TÍnh toán thiết kế cơ cấu phanh

Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô 2.tính toán thiết kế cấu phanh 2.1.XáC ĐịNH MOMEN PHANH CầN SINH RA CáC CƠ CấU PHANH a Z1 b Pj Z2 Ga hg Pp1 L Pb Hình 2.1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô phanh mặt đờng ngang Trong : Z1 : phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe cầu trớc Z2 : phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe cầu trớc PP1 : lực phanh bánh xe trớc sau PP2 : lực phanh bánh xe trớc sau a,b,hg : toạ độ trọng tâm ô tô Xác định thông số chiều dài a,b : Gat a = Gas b a +b = L 470.a = 690.b a + b = 2160 a = 1285,5 (mm) b = 874,5 (mm) Momen phanh cần sinh đợc xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu phanh lớn , tức sử dụng hết lực phanh Muốn đảm bảo điều kiện ,lực phanh sinh cần phải tỷ lệ thuận với lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Ppt = Z1 = Ga [ b + hg (Jmax/g ) ] L Pp2 = Z2 = Ga [a - hg (Jmax/g ) ] L Trong : : hệ số bám bánh xe với đờng Chọn = 0,85 Jmax : gia tốc chậm dần cực đại phanh Jmax = PJ max Ma = Ga = g Ma Ta có: Mp = Pp rb Bán kính lăn bánh xe xác định gần nh sau [2]: rb = b r b _ Hệ số tính đến biến dạng lốp Chọn b =0,945 Theo tài liệu [3] ta có bán kính thiết kế bánh xe r = 300 (mm) rb =0,945 300 = 284 (mm) Mpt = Ppt rb = Ga ( b + hg ) L Mps = Pps rb = Ga ( a - hg ) L Thay giá trị vào ta đợc : Mpt = 0,85 Mps = 0,85 1160 10 (874,5 +0,85.610 ).284.10 -3 = 1806 (Nm) 2160 1160 10 (1285,5 - 0,85.610 ).284.10 -3 = 995 (Nm) 2160 SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô 2.2 xác định kích thớc cấu phanh 2.2.1 Bán kính bề mặt ma sát trống phanh (rt) Theo tài liệu [3] ta có đờng kính vành bánh xe dv = 13 in rv = dv =7,5 in = 7,5.25,4 =165 (mm) Giửa vành bánh xe trống phanh có khe hở định (s) không nhỏ 20 30 mm Khe hở cần thiết không khí lu thông làm mát trống phanh Vì ta chọn rt = 125 (mm) 2.2.2 Chọn kích thớc s , h, 0, y F h x h r dN dFT l s h d Hình 2.2 Sơ đồ tính toán guốc phanh Ta chọn thông số s, h, 0, tơng tự kết cấu tơng đơng s = 96 (mm) ; h = 188 (mm) ; =20 ;1 =135 ; = 1- =115 2.2.3 Chọn chiều rộng má phanh (b) SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Chiều rộng má phanh đợc chọn cho phanh với lực phanh cực đại , áp suất bề mặt ma sát q không lớn 2,5 MPa tải trọng qui ớc không vợt giá trị cho phép P = ma.g/F [P] Trong : ma : khối lợng toàn ô tô F : tổng diện tích tấc má phanh ô tô [P] = 0,25 MPa =0,25 [MN/m2] 1160.10 8.rt .b 0,25 1160.10 b 8.125.10 -3.0,25.10 115.3,14 180 b 23,13 (mm) Chọn b = 40 (mm) 2.3 kiểm tra điều kiện tránh tự siết : 2.3.1 Quan hệ lực dẫn động mô mên phanh tạo Xét cân guốc phanh với giả thiết sau : _áp suất phân bố theo chiều rộng má phanh _Qui luật phân bố áp suất theo chiều dài má phanh không phụ thuộc vào giá trị lực ép tác dụng lên guốc có dạng tổng quát : q = qmax () (2.1) : qmax _ áp suất max má phanh () _ hàm số phân bố áp suất _Hệ số trống má phanh không phụ thuộc vào chế độ phanh SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 10 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Khi phanh phần tử vô bé d (Hình 2.2) chịu tác dụng lực pháp tuyến dN = q.b.rt.d lực ma sát dFT = à.dN từ phía trống phanh Lực ma sát tạo mô mên phanh : dMP = dFT rt = à.qmax.b.rt2 () d (2.2) Tích phân biểu thức (2.2) từ đến ta đợc mô mên phanh tổng guốc phanh tơng ứng tạo (guốc tự siết số , guốc không tự siết số ) : MP1,2 = à.qmax.b.rt2 ( ).d (2.3) Để xác định qmax , ta viết phơng trình cân mô men điểm quay guốc : 1 0 Mc =P.h l.dFT ( s sin ).dN (2.4) Thế biểu thức dFT dN vào (2.4) Sau biến đổi ta đợc : 1 0 qmax = [Ph/(rb)]/{s ().sin.d à[rt ().d _ s ().cos.d]} (2.5) Thế biểu thức (2.5) vào phơng trình (2.3) chia tử mẫu cho rt ()d Sau biến đổi ta xác định đợc phơng trình mômên phanh theo lực ép guốc: MP1,2 = Trong : à.P.h (A à.B) (2.6) 1 0 A = (s ()sind)/ ( rt ()d) 1 0 B =1- (s ()cosd)/(rt ()d) (2.7) (2.8) Nh mômên tổng cấu phanh : SVTH : Đoàn Đại Đồng à.P1.h1 (A1 à.B1) à.P2.h2 (A2 à.B2) Trang 11 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô MP = MP1 + MP2 = (2.9) Trờng hợp guốc phanh có bậc tự (có điểm quay cố định ) (s) = sin Sau tích phân biểu thức (2.7) (2.8) ta đợc : A= B = s rt sin(20) sin(21) + 2(1 0) 4(cos0 cos1) s (cos0 cos1) rt (2.10) 2.3.2.Điều kiện tránh tự siết Từ công thức (2.6) : : MP1,2 = à.P.h (A à.B) Đối với phanh guốc, tợng tự siết xảy mẫu số không Để tránh tợng cần đảm bảo điều kiện : (A à.B ) > > A/B (2.11) Khi tính toán lấy =0,32 ữ 0,38 Ta chọn = 0,35 Từ công thức (2.10) ta thay giá trị 0, 1, s, rt vào Ta tính đợc : A = 0,66 B = 0,37 Thay giá trị A,B vào (2.11) ta đợc : 0,35 < 1,78 2.4 tính toán nhiệt mài mòn 2.4.1 Tính toán mài mòn : Tính toán mài mòn đợc tiến hành theo tiêu gián tiếp áp suất trung bình ma sát guốc tự siết công suất riêng áp suất trung bình má phanh : MP1 à.b.rt2. SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 12 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô qtb = < [qtb] (2.12) [qtb] = 2MPa _ vật liệu atbet thông thờng Xét cấu phanh sau : có má phanh tự siết MP = MP1 + MP2 = 2à.P.A.h (A2 à2.B2) MP (A2 à2.B2) P= 2à.A.h (2.13) Thay (2.13) vào biểu thức MP1 ta có : MP1 = = à.P.h (A à.B) MP (A à.B) 2A = 995/2 (0,66 +0,35.0,37) 2.0,66 = 297,6 (Nm) Từ (2.12) ta thay giá trị vào : qtb = 297,6 0.35.40.10 (125.10-3)2.(3.14.115/180) -3 = 0,678.106 (N/m2) qtb = 0,678 MPa < MPa Xét cấu phanh trớc : hai má phanh tự siết, tự tách SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 13 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Khi tự siết : MP1 = = MP 1806 = 451,5 (Nm) Từ (2.12) thay giá trị vào ta có: 451,5 0,35.40.10-3.(125.10-3)2.(3,14.115/180) qtb = = 1,029.106 (N/m2) qtb = 1,029 MPa < 2MPa Công ma sát riêng (lms) tỷ số giửa công ma sát sinh phanh ô tô từ tốc độ cực đại đến dừng tổng diện tích (F) tấc má phanh m a Va2 lms = 2.F Trong : Ga : khối lợng toàn xe Va : Vận tốc bắt đầu phanh Chọn Va = 30 (km/h) F = Ft + Fs Ft : Diện tích má phanh trớc Fs : Diện tích má phanh sau Diện tích má phanh trớc diện tích má phanh sau lms = = 1160(30/3,6)2 2(8rt..b) 1160(30/3,6)2 16.125.10-3.