Tính toán hệ thống phanh

Việc thiết kế, tính toán hệ thống phanh được thực hiện theo quy trình sau:

+ Bƣớc 1: Tính toán động lực học

Trên cơ sở sơ đồ tính toán được thiết lập cho xe thiết kế, cần xác định phản lực từ đường lên bánh xe Rzi, lực phanh lý tưởng Fiu

, mô men phanh Miu và lực phanh cực đại theo khả năng bám Fi (phụ thuộc vào gia tốc tương đối ). Dựa trên kết quả thu được cần xây dựng các đồ thị phân bố lực phanh và các đường parabol phân bố lực phanh riêng lý tưởng cho các trường hợp không tải và đầy tải.

+ Bƣớc 2: Tính toán cơ cấu phanh

Lựa chọn loại cơ cấu phanh thiết kế và xác định sơ bộ các thông số kết cấu của cơ cấu phanh trên cơ sở tham khảo các xe tương tự. Tiến hành tính toán động lực học cơ cấu phanh và tính kiểm tra bền, điều kiện thoát nhiệt và tính toán các chi tiết.

+ Bƣớc 3: Kiểm tra theo tiêu chuẩn ECE R13

Cần xây dựng biểu đồ gồm các đồ thị ki theo và so sánh với tiêu chuẩn. Nếu không đáp ứng cần đưa ra giải pháp khắc phục.

+ Bƣớc 4: Tính toán dẫn động phanh

+ Bƣớc 5: Tính toán các phần tử trong dẫn động 2.3.1. Tính toán động lực học

a) Phản lực thẳng đứng lên các cầu của ô tô ( hình 2):

Cầu trước: Rz1G1 , (2.6)

Cầu sau: Rz2G , (2.7)

Cụm cầu sau:

Trong đó: = a/L; = hg/L; G, N – Trọng lượng ô tô; L, m – chiều dài cơ sở ô tô; а và b, m – khoảng cách từ trọng tâm tới tâm các cầu trước và sau; hg , m – chiều cao trọng tâm ô tô.

Các phản lực trên có thể được tính từ trọng lượng phân bố lên các cầu:

41

Rz2 G2G  , (2.10)

G1 và G2 là trọng lượng phân bố lên các cầu ở trạng thái tĩnh. Phân bố trọng lượng lên các cầu ô tô được cho trong (Phụ lục 1). Chiều cao trọng tâm ô tô được tính theo (Phụ lục 2.)

Gia tốc tương đối được tính như sau:

Đối với sơ đồ hình 3a:

Rz1Gт1т т  , (2.12)

Rz2Gтт т  , (2.13)

Rz3Gп1п п  , (2.14)

Rz4Gпп п  , (2.15)

Trong đó: Gт– trọng lượng ô tô (N); Gп – trọng lượng mooc (N);

т= а/Lт; п= с/Lп; т = hgт/Lт; п = hgп/Lп.

b) a)

G.T

42

Hình 2.2. Sơ đồ tính toán phản lực lên các cầu ô tô

Hình 2.3. Sơ đồ tính toán phản lực lên các cầu đoàn xe

c) ) a) b) G.T GT.T GT.T G. G.

43

Tương tự như đối với ô tô không có mooc, nếu biết phân bố trọng lượng lên các cầu, có thể tính phản lực như sau :

Rz1G1т Gт, (2.16)

Rz2G2т Gт, (2.17)

Rz3G3п Gп , (2.18)

Rz4G4п Gп , (2.19)

G1, G2, G3, G4 – trọng lượng trên các cầu tương ứng.

b) Lực và mô men phanh:

Lực phanh lý tưởng:

 (2.20)

Lực phanh thực:

FiRziki , (2.21)

với ki gọi là hệ số sử dụng lực bám (hệ số bám hiệu dụng). Lực phanh cực đại bị giới hạn bởi lực bám:

FiRzi , (2.22)

Giá trị lớn nhất của hệ số bám max có thể lấy bằng 0,9…1,2 đối với ô tô con, ô tô khách và 0,8…1,0 đối với ô tô tải.

