Giáo trình hệ thống phanh ô tô

1 hệ thống phanh 1.1 Công dụng, yêu cầu, phân loại 1.1.1 Công dụng Hệ thống phanh dùng để: - Giảm tốc độ ôtô máy kéo dừng hẳn đến tốc độ cần thiết - Ngoài ra, hệ thống phanh có nhiệm vụ giữ cho ôtô máy kéo đứng yên chỗ mặt dốc nghiêng hay mặt đờng ngang Với công dụng nh vậy, hệ thống phanh l hệ thống đặc biệt quan trọng: - Nó đảm bảo cho ôtô máy kéo chuyển động an toàn chế độ làm việc - Nhờ phát huy hết khả động lực, nâng cao tốc độ suất vận chuyển xe máy 1.1.2 Yêu cầu Hệ thống phanh cần đảm bảo yêu cầu sau: - Làm việc bền vững, tin cậy; - Có hiệu phanh cao phanh đột ngột với cờng độ lớn trờng hợp nguy hiểm; - Phanh êm dịu trờng hợp khác, để đảm bảo tiện nghi an toàn cho hành khách hàng hóa; - Giữ cho ôtô máy kéo đứng yên cần thiết, thời gian không hạn chế; - Đảm bảo tính ổn định điều khiển ôtô máy kéo phanh; - Không có tợng tự phanh bánh xe dịch chuyển thẳng đứng quay vòng; - Hệ số ma sát má phanh với trống phanh cao ổn định điều kiện sử dụng; - Có khả thoát nhiệt tốt; - Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển nhỏ Để có độ tin cậy cao, đảm bảo an ton chuyển động trờng hợp, hệ thống phanh ôtô máy kéo phải có tối thiểu ba loại phanh, l: - Phanh lm việc: phanh phanh chính, đợc sử dụng thờng xuyên tất chế độ chuyển động, thờng đọc điều khiển bàn đạp nên gọi phanh chân - Phanh dự trữ: Dùng để phanh ôtô máy kéo trờng hợp phanh hỏng - Phanh dừng: Còn gọi phanh phụ Dùng để giữ cho ôtô máy kéo đứng yên chỗ dừng xe không làm việc Phanh thờng đợc điều khiển tay đòn nên gọi phanh tay - Phanh chậm dần: Trên ôtô máy kéo tải trọng lớn (nh: xe tải, trọng lợng toàn lớn 12 tấn; xe khách - lớn tấn) làm việc vùng đồi núi, thờng xuyên phải chuyển động xuống dốc dài, phải có loại phanh thứ t phanh chậm dần, dùng để: Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt - Phanh liên tục, giữ cho tốc độ ôtô máy kéo không tăng giới hạn cho phép xuống dốc; - Để giảm dần tốc độ ôtô máy kéo trớc dừng hẳn Các loại phanh có phận chung kiêm nhiệm chức Nhng chúng phải có hai phận điều khiển dẫn động độc lập Ngoài ra, để tăng thêm độ tin cậy, hệ thống phanh đợc phân thành dòng độc lập để dòng bị hỏng dòng lại làm việc bình thờng Để có hiệu phanh cao: - Dẫn động phanh phải có độ nhạy lớn - Phân phối mô men phanh bánh xe phải đảm bảo tận dụng đợc toàn trọng lợng bám để tạo lực phanh Muốn vậy, lực phanh bánh xe phải tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến đờng tác dụng lên chúng - Trong trờng hợp cần thiết, sử dụng trợ lực hay dùng dẫn động khí nén bơm thủy lực để tăng hiệu phanh xe có trọng lợng toàn lớn Để đánh giá hiệu phanh ngời ta sử dụng hai tiêu chính, l: gia tốc chậm dần v quãng đờng phanh Ngoi dùng tiêu khác, nh: Lực phanh hay thời gian phanh Giá trị yêu cầu tiêu tham khảo bảng 1-1, 1-2 1-3 Cần ý rằng: tiêu quy định hiệu phanh cho phép quốc gia hay hiệp hội quy định riêng dựa vào nhiều yếu tố, nh: nguồn gốc chủng loại ôtô lu hành, điều kiện đờng xá , trình độ tổ chức kiểm tra kỹ thuật, trang thiết bị kiểm tra v.v Bảng 1-1: Tiêu chuẩn hiệu phanh (của hệ thống phanh chính) cho phép ôtô lu hnh đờng - Do Bộ GTVT Việt Nam quy định năm 1995 Stt Quãng đờng phanh Chủng loại ôtô Gia tốc chậm dần ổn định Sp, m () Ôtô du lịch loại ôtô khác thiết kế sở ôtô du lịch Ôtô vận tải trọng lợng toàn ôtô khách có chiều dài toàn 7,5 m Ôtô vận tải đoàn ôtô có trọng lợng toàn > ôtô khách có chiều dài toàn > 7,5 m Jp, m/s2 () 7,2 5,8 9,5 5,0 11 4,2 Tiêu chuẩn trình bày bảng đợc cho ứng với chế độ thử: - Ôtô không tải, chạy đờng nhựa khô, nằm ngang - Vận tốc bắt đầu phanh 30 Km/h (8,33 m/s) Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt Do yêu cầu tốc độ ôtô ngày tăng, có xu hớng tăng vận tốc thử phanh phép ôtô lu hành đờng Tuy thử phanh tốc độ cao nguy hiểm, điều kiện cha cho phép có bãi thử chuyên dùng Vì nớc ta áp dụng tốc