(3,14.115/180).40.10-3 = 0,5.106 (J/m2) SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 14 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô = 50 (J/cm2) < [lms] = (600ữ800) (J/cm2) 2.4.2 Tính toán nhiệt Tính toán nhiệt nhằm hạn chế không cho nhiệt độ trống phanh tăng giới hạn cho phép tiến hành nh sau : Trong trình phanh ,động xe chuyển thành nhiệt đốt nóng trống phanh phần toả môi trờng Do theo định luật bảo toàn lợng viết : t ( V12 V22)GC/2g = mt C.c + F K.tdt Trong : (2.15) GC : Trọng lợng toàn ô tô tác dụng lên cầu đợc tính phanh V1:Tốc độ đầu trình phanh V2: Tốc độ cuối trình phanh mt : Khối lợng trống phanh chi tiết liên quan bị nung nóng mt = [( rt + )2 rt2]..b. : khối lợng riêng vật liệu làm trống phanh, trống phanh làm thép nên ta có : = 7,8.103 (Kg/m3) : bề dày trống phanh = 10 mm mt = [(125 +10)2 1252].3,14.40.10-9.7,8.10-3 =2,55 (kg) C : Nhiệt dung riêng vật liệu trống phanh Đối với thép C = 482 (J/kgK0) c :Lợng tăng nhiệt độ trống phanh so với môi trờng cuối trình phanh t : Lợng tăng nhiệt độ trống phanh so với môi trờng trình phanh t : T hời gian phanh Ft : Diện tích tản nhiệt trống phanh SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 15 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Khi phanh ngặt thời gian ngắn, nhiệt lợng truyền không khí không đáng kể Trên sở đố, xác định lợng tăng nhiệt độ trống phanh lần nh sau : ( G C V12 V22 c = 2.g( m t C ) ) (2.16) Khi phanh ngặt từ tốc độ ban đầu V =30 Km/h dừng hẳn (V = 0) c không vợt 150C Xét cầu trớc : Gc = b + J P hg Ga g L = ( b + .h g ) Ga L = ( 874,5 + 0,85.610) 1160 2160 = 747,9 (kg) c = 747,9.8,33 2.2.2,55.482 = 1,20C c < [c ] =150C Xét cầu sau : Gc = a J P hg Ga g L = ( a .h g ) Ga L = (1285,5 0,85.610) 1160 2160 = 412 (kg) c = 412.( 8,33) 2( 2.2,55.482 ) = 0,650C SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 16 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô 2.5 xác định lực ép cần thiết: Sau biết mô mên phanh cần sinh kích thớc cấu phanh, ta dễ dàng xác định lực ép cần thiết tác dụng lên guốc phanh theo công thức xây dựng Cơ cấu phanh trớc : hai guốc tự siết Mp = 2Mp1,2 = P= Phà A àB M P ( A à.B ) hà P = (1806/2).(0,66 0,35.0,37) 2.188.10-3.0,35 = 3640 (N) Cơ cấu phanh sau : Mp = Mp1+Mp2 = P = Phà.A A2 à2B2 ( M P A2 à2B2 2hàA ) ( 995 0,66 0,352.0,37 = 2.188.10 3.0,35.0,66 ) = 2399 (N) tính toán dẫn động phanh 3.1.sơ đồ tính toán : SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 17 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô P P dk r1 PC r2 pc dC P P Hình 3.1 Sơ đồ tính toán dẫn động phanh thủy lực dC_đờng kính xi lanh chính; dk_đờng kính xi lanh bánh xe; 3.2 trình tự tính toán 3.2.1 Đờng kính xi lanh bánh xe dk = 4P p max (3.1) : pmax