3)
3.5. Trợ lực phanh của Vios
Trợ lực phanh xe Toyota Vios dùng là loại trợ lực chân không. Nó là bộ phận rất quan trọng, giúp người lái giảm lực đạp lên bàn đạp mà hiệu quả phanh vẫn cao. Trong bầu
trợ lực có các piston và van dùng để điều khiển sự làm việc của hệ thống trợ lực và đảm bảo sự tỉ lệ giữa lực đạp và lực phanh.
Hình 3. 13 Bầu trợ lực chân không.
Nguyên lý làm việc của bộ trợ lực chân không:
Bầu trợ lực chân không có hai khoang A và B được phân cách bởi piston (hoặc màng).
Van chân không, làm nhiệm vụ: Nối thông hai khoang A và B khi nhả phanh và cắt
đường thông giữa chúng khi đạp phanh.
Van không khí, làm nhiệm vụ: cắt đường thông của khoang A với khí quyển khi
nhả phanh và mở đường thông của khoang A khi đạp phanh.
Vòng cao su là cơ cấu tỷ lệ: Làm nhiệm vụ đảm bảo sự tỷ lệ giữa lực đạp và lực
phanh.
Khoang B của bầu trợ lực luôn luôn được nối với đường nạp động cơ qua van một chiều, vì thế thường xuyên có áp suất chân không.
Khi nhả phanh: van chân không mở, do đó khoang A sẽ thông với khoang B qua van
Khi phanh: người lái tác dụng lên bàn đạp đẩy cần dịch chuyển sang phải làm van chân
không đóng lại cắt đường thông hai khoang A và B, còn van không khí mở ra cho không
khí qua phần tử lọc đi vào khoang A. Ðộ chênh lệch áp suất giữa hai khoang A và B sẽ tạo nên một áp lực tác dụng lên piston (màng) của bầu trợ lực và qua đó tạo nên một lực phụ hỗ trợ cùng người lái tác dụng lên các piston trong xilanh chính, ép dầu theo các ống dẫn đi đến các xylanh bánh xe để thực hiện quá trình phanh.
Khi lực tác dụng lên piston tăng thì biến dạng của vòng cao su cũng tăng theo làm cho
piston hơi dịch về phía trước so với cần, làm cho van không khí đóng lại, giữ cho độ chênh áp không đổi, tức là lực trợ lực không đổi. Muốn tăng lực phanh, người lái phải tiếp tục đạp mạnh hơn, cần lại dịch chuyển sang phải làm van không khí mở ra cho không khí đi thêm vào khoang A. Ðộ chênh áp tăng lên, vòng cao su biến dạng nhiều hơn làm piston hơi dịch về phía trước so với cần, làm cho van không khí đóng lại đảm bảo cho độ chênh áp hay lực trợ lực không đổi và tỷ lệ với lực đạp. Khi lực phanh đạt cực đại thì van không khí mở ra hoàn toàn và độ chênh áp hay lực trợ lực cũng đạt giá trị cực đại.
Bộ trợ lực chân không có hiệu quả thấp, nên thường được sử dụng trên các ô tô du lịch và tải nhỏ.
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH 4.1.Tính toán hệ thống phanh trên xe TOYOTA VIOS
Các thông số cơ bản dùng để tính toán:
Trọng lượng toàn bộ Ga = 1520 [KG] = 15200[N] Phân bố cầu trước G1 = 820 [KG] = 8200 [N] Phân bố cầu sau G2 = 700 [KG] = 7000 [N] Chiều dài cơ sở Lo = 2550 [mm]
Chiều rộng cơ sở S = 1480 [mm]
4.1.1.Xác định momen phanh yêu cầu:
Mômen phanh cần sinh ra được xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu quả phanh lớn nhất, tức sử dụng hết lực bám để tạo lực phanh. Muốn đảm bảo điều kiện đó, lực phanh sinh ra cần phải tỷ lệ thuận với các phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe.
w P v gh P j a G b a P 2 2 Z 2 O 1 Z P 1 O 1 L
Hình 4. 1 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh.
Tải trọng phân bố lên cầu trước và cầu sau: m1, m2.
𝑚1 =𝐺1 𝐺𝑎 𝑚2 =𝐺2 𝐺
G1, G2: Trọng lượng phân bố lên cầu trước và sau.
Ga : Trọng lượng không tải của xe.
a, b : Tọa độ trọng tâm theo chiều dọc.
Theo sơ đồ trên hình 4.1 ta quy ước chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ. Lấy mô men tại điểm O1 ta có:
𝐺2. 𝑎 − 𝑍2. 𝐿𝑂 = 0 ⟹ 𝑍2 =𝐺𝑎. 𝑎 𝐿𝑂 Mặt khác 𝑍2 = 𝐺2 ⟹ 𝑚2 =𝐺2 𝐺𝑎 = 𝐺2 𝐺𝑎 = 𝐺𝑎. 𝑎 𝐿𝑂. 𝐺𝑎 = 𝑎 𝐿𝑜 ⟹ 𝑎 = 𝑚2𝐿𝑜 =𝐺2. 𝐿𝑜 𝐺𝑎
Thay số vào ta được:
𝑎 = 8200.2550
15200 = 1220 (mm) = 1.7(m)
Từ sơ đồ 4.1 ta thấy:
𝑎 + 𝑏 = 𝐿𝑜
⟹ 𝑏 = 𝐿𝑜 − 𝑎 = 2550 − 1170 = 1380 (𝑚𝑚) = 1.38(𝑚)
Suy ra ta viết được phương trình cân bằng mô men như sau:
a) Đối với cầu trước:
𝑍2. 𝐿𝑂 − 𝐺𝑎. 𝑎 + 𝑃𝑗. ℎ𝑔 = 0
b) Đối với cầu sau:
𝑍1. 𝐿𝑂 − 𝐺𝑎. 𝑏 + 𝑃𝑗. ℎ𝑔 = 0 Mặt khác ta có: 𝑃𝐽 = 𝐽𝑝. 𝑚𝑎 = 𝐽𝑝 ∙𝐺𝑎 𝑔 Trong đó: Pj: Lực quán tính.
ma: Khối lượng của ôtô
g: Gia tốc trọng trường Thay vào và ta được:
𝑍1 =𝐺𝑎 𝐿𝑜(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔 𝑔 ) 𝑍2 =𝐺𝑎 𝐿𝑜(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔 𝑔 )
Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường:
𝑃𝑝1 = 𝜑 ∙𝑍1 2
Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường:
𝑃𝑝2 = 𝜑 ∙𝑍2 2
Trong đó: φ là hệ số bám giữa lốp và mặt đường. Ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường là:
𝑃𝑝1 = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔
𝑔 ) = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 + 𝜑. ℎ𝑔)
Ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường là:
𝑃𝑝2 = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 +𝑗𝑝. ℎ𝑔
𝑔 ) = 𝜑 ∙ 𝐺𝑎
2. 𝐿𝑂(𝑏 + 𝜑. ℎ𝑔)
Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước:
𝑀𝑃1 = 𝑃𝑃2. 𝑟𝑏𝑥 𝑀𝑃1 = 𝜑𝑧1
2 𝑟𝑏𝑥 = 𝐺𝑎. 𝜑
2. 𝐿𝑂 (𝑏 + 𝜑. ℎ𝑔). 𝑟𝑏𝑥
Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau:
𝑀𝑃2 = 𝑃𝑃2. 𝑟𝑏𝑥
Trong đó:
- Mp1: Mômen phanh mỗi bánh xe ở cầu trước.
- P1: Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường.
- Mp2: Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau.
- P2: Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau với mặt đường.
- Z1: Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu trước.
- Z2: Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu sau.
- rbx: Bán kính làm việc của bánh xe. Theo tư liệu trong môn lý thuyết ô tô, ta có:
𝑟𝑏𝑥 = 𝜆. 𝑟𝑜 [𝑚𝑚]
r0: Bán kính thiết kế của bánh xe. r0 = (H +
2
d
) 25,4 [mm]. Trong đó:
H: Bề rộng của lốp, [inch]. Trong đó, 1 inch = 25.4mm;
d: Đường kính vành bánh xe, [inch].
λ: Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp, gồm:
λ = 0,93 ÷ 0,935 (cho lốp có áp suất thấp).
λ = 0,945 ÷ 0,95 (cho lốp có áp suất cao). Ta có kí hiệu lốp: 185/60R15.
Đối với xe du lịch ta chọn lốp có áp suất thấp λ = 0.93 ÷ 0.935. Chọn λ = 0,93 Do vậy: 𝑟𝑏𝑥 = (H + 2 d ∙ 25,4) . 𝜆 𝑟𝑏𝑥 = (185 +15 2 ∙ 25,4) . 0,93 = 349,215 [𝑚𝑚].
hg = 0,5.S; với S = 1480 [mm]. Vậy: hg = 0,5.1480 = 735 [mm]. Thay các giá trị vào các công thức ta được:
Mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước Mp1:
𝑀𝑝1 =15200𝜑
2. 2,55 ∙ (1,3 + 𝜑. 0,735). 0,349215 𝑀𝑝1 = 1436,301𝜑 + 764,9863. 𝜑2 Mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau Mφ2:
𝑀𝑝2 = 1217,33𝜑 − 764,9863. 𝜑2
Từ hai phương trình trên, ta thấy mô men phanh của các bánh xe ở cầu trước và cầu sau là một hàm số bậc hai theo hệ số bám φ.
Ta có quan hệ giữa hệ số bám φ và độ trượt λ theo đồ thị:
Hình 4. 2 Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và hệ số bám ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh xe.
Để lập được mối quan hệ giữa mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước và cầu sau theo độ trượt λ, dựa vào đồ thị giả sử các giá trị của hệ số bám dọc φx theo độ trượt
Quan hệ giữa hệ số bám dọc φx và độ trượt λ.
λ 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% φx 0 0.61 0.72 0.715 0.68 0.64 0.62 0.6 0.585 0.57 0.53
Ứng với các giá trị của φx ta xác định được mô men phanh Mp trên các cầu như trong bảng, và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mô men phanh Mp và độ trượt λ khi phanh như hình.
Quan hệ giữa mô men phanh Mp và độ trượt λ
λ 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% φx 0 0.61 0.72 0.715 0.68 0.64 0.62 0.6 0.585 0.57 0.53 Mp1(N.m ) 0 1160.8 1430.7 1418.0 1330. 4 1232. 6 1184.6 1137.2 1102. 0 1067. 2 976.1 Mp2(N.m) 0 458.1 480.1 479.5 474.3 466.0 460.9 455.24 450.5 7 445.5 6 430.5
Hình 4. 3 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mô men phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước và cầu sau theo độ trượt λ.
Giả sử rằng có lực P tác dụng lên vòng ma sát với bán kính trong là R1 và bán kính ngoài là R2. Lúc đó áp suất trên vòng ma sát sẽ là:
𝑞 =𝑃
𝐹 =
𝑃 𝜋(𝑅22− 𝑅12)
Góc ôm α =70o nên áp suất làm việc thực tế của má phanh là:
𝑞 = 𝑃
𝐹 =
𝑃. 360𝑂 𝜋(𝑅22− 𝑅12). 70𝑂
Trên vòng ma sát ta xét một vòng phần tử nằm cách tâm O bán kính R với chiều dày dR. Mômen lực ma sát tác dụng trên vòng phần tử đó là:
𝑑𝑀𝑚𝑠 = 𝜇. 𝑞 ∙ 70 𝑜 180𝑜 . 𝜋. 𝑅. 𝑑𝑅. 𝑅 = 70 𝑜 180𝑜 ∙ 𝜇. 𝑞. 𝜋. 𝑅2. 𝑑𝑅 R1 70° R2
Hình 3. 14 Bán kính trung bình của đĩa ma sát
Mômen các lực ma sát tác dụng trên toàn vòng ma sát là:
𝑀𝑝𝑡 = 𝜇. 𝑃 ∙2 3∙
𝑅23− 𝑅13 𝑅22− 𝑅22
Trong đó: là hệ số ma sát. = 0,35. Trong quá trình khảo sát ta đo được:
R1: bán kính trong của má phanh đĩa. R1 = 0,075 [m]
R2: bán kính ngoài của má phanh đĩa. R2 = 0,143[m]
P: lực ép lên đĩa má phanh [N] Xác định lực ép lên đĩa má phanh:
Với:
i: số lượng xi lanh, i = 1.
d: đường kính xi lanh bánh xe, d =62 [mm ] .
p: áp suất dầu, [N/m2].