độ thử hạn chế 30 Km/h Số liệu cho bảng sử dụng để kiểm tra phanh định kỳ nhằm mục đích cho phép ôtô lu hành đờng để đảm bảo an toàn chuyển động Đối với các sở nghiên cứu hay thiết kế chế tạo cần áp dụng tiêu chuẩn nghiêm ngặt Bảng 1-2: Các tiêu đánh giá hiệu hệ thống phanh (Tiêu chuẩn Liên Xô) Stt Chủng loại ôtô Ôtô du lịch Micrôbuys với số chỗ ngồi Ôtô buys > chỗ ngồi trọng lợng toàn Ôtô buys với trọng lợng toàn > Ôtô tải, trọng lợng toàn < 3,5 Ôtô tải, trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Ôtô tải, trọng lợng toàn > 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn > 12 Tốc độ trớc phanh V0,Km/h Lực tác dụng lên bn đạp Pbđ, 80 500 60 700 60 700 70 700 50 700 40 700 50 700 40 700 Dạng thử Quãng đờng phanh Sp , m () N () I II I II I II I II I II I II I II I II 43,2 54,0 57,5 25,8 32,3 34,3 32,1 40,1 42,7 44,8 56,0 59,6 25,0 31,3 33,3 17,2 21,5 22,9 26,5 33,1 35,2 18,4 23,0 24,5 Gia tốc chậm dần ổn định Jp, m/s2 () 7,0 5,4 5,0 7,0 5,3 4,9 6,0 4,5 4,1 5,5 4,1 3,8 5,5 4,0 3,7 5,5 4,0 3,6 5,5 4,0 3,7 5,5 3,9 3,6 Đối với hệ thống phanh chính, giá trị tiêu đợc cho tơng ứng với ba dạng thử khác nhau, là: Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt Bảng 1-3: Các tiêu đánh giá hiệu hệ thống phanh dự trữ (Tiêu chuẩn Liên Xô) Stt Chủng loại ôtô Ôtô du lịch Micrôbuys với số chỗ ngồi Ôtô buys > chỗ ngồi trọng lợng toàn Ôtô buys với trọng lợng toàn > Ôtô tải, trọng lợng toàn < 3,5 Ôtô tải, trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Ôtô tải, trọng lợng toàn > 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn > 12 Tốc độ trớc phanh V0,Km/h Quãng đờng phanh Gia tốc chậm dần ổn định Sp, m () Jp, m/s2 () 90,1 3,0 60 52,2 3,0 60 52,2 3,0 70 79,0 2,8 50 42,5 2,8 40 28,4 2,8 50 44,0 2,8 40 29,6 2,8 80 Lực tác dụng lên phận điều khiển N () Tay đòn 400 600 Bn đạp 500 700 - Thử 0: Để xác định hiệu hệ thống phanh chính, cấu phanh nguội thờng tiến hành cho hai trờng hợp: động đợc tách không tách khỏi hệ thống truyền lực - Thử I: Để xác định hiệu hệ thống phanh chính, cấu phanh làm việc nóng lên Đạng thử bao gồm hai giai đoạn: - Thử sơ bộ: Để cho cấu phanh nóng lên - Thử chính: Để xác định hiệu phanh - Thử II: Để xác định hiệu hệ thống phanh chính, ôtô máy kéo chuyển động xuống dốc dài Khi phanh phanh dự trữ hệ thống khác thực chức nó, gia tốc chậm dần lớn cần phải đạt m/s2 ôtô khách 2,8 m/s2 ôtô tải Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt Đối với hệ thống phanh dừng, hiệu phanh đợc đánh giá tổng lực phanh thực tế mà cấu phanh tạo Khi thử (theo chiều: đầu xe hớng xuống dốc ngợc lại - quay lên dốc) phanh dừng cần phải giữ đợc ôtô máy kéo chở đầy tải động tách khỏi hệ thống truyền lực, đứng yên mặt dốc có độ nghiêng không nhỏ 25% Hệ thống phanh chậm dần cần phải đảm bảo cho ôtô máy kéo, chuyển động xuống dốc dài Km, độ dốc 7%, tốc độ không vợt 302 Km/h (8,330,6 m/s), mà không cần sử dụng hệ thống phanh khác Khi phanh phanh này, gia tốc chậm dần ôtô máy kéo thờng đạt khoảng 0,6ữ2,0 m/s2 Để trình phanh đợc êm dịu v để ngời lái cảm giác, điều khiển đợc cờng độ phanh, dẫn động phanh phải có cấu đảm bảo quan hệ tỷ lệ thuận lực tác dụng lên bàn đạp đòn điều khiển với lực phanh tạo bánh xe Đồng thời tợng tự xiết phanh Để đảm bảo tính ổn định v điều khiển ôtô máy kéo phanh, phân bố lực phanh bánh xe phải hợp lý, cụ thể phải thỏa mãn điều kiện sau: - Lực phanh bánh xe phải trái cầu phải Sai lệch cho phép không đợc vợt 15% giá trị lực phanh lớn - Không xảy tợng khóa cứng, trợt bánh xe phanh Vì: Các bánh xe trớc trợt làm ôtô máy kéo bị trợt ngang; Các bánh xe sau trợt làm ôtô máy kéo tính điều khiển, quay đầu xe Ngoài ra, bánh xe bị trợt gây mòn lốp, giảm hiệu phanh giảm hệ số bám Để đảm bảo yêu cầu này, ôtô máy kéo đại ngời ta sử dụng điều chỉnh lực phanh hay hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Antilock