áp suất cực đại cho phép chất lỏng dòng dẫn động, áp suất cao kết cấu dẫng động gọn, thờng yêu cầu ống dẫn vấn đề làm kín lại khắc khe hơn, đoạn ống mềm cao su chổ nối ghép Thờng chọn pmax = ữ12 MPa Ta chọn pmax = MPa Đối với bánh xe trớc : dkt = 4P = 4.3640 / 3,14.8 24 (mm) p max Đối với bánh xe sau : dkt = 4P p max max SVTH : Đoàn Đại Đồng = 4.2399 / 3,14.8 20 (mm) Trang 18 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô 3.2.2 Xác định đờng kính xi lanh (dc) Đờng kính xi lanh nói chung không khác d k nhiều Đối với kết cấu hai cầu trang bi phanh guốc : dk =1,0 ữ1,5 dc dS = 0,9 ữ1,2 dc d kt = 0,8 ữ1,7 d ks Ta chọn dS = 0,9 dc ta suy ra: dc = 22 (mm) 3.2.3 Hành trình làm việc cùa bàn đạp (Slv) Sbd =(1,4 ữ1,6 ) Slv Trong : Sbd : hành trình toàn bàn đạp Ta chọn Sbd =150 mm Slv : hành trình làm việc bàn đạp Ta suy : Slv = S bd = 100 mm 1,5 Xác định tỷ số truyền bàn đạp : r1 2k n Slv = ( d ki x i + + '+ ' ' )( ) r2 d c i =1 (3.2) Trong : k : hệ số tính đến biến dạng đàn hồi đờng ống Khi tính toán lấy 1,07 =(1,5 ữ2,5) Khe hở piston xi lanh đẩy nối với bàn đạp :Hành trình không tải piston xi lanh n : Số lợng xi lanh bánh xe đợc đợc điều khiển xi lanh SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 19 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô xi : Hành trình piston xi lanh bánh xe thứ i Đối với phanh guốc x i =1,5 ữ 4,5 mm Chọn xi = mm Thay giá trị vào : 2 S lv = ( 2.20 + 2.24 ) + 1,5 + 1,5 + 22 r1 2.1,07 r S lv = 21,26 r2 r1 r2 100 = = 4,7 r1 21,26 r1 = 0,2126 r2 3.2.4 Lực cần tác dụng lên bàn đạp ( Pbd ) Để tạo đợc áp suất (pmax) yêu cầu , cần phải tác dụng lên bàn đạp lực: r1 r2 Pbd = m Pc = m pmax d 2C r1 r (3.3) Trong : r1 ,r2 : Các kích thớc ghi sơ đồ tính : Hiệu suất dẫn động , thừa nhận = 0,86 ữ0,92 m : Số cần (khoang ) xi lanh bố trí song song 3,14.22 Pbd = 1.8 4.0,9 ( 0,2126 ) = 718 N 3.3 tính trợ lực 3.3.1 Xác định hệ số trợ lực Hệ số trợ lực Ky đợc xác định theo tài liệu [1] SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 20 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Ky = Pmax P ' max (3.5) Pmax , Pmax : áp suất cực đại hệ thống có trợ lực làm việc trợ lực làm việc Rõ ràng : Ky = Pbdtt P + Pbdtl P = bdch = + bdtt Pbdch Pbdch Pbdch (3.5) Trong : Pbdtt : lực cực đại cần thiết tác dụng lên bàn đạp (khi trợ lực) ; P bdtt = 718 N Pbdch : lực cực đại cần tác dụng lên bàn đạp có trợ lực ; Chọn Pbdch = 200 N Pbdtl : Phần lực đạp đợc giảm nhẹ nhờ tác dụng trợ lực Vậy theo công thức (3.5): Ky = 718 200 = 3,59 3.3.2 Chọn loại sơ đồ : Để giảm nhẹ lực đạp phanh, truyền động phanh chất lỏng gồm có hai loại trợ lực : Loại chân không Lọai khí nén Ta chọn loại trợ lực chân không Loại thờng đợc sử dụng xe cao tốc, động xăng có u nhợc điểm sau : u :không cần sử dụng nguồn lợng bên mà sử dụng độ chân không tạo nên động để tạo trợ lực nhợc: dùng độ chân không nên hiệu trợ lực thấp, để tăng hiệu thờng tăng kích thớc bầu trợ lực lên 3.3.3 