Hình 1.10: Sơ đồ cấu tạo hệ thống phanh.
Hiện nay có nhiều hệ thống phanh có cấu tạo khác nhau được sử dụng để nâng cao hiệu quả phanh nhưng cấu tạo cơ bản của hệ thống phanh bao gồm tổng phanh, cơ cấu phanh và dẫn động phanh:
10 Dẫn động phanh: Bàn đạp phanh, xilanh bánh xe, trợ lực phanh, van điều hòa lực phanh.
Cơ cấu phanh: Guốc phanh, má phanh, tang trống, đĩa phanh, mâm phanh. Guốc phanh và má phanh được lắp trên mâm phanh. Mâm phanh được lắp trên trục bánh xe. Lò xo hồi vị luốn tách guốc phanh ra khỏi tang trống.
2.1. Nguyên lý hoạt động:
Hệ thống phanh thủy lực sử dụng dầu phanh để truyền áp suất từ bàn đạp phanh đến guốc phanh hay má phanh. Áp suất tác dụng lên chất lỏng trong một hệ kín được truyền đi nguyên vẹn theo mọi phương bên trong lòng chất lỏng.
Hệ thống phanh được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là hệ thống phanh chính và phanh tay. Phanh chính vận hành các cụm phanh tại mỗi bánh xe bằng cách sử dụng áp suất thủy lực. Áp suất dầu được tạo ra từ xilanh chính và truyền cho các xilanh phanh ở bánh xe thông qua ống dẫn dầu. Xilanh bánh xe tác dụng lực lên guốc phanh và má phanh tiếp xúc với tang trống hoặc đĩa phanh ở bánh xe sinh ra lực ma sát và chuyển động năng thành nhiệt năng. Một lượng lớn nhiệt được sinh ra là kết quả của quá trình đó làm xe dừng lại trong một khoảng cách ngắn. Nhiệt chuyển đổi được hấp thụ chủ yếu bởi trống phanh hoặc đĩa phanh và truyền ra không khí xung quanh.
Hình 1.11: Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống phanh thủy lực.
2.2. Cấu tạo, hoạt động của các thành phần:
Cấu tạo hệ thống phanh bao gồm: Xilanh chính.
11 Trợ lực phanh.
Van điều hòa lực phanh.
2.2.1. Xilanh chính:
2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động:
Hình 1.12: Xilanh chính.
Xilanh chính là một cơ cấu chuyển đổi lực tác động của bàn đạp phanh thành áp suất thủy lực. Khi người lái tác dụng lên bàn đạp phanh, xilanh chính có tác dụng biến đổi lực tác dụng thành áp suất thủy lực truyền đến các xilanh bánh xe tác động lên má phanh tạo thành lực phanh. Sự truyền áp suất thủy lực trong mạch dầu phanh dựa trên định luật Pascal, khi áp suất bên ngoài tác dụng lên dầu phanh trong một mạch kín thì áp suất đó được truyền đi nguyên vẹn theo mọi phương vì vậy áp suất thủy lực được tạo ra trong xilanh chính được truyền đồng đều đến các xilanh bánh xe. Lực phanh thay đổi tùy thuộc vào đường kính của các xilanh phanh. Kích thước xilanh tăng đồng nghĩa với việc lực phanh sẽ tăng.
2.2.1.2. Xilanh chính kiểu tác dụng độc lập:
Xilanh chính có hai buồng thủy lực riêng biệt. Điều này tạo ra hai mạch thủy lực riêng biệt. Nếu một trong 2 mạch này không hoạt động, mạch còn lại vẫn có thể hoạt động để dừng xe. Tuy nhiên quãng đường phanh tăng đáng kể khi vận hành trên một mạch phanh đơn. Đây là một trong những tính năng an toàn quan trọng nhất của xe.
12 Bố trí đường dầu phanh trên xe FR (động cơ đặt phía trước, dẫn động cầu sau), đường dầu phanh được chia ra thành mạch đầu phanh bánh trước và mạch dầu phanh bánh sau.
Hình 1.13: Sơ đồ bố trí mạch dầu phanh trên xe FR.
Bố trí đường dầu phanh trên xe FF (động cơ đặt phía trước, dẫn dộng cầu trước), ở các xe FF do tải trọng tác dụng lên bánh trước lơn hơn so với bánh sau vì vậy nếu sử dụng mạch dầu ở các xe FR cho xe FF thì lực phanh quá yếu, nếu mạch phanh phía trước bị hỏng thì bánh sau sẽ bị bó cứng quá sớm (tải trọng phân bố lên bánh trước nhiều hơn bánh sau). Do đó người ta sử dụng mạch dầu chéo cho bánh trước phải và bánh sau trái, một mạch dầu chéo cho bánh trước trái và bánh sau phải mục đích là duy trì lực phanh nhất định khi một hệ thống bị hỏng và ngăn chặn hiện tượng bó cứng sớm.