Braking System - ABS) Hình 1.1 Sự thay đổi hệ số bám dọc x hệ số bám ngang y theo độ trợt tơng đối bánh xe ( đợc tính theo công thức: Va b rb 100% ; đây: Va Va - Tốc độ chuyển động tịnh tiến ôtô b - Tốc độ góc bánh xe rb - Bán kính lăn bánh xe Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt x=X/Z y=Y/Z Hình 1.2 Sơ đồ lực tác dụng vết tiếp xúc bánh xe với mặt đờng quan hệ hệ số bám dọc ngang Hình 1.3 Các trờng hợp bánh xe bị trợt ngang phanh a- Cầu sau bị trợt; b- Cầu trớc bị trợt; c- Quá trình giảm trợt Hình 1.4 Sơ đồ trợt ngang ôtô bánh sau bị hãm cứng mặt đờng có hệ số bám nhỏ Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt Yêu cầu điều khiển nhẹ nhng v thuận tiện đợc đánh giá lực lớn cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển hành trình tơng ứng chúng Giá trị quy định tiêu cho bảng 1-4 Bảng 1- 4: Giá trị tối đa cho phép lực tác dụng lên bn đạp hay đòn điều khiển v hnh trình tơng ứng chúng hệ thống phanh ôtô (Tiêu chuẩn Liên Xô) Phơng pháp điều khiển Bằng bàn đạp Bằng tay đòn Hệ thống phanh Làm việc, dự trữ phanh dừng Dự trữ dừng Chủng loại ôtô - Du lịch - Vận tải khách - Du lịch - Vận tải khách Pbđmax (N) Sbđmax (mm) 500 700 400 600 150 180 160 220 1.1.3 Phân loại - Theo vị trí bố trí cấu phanh, phanh chia loại: Phanh bánh xe phanh truyền lực - Theo dạng phận tiến hành phanh (phần tử ma sát), phanh chia ra: Phanh guốc, phanh đĩa phanh dải - Theo loại dẫn động, phanh chia ra: Phanh khí, phanh thủy lực, phanh khí nén, phanh điện từ phanh liên hợp (kết hợp loại khác nhau) a) b) c) Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý loại phanh a- Phanh trống-Guốc; b- Phanh đĩa; c- Phanh dải Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 1.2 Kết cấu hệ thống phanh Để thực nhiệm vụ mình, hệ thống phanh phải có hai phần kết cấu sau: - Cơ cấu phanh: Là phận trực tiếp tạo lực cản Trong trình phanh động ôtô máy kéo đợc biến thành nhiệt cấu phanh tiêu tán môi trờng - Dẫn động phanh: Để điều khiển cấu phanh 1.2.1 Cơ cấu phanh Là phận trực tiếp tạo lực cản làm việc theo nguyên lý ma sát, kết cấu cấu phanh phải có hai phần là: Các phần tử ma sát cấu ép Ngoài ra, cấu phanh có số phận phụ khác, nh: Bộ phận điều chỉnh khe hở bề mặt ma sát, phận để xả khí dẫn động thủy lực Phần tử ma sát cấu phanh có dạng: Trống - Guốc, Đĩa hay Dải Mỗi dạng có đặc điểm kết cấu riêng biệt 1.2.1.1 Loại trống - guốc: a Thành phần cấu tạo: Đây loại cấu phanh đợc sử dụng phổ biến Cấu tạo gồm: - Trống phanh: trống quay hình trụ gắn với moay bánh xe - Các guốc phanh: bề mặt gắn ma sát (còn gọi má phanh) - Mâm phanh: đĩa cố định, bắt chặt với dầm cầu Là nơi lắp đặt định vị hầu hết phận khác cấu phanh - Cơ cấu ép: phanh, cấu ép ngời lái điều khiển thông qua dẫn động, ép bề mặt ma sát guốc phanh tỳ chặt vào mặt trống phanh, tạo nên lực ma sát phanh bánh xe lại - Bộ phận điều chỉnh khe hở v xả khí (chỉ có dẫn động thủy lực) b Các sơ đồ tiêu đánh giá: Có nhiều sơ đồ để kết nối phần tử cấu phanh (Hình 1.6) Các sơ đồ khác ở: - Dạng số lợng cấu ép - Số bậc tự guốc phanh - Đặc điểm tác dụng tơng hỗ guốc với trống, guốc với cấu ép Và vậy, khác ở: - Hiệu làm việc - Đặc điểm mài mòn bề mặt ma sát guốc - Giá trị lực tác dụng lên cụm ổ trục bánh xe - Mức độ phức tạp kết cấu Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt Hình 1.6 Các sơ đồ phanh trống guốc Hình 1.7 Các cấu phanh thông dụng sơ đồ lực tác dụng: a- ép cam; b- ép xi lanh thủy lực; cHai xi lanh ép, guốc phanh bậc tự do; d- Hai xi lanh ép, guốc phanh hai bậc tự Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Hình 1.8 Các cấu phanh guốc tự cờng hóa Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt Hiện nay, hệ thống phanh làm việc, đợc sử dụng thông dụng sơ đồ hình 1.7a 1.7b Tức sơ đồ với loại guốc phanh bậc tự do, quay quanh hai điểm quay cố định đặt phía cấu ép Sau đến sơ đồ hình 1.7c 1.7d Để đánh giá, so sánh sơ đồ khác nhau, tiêu chung, ngời ta sử dụng ba tiêu riêng, đặc trng cho chất lợng cấu phanh, là: tính thuận nghịch (đảo chiều), tính cân v hệ số hiệu - Cơ cấu phanh có tính thuận nghịch cấu phanh mà giá trị mô men phanh tạo không phụ thuộc vào chiều quay trống, tức chiều chuyển động ôtô máy kéo - Cơ cấu phanh có tính cân tốt cấu phanh làm việc, lực từ guốc phanh tác dụng lên trống phanh tự cân bằng, không gây tải trọng phụ lên cụm ổ trục bánh xe - Hệ số hiệu đại lợng tỷ số mô men phanh tạo tích lực dẫn động nhân với bán kính trống phanh.