Tính toán trợ lực chân không Sơ đồ tính toán : SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 21 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Sd Sc Pc Sc pc Pa Pbd Sm Pb Hình 3.2.Sơ đồ tính toán trợ lực chân không SC_Diện tích đầu cần tác dụng ; Sd_Diện tích đĩa cao su; Sp_ diện tích màng; Pa_ áp suất khoang A; Pb_ áp suất khoang B; PC_áp suất khoang C xi lanh 3.3.4 Đặc tính trợ lực Theo sơ đồ tính toán hệ số trợ lực Ky = 3,59 Pbdch = 200 N Ta vẽ đợc đặc tính trợ lực: Pc Ky E D C SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 22 B A Pbd Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Hình 3.4 Đờng đặc tính trợ lực PC_lực từ bàn đạp tác dụng lên đầu cần nối với bàn đạp; Đoạn BC đặc tính trợ lực tơng ứng với lúc trợ lực có tác dụng; Đoạn CE đặc tính tơng ứng với lúc trợ lực tác dụng; Đoạn AB trợ lực 3.3.5 Xác định thông số trợ lực Theo tài liệu [1] ta có : Ky = + = 1+ Pbdtl Pbd P S m ( PLX + PmS ) i bd .Pbd (3.6) Trong : P =Pa Pb _ Độ chênh áp hai khoang A B Sm _Diện tích hiệu dụng piston hay màng PLX ,Pms _Lực lò xo lực ma sát cản trở chuyển động chi tiết trợ lực ibd = r2 /r1 _Tỷ số truyền bàn đạp _Hiệu suất truyền động Khi trợ lực cha đạt giá trị max ứng với nhánh AB đặc tính, xác định độ chênh áp P nh sau : P S m P P = C = d S d S C S C Pd Suy : P S m = PC ( S d S C ) SC SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 23 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô = Pbd i bd (S d S C ) SC Trong : Sd , SC _Diện tích tơng ứng đĩa cao su đầu cần tác dụng lên Bởi vậy: Ky = + S d S C ( PLX Pms ) = SC i bd .Pbd (3.7) Khi P đạt giá trị cực đại độ chân không đờng nạp, lực trợ lực đạt giá trị cực đại không đổi (Đoạn BC đặc tính) Còn hệ số trợ lực K y đạt cực đại ứng với Pbd =Pb Sau bắt đầu giảm Ky = + p max S m ( PLX + Pms ) i bd .Pbd (3.8) Trong : pmax _Độ chân không lớn đờng nạp động cơ.Khi tính toán lấy pmax =0,05 MPa = 0,5 Kg/cm2 Từ công thức (3.8) suy ra: Sm = Pbd.ibd. Sd SC S C p max (3.9) Chọn đờng kính piston tỷ lệ dC =20 (mm) Vậy diện tích piston tỷ lệ : SC = d 2C 3,4.20 = = 314 (mm2) 4 Chọn vòng phản ứng (đĩa cao su) có đờng kính dd =30 (mm) Vậy diện tích đĩa cao su là: Sd = .d 2d 3,14.30 = = 706,5 (mm2) 4 Với : = 0,91 Pbdch = 200 Thế vào (3.9): SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 24 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Sm =200.0,91.4,7 706,5 314 = 21385 (mm2) 314.0,05 Vậy đờng kính màng : dm = 4S m = 21385 = 165 (mm) 3,14 Tài liệu tham khảo SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 25 Đồ án môn học Thiết kế hệ thống phanh ôtô Nguyễn Hữu Cẩn- Phan Đình Kiên Thiết kế tính toán ôtô máy kéo Tập Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp-Hà Nội ,1985 Nguyễn Hữu Cẩn Lý thuyết ô tô máy kéo Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội ,1998 Viện nguyên cứu giao thông ô tô Sổ tay ô tô Nhà xuất Giao thông vận tải Maccowva , 1985 SVTH : Đoàn Đại Đồng Trang 26