Mô men phanh tại các bánh xe của cầu thứ i:

  (2.23)

với rdi là bán kính động lực của bánh xe.

Lực phanh riêng lý tưởng của cầu trước và cầu sau bằng:

      (2.24)

Để xây dựng các đồ thị đặc tính, gia tốc tương đối lấy trong khoảng từ 0 đến 1, còn hệ số bám lấy từ 0,1 đến 1,0. Các số liệu tính toán các thông số động lực học (ĐLH) phanh ô tô: Rzi, Fi, Mi và Di được cho vào bảng (Phụ lục 3).

Các giá trị lực phanh cực đại, giới hạn bởi lực bám được đưa vào bảng (Phụ lục 5 ). Do Fi phụ thuộc vào theo quan hệ tuyến tính, nên chỉ cần xác định Fi

44

Trong hệ thống phanh ô tô, phân bố lực phanh thực trên các cầu luôn tuân thủ quan hệ tuyến tính: =F2/F1 = const.

Gọi Ф là hệ số tỷ lệ phân bố lực phanh lên cầu sau, ta có thể viết:



 

 Với một tỷ lệ phân bố lực phanh nhất định, lực phanh thực tại các cầu: F11G . ; F2 G  (2.26) F =G

Lực phanh riêng trong trường hợp phân bố tuyến tính:

D1 1 ; D2 (2.27) Quan hệ giữa các lực phanh riêng:

  Hệ số sử dụng lực bám tại các cầu:      

Trong trường hợp phân bố lực phanh lý tưởng (k1=k2), lực phanh riêng tại cầu sau được tính như sau:

и  (2.30)

Trên hình 2.4 thể hiện một ví dụ về các mối quan hệ giữa lực phanh lý tưởng Fи, lực phanh thực Fi và lực phanh cực đại Fi với gia tốc tương đối . Lấy

=0,4.

So sánh lực phanh thực Fi (đường mảnh) với lực phanh lý tưởng Fи

(đường đậm, có thể thấy với giá trị từ 0 đến 0,575 cầu trước bị “phanh quá” còn cầu sau thì “phanh thiếu”.

Với giá trị gia tốc tương đối lớn hơn, thì cầu trước “phanh thiếu”, còn cầu sau “phanh quá”, nghĩa là ô tô có nguy cơ mất ổn định.

Giá trị gia tốc tương đối, tương ứng với thời điểm bánh xe bị hãm cứng được xác định bằng cách so sánh lực phanh cực đại Fi với lực phanh thực FI. Ví dụ, với

45

= 0,8, các bánh sau bị bó cứng. Gia tốc tương đối lúc này đạt được là 0,75 (điểm A trên đồ thị, là giao điểm của đường F2 tại = 0,8 với đường F2). Các bánh xe cầu trước không bị bó cứng trong điều kiện này và đạt được gia tốc tương đối 0,9 (điểm B).

Trên đường ướt có = 0,4, các bánh xe cầu trước bị bó cứng trước (điểm C). Như vậy, ô tô có = 0,4 sẽ không ổn định trên đường khô, nhưng ổn định trên đường ướt.

Hình 2.4. Quan hệ giữa lực phanh lý tưởng Fи

, lực phanh thực F và lực phanh cực đại F với gia tốc tương đối Khối lượng ô tô 1820 kg;  = 0,52;  = 0,22[6].

Đồ thị phân bố lực phanh riêng lý tưởng thể hiện trên hình 2.5. Trên đồ thị này cũng thể hiện các đường lực phanh cực đại (các đường thẳng với hệ số bám không đổi).

Giá trị lực phanh riêng cực đại trên các cầu được xác định như sau:

( * L ực ph an h

Gia tốc tương đối

46

( *

Do mối quan hệ giữa  với  và với hệ số bám  là tuyến tính, nên chỉ cần xác định  ở các giá trị biên của  (bằng 0 và 0,5). Giá trị của hệ số bám nên lấy từ 0,1 đến 1,2. Kết quả tính toán cho vào bảng (Phụ lục 5).

