Điều khiển lực phanh

3.5.1. Khái niệm

Khi xem xét lực phanh ta thấy:

52

- Khi phanh hệ số bám dọc thay đổi theo độ trƣợt do đó làm cho lực phanh cực đại thay đổi theo. Ngoài ra khi độ trƣợt tăng làm giảm hệ số bám ngang và làm gia tăng nguy cơ lệch hƣớng xe khi phanh.

Để lực phanh đạt giá trị tối ƣu cần phải thực hiện điều khiển lực phanh theo trọng lƣợng phân bố lên các cầu và theo hệ số bám hoặc độ trƣợt khi phanh.

3.5.2. Điều khiển lực phanh theo phân bố trọng lƣợng lên các cầu a. Đặt vấn đề

- Khi phanh, xe có gia tốc do đó phát sinh lực quán tính (xem hình 3.6) và làm thay đổi trọng lƣợng phân bố lên các cầu (xem công thức 3.26, 3.29). Lực phanh tối ƣu lúc này phân bố nhƣ trên đồ thị hình 3.11a

- Khi chất tải, do tính chất của hàng hóa và cách bố trí hàng hóa trên xe cũng làm thay đổi phân bố trọng lƣợng lên các cầu (thay đổi a, b và h - xem công thức 3.26, 3.29).

Thực tế đƣờng và lốp phổ biến hiện nay có hệ số bám khi phanh đang là: φp ≥ -1.Từ đó ta xây dựng lại đƣờng biểu diễn quan hệ

mg Fxp1 và mg Fxp2 nhƣ trên hình 3.11. a) b) Hình 3.11

53

Khi chất tải khác nhau phụ thuộc sự thay đổi của a, b, h ta có một họ đƣờng biểu diễn mối quan hệ

mg Fxp1 và mg Fxp2 nhƣ trên hình 3.11b.

Chúng ta sẽ nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển lực phanh trên các cầu phân bố nhƣ trên hình 3.11.

b. Phƣơng pháp điều khiển

Trƣớc hết để có thể điều khiển lực phanh ta phải nghiên cứu cấu trúc và sự hoạt động của hệ thống phanh

Hệ thống phanh trên ô tô về cơ bản có hai bộ phận chính:

- Cơ cấu phanh: là bộ phận sinh ra mô men cản lại sự quay của bánh xe (mô men phanh). Cơ cấu phanh đƣợc đặt tại bánh xe hoặc bộ phận có liên quan động học đến bánh xe (sau hộp số chẳng hạn). Hiện nay trên ô tô mô men phanh thƣờng là mô men ma sát đƣợc sinh ra từ một cặp chi tiết ma sát, một quay cùng bánh xe, một cố định. Khi phanh lực điều khiển từ ngƣời lái thông qua dẫn động phanh tác động để cặp chi tiết ma sát áp sát vào nhau sinh ra mô men ma sát.

- Dẫn động phanh: là bộ phận truyền lực của ngƣời lái hoặc lực của một bộ phận nào đó (lực khí nén chẳng hạn) đến cơ cấu phanh, điều khiển cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh. Dẫn động phanh có thể bằng cơ khí, chất lỏng, khí nén hoặc liên hợp.

Đối với dẫn động phanh cơ khí thì việc điều khiển lực phanh là không khả thi, hơn nữa trên ô tô dẫn động phanh cơ khí chỉ áp dụng cho phanh dừng (điều khiển bằng tay) mà thôi. Do vậy ta chỉ đặt vấn đề điều khiển lực phanh ở hệ thống phanh dẫn động bằng chất lỏng hoặc khí nén.

Nhƣ đã nói ở trên, để cơ cấu phanh sinh ra mô men phanh Mp cần phải có lực điều khiển, lực này thông qua dẫn động phanh truyền đến cơ cấu phanh để điều khiển cặp chi tiết ma sát áp sát vào nhau. Gọi lực này là P ta có:

Mp = f1(P)(3.31) f1 là một hàm số phụ thuộc vào kết cấu của cơ cấu phanh cụ thể:

54

- Loại cơ cấu phanh: phanh guốc, phanh đĩa; - Kích thƣớc các chi tiết của cơ cấu phanh;

- Vật liệu cặp ma sát: hệ số ma sát của cặp ma sát.

Ở cơ cấu phanh đĩa, hàm f1 là tuyến tính, còn cơ cấu phanh guốc thì hàm f1 không tuyến tính.

