I. Giới thiệu về xe và hệ thống phanh của xe tham khảo
3. Lựa chọn phơng án thiết kế phanh và hệ thống dẫn động phanh
Ta chọn hệ thống phanh cho xe tải 5 tấn là hệ thống phanh dẫn động khí nén 2
dòng với cơ cấu phanh tang trống đối xứng qua trục ở cả cầu trớc và cầu sau
giống với xe tham khảo.
Phanh dừng sử dụng lò xo tích năng trong buồng tích năng của bầu phanh
sau.
Với việc lựa chọn nh thế ta có thể nhận thấy các lợi thế sau:
- Đáp ứng đợc nhiệm vụ phanh xe, giảm tốc độ, dừng xe khi đỗ. - Điều khiển nhẹ nhàng, kết cấu đơn giản, tạo đợc lực phanh lớn. - Có khả năng cơ khí hoá quá trình điều khiển ô tô.
- Có thể sử dụng không khí nén cho các bộ phận làm việc nh hệ thống treo loại khí.
* Nhợc điểm của hệ thống phanh khí nén.
- Số lợng các cụm khá nhiều, kích thớc và trọng lợng của chúng khá lớn, giá thành cao.
- Thời gian hệ thống phanh bắt đầu làm việc kể từ khi ngời lái tác dụng vào bàn đạp khá lớn.
Với khối lợng xe 5 tấn thì việc bố trí hệ thống phanh dẫn động khí nén là hợp lý, đủ không gian để bố trí các cơ cấu, các cụm, nên nhợc điểm coi nh không đáng kể.
Chơng 3
Tính toán thiết kế hệ thống phanh 1. Xác định mô men phanh cần thiết tại các bánh xe
Lực phanh tại bánh xe đạt đợc giá trị lớn nhất khi bánh xe bắt đầu trợt lết, trong
quá trình trợt mô men phanh không tăng đợc nữa mà thậm chí còn có xu hớng giảm. Vì vậy, ngời ta thờng tính toán mô men phanh cần thiết tại các bánh xe sao cho tận dụng đợc tối đa khả năng bám của bánh xe. Với lập luận nh vậy, tổng lực phanh tại tất cả các bánh xe của ô tô đợc tính nh sau:
=
Trong đó: = φ.G là lực bám giữa bánh xe và đờng. Với:
φ là hệ số bám đợc coi là nh nhau tại các bánh xe. Hệ số bám của mặt đờng theo giáo trình của LT ôtô máy kéo (I). ϕ
= (0,6 - 0,7)
Nếu hệ số bám quá nhỏ bánh xe có thể bị trợt quay ta chọn hệ số bám mặt đ- ờng là:
ϕ
G là trọng lợng toàn bộ của ô tô. G= 10100. 9,81 = 99081 (N)
= = φ.G = 0,65. 99081 = 64402 (N) Nh vậy, mô men phanh cực đại đợc tính nh sau: φ.G.
Trong đó: là bán kính bánh xe.
Theo xe tham khảo 235 / 75 R 17,5 Chiều rộng lốp xe B= 235 mm
chỉ số profin H/B= 0,75 => H= 235. 0,75= 176,25 mm đờng kính lắp vành : d= 17,5.25,4 = 444,5 mm
Vậy bán kính bánh xe:
= d/2 + H = 444,5/2 + 176,25 = 398,5 mm = 0,3985 m Vậy mô men phanh cực đại :
φ.G.= 0,65. 99081. 0,3985 = 25664 (Nm)
Để xác định mô men phanh cần có tại các bánh xe, ngời ta xác định mô men cần có tại từng cầu ( i=1,2 cầu trớc và sau) và coi mỗi bên bánh xe phải chịu một nửa mô men này.Ta có:
Mô men phanh cần có trên cầu trớc: = φ.. Mô men phanh trên cầu sau: = φ..
Trong đó, và là trọng lợng phân bố lên các cầu trớc và sau khi phanh.
Trong quá trình phanh xuất hiện lực quán tính hớng về phía trớc nên trọng lợng tác dụng lên cầu trớc tăng lên so với trọng lợng tĩnh, ngợc lại trọng lợng phân bố lên cầu sau lúc này lại nhỏ hơn trọng lợng tĩnh, nghĩa là:
> và >
Với và là trọng lợng tĩnh trên cầu trớc và cầu sau ô tô.
Để tính toán và ta xét sơ đồ các lực tác dụng trong quá trình phanh nh thể hiện trên hình 3.1:
L a b hg O1 O2 G Pj Z1 Z2
Hình 3.1: sơ đồ các lực tác dụng lên ô tô khi phanh
Trên sơ đồ sử dụng các ký hiệu sau:
L: chiều dài cơ sở của ô tô: L= 4200 mm = 4,2m
a, b: khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trớc và cầu sau. a= 3,36 m; b= 0,84 m : chiều cao trọng tâm ô tô: = 1,2 m.