Tương tự như vậy, tính các giá trị  theo các giá trị của  (bằng 0 và 1).

Đường parabol phân bố lực phanh lý tưởng (đường 1 trên hình 2.5) được xây dựng theo các số liệu trong bảng (phụ lục 3). Tuy nhiên, nó cũng có thể được vẽ theo các điểm cắt của các đường thẳng lực phanh lý tưởng cực đại của cầu trước và cầu sau tương ứng với các hệ số bám bằng nhau với gia tốc tương đối . Trên đồ thị cũng thể hiện đường thẳng 2 phân bố lực phanh thực (trong trường hợp này lấy

= 0,4).

Đồ thị trên thể hiện trực quan các tính chất phanh của một ô tô thực. Giao điểm của đường parabol 1 với đường thẳng 2 là điểm giới hạn, tại đây phân bố thực bằng phân bố lý tưởng, nghĩa là hệ số bám hiệu dụng đạt giá trị tối ưu. Điểm này

Hình 2.5. Đồ thị phân bố lực phanh riêng[6] 1- Trường hợp phân bố lý tưởng Фи, 2- Trường hợp phân bố thực Ф.

Khối lượng ô tô 1820 kg;  = 0,52;  = 0,22.

47

tương ứng với gia tốc tương đối kp= 0,575. Điểm giới hạn chia đồ thị thành 2 phần: phần ổn định và phần không ổn định. Với < kp các bánh trước bị bó cứng, nên trong quá trình phanh chuyển động của ô tô vẫn ổn định. Khi > kp, các bánh sau sẽ bị bó cứng vì lực phanh riêng tạo nên bởi các cơ cấu phanh cầu sau D2

lớn hơn lực phanh riêng lý tưởng  theo điều kiện bám. Giá trị gia tốc tương đối tại điểm giới hạn:





Để phân tích chuyển động của ô tô trên các loại đường có hệ số bám khác nhau cần so sánh lực phanh riêng lý tưởng  với lực phanh riêng thực tế mà hệ thống phanh của ô tô đạt được.

Chẳng hạn, nếu phanh ô tô trên đường với hệ số bám = 0,4, các bánh xe cầu trước sẽ bị lết trước, khi đó gia tốc tương đối đạt được là = 0,37 (điểm A, là điểm cắt giữa đường D1 có = 0,4 với đường phân bố lực phanh thực 2). Trong trường hợp này, các bánh xe cầu sau không bị bó cứng và gia tốc tương đối đạt được là = 0,43 (điểm B).

2.3.2. Đánh giá hệ thống theo ECE R13

a) Ô tô 2 cầu

Để đánh giá chất lượng phanh của ô tô 2 cầu người ta xây dựng đường cong hệ số bám hiệu dụng ki theo gia tốc tương đối cho cả 2 cầu xe. Để xây dựng các đường cong này, người ta sử dụng các công thức sau:

Trong đó:

là phản lực từ đường lên các cầu ở trạng thái tĩnh; F1, F2 là lực phanh thực tế tại các cầu;

48

G- trọng lượng của ô tô.

Các đường cong được xây dựng cho ô tô không tải và đầy tải với = 0,1…0,8. Không phụ thuộc vào chủng loại, tất cả các ô tô phải thỏa mãn điều kiện sau:

0,10,85(0,2) , (2.36)

trong đó thay đổi trong khoảng từ 0,2 đến 0,8.

Trong phần lớn các trường hợp, khi tính toán động lực học phanh ô tô giá trị lực phanh thực của ô tô chưa biết. Vì vậy, việc tính toán hệ số bám hiệu dụng ki theo các giá trị khác nhau của được thực hiện theo công thức 2.29. Hệ số tỷ trọng lực phanh cầu sau được xác định theo phương pháp trình bày dưới đây.