(hay gọi cách quy ớc mô men lực dẫn động) Sơ đồ lực tác dụng lên guốc phanh hình 1.7 sơ đồ biểu diễn đợc đơn giản hóa nhờ giả thiết sau: - Các má phanh bố trí đối xứng với đờng kính ngang cấu - Hợp lực lực pháp tuyến (N) lực ma sát (fN) đặt vòng cung má phanh bán kính rt Từ sơ đồ ta thấy rằng: - Lực ma sát tác dụng lên guốc trớc (tính theo chiều chuyển động xe) có xu hớng phụ thêm với lực dẫn động, ép guốc phanh vào trống phanh, nên guốc đợc gọi guốc tự siết - Đối với guốc sau, lực ma sát có xu hớng làm giảm lực ép, nên guốc đợc gọi guốc tự tách Hiện tọng tự siết tự tách đặc điểm đặc trng cấu phanh guốc Sơ đồ hình 1.7a có cấu ép khí, dạng cam đối xứng Vì độ dịch chuyển guốc luôn nhau, - áp lực tác dụng lên guốc mô men phanh chúng tạo có giá trị nh nhau: N1 = N2 = N Mp1 = Mp2 =Mp Do tợng tự siết nên N1 = N2 P1 < P2 Đây cấu phanh vừa thuận nghịch vừa cân Nó thờng đợc sử dụng với dẫn động khí nén nên thích hợp cho ôtô tải khách cỡ trung bình lớn Sơ đồ hình 1.7b dùng cấu ép thủy lực, nên lực dẫn động hai guốc nhau: P1 = P2 = P Tuy tợng tự siết nên áp lực N1 > N2 Mp1 > Mp2 Cũng N1 > N2 , nên áp suất bề mặt má phanh guốc trớc lớn guốc sau, làm cho guốc mòn không Để khắc phục tợng đó, số kết cấu ngời ta làm má phanh guốc tự siết dài dùng xi lanh ép có dờng kính làm việc hai phía khác nhau: phía guốc tự siết - đờng kính xi lanh nhỏ Cơ cấu phanh loại cấu phanh thuận nghịch nhng không cân Nó thờng đợc sử dụng ôtô tải cỡ nhỏ vừa bánh sau ôtô du lịch Về mặt hiệu phanh, thừa nhận hệ số hiệu sơ đồ 1.2a: Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 10 Từ sơ đồ, rõ ràng: Ky đây: p Sp(m) Plx, Pms trợ lực; ibđ = r2/r1 p.S p ( m ) ( Plx Pms ) Pbdtl Pbd ibd Pbd - Độ chênh áp hai khoang A B trợ lực; - Diện tích hiệu dụng piston hay màng bầu trợ lực; - Lực lò xo lực ma sát cản trở chuyển động chi tiết - Tỷ số truyền bàn đạp Khi độ chênh áp p vậy, lực trợ lực cha đạt giá trị cực đại, tăng tỷ lệ với lực đạp xác định từ điều kiện cân đĩa cao su (cơ cấu tỷ lệ) trợ lực Do biến dạng cao su tỷ lệ thuận với áp suất nên viết: p S p ( m ) Pc Pd S d Sc Sc Sd P ( S Sc ) ( S Sc ) Từ suy ra: p S p ( m ) c d Pbd ibd d Sc Sc Trong đó: Sđ, Sc - Diện tích tơng ứng đĩa cao su đầu cần tác dụng lên Bởi vậy: S Sc ( Plx Pms ) Ky d (1.52) Sc ibd .Pbd Đặc tính trợ lực trờng hợp tơng ứng với đoạn AB đồ thị 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), hệ số trợ lực Ky đạt cực đại ứng với Pbđ = Pb, sau bắt đầu giảm Trong trờng hợp này: p S ( Plx Pms ) (1.53) K y max p ( m ) ibd .Pbd đây: pmax - Độ chân không max đờng nạp động Khi tính toán lấy pmax = 0,05 MPa = 0,5 Kg/cm2 Công thức (1.53) cho phép ta xác định đợc kích thớc piston hay màng trợ lực, biết Ky thông số khác Để vẽ đặc tính cần sử dụng công thức xây dựng ứng với giai đoạn làm việc tơng ứng Khi cho (1.52) (1.53) xác định đợc giá trị lực tác dụng lên bàn đạp điểm B (khi lực trợ lực đạt cực đại): pmax S p ( m ) S c (1.54) Pb ibd .