: lực quán tính xuất hiện khi phanh : = . j với j là gia tốc phanh. j = 6,5m/s2
và : phản lực từ đờng lên các bánh xe cầu trớc và cầu sau. Ta có phơng trình cân bằng mô men quanh điểm :
∑= .L - G.b - . = 0
Từ phơng trình trên ta tính đợc phản lực của đờng tác dụng lên các bánh xe cầu tr- ớc:
= .( G.b + . j .) = (1+ )= (1+ )= 38573(N) Tơng tự nh vậy đối với cầu sau ta cũng có:
= .( G.a - . j .) = (1- )= (1- )= 60507 (N) Trong quá trình phanh ta có:
= và =
Nh vậy mô men phanh cần thiết trên các cầu đợc tính: - Cầu trớc: = . φ.= 38573.0,65. 0,3985 = 9991 (Nm) - Cầu sau: = . φ.= 60507.0,65. 0,3985 = 15672 (Nm)
Mô men phanh tại mỗi bánh xe : - Cầu trớc: = = = 4995 (Nm) - Cầu sau : = = =3918 (Nm)
2. Tính toán cơ cấu phanh guốc bằng phơng pháp họa đồ2.1. Các thông số cơ bản của cơ cấu phanh guốc 2.1. Các thông số cơ bản của cơ cấu phanh guốc
Đối với phanh guốc, mô men phanh tại bánh xe đợc tạo bởi 2 guốc phanh. Theo vị trí của chúng ta gọi là guốc trớc và sau. Chẳng hạn đối với cơ cấu phanh cầu trớc thể hiện trên hình 3.2. Ta có:
M''p M'p
Hình 3.2: sơ đồ phân bố mô men phanh trên các guốc phanh
= +
Tơng tự nh vậy với cơ cấu phanh sau: = +
Hình 3.3: các thông số hình học của cơ cấu phanh
Các thông số hình học của cơ cấu phanh gồm có : - Bán kính tang trống
- Góc ôm của má phanh
- Tọa độ điểm đặt lực cách tâm O một khoảng a
Ngoài ra để phục vụ cho việc tính toán ngời ta xây dựng hệ trục vuông góc X-X và Y-Y, trong đó trục Y-Y đợc lấy đi qua tâm O của cơ cấu phanh và tâm quay của guốc phanh.
Các góc và đợc tính từ trục Y-Y, nên: = -
Các thông số của guốc phanh sau cũng đợc xác định tơng tự.
Trong quá trình tính toán, để phân biệt các guốc trớc và sau ngời ta đánh dấu(‘) cho guốc trớc và dấu (“) cho các thông số của guốc sau.
2.2. Các lực tác dụng lên guốc phanh:
Guốc phanh phải chịu 3 lực:
- Lực P do dẫn động phanh sinh ra, cụ thể là cam. Phơng, chiều và điểm đặt của lực này đã biết theo kết cấu của cơ cấu phanh.
- Phản lực U từ chốt phanh tác dụng lên guốc phanh, điểm đặt của lực này đ- ợc coi là đặt tại tâm quay của guốc phanh tuy nhiên phơng, chiều và độ lớn thì cha biết.
- Phản lực R của trống phanh tác dụng lên má phanh. Lực này cha biết cả về điểm đặt, phơng, chiều và độ lớn.
Nh vậy cả 3 lực trên đều có những thông số cha biết. Để xác định đợc các lực này ngời ta sử dụng phơng pháp dựng hình gọi là họa đồ lực phanh.
Bớc đầu tiên trong quá trình xây dựng họa đồ là xác định điểm đặt của lực R. Ở đây, lực tác dụng từ trống phanh lên má phanh không phải là lực tập trung mà phân bố dọc theo má phanh. Thực tế cho thấy lực này phân bố không đều dọc theo má phanh mà có quy luật phân bố gần với quy luật sin:
q= . sin
q : đợc gọi là lực phân bố hay áp suất trên má phanh.
Muốn tìm phản lực R và quy nó về một lực tập trung để tiện cho việc tính toán ng- ời ta làm nh sau. Xét một phần tử nhỏ trên má phanh, có vị trí đợc xác định bởi góc và bị giới hạn bởi góc d. Lực tác dụng lên phần tử này đợc phân tích thành 2 thành phần: thành phần vuông góc ( hớng kính) dN và thành phần tiếp tuyến dT. Trong đó N là áp lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt tiếp xúc của má phanh và T chính là lực ma sát:
dT = m.dN với m là hệ số ma sát.
Chấp nhận giả thiết áp suất phân bố trên má phanh theo quy luật sin ta có: dN= . sin .b.
dT= m. . sin .b.
Trong đó b là bề rộng của má phanh. Chiếu lực dN xuống các trục X, Y: Ta có : d= dN. sin = . .b. d= dN. cos = . sin .b. từ đây ta có thể tính các thành phần lực: = = . . b..(2 + sin - sin ) Và : = = . . b..( cos - cos )
Gọi góc giữa lực N và trục X-X là δ, ta có: tgδ = =
Góc δcho phép xác định phơng của lực N, còn giá trị của nó đợc tính nh sau: N=
N= . . b..
Tuy nhiên điểm đặt lực N vẫn cha biết.
Do mô men phanh đợc tạo bởi lực ma sát T ( lực N hớng về tâm O, không gây mô men) nên , nếu gọi khoảng cách từ tâm O đến điểm đặt lực là ρ , ta có:
= T. ρ Từ đây ta có thể tính bán kính đặt lực ρ nh sau: ρ = Với lực N đã biết, để tính ρcần xác định : d = = . sin .b. = = ..b. =..b.( cos - cos )
Thay các biểu thức của và N vào công thức tính ρ và biến đổi ta đợc: ρ =
Với góc δvà bán kính ρ ta xác định đợc điểm đặt của lực N và đây cũng chính là điểm đặt của lực R.
Sau khi đã xác định đợc điểm đặt của lực R, ta có thể xác định đợc phơng của nó nh sau:
Gọi φ là góc giữa các lực N và R, ta có: = =
Đối với các vật liệu thông dụng trong cơ cấu phanh hệ số ma sát: = 0,25 – 0,35; ta chọn =0,3 => = arctag 0,3 = 17….
2.3. Xây dựng họa đồ lực phanh
Đối với dẫn động các guốc phanh bằng khí nén, cơ cấu tác động cuối cùng là cam ép. Thông thờng các cam có biên dạng đối xứng nên khi tác động, các má phanh của guốc trớc và guốc sau có các khoảng dịch chuyển bằng nhau. Trong điều kiện đó, nếu kích thớc của các má phanh nh nhau thì biến dạng của chúng cũng bằng
nhau và vì vậy, áp suất trên các má phanh cũng sẽ bằng nhau. Điều này có nghĩa là các phản lực từ trống phanh tác dụng lên các guốc phanh trớc và sau bằng nhau:
R’=R’’=R
Quy trình xây dựng họa đồ trong trờng hợp này đợc tiến hành nh sau:
1. Xác định các thông số hình học của cơ cấu phanh và vẽ sơ đồ theo đúng tỷ lệ; vẽ các lực P.
2. Tính góc δ và bán kính ρ từ đó xá định điểm đặt của lực R.
3. tính góc φ và vẽ phơng của lực R. Kéo dài phơng của R’ và P cắt nhau tại O’, kéo dài phơng của P và R’’ cắt nhau tại O’’.
4. Vẽ các đờng song song với R’ và R’’trên các đờng này đặt các đoạn bằng nhau: R’=R’’=R và từ đó dựng các tam giác lực.
5. Với các má phanh có kích thớc giống nhau ta có: = =
Khi đó công thức: R’.+ R’’.= 2R =
Từ đó tính đợc giá trị của các lực R: R=
6. Dựa trên các giá trị của các lực R và các kích thớc trên hình vẽ ta tính tỷ lệ xích rồi từ đó tính các lực còn lại là P’,P’’; U’ và U’’.
Họa đồ lực phanh cho phép xác định các lực tác dụng lên guốc phanh: P,R,U. Trong đó, lực P đợc sử dụng để tính toán dẫn động mà cụ thể là đờng kính màng của bầu phanh dẫn động khí nén. Các lực U, R thờng đợc dùng để tính bền cơ cấu phanh.