13 Xilanh chính có cấu tạo bao gồm 2 piston được bố trí trong thân xilanh, piston số 1 ngăn cách với piston số 2 bởi lò xo hồi số 1, piston số 2 ngăn cách với thân xilanh nhờ vào lò xo hồi số 2. Các cuppen được bố trí trên thân piston tạo thành các buồng làm việc trong thân xilanh. Thân xilanh được bố trí các cửa vào và cửa bù điều khiển lưu lượng dầu phanh.
Hình 1.15: Cấu tạo của xilanh chính.
Khi không đạp phanh, cuppen của piston số 1 và số 2 nằm giữa cửa vào và cửa bù làm cho xilanh chính và bình dầu thông với nhau qua cửa bù. Lò xo hồi số 2 đẩy piston số 2 sang phải nhưng piston số 2 bị chặn lại bởi bulong hãm được bố trí trong thân xilanh để ngăn piston số 2 không di chuyển xa hơn nửa.
14 Khi đạp phanh, piston số 1 dịch chuyển sang trái, cuppen của nó bịt kín cửa bù không cho dầu từ bình chứa đi qua cửa bù vào xilanh chính. Piston bị đẩy tiếp, nó làm tăng áp suất thủy lực trong xilanh chính. Áp suất này đi đến xilanh bánh sau và thực hiện quá trình phanh. Đồng thời, áp suất tạo ra sẽ đẩy piston số 2 dịch chuyển sang trái, áp suất dầu tạo ra đi đến xilanh bánh trước và thực hiện quá trình phanh.
Hình 1.17: Khi đạp bàn đạp phanh.
Khi nhả phanh, lúc này áp suất dầu từ các xilanh bánh xe tác dụng ngược lại, đồng thời dưới tác dụng của lực lò xo hồi vị sẽ đẩy các piston sang bên phải. Tuy nhiên, do dầu ở các xilanh bánh xe không hồi về xilanh chính ngay lập tức và gây ra độ chân không trong xilanh chính, do đó dầu từ bình sẽ điền vào xilanh chính qua cửa vào, nhiều lỗ ở đỉnh piston và quanh chu vi của cuppen piston.
Khi các piston trở về trạng thái ban đầu, áp lực dầu trong xilanh sẽ đẩy dầu hồi về bình chứa thông qua các cửa bù. Kết quả, áp suất dầu trong xilanh chính giảm xuống.
15
Hình 1.18: Khi nhả bàn đạp phanh.
2.2.1.3. Xilanh chính loại một lỗ dầu:
Xilanh chính loại một lỗ dầu sử dụng hai piston. Piston số 1 có cấu tạo thân rỗng, trong thân piston được bố trí một van nạp và một van làm kín điều khiển dầu phanh đi vào buồng làm việc. Piston số 2 củng có cấu tạo thân rỗng và trong thân piston được bố trí một van làm kín điều khiển dầu phanh đi vào buồng làm viêc. Piston số 1 và piston số 2 được ngăn cách với nhau bởi lò xo số 1, piston số 2 ngăn cách với thân xylanh bằng lò xo số 2. Trên thân piston được bố trí các cuppen làm kín để tạo nên các buồng làm việc riêng biệt, tạo ra áp suất và thể tích thay đổi. Trên thân xilanh được bố trí các lỗ nạp cung cấp dầu từ bình chứa đến buồng làm việc của xilanh chính.
16 Khi người lái không đạp bàn đạp phanh, piston số 1 & 2 được định vị như trong hình 1.20. Lúc này do lực của lò xo piston số 1 đẩy piston số 1 tỳ vào vòng chữ O lực này thắng lực của lò xo van nạp làm mở van nạp, van làm kín tiếp xúc với van nạp lực này thắng lực của lò xo van làm kín và làm cho van làm kín mở ra. Dầu từ bình chứa đi qua van nạp, lỗ thông trong thân piston 1 và đến buồng A. Cùng lúc đó, ở piston 2 van làm kín cũng tiếp xúc với chốt chặn piston, lực này cũng thắng lực lò xo của van làm kín làm cho van này mở, dầu phanh từ bình chứa qua cửa nạp vào lỗ thông trong thân piston 2 và đến buồng B.
Hình 1.20: Khi không đạp bàn đạp phanh.
