Thông số kích thớc má phanh:

a = 140 mm, b = 8 mm, c = 5 mm, d = 50 mm

 Y2: Khoảng cách từ trọng tâm phần trên đến trọng tâm của phần dới Y2 = 29 mm

 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 tangtrống, 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:

2 1

1 2 1

C

F F

F Y Y

3

 YC2=Y2  YC1 = 9 mm

Bán kính đờng trung hòa:

2 2 1 1

2 1 th

' R

F ' R F

F F R

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

M F

Q

(3.25)Lực dọc N sinh ra ứng suất tiếp:

b J

S N

 Ri: Khoảng cách từ tâm đến điểm đang xét

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

 b: Chiều dày phần bị cắt

Mômen quán tính Jx của tiết diện đợc xác định nh sau:

1 2 1 c 3 2

2 2 c 3

12

a b F y 12

c d 2

- 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:

0

2 t

p

r b

M q

240 2 , 0 14 , 0 3 , 0

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

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

2

2 n

r

' b 1 ' a ' b

' qa

øng suÊt tiÕp tuyÕn tÝnh theo c«ng thøc sau:

2

2 t

r

' b 1 ' a ' b

' qa

, 0

21 , 0 1 2 , 0 21 , 0

2 , 0

2 2 2

, 0

21 , 0 1 2 , 0 21 , 0

2 , 0

2 2 2

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

MPa 7 , 67 15 , 45 5

- Má phanh quay quanh trục lệch tâm

- Tính toán chính xác độ bền chi tiết này là rất khó Ta có thể tính theobài toán: Tính toán các mối ghép bằng đinh tán và bu lông Phơng pháp tínhtrình 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:

d

U 4 F

2 1 1

F

Z 2 X

1   

Thay số ta có:

 C 2

2

c 37486324 ( N / m ) 37 MPa

022 , 0

52182 4

l – Chiều dài của tấm truyền sức ép vào thân chốt, l = 50 mm

Thay các giá trị vào ta có:

 d2

022 , 0 5 , 0

*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 dụnglên trục, sơ đồ lực tác 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

Tính ra đợc: PT = 24 000 N

Mômen xoắn trên trục cam là:

) Nm ( 4296 l.

2 , 0

T d

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 épmá 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 10mmthì 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:

2.5.1 áp suất giới hạn trên bề mặt

áp suất trên bề mặt má phanh đợc giới hạn bởi sức bền của vật liệu:

 q 1 , 5 2 , 0 MPa F

r

M q

66 , 1 m / N 1097660 235

, 0 2 , 0 3

,

0

477 15

76 , 0 m / N 755177 235

, 0 2 , 0 3

,

0

648 10

L

2 0



2

0 l 400 1000 J / cm 4 10 J / mm F

2

V m F

 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

) mm ( 435634 )

b b (

r 180 4

2 1

* 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 ởtrống phanh và một phần thoát ra môi trờng không khí, phơng trình cân bằngnăng lợng là :

2 2 2

1 m C t F K dt

2

V V

g

G

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:

C gm 2

) V V (

t

2 2 2 1

140 10 2

420

2

) 33 , 8 (

2

* 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 menphanh yêu cầu, thoát nhiệt, độ bền, thời hạn làm việc

3 Trình tự tháo lắp và điều chỉnh cơ cấu phanh

3.1 Trình tự tháo lắp

Trình tự tháo cơ cấu phanh: