CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ KỸ THUẬT LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PHANH TRÊN ÔTÔ
4. Thiết kế hệ thống phanh
4.2. Thiết kế hệ thống phanh
4.2.1. Thiết kế cơ cấu phanh
v Chọn sơ đồ:
Cơ cấu phanh trên ôtô thường sử dụng hai loại: Cơ cấu phanh đĩa và cơ cấu phanh guốc, đối với hệ thống phanh ôtô ta đang thiết kế thì ta chọn cơ cấu phanh guốc cho tất cả các bánh xe vì cơ cấu phanh guốc cho mômen phanh lớn, luôn ổn định khi điều kiện bên ngoài và chế độ phanh thay đổi. Đặc biệt là bề mặt ma sát của cơ cấu phanh guốc được che kín bởi mâm phanh và trống phanh.
Khi chọn cơ cấu phanh guốc cho hệ thống phanh thì nó cũng có nhiều loại. Sự khác nhau giữa các loại được thể hiện qua cách bố trí guốc phanh và điểm tựa như cơ cấu phanh có điểm tựa về một phía, cơ cấu phanh có điểm tựa về hai phía, cơ cấu phanh tự cường hoá.
Trong các loại cơ cấu phanh thì cơ cấu phanh tự cường hoá có hiệu quả phanh cao nhất ( xét các loại cơ cấu phanh cùng điều kiện). Tuy nhiên, loại cơ cấu phanh này có kết cấu phức tạp, giá thành cao, bảo quản và sửa chữa khó khăn.
Đối với loại cơ cấu phanh có các điểm tựa về một phía thì có kết cấu đơn giản hơn nhưng hiệu suất lại thấp, không an toàn khi phanh xe.
Riêng cơ cấu phanh có điểm tựa về hai phía có hiệu suất tương đối cao ( chỉ thấp hơn so với cơ cấu phanh tự cường hoá). Mặt khác, chúng có kết cấu đơn giản, dễ bảo dưỡng, sửa chữa và giá thành có thể chấp nhận được. Vì vậy em chọn cơ cấu phanh này cho hệ thống phanh ôtô tải em đang thiết kế.
v Sơ đồ:
6 5
4
2 1 3
1. Má phanh; 2. Guốc phanh; 3. Trống phanh; 4. Xylanh bánh xe; 5. Lò xo hồi vị;
6. Cam lệch tâm.
Cơ cấu phanh này được nằm hoàn toàn trong trống phanh, còn trống phanh thì phụ thuộc vào cỡ lốp của ôtô này. Như vậy khi ta thiết kế cơ cấu phanh sẽ cho ta các thông số khác với các thông số của cơ cấu phanh mà nhà máy mua về để lắp ráp, dẫn đến thay đổi lại trống phanh và ảnh hưởng đến cỡ lốp, mà thay đổi lốp ôtô sẽ làm cho giá thành của ôtô tăng cao.
Vậy: Dựa vào trống phanh và các chi tiết của cơ cấu phanh mà nhà máy đã mua về để lắp ráp, ta kiểm nghiệm lại má phanh.
b. Các thông số chính và kích thước của cơ cấu phanh:
ắ Đường kớnh bờn trong của trống phanh: 380 (mm)
ắ Bỏn kớnh tấm ma sỏt ngoài : 187 (mm)
ắ Khoảng cỏch từ tõm bỏnh xe đến chỗ đẩy mỏ phanh: a = 160 (mm)
ắ Khoảng cỏch từ tõm bỏnh xe đến điểm tựa của chốt quay: c = 170 (mm)
ắ Khoảng cỏch từ điểm tựa của chốt quay đến điểm giữa của tấm ma sỏt: e = 160 (mm)
ắ Gúc ụm tấm ma sỏt b0 (độ): b0 = 1000
ắ Gúc bố trớ tấm ma sỏt b1 (độ): b1 = 140
ắ Kớch thước tấm ma sỏt theo chiều rộng: b = 60 (mm)
ắ Chiều dày tấm ma sỏt: 15 (mm)
ắ Diện tớch toàn bộ cỏc tấm ma sỏt: 0,159 (m2) c. Kiểm nghiệm má phanh:
Trong quá trình kiểm nghiệm má phanh ta đi tính lực P tác dụng lên guốc phánh để làm cơ sở cho việc thiết kế dẫn động phanh. Muốn tính được lực P tác dụng lên cơ cấu phanh ta tiến hành tính toán các thông số sau:
v Xác định mômen phanh sinh ra ở các cơ cấu phanh.
Để xác định lực phanh và mômen phanh tác dụng lên cầu trước và cầu sau thì ta phải xác định được hệ số phân bố tải trọng tác dụng lên từng cầu.
ắ Hệ số phõn bố tải trọng tỏc dụng lờn:
+ Cầu trước:
' ax
1
. .
1 1
.
m g g
J h h
m = + g b = + jb
(1) trong đó:
a, b, h : Toạ độ trọng tâm của xe.
a = 1787 (mm) = 1,787 (m).
b = 1153 (mm) = 1,153 (m).
hg = 820 (mm) = 0,82 (m).
jmax = ( 6 m/s2 – 7 m/s2 ), chọn jmax = 6,5 m/s2. g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2.
j’ : Hệ số đặc trưng cường độ phanh, j’ = 0,4 – 0,5, chọn j’ = 0,4 Thay các giá trị vào (1) ta được:
1
0, 4.0,82
1 1, 28
1,153
m = + =
+ Cầu sau:
' ax
2
. . 0, 4.0,82
1 1 1 0,72
. 1,153
m g g
J h h
m = - g b = - jb = - =
ắ Lực phanh cực đại tỏc dụng lờn:
+ Cầu trước:
1 1. .1 .1, 28.0,8 9728
p 2
P = G m j =19000 =
2 (N)
+ Cầu sau:
2 2 2
29450
. . .0, 72.0,8 8481, 6
2 2
p
P = G m j= = (N)
Trong đó:
G1 : Trọng lượng phân bố lên cầu trước, G1 = 19000 (N) G2 : Trọng lượng phân bố lên cầu sau, G2 = 29450 (N)
j : Hệ số bám giữa lốp và đường ( j = 0,7 – 0,8), chọn j = 0,8
ắ Mụmen phanh tớnh toỏn cần sinh ra ở mỗi cơ cấu phanh.
+ Cầu trước:
' 1
1 1
. . . . 9728.0,368 3579,9
p 2 bx p bx
M = G m jr = P r = = (N.m)
+ Cầu sau:
'' 2
2 2
. . . . 8481, 6.0,368 3121, 23
p 2 bx p bx
M = G m jr = P r = = (N.m)
Trong đó:
rbx : Bán kính làm việc của bánh xe, rbx = 0,368 (m).
Vì mỗi cơ cấu phanh guốc gồm 2 má phanh nên:
M’P = M’P1 + M’P2 = 3579,9 (N.m). (3) M’’P = M’’P1 + M’’P2 = 3121,23 (N.m) (4) Trong đó:
M’p1, M’p2 là mômen phanh sinh ra ở má trước và má sau của mỗi cơ cấu phanh ở cầu trước.
M’’p1, M’’p2 là mômen phanh sinh ra ở má trước và má sau của mỗi cơ cấu phanh ở cầu sau.
Nhận xét : ta thấy mômen phanh ở cơ cấu phanh trước lớn hơn mômen phanh ở cơ cấu phanh sau, nên ta chỉ kiểm nghiệm đối với cơ cấu phanh trước.
v Xác định góc d và bán kính r của lực tổng hợp tác dụng lên má phanh.
ắ Xỏc định gúc d và bỏn kớnh r.
e
a F
D
E d
b1
b bo 2
X1
X1
Y1
b
ca
Khi thừa nhận áp suất phân bố đều trên má phanh thì:
q1 = q = const.
Mômen phanh sinh ra trên trống phanh phụ thuộc vào cơ cấu phanh. Trên hình trình bày sơ đồ tính toán cơ cấu phanh với guốc phanh trước. Các lực dẫn động bằng nhau.