Lực P đƣợc sinh ra do một bộ phận sinh lực: nếu dẫn động chất lỏng là pittông – xi lanh sinh lực (ta vẫn thƣờng gọi là pittông – xi lanh công tác), còn dẫn động khí nén thì thƣờng là bầu phanh. Ta có:

Nếu dẫn động phanh chất lỏng, pít tông sinh lực tác động trực tiếp vào má phanh: p d P 4 2   (3.32) Trong đó: d là đƣờng kính xi lanh công

tác (với mỗi cơ cơ cấu phanh kích thƣớc d không đổi), p là áp suất chất lỏng trong dẫn động phanh. Nếu dẫn động phanh là khí nén: p d i P d 4 2   3.33)

Trong đó: d là đƣờng kính bầu phanh, p là áp suất khí nén trong dẫn động phanh; id là tỉ số truyền dẫn động từ bầu phanh đến má phanh.

Mô men phanh Mp và lực phanh Fxp có quan hệ:

d p x p F r M  (3.34) Kết hợp 3.31; 3.32; 3.33; 3.34 ta có:  p f Fxp  (3.35) Hình 3.12

55

Từ biểu thức 3.35, kết hợp với đồ thị hình 3.8 ta xây dựng đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ tối ƣu của áp suất phanh ra cầu trƣớc p1 và ra cầu sau p2 (đồ thị hình 3.12).

Từ những phân tích trên đây ta có thể có các biện pháp điều khiển lực phanh sau đây:

- Tác động vào cơ cấu phanh: thiết kế các cơ cấu phanh trƣớc và sau khác nhau và ta sẽ có lực phanh trên các cơ cấu phanh trƣớc và sau

khác nhau nhƣng theo một tỉ lệ không thay đổi. Phƣơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh cố định. Trên hình 3.13 biểu diễn nguyên tắc của phƣơng pháp này. Đƣờng 1 là đƣờng áp suất lý tƣởng ra phanh trƣớc và phanh sau; đƣờng 2 là đƣờng áp suất thực tế (áp suất ra phanh trƣớc p1 bằng áp suất ra phanh sau p2); đƣờng 3 là đƣờng phân bố lực phanh của xe Fp1 và Fp2 khi áp dụng phƣơng pháp điều chỉnh cố định.

- Tác động vào dẫn động phanh cụ thể là thay đổi áp suất (chất lỏng hoặc khí nén) dẫn động đến cầu trƣớc và cầu sau. Việc thay đổi áp suất dẫn động phanh đến các cầu có thể có 2 phƣơng án:

+ Khi áp suất trong hệ thống đạt đến một giá trị nhất định, áp suất phanh đến cầu sau đƣợc giữ nguyên. Điều chỉnh kiểu này đƣợc gọi là điều chỉnh giới hạn.Trên hình 3.14 biểu diễn nguyên tắc của phƣơng pháp này. Đƣờng 1 là đƣờng áp suất lý tƣởng ra phanh trƣớc và phanh sau; đƣờng 2 là đƣờng áp suất không điều chỉnh (p1

= p2); đƣờng 3 là đƣờng phân bố áp suất phanh khi áp dụng phƣơng pháp điều chỉnh giới hạn.

56 + Khi áp suất trong hệ thống đạt đến

một giá trị nhất định, áp suất dẫn động phanh đến cầu sau tăng chậm lại. Điều chỉnh kiểu này đƣợc gọi là điều chỉnh suy giảm. Trên hình 3.15 biểu diễn nguyên tắc của phƣơng pháp này. Đƣờng 1 là đƣờng áp suất lý tƣởng ra phanh trƣớc và phanh sau; đƣờng 2 là đƣờng áp suất không điều chỉnh (p1 = p2); đƣờng 3 là đƣờng phân bố áp suất phanh khi áp dụng phƣơng pháp điều chỉnh suy giảm.

c. Phƣơng pháp điều chỉnh cố định

Nhƣ đã nói ở trên phƣơng pháp này tác động vào cơ cấu phanh. Ta chỉ cần thiết kế các cơ cấu phanh trƣớc và sau khác nhau là ta sẽ có lực phanh trên các cơ cấu phanh trƣớc và sau khác nhau nhƣng theo một tỉ lệ không thay đổi.

d. Phƣơng pháp điều chỉnh giới hạn

Van hạn chế áp suất:

Đây là một loại điều hoà đơn giản. Trên đƣờng dẫn chất lỏng (hoặc chất khí) ra các cơ cấu phanh sau ngƣời ta đặt một van hạn chế áp suất. Khi áp suất trong hệ thống đạt một giá trị nào đó (theo tính toán của ngƣời thiết kế) van hạn chế áp suất sẽ đóng lại và áp suất chất lỏng (hoặc chất khí) đi đến các cơ cấu phanh sau không tăng lên nữa, đồng thời mô men phanh trên các cơ cấu phanh cầu sau cũng không tăng lên nữa.

Hình 3.15 Hình 3.14

57

e. Phƣơng pháp điều chỉnh suy giảm

Bộ điều hoà lực phanh một thông số kiểu pittông vi sai

Loại điều hoà này chỉ sử dụng một thông số là áp suất sau xi lanh chính (hoặc sau van phân phối) để điều chỉnh áp suất đi đến cơ cấu phanh sau cho nên đƣợc gọi là điều hoà một thông số.