Khi đạp phanh, khi người lái đạp bàn đạp phanh, piston số 1 di chuyển sang trái lúc này van nạp không tỳ vào vòng chữ O và lò xo van nạp đóng van nạp lại. Van làm kín tách ra khỏi van nạp, dưới tác dụng của áp suất thủy lực và lực lò xo của van làm kín làm cho van làm kín đóng đường thông trong thân piston số 1, dầu phanh trong buồng A được nén lại và đi đến xilanh bánh xe thực hiện quá trình phanh. Cùng lúc đó, áp suất dầu cùng với lực lò xo đẩy piston số 2 di chuyển sang trái. Van làm kín tách ra khỏi chốt chặn piston, áp suất dầu phanh và lực lò xo của van làm kín làm cho van này đóng đường thông trong thân piston với cửa nạp. Dầu phanh trong buồng B được nén lại và đi đến xylanh bánh xe thực hiện quá trình phanh.
17
Hình 1.21: Khi đạp bàn đạp phanh.
Khi nhả phanh, do lực lò xo hồi vị đẩy piston số 1 và piston số 2 về vị trí ban đầu. Tuy nhiên dầu từ xilanh bánh xe không hồi về kịp nên áp suất dầu trong xilanh chính giảm nhanh trong một thời gian ngắn và tạo ra độ chân không. Do sự chênh áp suất giữa cửa nạp và buồng làm việc nên dầu từ cửa nạp đi qua cuppen vào buồng làm việc để khắc phục hiện tượng này. Khi piston trở về vị trí ban đầu, chốt chặn piston ngăn không cho piston số 2 di chuyển thêm nửa. Chốt chặn piston và van nạp làm cho các van làm kín mở ra và dầu từ xilanh bánh xe từ từ hồi về bình chứa.
2.2.1.4.Van một chiều cửa ra:
Van một chiều được đặt ở cửa ra của xilanh chính, van một chiều được thiết kế để đưa dầu từ xilanh chính đến xilanh bánh xe nhanh hơn nhưng hồi về chậm khi nhả bàn dạp phanh. Đặc điểm này làm xả khí sẽ dễ dàng hơn, ngoài ra van một chiều cửa ra cũng cho phép một lượng nhỏ áp suất còn lại ở đường ống phanh và xilanh bánh xe để chống sự rò rỉ dầu phanh.
18
Hình 1.22: Van một chiều cửa ra.
Khi đạp bàn đạp phanh, áp suất dầu sinh ra ở buồng M của xilanh chính làm mở lưỡi gà ở van một chiều cho phép dầu phanh đi đên xilanh bánh xe thực hiện quá trình phanh.
Hình 1.23: Lưỡi gà trong van một chiều mở khi đạp bàn đạp phanh.
Khi nhả bàn đạp phanh, piston hồi về vị trí ban đầu làm áp suất trong buồng M giảm đột ngột tạo ra độ chân không trong xilanh chính. Lúc này dầu từ bình chứa đi qua cửa nạp đi đến buồng M để khắc phục hiện tượng chân không trong buồng M. Cùng lúc đó lưỡi gà trong van một chiều đóng lại, áp suất dầu ở xilanh bánh xe thắng lực lò xo nén và đẩy van một chiều sang phải cho phép dầu hồi về xilanh chính.
19 Khi áp suất ở dầu hồi về nhỏ hơn lực nén của lò xo, van một chiều đóng ngăn dầu tiếp tục hồi về buồng M của xilanh chính. Vì vậy áp suất dầu còn lại được giữ trong mạch dầu phanh. Áp suất dư này có tác dụng luôn giữ cho cuppen ở xilanh bánh xe tỳ lên thành xilanh ngăn hiện tượng rò rỉ dầu.
Hình 1.24: Van một chiều đóng lại và áp suất dư được giữ lại trong mạch dầu phanh.
2.2.1.5. Công tắc đèn cảnh báo mức dầu phanh:
20 Công tắc cảnh báo mức phanh được đặt trên nắp bình chứa được nối với bên trong thân bình chứa. Nó thường tắt khi có một lượng chất lỏng thích hợp. Khi mức chất lỏng xuống dưới mức tối thiểu, phao tự di chuyển xuống làm cho công tắt đóng lại kích hoạt đèn cảnh báo phanh để cảnh báo cho người lái. Mạch đèn báo hệ thống phanh được thể hiện như hình 1.27. Đèn cũng sáng khi kéo phanh tay.
Hình 1.26: Mạch đèn báo dầu phanh.
2.2.2. Cơ cấu phanh:
2.2.2.1. Cơ cấu phanh trống:
Hình 1.27: Cấu tạo cơ cấu phanh tang trống.