2.3.1. Cơ cấu phanh trớc
- Bán kính tang trống = 210 mm
- Bề rộng má phanh b’= b’’= 160 mm - Góc ôm má phanh ’=’’ = 117… = 2,04rad == 23 … = 140 … - Góc vị trí chốt so với trục đối xứng a’= a’’ = 9… - Khoảng cách từ chốt lệch tâm đến trục bánh xe O= 170 mm - Tay đòn lực P đến tâm O : ’ = 157 mm và ’’ = 147 mm - Tay đòn từ đến O: = 168 mm Má trớc tgδ’ = = = =0,09 δ’ = arctag 0,09= 5,14…. ρ' = = ρ' =243 mm ; ϕ’=17…
Má sau
δ’’ = 5,14 … ; ρ’’ =243 mm ; ϕ’’= 17…
Họa đồ lực phanh cơ cấu phanh trớc
Y' Y' O Y'' Y'' P'P'' X'' X'' X' X' O1 O2 ?' ?' ? ' O' ?'' ?'' O'' ? '' R' U' P' P'' R'' U''
Hình 3.5: Họa đồ lực phanh cơ cấu phanh trớc
Từ họa đồ ta tìm đợc: = 71,04 mm
Từ đó ta tính đợc giá trị của lực : R’ = R’’= R= = = 35156 N Từ các tam giác lực dựng đợc, ta tìm ra đợc :
=> =>
2.3.2. Cơ cấu phanh sau
- Bán kính tang trống = 210 mm
- Bề rộng má phanh b’= b’’= 160 mm
- Góc ôm má phanh ’=’’ = 117… = 2,04rad == 23 … = 140 …
- Góc vị trí chốt so với trục đối xứng a’= a’’ = 9…
- Khoảng cách từ chốt lệch tâm đến trục bánh xe O= 170 mm - Tay đòn lực P đến tâm O : ’ = 157 mm và ’’ = 147 mm - Tay đòn từ đến O: = 168 mm
Họa đồ lực phanh giống với cơ cấu phanh trớc. Từ họa đồ ta tìm đợc: = 71,04 mm Từ đó ta tính đợc giá trị của lực : R’ = R’’= R= = = 55152 N Từ các tam giác lực dựng đợc, ta tìm ra đợc : => => 2.4. Xác định các kích thớc má phanh
Đối với phanh guốc, kích thớc má phanh đợc xác định dựa trên các điều kiện sau: Công ma sát riêng;
Áp suất lên bề mặt má phanh; Tỷ số p;
Chế độ làm việc của cớ cấu phanh;
2.4.1. Công ma sát riêng
Nếu phanh ô tô đang chuyển động với vận tốc cho tới khi dừng hẳn (V= 0) thì toàn bộ động năng của ô tô có thể đợc coi là đã chuyển thành công ma sát L tại các cơ cấu phanh:
L= Với G là trọng lợng của ô tô đầy tải.
Gọi tổng diện tích các má phanh là ta có biểu thức tính công ma sát riêng nh sau : l=
nếu phanh ô tô từ vận tốc = 60 km/h cho tới khi dừng hẳn ( V= 0 ) thì : l= 400 – 1000 J/
*. Ta có: G= 10100 KG
= 60 km/h = 16,67 m/s. g= 9,81 m/
= ..
Trong đó : là góc ôm má phanh thứ i; = 117… = 2,04rad. bề rộng của má phanh thứ i; = 160 mm.
m: số lợng má phanh; m = 8
= 8.2,04.210.160= 548352 Vậy :
l= = = 26,09 < 400
Vậy má phanh chọn thỏa mãn điều kiện về công ma sát riêng.
2.4.2. –p suất lên bề mặt má phanh
Áp suất lên bề mặt má phanh bị giới hạn bởi sức bền của vật liệu: q= [q]= 1,5 – 2 MPa • Cầu trớc : q= = = 1,157 Thỏa mãn. • Cầu sau : q= = =1,815 Thỏa mãn. 2.4.3. Tỷ số p
Tỷ số p là tỷ số giữa khối lợng toàn bộ của ô tô M và tổng diện tích các má phanh
p= = = 1,842. kg/ thỏa mãn p [p]= (1- 2). kg/ đối với ô tô con.
Kết Luận: Tất cả các điều kiện về công ma sát riêng, áp suất lên bề mặt má phanh, tỷ số giữa khối lợng trên tổng diện tích má phanh đều đợc thỏa mãn. Vậy các thông số chọn ban đầu thỏa mãn.
2.5. Kiểm tra hiện tợng tự xiết
Trong quá trình thiết kế cơ cấu phanh, nếu lựa chọn các thông số không hợp lý thì có thể xảy ra hiện tợng tự xiết. Đây là điều cần tránh vì khi xảy ra hiện tợng này cơ cấu phanh làm việc giật cục, không êm dịu và hơn nữa lái xe không thể kiểm soát
đợc cờng độ phanh theo ý muốn. Sau đây ta đi kiểm tra hiện tợng tự xiết của cơ cấu phanh vừa thiết kế.
Đối với guốc phanh trớc của cơ cấu phanh ta có quan hệ giữa lực P’ và có dạng : =
Trong đó : c= OO1=170 mm
Biểu thức trên đây cho thấy, nếu : = 0 thì tiến đến vô cùng, điều này có nghĩa là mô men phanh trên guốc phanh phía trớc sẽ trở nên vô cùng lớn mà không phụ thuộc vào lực tác động P’, đây chính là hiện tợng tự xiết.