Cấu tạo của bộ điều hoà lực phanh một thông số kiểu pittông vi sai đƣợc thể hiện trên hình 3.16.Bộ điều hoà đƣợc lắp trên đƣờng chất lỏng (dầu phanh) đi đến các cơ cấu phanh sau, nhƣ vậy dầu phanh đi qua bộ điều hòa đến cơ cấu phanh sau. Thân 1 của bộ điều hoà đƣợc cố định lên thân xe.

Xét cân bằng pittông vi sai 3:

Khi không phanh, áp suất trong hệ thống xấp xỉ áp suất khí quyển. Lò xo 2 đẩy pittông vi sai 3 nằm sát sang phía phải, viên bi 5 mở van điều hoà, đƣờng vào và ra của bộ điều hoà thông nhau. Khi phanh áp suất trong hệ thống tăng lên, phía trái của pitttông 3 chịu các lực:  

p d D F 4 2 2  

; còn phía bên phải chịu lực:

p D

4 2

58 Khi p nhỏ:   p D p d D F 4 4 2 2 2    

 . Lúc này van điều hoà mở, áp suất

chất lỏng ra phanh sau bằng áp suất trong hệ thống (tức bằng áp suất ra phanh cầu trƣớc). Khi cƣờng độ phanh tăng lên, áp suất trong hệ thống tăng lên, lực tác dụng lên 2 phía của pittông vi sai tăng lên nhƣng lực tác dụng phía bên phải tăng nhanh hơn (do diện tích lớn hơn). Đến một lúc nào đó lực tác dụng phía phải bằng hoặc lớn hơn phía trái tức:  

p D p d D F 4 4 2 2 2    

 , khi đó van sẽ đóng lại và áp suất

phía phải pittông vi sai (tức áp suất ra phanh sau) không tăng nữa, trong khi đó phía trái áp suất vẫn tiếp tục tăng. Lúc này áp suất bên trái pittông vi sai là p1, phía sau pittông vi sai là p2. Đến một lúc nào đó lại xảy ra:  2 2 2

1 2

4 4

D d D

F   p  p

  , van

lại mở ra. Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi cƣờng độ phanh (tức p1) không tăng nữa.

Khi bộ điều hoà làm việc, pittông vi sai ở trạng thái cân bằng nhƣ sau: Hình 3.16. Bộ điều hoà một thông số kiểu pittông vi sai

1. thân bộ điều hoà; 2: lò xo; 3: pittông vi sai; 4, 5: lò xo và viên bi của van 1 chiều.

59  2 2 2 1 2 4 4 D d D F   p  p   (3.36)

Biến đổi biểu thức 3.36 ta có:

1 2 2 2 2 2 4 p D d D D F p     (3.37) Đặt 2 2 2 2 4 ; F D d A B D D     Nhƣ vậy: p2  A Bp1 ` (3.38)

Biểu thức 3.38 cho ta quan hệ giữa p1 và p2 khi điều hoà làm việc. A và B là các hằng số do vậy p2 thay đổi chỉ khi p1 thay đổi, cho nên điều hoà loại này đƣợc gọi là điều hoà 1 thông số. Đoạn thẳng 4 trên đồ thị hình 3.17 biểu diễn quan hệ giữa p1 và p2 khi hệ thống phanh có lắp điều hoà loại 1 thông số (ta gọi nó là đặc tính của bộ điều hoà).Đoạn thẳng 3 là khi điều hoà chƣa hoạt động, van điều hoà đang mở hoàn toàn, áp suất chất lỏng ra phanh trƣớc và phanh sau bằng nhau. Đoạn thẳng 4 là khi điều hoà hoạt động, áp suất phân bố theo quy luật cho ở biểu thức 3.38. Ta thấy độ nghiêng của đoạn thẳng 4 phụ thuộc B tức phụ thuộc quan hệ giữa D và d; còn điểm bắt đầu của đoạn thẳng 4 phụ thuộc vào A tức phụ thuộc lực căng của lò xo 2. Nhƣ vậy khi thiết kế ta có thể chọn D, d, F sao cho đặc tính của bộ điều hoà gần sát với đƣờng đặc tính yêu cầu của hệ thống phanh. Điều hoà loại này chủ yếu lắp cho xe con là loại xe có sự chênh lệch trọng lƣợng lên cầu sau khi đầy tải và không tải không lớn, tức đƣờng 1 và 2 (trên các đồ thị hình 3.14) gần nhau. Còn đối với xe tải, sự chênh lệch trọng lƣợng lên cầu sau khi đầy tải và không tải tƣơng đối lớn, tức đƣờng 1 và 2 xa nhau (và giữa 2 đƣờng này còn một họ đƣờng ứng với từng tải trọng khác nhau) thì bộ điều hoà loại này không còn thích hợp. Bởi vì bộ điều hoà chỉ có thể thích hợp với một tải trọng nhất định, khi thay đổi tải trọng thì bộ điều hoà không còn thích hợp nữa.