Cơ cấu phanh tang trống có cấu tạo bao gồm mâm phanh được gắn trên dầm cầu. Xilanh bánh xe dùng để tác dụng lực lên guốc phanh được bố trí trong tang trống. Đầu trên của guốc phanh được kéo bới lò xo hồi vị kéo guốc phanh tách khỏi tang
21 trống, đầu dưới của guốc phanh tựa vào chốt tựa. Cơ cấu điều chỉnh khe hở phanh để điều chỉnh khe hở giữa guốc phanh và tang trống.
Xilanh bánh xe:
Hình 1.28: Cấu tạo của xilanh bánh xe.
Xilanh bánh xe nằm trong cơ cấu phanh tang trống với dẫn động phanh thủy lưc. Khi phanh áp suất thủy lực tại xilanh bánh xe tác dụng lên piston đẩy piston và guốc phanh dịch chuyển thực hiện quá trình phanh.
Xilanh bánh xe là xilanh kép gồm 2 piston đối xứng được bố trí trong cùng một thân xilanh. Xilanh thường được chế tạo từ gang, piston được chế tạo từ hợp kim nhôm. Xilanh được cố định trên mâm phanh, piston tựa vào guốc phanh thống qua chốt tựa. Chụp cao su bao kín xilanh tạo thành buồng chứa dầu phanh. Trên xilanh được bố trí ốc xã khí để xã không khí lọt vào hệ thống thủy lực.
Khi đạp phanh, áp suất dầu từ xilanh chính đến xilanh bánh xe tác động lên piston, piston đẩy guốc phanh tỳ vào tang trống thực hiện quá trình phanh. Khi hệ thống phanh không hoạt động, piston trở về vị trí ban đầu bởi lực của lò xo hồi vị guốc phanh.
Tang trống:
Tang trống là chi tiết quay và chịu lực ép của guốc phanh vì vậy tang trống cần có độ bền cao, ít biến dạng, cân bằng tốt và truyền nhiệt tốt. Tang trống tạo ra bề mặt ma sát khi áp suất thủy lực tác dụng lên guốc phanh làm guốc phanh tỳ vào tang trống và sinh ra lực ma sát làm hãm chuyển động quay của bánh xe và làm giảm tốc độ xe. Khi guốc phanh tỳ vào bề mặt tang trống, lực ma sát xuất hiện và nhiệt được tạo ra bởi lực ma sát có thể lên đến 600oF. Vì vậy tang trống thường được làm
22 từ gang xám vì gang xám có độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn tốt, hệ số ma sát cao và tản nhiệt tốt. Tuy nhiên gang có nhược điểm là giòn và khá nặng nên ngay nay tang trống được chế tạo từ các thành phần hỗn hợp. Tang trống loại này được làm bằng thép với lớp lót bên trong được làm bằng gang để cung cấp bề mặt ma sát với hệ số ma sát lớn hơn thép, ở một số tang trống được bố trí thêm các cánh tản nhiệt bằng nhôm giúp tang trống tản nhiệt tốt gảm tối đa hiện tượng mất phanh bởi nhiệt. Vì vậy tang trống phải:
(i) Đủ độ cứng. (ii) Chống mài mòn. (iii) Tản nhiệt tốt.
(iv) Cân bằng chính xác. (v) Trọng lượng nhẹ.
Hình 1.29: Cấu tạo tang trống.
Guốc phanh
Guốc phanh được chế tạo từ thép hoặc nhôm. Guốc phanh được chế tạo từ thép là loại phổ biến nhất vì guốc phanh loại này giãn nở tương ứng với độ giãn nở của tang trống dưới tác dụng của nhiệt tạo ra trong quá trình phanh do đó có thể duy trì được khe hở phanh. Vật liệu ma sát được gắn vào tấm lót phanh bằng keo chịu nhiệt hoặc bằng đinh tán. Bố phanh phải chịu được nhiệt và mài mòn với hệ số ma sát cao. Hệ số ma sát có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. Vật liệu được sử dụng làm bố phanh bao gồm chất phụ gia biến tính ma sát, bột kim loại,
23 chất kết dính, chất độn và chất đóng rắn. Chất độn được thêm vào vật liệu ma sát một lượng nhỏ để thực hiện những mục đích cụ thể, chẳng hạn như bột cao su để giảm tiếng ồn khi phanh
Hình 1.30: Guốc phanh loại dùng đinh tán và dùng keo chịu nhiệt.
Guốc phanh có cấu trúc gồm bề mặt cong tròn và xương tăng cứng. Các lỗ trên guốc phanh dùng để liên kết với lò xo, giữ phần cứng, liên kết với phanh tay và các cơ cấu tự điều chỉnh. Lực tác dụng từ xilanh bánh xe được truyền qua gân tăng cứng đến bố phanh.