Vậy mô men phanh mà cơ cấu phanh trước có thể sinh ra là:
𝑀𝑝𝑡 = 𝜇 ∙π. 𝑑 2 4 ∙ 𝑝. 𝑖 ∙ 2 3∙ 𝑅23− 𝑅13 𝑅22− 𝑅22 𝑀𝑝𝑡 = 0,35 ∙ 3,14. 0,062 2 4 𝑝. 1 ∙ 2 3∙ 0,1433− 0,0753 0,1433− 0,0752 𝑀𝑝𝑡 = 1,2. 10−4. 𝑝
Mpt Từ phương trình trên ta thấy tỷ lệ bậc nhất với áp suất dầu làm việc trong hệ thống. Để các bánh xe không bị hãm cứng khi phanh thì mô men phanh ở mỗi cơ cấu phanh luôn thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi áp suất trong dòng dẫn động theo chu trình đóng mở các cửa van của van điện từ được điều khiển từ ECU.
Trong khi phanh mô men phanh thay đổi tương ứng với độ trượt λ. Giả sử các giá trị mô men ở các giai đoạn tăng áp suất, giảm áp suất, giữ áp suất, và tăng áp suất tiếp theo tương ứng với độ trượt λ và được biểu diễn trên đồ thị ở hình 4.1.
Quan hệ giữa mô men phanh trước Mpt với độ trượt λ ở giai đoạn tăng áp suất:
λ 0% 5% 10% 15% 20% 25%
Mpt(N.m)
0 831 1410.2 1520.5 1575.2 1585.8
p(N/m2) 0 6,93.106 11,75.106 12,67.106 13,13.106 13,22.106
Khi đạp phanh áp suất tăng lên đến giá trị p1=13,13.106 (N/m2), thì ECU điều khiển giảm áp suất, do có độ chậm tác dụng của hệ thống giả sử thời gian chậm tác dụng là 0.5s, áp suất vẫn còn tăng đến giá trị p2=13,22.106 (N/m2) mới thật sự giảm xuống. Giai đoạn tăng áp suất được biễu diễn bằng đoạn O-1-2 trên đồ thị hình 4.4.
Ta có quan hệ giữa mô men phanh trước Mpt với độ trượt λ ở giai đoạn giảm áp suất theo bảng sau:
λ 25% 30% 27,5%
Mpt(N.m) 1585,8 1418,03 1305 p(N/m2) 13,22.106 11,82.106 10,88.106
Áp suất giảm từ giá trị p2=13,22.106 đến giá trị cực tiểu không đổi p4= 10,86.106. Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn 2-3-4 trên đồ thị 4.4
Quan hệ giữa mô men phanh trước Mpt với độ trượt λ ở giai đoạn giữ áp suất:
λ 27,5% 22,5%
Mpt(N.m) 1305 1305 p(N/m2) 10,88.106 10,88.106
Ở giai đoạn này áp suất được giữ không đổi, được biểu diễn bằng đoạn 4-5 trên đồ thị Quan hệ giữa mô men phanh của mỗi cơ cấu phanh trước Mpt với độ trượt λ ở giai đoạn tăng áp suất tiếp theo:
λ 22,5% 17% 18%
Mpt(N.m) 1305 1400
1565 p(N/m2) 10,88.106 11,67.106 13,04.106
Giai đoạn tăng áp suất tiếp theo được biểu diễn bằng đoạn 5-6-1 trên đồ thị 4.4.
Trên hình là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mô men phanh và mô men bám của mỗi bánh xe ở cầu trước theo độ trượt λ khi phanh.
Hình 4. 4 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mô men phanh và mô men bám của mỗi bánh xe ở cầu trước theo độ trượt λ khi phanh.
B) Đối với cơ cấu phanh sau.