60

Bộ điều hoà lực phanh hai thông số kiểu pittông vi sai

Hình 3.18. Bộ điều hoà hai thông số Hình 3.17.Đƣờng đặc tính của bộ điều hòa 1 thông số

1, 2. Đƣờng phân bố áp suất lý tƣởng khi xeđầy tải và không tải; 3.đƣờng phân bố áp suất khi bộ điều hòa không làm việc;

61

Nhƣ đã nói ở trên, đối với xe tải bộ điều hoà một thông số không thích hợp và ngƣời ta dùng bộ điều hoà hai thông số. Đối với điều hoà một thông số thông số điều chỉnh hoạt động của bộ điều hoà là cƣờng độ phanh tức áp suất p1. Bộ điều hoà hai thông số, ngoài cƣờng độ phanh ngƣời ta đƣa thêm một thông số điều chỉnh nữa đó là tải trọng của xe, cụ thể là khoảng cách giữa cầu sau của xe và thân xe.

Chúng ta biết rằng khi tải trọng thay đổi, biến dạng của hệ thống treo thay đổi và do đó khoảng cách giữa cầu xe và thân xe thay đổi theo. Tải trọng tăng, khoảng cách giữa cầu xe và thân xe giảm đi và ngƣợc lại, tải trọng giảm, khoảng cách giữa cầu xe và thân xe tăng lên.

Cấu tạo của bộ điều hòa 2 thông số đƣợc thể hiện trên hình 3.18

Sự khác biệt của bộ điều hoà 2 thông số so với bộ điều hoà 1 thông số là đế của lò xo 2 không phải cố định trên thân bộ điều hoà mà đƣợc nối với cầu sau thông qua một hệ thống đòn. Khi tải trọng thay đổi khoảng cách giữa cầu sau và thân xe thay đổi làm cho đế lò xo di chuyển dẫn đến thay đổi chiều dài H của lò xo và do đó lực căng F của lò xo thay đổi. Nhƣ vậy lực F thay đổi theo tải trọng và do đó hệ số

62

A trong biểu thức 3.8 cũng thay đổi theo và kết quả là ứng với một tải trọng ta có một đƣờng đặc tính (các đƣờng 4 trên hình 3.19).

3.5.3. Điều khiển lực phanh theo hệ số bám a. Đặt vấn đề

Nhƣ đã trình bày ở mục 3.3.4, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đƣờng khi phanh thay đổi theo độ trƣợt. Trong trƣờng hợp tổng quát, giá trị độ trƣợt bánh xe và hệ số bám khi phanh có giá trị âm. Trong mục này ta chỉ nghiên cứu trƣờng hợp phanh do đó để đơn giản ta chỉ quan tâm đến giá trị hệ số trƣợt và hệ số bám mà không quan tâm đến dấu của chúng. Trên hình 3.20 biểu diễn sự thay đổi của hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy khi độ trƣợt λp thay đổi.

Từ đồ thị ta thấy:

- Khi độ trƣợt λp tăng từ 0 đến 100%, hệ số bám dọc φy tăng và đạt cực đại φxmax tại độ trƣợt nằm trong khoảng 15 ÷ 25 %, sau đó giảm dần và khi λp = 100% thì φx ≈0,8 φxmax.

Hình 3.20

63

- Đối với hệ số bám ngang φy, khi độ trƣợt λp tăng thì φy liên tục giảm và đạt giá trị rất thấp khi λp = 100%.

Ta thấy rằng khi phanh nếu độ trƣợt lớn (đặc biệt khi λp đạt 100%) thì sẽ gây nên nên những hậu quả xấu:

- Hệ số bám dọc φx giảm, làm giảm lực phanh cực đại vì Fpmax = Fbφx.

- Hệ số bám ngang φy giảm mạnh làm tăng nguy cơ lệch hƣớng xe, thậm chí quay xe khi phanh bởi vì khi phanh sẽ xuất hiện lực quán tính theo chiều chuyển động của xe, nếu trọng tâm xe không nằm trên tâm hình học của xe (mà điều này thì luôn xảy ra) thì sẽ làm xuất hiện mô men Fqa (a là khoảng cách từ trọng tâm xe đến tâm hình học của xe) tác dụng vào xe, trong lúc đó hệ số bám ngang đã giảm đi đáng kể và khả năng lệch hƣớng hoặc quay xe xảy ra là rất cao.

Nhƣ vậy ta thấy rằng khi phanh không nên để xe bị trƣợt lết và để phanh đạt