( S d S c ) Chú ý rằng: dùng trợ lực, hành trình bàn đạp tăng lên lợng Str = tr.ibđ đây: Str = 1,2 1,5 mm - khe hở cần đẩy piston trợ lực Đối với trợ lực chân không loại 2, sơ đồ tính có dạng nh hình 1.100 Từ điều kiện cân màng trợ lực, viết phơng trình: Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 93 pxlc F3 Fm ( p2 p3 ) F7 ( p1 p2 ) Plx đây: pxlc F3, F7, Fm cấu tỷ lệ; p1, p2, p3 Plx (1.55) - áp suất dầu xi lanh chính; - Diện tích tơng ứng piston 3, van không khí màng - áp suất tơng ứng khoang I, II III; - Lực lò xo van không khí Một cách gần đúng, coi: pxlcF3 Fm(p2 - p3) = p.Fm , đó: p = (pxlcF3)/Fm Rõ ràng độ chênh áp p đạt giá trị cực đại áp suất khoang II áp suất khí quyển, tức p2 = p1 p = pmax 0,05 MPa (độ chân không khoang III hay đờng nạp động cơ) Lực tác dụng lên piston hay màng bầu trợ lực độ chênh áp sinh là: Qc = pFp đây: Fp(m) - Diện tích hiệu dụng piston hay màng bầu trợ lực Lực Qc tạo thêm áp suất phụ cho hệ thống: pc = (pFp)/F11 đây: F11 - Diện tích piston 11 xi lanh làm việc Nh vậy, áp suất tổng cộng chất lỏng hệ thống là: F F p p xlc pc p xlc p xlc p Fm F11 Hay: F F p pxlc p Fm F11 (1.56) Trong phơng trình (1.56), hệ số không thứ nguyên đứng cạnh thừa số pxlc biểu thức xác định gần hệ số trợ lực Ky (không kể đến ảnh hởng lực cản lực lò xo tác dụng lên van không khí), tức là: F F Ky p Fm F11 Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 94 Hình 1.100 Sơ đồ tính toán trợ lực chân không loại Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 95 Tính toán trợ lực khí nén: Sơ đồ đặc tính trợ lực nh hình 1.101 Hình 1.101 Sơ đồ tính toán trợ lực khí nén Tơng tự nh tính toán trợ lực chân không, từ sơ đồ ta viết: Ky p x F2 ( Plx Pms ) ( a b) ibd .Pbd b (1.55) đây: px - áp suất khí nén khoang A B trợ lực Khi px cha đạt giá trị max áp suất bình chứa, tăng tỷ lệ với lực đạp đợc xác định từ điều kiện cân piston cấu tỷ lệ: P C1 f1 px F1 Pbd ibd a C1 f1 ( a b) F1 (1.56) đây: C1, f1 - Độ cứng biến dạng lò xo 1; F1 , F2 - Diện tích tơng ứng piston tỷ lệ piston trợ lực; a, b - Các cánh tay đòn đòn Khi px đạt giá trị cực đại áp suất bình chứa, lực trợ lực đạt giá trị cực đại không tăng lên nữa, lúc đó: Ky pmax F2 ( Plx Pms ) (a b) ibd .Pbd b (1.57) Từ biểu thức xác định kích thớc piston trợ lực thông qua giá trị F2, Ky Pbđ Cho px = pmax, từ (1.56) xác định đợc lực tác dụng lên bàn đạp (Pb) hiệu trợ lực đạt giá trị cực đại áp suất xi lanh đợc xác định theo công thức: Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 96 p0 px F2 Pbd bibd ab (1.58) F0 đây: F0 F2 - Diện tích piston xi lanh xi lanh lực 1.3.2.2 Dẫn động khí nén: Tính toán tĩnh học dẫn động phanh khí nén, bao gồm: - Tính toán phần cung cấp dẫn động - Tính toán van phân phối a Tính toán phần cung cấp: + Nhiệm vụ: - Tính toán thể tích bình chứa - Xác định suất máy nén khí + Trình tự: - Thể tích bình chứa: thể tích bình chứa cần phải chọn với lợng dự trữ đủ lớn để giảm tải cho máy nén, đảm bảo cho phải làm việc có tải khoảng 10% đến 30% thời gian chuyển động ôtô, thời gian lại máy nén làm việc không tải để tăng tuổi thọ Điều kiện đợc cụ thể hóa thành điều kiện sau: Tổng thể tích bình chứa cần phải chọn nh để đảm bảo sau tám lần đạp phanh liên tục, áp suất khí nén không giảm xuống thấp nửa áp suất đạt đợc lần đạp phanh thứ nhất, tức là: (1.59) p9 0,5p1 đây: p1 p9 - áp suất tuyệt đối hệ thống, tơng ứng với lần phanh thứ thứ chín áp dụng phơng trình trạng thái pV = mRT = const cho hệ thống dẫn động khí nén, viết: p1(Vbc + Vt) = p0Vbc p2(Vbc + Vt) = p1Vbc = p0Vbc2 pn = p0Vnbc / (Vbc + Vt) đây: pn - áp suất hệ thống phanh lần thứ n p0 - áp suất tính toán Vt - tổng thể tích cần phải nạp khí nén toàn dẫn động lần phanh: (1.61) Vt = Vbầu + Vvan + Vống Các thể tích đễ dàng xác định đợc tính toán hay thực nghiệm có sơ đồ bố trí dẫn động Giải phơng trình (1.60) theo điều kiện (1.59) với n = n = 9, ta xác định đợc tổng thể tích bình chứa: Vbc 11,05Vt, tính toán lấy tròn Vbc = 12Vt Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 97 Trong dẫn động khí nén ôtô máy kéo nay, sử dụng chủ yếu hai cỡ bình chứa tiêu chuẩn 20 40 lít Khi biết Vt chọn cỡ bình ta dễ dàng xác định đợc số lợng bình chứa cho dòng dẫn động hệ thống phanh Đối với phanh dừng, phanh dự trữ phanh phụ khác cần phải có bình chứa riêng - Năng suất máy nén khí: đợc chọn sở sau: Đảm bảo nạp nhanh đầy bình chứa sau khởi động động Giữ cho áp suất hệ thống không giảm giới hạn cho phép phanh liên tục hay có dò rỉ nhỏ mà máy nén thờng xuyên làm việc Theo điều kiện trên, suất khối lợng máy nén Qm thờng đợc chọn lần lợng khí nén tiêu thụ phút, tức là: Qm = (4 6)mt Trong đó: mt - lợng khí nén tiêu thụ phút, đợc tính nh sau: mt = mk. [Kg/ph] đây: - Số lần phanh ngặt phút Khi tính toán thừa nhận =1 mk = ptVt/(RT) - Khối lợng không khí, tiêu thụ cho lần phanh, Kg pt - áp suất không khí bầu phanh phanh, Pa R - số riêng khí, J/(Kg.Ko) T - Nhiệt độ tuyệt đối, Ko Khi tính toán thừa nhận: pt = 7.105 Pa, R = 287,14 J/(Kg.Ko), T = 293oK Nh vậy, suất thể tích cần thiết máy nén là: Qv = Qm.RT/pv (1.62) đây: pv - áp suất không khí đầu vào máy nén, thờng áp suất khí quyển, tức là: pv = 0,1 MPa Máy nén trang bị cần phải có suất thể tích tối thiểu giá trị Qv tính đợc Nếu số liệu suất máy nén, tính kiểm tra theo thông số kết cấu theo công thức: id Snv (1.63) [l / ph] 4000 đây: i - Số lợng xi lanh máy nén khí d - Đờng kính xi lanh, cm S - Hành trình piston, cm n - Số vòng quay trục máy nén, vg/ph v - Hiệu suất truyền khí máy nén Đối với máy nén dùng ôtô: v = 0,50 0,75 Qmn b Tính toán van phân phối: + Sơ đồ tính: nh hình 1.102 + Nhiệm vụ: Xác định thông số kết cấu chính, đảm bảo cho van có đờng đặc tính tĩnh cần thiết, nh: đờng kính (D) piston hay màng tỷ lệ, độ cứng Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 98 (C) lực nén ban đầu (F30) lò xo tỷ lệ 3, hay ngợc lại: xây dựng, kiểm tra đánh giá đờng đặc tính tĩnh van, biết trớc thông số kết cấu + Các số liệu cần biết trớc: - Hành trình Sbđmax bàn đạp, lực Pbđmax cần tác dụng lên bàn đạp - Khe hở h0 van cần piston - Dịch chuyển hmax van - áp suất max không khí bình chứa pbc đầu van phân phối pmax (thờng thờng pmax = pbc tính toán lấy 0,6 MPa = Kg/cm2) - Vùng không nhạy khả thông qua van (khả thông qua van phụ thuộc vào diện tích tiết diện cửa đờng kính van - đợc xác định tính toán động lực học) Hình 1.102 Sơ đồ tính toán van phân phối + Trình tự tính toán: Tính toán van phân phối đợc tiến hành theo đoạn đờng đặc tính tĩnh (Hình 1.103) Hình 1.103 Đặc tính tĩnh van phân phối Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 99 Đoạn oa tơng ứng với dịch chuyển piston tỷ lệ bàn đạp từ vị trí ban đầu đến vị trí mà van (hình 1.102) bắt đầu mở Đoạn vùng không nhạy ban đầu van Đoạn ab biểu diễn trình tăng áp suất pC khoang C: van mở bàn đạp dịch chuyển từ vị trí Sa đến Sb Đoạn bc tơng ứng với hành trình trả bàn đạp từ Sb đến Sc Trong khoảng áp suất khoang C cha kịp giảm xuống Đây vùng không nhạy thứ hai van Đoạn cd biểu diễn trình giảm áp suất pC bàn đạp tiếp tục trở vị trí ban đầu Từ sơ đồ tính toán van (hình 1.102), dựa vào quan hệ động học động lực học chi tiết, ta viết đợc phơng trình sau ; - Phơng trình dịch chuyển bàn đạp: S bd ( x h h0 )ibd (1.64) đây: ibđ = r2/r1 - Tỷ số truyền bàn đạp; x - Biến dạng lò xo tỷ lệ 3; h - Dịch chuyển (độ mở) van 1; h0 - Khe hở ban đầu van đầu piston - Phơng trình cân lực tác dụng lên piston 2: Pbd ibd D pC R (1.65) đây: pC - áp suất không khí khoang C van; R - Lực cản chuyển động piston van Trong trờng hợp tổng quát: R = R0 + R1 + R2 đây: R0 - Lực cản chuyển động piston (khi van cha mở) Lực tổng lực ma sát khô piston xi lanh (Rms0) lực lò xo trả (Rlx), tức R0 = Rms0 + Rlx ; R1 = [d1l1pB + (d32 - d12)(pB - pC)/4] - Lực cản chuyển động van 1, đây: pB = pbc = pmax - áp suất khoang B, áp suất bình chứa - Hệ số ma sát vòng cao su làm kín thành xi lanh (thờng = 0,08) l1 - Chiều rộng vành tiếp xúc vòng cao su làm kín van với thành xi lanh d1, d3 - Đờng kính tơng ứng trụ trợt đờng kính đế van van Chiều rộng đế van đờng kính d1và d3 đợc