Tương tự như cơ cấu phanh trước:
Giả sử rằng có lực P tác dụng lên vòng ma sát với bán kính trong là R1 và bán kính ngoài là R2, lúc đó áp suất trên vòng ma sát sẽ là:
𝑞 =𝑃𝑠
𝐹 =
𝑃𝑠 𝜋(𝑅22− 𝑅12)
Góc ôm α =60o nên áp suất làm việc thưc tế của má phanh là
𝑞 =𝑃𝑠
𝐹 =
𝑃. 360°
𝜋. (𝑅22− 𝑅12). 60°
Trên vòng ma sát ta xét một vòng phần tử nằm cách tâm O bán kính R với chiều dày dR. Mômen lực ma sát tác dụng trên vòng phần tử đó là: 𝑑𝑀𝑚𝑠 =. q ∙ 60 ° 180° .. R. dR. R = 60 ° 180° ∙. q. . 𝑅2. dR
R1 60°
dR
R2
Hình 4. 5 Bán kính trung bình của đĩa ma sát.
Mômen các lực ma sát tác dụng trên toàn vòng ma sát là: ∫ 𝑑𝑀𝑚𝑠 = ∫ 60 ° 180°∙ 𝜇. 𝑞. 𝜋. 𝑅2𝑑𝑅 = 60 ° 180°∙ 𝜇 ∙ 𝑃. 360 ° 𝜋. (𝑅22− 𝑅12). 60° 𝑅2 𝑅1 𝑅2 𝑅1 ∫ 𝑅2 𝑅2 𝑅1 . 𝑑𝑅
Cuối cùng ta có mô men phanh mà cơ cấu phanh sau có thể sinh ra là:
𝑀𝑝𝑠 = 𝜇. 𝑃 ∙2 3∙ 𝑅23− 𝑅13 𝑅22− 𝑅12 Trong đó: +: hệ số ma sát. = 0,35.
+R1: bán kính trong của má phanh đĩa. R1 = 0,08 [m] +R2: bán kính ngoài của má phanh đĩa. R2 = 0,14 [m] +Ps: lực ép lên đĩa má phanh. [N]
Xác định lực ép lên đĩa má phanh:
𝑃𝑠 =𝜋. 𝑑
2
4 ∙ 𝑝. 𝑖
Với:
+p: áp suất dầu trong xilanh bánh xe sau. [N/m2]
Vậy mô men phanh mà cơ cấu phanh sau có thể sinh ra là:
𝑀𝑝𝑠 = 𝜇 ∙𝜋. 𝑑 2 4 ∙ 𝑝. 𝑖 ∙ 2 3∙ 𝑅23− 𝑅13 𝑅22− 𝑅12 𝑀𝑝𝑠 = 0,35 ∙3,14.0,06 4 ∙ 𝑝. 𝑖 ∙ 2 3∙ 0,143− 0,083 0,14 − 0,082 Mps = 1,115.10-4. p
Giả sử các giá trị mô men ở các giai đoạn tăng áp suất, giảm áp suất, giữ áp suất, và tăng áp suất tiếp theo tương ứng với độ trượt λ như trong bảng 5.7, 5.8, 5.9, 5.10 và được biểu diễn trên đồ thị ở hình 4.6.
Quan hệ giữa mô men phanh
của mỗi cơ cấu phanh sau Mps với độ trượt λ ở giai đoạn tăng áp suất
λ 0% 5% 10% 15% 20% 25%
Mps(N.m)
0 305 500 545 565 570
p’(N/m2) 0 2,74.106 4,48.106 4,89.106 5,07.106 5,11.106
Khi đạp phanh áp suất tăng lên đến giá trị p1=5,07.106 (N/m2) thì ECU điều khiển giảm áp suất, do có độ chậm tác dụng của hệ thống nên áp suất vẫn còn tăng đến giá trị p2=5,11.106 (N/m2) mới thật sự giảm xuống. Giai đoạn tăng áp suất được biễu diễn bằng đoạn 0-1-2 trên đồ thị 4.6.
Quan hệ giữa mô men phanh của mỗi cơ cấu phanh sau với độ trượt λ ở giai đoạn giảm áp suất:
λ 25% 30% 27,5%
Mps(N.m) 570 466,01 435 p(N/m2) 5,11.106 4,18.106 3,9.106
Áp suất giảm từ giá trị p2=5,11.106 đến giá trị cực tiểu không đổi p4= 3,9.106, thì ECU điều khiển tăng áp suất. Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn 2-3-4 trên đồ thị hình 4.6.
Quan hệ giữa mô men phanh của mỗi cơ cấu phanh sau với độ trượt λ ở giai đoạn giữ