Chúng ta sẽ xét trường hợp khi hai guốc phanh ép một lực P như nhau. Trên hình trục Y1 – Y1 đi qua hai tâm O và O1 và thẳng góc với trục X1 – X1 đi qua điểm có áp suất cực đại.
Khi phanh mỗi phần tử của má phanh bị tác dụng từ phía trống phanh bởi lực thẳng góc dN1 và lực ma sát dT1. Lực ma sát:
dT1 = m.dN1.
Ở đây m là hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh, chọn m = 0,3.
Chúng ta xét một phần tử của má phanh nằm cách trục Y1 – Y1 một góc b. phần tử này chắn đoạn db.
Lực thẳng góc dN1 trên phần tử sẽ là:
dN1 = q1.b.rt.db dT1 = m.dN1 = m.q1.b.rt.db Ở đây:
ắ q1 là ỏp suất phõn bố trờn mỏ phanh ( q1 = const theo giả thiết).
ắ b là chiều rộng mỏ phanh.
ắ rt là bỏn kớnh trong của trống phanh.
ắ db là gúc ụm của phần tử mỏ phanh đang xột.
Khi áp suất phân bố đều trên má phanh thì tổng hợp lực N1 của tất cả các lực dN1 phải nằm trên trục đối xứng OD của má phanh nghĩa là D là điểm giữa của cung EF.
Góc d tạo bởi lực N1 và trục X1- X1 sẽ là d = 900 – DOO1
0 2 1 1
0 1
0 0
90 2
90 2
114 14
90 26
2
ổ - ửữ
= - ỗỗỗố + ữữứ
= - +
= - + =
2
b b b
b b
Lực thẳng góc tổng hợp N1 sẽ sinh ra lực ma sát tổng hợp T1 = m.N1. Lực T1 có điểm đặt cách tâm O một đoạn r.
0 0
. sin
rt ,
,
r = b
b với ,0 0 100 500 5
2 2 18
= b = = = p
b
5 .1900 216,33 18.sin 50
= p = (mm)
v Tính toán lực cần thiết tác dụng lên cơ cấu phanh.
Trong trường hợp này chúng ta đã chọn lực P tác dụng lên guốc phanh trước và sau là như nhau nghĩa là P1 = P2 = P. Và chúng ta chọn hai má phanh trước và sau bằng nhau. Như vậy chúng ta chỉ cần xác định được lực P cần thiết tác dụng vào mỗi guốc phanh để:
' ' '
1 2
p p p
M = M + M
Trong đó M’p, đã được tính toán trước.
Sau khi xác định được điểm đặt của lực và hướng của N1 và T1 ta có vectơ tổng hợp lực của N1 và T1 là R1. R1 tạo với N1 góc j, góc j được xác định như sau:
1 1
tg T
= N =
j m
Chọn m = 0,3
Do đó ta có: j = arctgm = arctg 0,3 =16,70.
Góc j ở má phanh trước và má phanh sau đều bằng nhau vì cùng có một hệ số ma sát như nhau.
Momen phanh của cơ cấu phanh trước là:
( )
' ' '
1 2 1 0. 2 0. 1 2 .0
p p p
M = M + M = R r + R r = R + R r
Trong đó: R1, R2 là tổng hợp lực của má phanh trước và má phanh sau.
ro được xác định theo công thức:
0 2 ( )2
. 216,33.0,3
.sin 62,16
1 1 0,3
r = = = =
+ +
r j r m
m (mm).
Giá trị của R1+ R2 là:
R1+ R2 = ''2
0
3121, 23
50212,84 0, 06216
MP
r = = (N).
Muốn xác định riêng rẽ lực R1 và R2 chúng ta dùng phương pháp họa đồ bằng cách vẽ đa giác lực của guốc phanh trước và sau. Trên mỗi guốc phanh có ba lực tác dụng P, R1, U1 hoặc P, R2, U2. guốc phanh trước và sau nằm ở vị trí cân bằng cho nên ba lực tác dụng phải gặp nhau tại tâm O’ hoặc O’’. Hướng lực P và R1 đã biết (trị số của chúng chưa biết). Kéo dài chúng gặp nhau ở O’, nối O’ với O chúng ta được hướng lực U1. Cũng làm như vậy đối với guốc phanh sau chúng ta tìm được hướng lực U2. Sau đó xây dựng đa giác lực cho guốc phanh trước và guốc phanh sau với cùng một tỷ lệ nhất định (vì lực P ở hai guốc phanh bằng nhau cho nên có thể lấy P làm một đơn vị chẳng hạn, điều này không nhất thiết chủ yếu là đảm bảo tỷ lệ của hai đa giác lực ở hai guốc phanh như nhau). Trên cơ sở các đa giác lực vẽ được chúng ta tìm được tỷ số giữa lực R1 và R2. Biết được tỷ số 1
2
R
R và biết được tổng số R1 + R2 chúng ta có thể xác định được từng trị số riêng rẽ R1 và R2. Có R1
và R2 chúng ta sẽ xác định được trị số của các lực P, U1, U2.
P1 P2
N2
R2 T2
U2 N1 R1T1 U1 o1
0
o2
P1 P2
R2 U2R1U1 160
160 170
Từ họa đồ lực ta lập tỉ số:
1 2
300 1 300 R
R = = (1) Giá trị tổng hợp lực của bánh trước.
R1 + R2 = '
0
3579,9 57591, 7 0, 06216
MP
r = = (N) (2)
Từ (1) và (2) suy ra:
R1 = R2 = 57591, 7 28795,85
2 = (N)
Tỷ lệ xích của biểu đồ lực.
28795,85 96
R= 300 =
m (N/mm).
P = 100.96 = 9600 (N) Mômen phanh má trước và má sau của bánh trước.
' '
1 2 1 0. 2 0. 28795,85.0, 06216 1789,95
P P
M = M = R r = R r = = (N.m)
v Kiểm nghiệm má phanh:
ã Kiểm tra cụng ma sỏt riờng.
Chúng ta thừa nhận rằng toàn bộ động năng của ôtô chạy với tốc độ V0 khi bắt đầu phanh đều được má phanh hấp thụ, do đó tất cả cơ cấu phanh của ôtô phải có đủ diện tích má phanh thoả mãn điều kiện sau đây:
2 [ ]
. 0
2. .
L GV L
= g F
ồ
£
trong đó:
ắ G: trọng lượng toàn bộ của ụtụ khi đầy tải, G = 48450 (N)
ắ V0 : tốc độ của ụtụ khi bắt đầu phanh, lấy V0 = Vmax = 18,89 (m/s)
ắ g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2)
ắ Fồ: diện tớch toàn bộ của cỏc mỏ phanh ở tất cả cỏc cơ cấu phanh của ụtụ.
Fồ = 8.b0.rt.b =8.5 9
p.0,19.0,06 = 0,159 (m2)
48450. 18,89( )2
5541937 2.9,81.0,159
L= = (N/m) = 5541,937 (KNm/m2)
Với ôtô vận tải [L] = 3000 – 7000 (KNm/m2).
Vậy L nằm trong giới hạn cho phép.
ã Kiểm tra ỏp suất trờn bề mặt ma sỏt.
Áp suất trên bề mặt ma sát được xác định theo công thức sau:
2
. . . 0 P t
q M
= b r
m b
Áp suất trên một má phanh.
q = ' '21 2
0
1789, 95.9 1579079 . . . 0,3.0, 06.0,19 .5
P t
M
b r = =
m b p (N/m2)
Áp suất cho phép trên má phanh.
[q] = (1,5 – 2,0 ) (MN/m2) = (1,5 – 2,0).106 (N/m2) Vậy q nằm trong giới hạn cho phép
ã Kiểm tra tỉ số đỏnh giỏ thời gian làm việc của mỏ phanh (P).
48450
304717 0,159
P M
= F = =
ồ
(N/m2) = 30471,7 (KG/m2) M là trọng lượng của ôtô, M = 48450 (N)
Fồ là tổng diện tớch của bề mặt ma sỏt của cỏc mỏ phanh ở tất cả cỏc cơ cấu phanh, Fồ = 0,159 (m2)
Thời gian làm việc của má phanh cho phép.
Đối với ụtụ tải [P] = (2,5 á 3,5).104 KG/m2 Vậy P < [P]