Từ bảng (Phụ lục 3) chọn giá trị mô men phanh lý tưởng  tương ứng với giá trị = 0,7. Áp suất trong dẫn động phanh cần có để tạo được mô men phanh trên được xác định tùy theo loại dẫn động:

Đối với dẫn động thủy lực:

Trong đó: kтi – hệ số tỷ lệ trong quan hệ giữa mô men phanh và lực tác động lên guốc phanh:

Mi = kтiFsi; кц – hiệu suất xi lanh thủy lực; n số bánh xe trên cầu ; dкц, m – đường kính xi lanh công tác được chọn theo xe mẫu

Đối với dẫn động khí nén:

Trong đó:

к – hiệu suất của cơ cấu phanh; Аэкi, m2 – diện tích hiệu dụng của bầu phanh; Uкi – tỷ số truyền của cơ cấu cam dẫn động các guốc phanh.

Tiếp theo, cần xác định mô men phanh M2 được tạo bởi các cơ cấu phanh của dòng dẫn động thứ hai của hệ thống phanh. Áp suất trong hệ thống dẫn động

49

được lấy bằng nhau cho cả hai dòng. M2 được tính theo các công thức 2.37 và 2.38 với các thông số được lấy cho cầu sau.

Chỉ số tương quan lực phanh được tính như sau:



Đối với dẫn động khí nén:

Đối với dẫn động thủy lực kiểu “II”, “X” và “HH” (xem hình 2.1):

Trong đó: dц1 và dц2 là đường kính xi lanh công tác ở cầu trước và sau. Đối với dẫn động thủy lực kiểu “HI” và “LL” (xem hình 2.1):

( )|

Các giá trị tính được của ki( ) được cho vào bảng (Phụ lục 6).

Với các số liệu tính toán thu được như trên, người ta xây dựng các đồ thị k1 và k2 theo hệ số bám hiệu dụng cho 2 trường hợp : không tải và đầy tải. Trên các đồ thị này cần thể hiện các đường giới hạn k theo tiêu chuẩn ECE R13.

Trên hình 2.6 thể hiện các đồ thị mô tả tiêu chuẩn ECE R13 cho tất cả các loại xe.

Đối với mọi chế độ tải trọng của ô tô đường cong hệ số bám hiệu dụng k1( ) ở các bánh xe cầu trước phải nằm trên đường k2( ) khi thỏa mãn các điều kiện sau[6].

1) Đối với các ô tô loại M1 và N1 có khối lượng không quá 2000 kg hoặc có hệ số thay đổi tải trọng lên cầu sau ở chế độ toàn tải và không tải không quá 1,5, yêu cầu trên cần phải thỏa mãn trong khoảng 0,15 < < 0,8 (hình 2.6.a). Nếu không đảm bảo được các yêu cầu trên, thì trong vùng 0,3 < < 0,45 cho phép đường cong

50

k2( ) nằm trên đường k1( ), nhưng khi đó các giá trị của k2( ) trong vùng này không được vượt quá giá trị  = + 0,05, đây gọi là yêu cầu bổ sung (hình 2.6.b).

Hình 2.6. Đồ thị mô tả quy định tiêu chuẩn ECE R13

51

Hình 2.6. Đồ thị mô tả quy định tiêu chuẩn ECE R13 (tiếp theo)

2) Đối với các ô tô loại N1 đường cong k1( ) cần nằm cao hơn đường k2( ) trong vùng 0,15 < < 0,5 (hình 2.6.c). Nếu không đảm bảo được các yêu cầu trên, thì có thể sử dụng các điều khoản bổ sung (hình 2.6.d) trong vùng 0,15 < < 0,3 các đường ki( ) phải nằm giữa 2 đường thẳng  =  0,08, trong đó cho phép đường k2( ) có thể cắt đường thẳng bên dưới:  = - 0,08. Trong vùng 0,3 < < 0,5 các đường ki( ) bị giới hạn trên bởi đường  = + 0,08. Trong vùng 0,5 < < 0,61 các đường ki( ) bị giới hạn trên bởi đường  =( - 0,21)/0,5.