chọn nh để áp suất pB ép chặt van xuống đế van áp suất tiếp xúc van đế thờng lấy (1,25 1,30)pB pC = Lực cản chuyển động van chênh lêch áp suất khoang, tức pC = pB = pBC nhỏ Vì thế, tính toán thực tế R1 thờng đợc bỏ qua không đáng kể Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 100 R2 - Lực cản chuyển động piston sinh vòng làm kín cao su bị khí nén ép lên thành xi lanh Nếu ký hiệu, l2 chiều rộng vành tiếp xúc vòng làm kín xi lanh, thì: R2 = Dl2pc Nếu chi tiết có dạng màng R2 =0 Nh viết: R R0 + R2 = Rms0 + Rlx + Dl2pC (1.66) áp dụng công thức cho đoạn đờng đặc tính, ta xác định đợc: S a ho ibd (1.67) - Đối với điểm a: R0 Pa ibd S b S max (ho x max hmax )ibd - Đối với điểm b: Pb Pmax D [ R0 D( l ) p B ] ibd (1.68) S c (ho x max )ibd - Đối với điểm c: D {D( l ) p B Rlx Rms ] Pc ibd - Đối với điểm d: S d S bd Khi ( p c p o ) ( R lx R ms ) Pd i bd (1.69) (1.70) đây: xmax - Biến dạng max lò xo tỷ lệ 3; hmax - Dịch chuyển max van 1, thờng thờng h0 hmax nằm giới hạn 2,5 mm Nếu Rlx Rms Pd = Bởi điểm d trùng với gốc toạ độ Vùng không nhạy lực đoạn bc (do lực ma sát đổi chiều) thể qua giá trị: Pbc = Pb - Pc = 2(Rms0 + Dl2pbc)/ibđ (1.71) Các công thức từ (1.64) đến (1.71) sử dụng tính toán thiết kế nh tính toán kiểm tra van phân phối Khi thiết kế, đờng kính d2, d3 dịch chuyển hmax, ho đợc chọn trớc dựa vào khả thông qua cần thiết van (khi tính toán động lực học) Đờng kính D piston tỷ lệ chọn Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 101 sở kết cấu tơng tự có tính đến khả rút gọn kích thớc đến tối thiểu Lực ép ban đầu F30 lò xo đợc chọn theo điều kiện F30 = R0 = Rlx + Rms0 Lực cực đại lò xo 3, F3max = F30 + C.xmax đợc chọn cho pc = q.pmax cốc trợt tỳ sát vào piston (hệ số q thờng lấy 0,7 0,85), tức là: F3max = R0 + C.xmax = R0 + Dl2q.pmax + q.pmax (D2/4) Từ rút ra: xmax = [Dq.pmax(l2 + D/4)]/C (1.72) Thế (1.72) vào (1.68) khử tỷ số truyền ibđ bàn đạp, sau biến đổi ta nhận đợc biểu thức xác định độ cứng lò xo: C D D )[ R0 p maxD( l2 )] 4 D (h0 hmax )[ R0 p maxD( l2 )] qp maxD( l2 S max Pmax (1.73) Khi tính toán kiểm tra, theo phơng trình từ (1.67) đến (1.73) ta xây dựng đờng đặc tính tính toán van tiến hành đánh giá theo giá trị Smax, Pmax độ nhạy (Độ nhạy van nay, kiểm tra theo giá trị p ptb = 0,3 MPa vào khoảng 0,05 MPa) Khi kiểm tra, cần thiết hiệu chỉnh số thông số kết cấu Nếu van phân phối loại hai khoang giống bố trí song song tính toán, giá trị Pmax tất phơng trình đợc thay (Pmax/2) 1.4 Phanh dừng v phanh chậm dần 1.4.1 Phanh dừng 1.4.1.1 Kết cấu Kết cấu cấu phanh phanh dừng nói chung khác biệt nhiều so với cấu phanh phanh Phần tử ma sát phanh dừng có dạng trống guốc, dạng đĩa hay dải Khác với dẫn động phanh chính, dẫn động phanh dừng thờng loại khí kiểu đòn, cáp kéo có cấu khoá (để giữ chặt đòn điều khiển cố định vị trí phanh) hay dùng lò xo tích (đối với phanh dùng dẫn động khí nén) Phanh dừng đợc lắp đặt trục truyền lực (ở đầu trục thứ cấp hộp số hay sau trục đăng mặt bích bánh côn chủ động truyền lực chính) bánh xe (chung cấu phanh với phanh chính) Phanh dừng thờng tác dụng lên bánh sau ô tô Phanh dừng lắp trục truyền lực (còn đợc gọi phanh truyền lực) thờng sử dụng xe du lịch cỡ lớn, xe khách xe tải Phanh dừng truyền lực có dẫn động điều khiển đơn giản làm việc hiệu Tuy có nhợc điểm tải trọng tác dụng lên đăng, truyền lực bán trục phanh lớn Nên gây gẫy vỡ cụm chịu tải phanh Phanh dừng lắp bánh xe (còn gọi phanh bánh xe) có cấu phanh chung với phanh nhng có dẫn động điều khiển độc lập, có u điểm không gây Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 102 tải trọng lớn tác dụng lên chi tiết hệ thống truyền lực phanh, nhng lại đòi hỏi phải có lực dẫn động lớn Vì loại phanh thờng đợc sử dụng nhiều xe du lịch cỡ nhỏ Trên hình 1.104 kết cấu điển hình phanh dừng loại dải loại đĩa lắp đầu trục thứ cấp hộp số Trống (hình 1.104a) đĩa (hình 1.104b) đợc nối với trục thứ cấp hộp số Đối với cấu phanh dải, kéo đòn điều khiển, đòn ép (dạng cam) kéo hai đầu dải phanh qua kéo 5, siết chặt vào trống phanh Lò xo có tác dụng cho phép đòn điều khiển dịch chuyển đợc dải phanh siết chặt vào trống phanh, để đảm bảo cấu khoá luôn trùng khớp Đối với phanh đĩa, kéo đòn điều khiển, guốc 10 đợc ép chặt vào đĩa phanh nhờ đòn ép 11 12 quay quanh chốt lắp giá đỡ Hình 1.104 Sơ đồ kết cấu phanh dừng loại dải loại đĩa a- Loại dải; b- Loại đĩa; 1- trống phanh; 2- Dải phanh; 3- Gối đỡ; 4- Đòn ép; 5Thanh kéo; 6- Lò xo; 7- Đĩa phanh; 8- Giá đỡ; 9- Chốt lề; 10- Guốc phanh; 11, 12- Đòn ép Phanh dừng loại dải thờng đợc sử dụng ô tô nhiều cầu, tải trọng lớn, ô tô tự đổ làm việc mỏ, nh ô tô BelAZ (hình 1.105) kích thớc nhỏ gọn mà tạo đợc mô men phanh lớn Hơn phanh dải có kết cấu đơn giản rẻ phanh trống guốc Kết cấu nguyên lý làm việc phanh dừng BelAZ tơng tự nh mô tả Trên hình 1.106 kết cấu phanh dừng loại trống guốc ô tô họ MAZ lắp mặt bích bánh côn chủ động truyền lực cầu sau Trống phanh gang đợc lắp mặt bích đăng sau trục bánh côn chủ động Trong trống phanh lắp hai guốc phanh loại hàn-dập 16 19 Đầu guốc tỳ vào chốt tỳ bắt chặt đai ốc lên mâm phanh nối cứng với te truyền lực cầu sau Giữa đầu dới guốc lắp cấu điều chỉnh kiểu ren vít với đai ốc hình Trên mâm phanh lắp chốt quay với đòn quay Đòn quay đợc nối với đòn ép 11 lắp lề chốt 12 guốc 19, qua khâu nối 10 Đòn 11 có vấu lắp rãnh 13 nối chốt 15 với guốc phanh thứ hai đợc giữ vị trí ban đầu lò xo Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 103 Hình 1.105 Phanh dừng ô tô BelAZ 1- Thanh kéo; 2, 3- Đai ốc đệm điều chỉnh; 4, 8- Tai đầu dải phanh; 5, 6- Lò xo trả; 7- Đầu tỳ; 9- Đai thép; 10- Dải phanh; 11- Trống quay; 12- Gối đỡ; 13Thanh giằng; 14- Đòn kéo; 15- Đầu nối; 16- Cam ép; 17, 18, 19- Đai ốc bu lông điều chỉnh khe hở; 20- Gối đỡ; 21- Bu lông điều chỉnh khe hở; 22- Lò xo Đòn nhờ dây cáp 24 21, kéo 23 đòn trung gian 22 đợc nối với tay kéo 20 lắp giá đỡ dới bảng đồng hồ buồng lái Tay kéo 20 có cấu cóc hãm để giữ chặt trạng thái kéo phanh Thanh kéo 23 qua đòn gánh 25 kéo 26 đợc nối với đòn quay 27 van điều khiển dẫn động phanh rơ moóc Khi kéo tay kéo 20, qua hệ thống dẫn động khí, đòn đòn quay đi, qua tay nối 10 làm đòn ép 11 quay theo ép lên đẩy 13 đẩy guốc phanh tách ép chặt vào trông phanh Khi phanh ô tô phanh dừng, qua đòn gánh 25 kéo 26 làm phanh rơ moóc hoạt động Điều chỉnh phanh dừng đợc thực nhờ đai ốc hình 18 đầu cáp nối với đòn quay Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 104 Hình 1.106 Phanh dừng truyền lực ô tô họ MAZ 1- Bánh côn chủ động; 2- Trống phanh; 3- Mâm phanh; 4- Chốt tỳ; 5, 14, 17- Lò xo trả; 6- Nạng kéo; 7, 9- Đòn quay; 8, 12, 15- Chốt quay; 10- Tay nối; 11- Đòn ép; 13- Thanh đẩy; 16, 19- Guốc phanh; 18- Đai ốc hình sao; 20- Tay kéo; 21, 24- Cáp kéo; 22, 25, 27- Đòn quay; 23, 26- Thanh kéo Trên hình 1.107 kết cấu phanh dừng lắp bánh xe xe du lịch cỡ nhỏ Trên hình 1.108 kết cấu phanh dừng dẫn động cam hãng Bendix Trên ô tô vận tải đoàn xe kéo moóc sử dụng phổ biến loại phanh dừng bánh xe dùng lò xo tích trình bày phần dẫn động phanh khí nén Loại phanh dừng tin cậy hiệu Nó tự động phanh ô tô lại áp suất dẫn động bị giảm Nhợc điểm làm tăng kích thớc khối lợng dẫn động phanh Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 105 Hình 1.107 Phanh dừng lắp bánh xe dẫn động khí cáp kéo 1, 5- Guốc phanh; 3- Đòn ép; 4, 9- Cam đào; 6- Lò xo; 7- Cáp kéo; 8- Vỏ bọc cáp; 10- Thanh đẩy Hình 1.108 Phanh dừng lắp bánh xe hãng Bendix 1- Đòn quay; 2, 7- Má phanh; 3- Đầu tỳ điều chỉnh đợc; 4- Piston; 5, 9- Cam ép; 6- Đầu tỳ guốc phanh; 8- Trục cam Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 106 1.4.1.2 Tính toán 1.4.2 Phanh chậm dần Kết cấu, tính toán v thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hong Việt 107