3) Đối với các loại ô tô còn lại đường cong k1( ) cần nằm cao hơn đường k2( ) trong vùng 0,15   0,3 (hình 2.6.e). Nếu không thỏa mãn được các điều kiện này có thể sử dụng điều khoản bổ sung cho phép các đường ki( ) như trên hình 6.f. Trong vùng 0,15   0,3 các đường ki( ) phải nằm giữa các đường thẳng  =  0,08, còn khi > 0,3 các đường ki( ) không được cắt đường  = ( - 0,02)/0,74.

Các quy định của tiêu chuẩn ECE R13 được cho trong bảng 2.1.

b) Ô tô nhiều cầu

Đối với các loại ô tô có trên 2 cầu điều kiện 2.36 bắt buộc phải thỏa mãn. Ngoài ra, đối với = 0,15…0,30 hệ số sử dụng lực bám của ít nhất một cầu trước phải lớn hơn hệ số sử dụng lực bám của ít nhất một cầu sau.

52

Bảng 2.1. Vùng biến thiên hệ số mà trong đó k1( ) phải lớn hơn k2( ) đối với các loại phương tiện

Loại xe Quy định chính Quy định bổ sung M1-N1 (dưới 2000 kg) 0,15…0,80

Cho phép đường cong k2( ) nằm trên đường

k1( ) trong khoảng 0,30…0,45, nhưng không được vượt quá mức 0,05 so với đường  = .

N1

0,15…0,50

Quy định được coi là thỏa mãn, nếu:

- đối với trong khoảng 0,15…0,30 các đường cong

ki ( ) nằm giữa các đường thẳng  = ± 0,08. Khi đó đường k2( ) có thể cắt đường thẳng  = - 0,08;

- đối với trong khoảng 0,3…0,5

- 0,08.

- đối với trong khoảng 0,5…0,61

0,5+ 0,21

Các loại xe

khác 0,15…0,30

Quy định được coi là thỏa mãn, nếu:

- đối với trong khoảng 0,15…0,30 các đường ki ( ) nằm giữa các đường  = ± 0,08;

- đối với  0,3

53

Chƣơng 3

KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHANH Ô TÔ THEO TIÊU CHUẨN ECE R13

Trên cơ sở đánh giá hệ thống phanh theo tiêu chuẩn ECE R13 đã trình bày ở Chương 2, ở Chương 3 ta sẽ tính toán khảo sát cho một xe chở người loại M1 là xe TOYOTA INOVA và xe chở hàng N3 là xe HYUNDAI HD250.

3.1. Tính toán cho xe TOYOTA INOVA

3.1.1. Các thông số kỹ thuật của xe

Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của xe Toyota Inova

Thông số chung

Trọng lượng bản thân: 15750 N

Số người cho phép chở: 07 người

Trọng lượng toàn bộ: 21390 N

Kích thước xe (D x R x C): 4585 x 1760 x 1745 mm

Chiều dài cơ sở: 2750 mm

Vệt bánh xe (trước/sau): 1510/1510 mm

Công thức bánh xe: 4 x 2

Động cơ

Nhãn hiệu TOYOTA 1TR-FE

Thể tích xi lanh 1998

Công suất lớn nhất 100 kW/ 5600 v/ph

Lốp xe

Số lốp trên trục I/II 02/02

Lốp trước/sau 205/65 R15 /205/65 R15

Phanh trước /Dẫn động : Phanh đĩa /thuỷ lực, trợ lực chân không Phanh sau /Dẫn động : Tang trống /thuỷ lực trợ lực chân không Phanh tay /Dẫn động : Tác động lên bánh xe trục 2 /Cơ khí

3.1.2. Tính toán động lực học phanh ô tô a) Sơ đồ tính toán a) Sơ đồ tính toán

54

Hình 3.1 Sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

b) Các thông số tính toán

Bảng 3.2. Các thông số tính toán của xe Toyota Inova