1 hệ thống phanh 1.1 Công dụng, yêu cầu, phân loại 1.1.1 Công dụng Hệ thống phanh dùng để: - Giảm tốc độ ôtô máy kéo dừng hẳn đến tốc độ cần thiết - Ngoài ra, hệ thống phanh có nhiệm vụ giữ cho ôtô máy kéo đứng yên chỗ mặt dốc nghiêng hay mặt đờng ngang Với công dụng nh vậy, hệ thống phanh hệ thống đặc biệt quan trọng: - Nó đảm bảo cho ôtô máy kéo chuyển động an toàn chế độ làm việc - Nhờ phát huy hết khả động lực, nâng cao tốc độ suất vận chuyển xe máy 1.1.2 Yêu cầu Hệ thống phanh cần đảm bảo yêu cầu sau: - Làm việc bền vững, tin cậy; - Có hiệu phanh cao phanh đột ngột với cờng độ lớn trờng hợp nguy hiểm; - Phanh êm dịu trờng hợp khác, để đảm bảo tiện nghi an toàn cho hành khách hàng hóa; - Giữ cho ôtô máy kéo đứng yên cần thiết, thời gian không hạn chế; - Đảm bảo tính ổn định điều khiển ôtô máy kéo phanh; - Không có tợng tự phanh bánh xe dịch chuyển thẳng đứng quay vòng; - Hệ số ma sát má phanh với trống phanh cao ổn định điều kiện sử dụng; - Có khả thoát nhiệt tốt; - Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển nhỏ Để có độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn chuyển động trờng hợp, hệ thống phanh ôtô máy kéo phải có tối thiểu ba loại phanh, là: Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Ngun Hoµng ViƯt - Phanh lµm viƯc: phanh phanh chính, đợc sử dụng thờng xuyên tất chế độ chuyển động, thờng đọc điều khiển bàn đạp nên gọi phanh chân - Phanh dự trữ: Dùng để phanh ôtô máy kéo trờng hợp phanh hỏng - Phanh dừng: Còn gọi phanh phụ Dùng để giữ cho ôtô máy kéo đứng yên chỗ dừng xe không làm việc Phanh thờng đợc điều khiển tay đòn nên gọi phanh tay - Phanh chậm dần: Trên ôtô máy kéo tải trọng lớn (nh: xe tải, trọng lợng toàn lớn 12 tấn; xe khách - lớn tấn) làm việc vùng đồi núi, thờng xuyên phải chuyển động xuống dốc dài, phải có loại phanh thứ t phanh chậm dần, dùng để: - Phanh liên tục, giữ cho tốc độ ôtô máy kéo không tăng giới hạn cho phép xuống dốc; - Để giảm dần tốc độ ôtô máy kéo trớc dừng hẳn Các loại phanh có phận chung kiêm nhiệm chức Nhng chúng phải có hai phận điều khiển dẫn động độc lập Ngoài ra, để tăng thêm độ tin cậy, hệ thống phanh đợc phân thành dòng độc lập để dòng bị hỏng dòng lại làm việc bình thờng Để có hiệu phanh cao: - Dẫn động phanh phải có độ nhạy lớn - Phân phối mô men phanh bánh xe phải đảm bảo tận dụng đợc toàn trọng lợng bám để tạo lực phanh Muốn vậy, lực phanh bánh xe phải tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến đờng tác dụng lên chúng - Trong trờng hợp cần thiết, sử dụng trợ lực hay dùng dẫn động khí nén bơm thủy lực để tăng hiệu phanh xe có trọng lợng toàn lớn Để đánh giá hiệu phanh ngời ta sử dụng hai tiêu chính, là: gia tốc chậm dần quÃng đờng phanh Ngoài dùng tiêu khác, nh: Lực phanh hay thời gian phanh Giá trị yêu cầu tiêu tham khảo bảng 1-1, 1-2 1-3 Cần ý rằng: tiêu quy định hiệu phanh cho phÐp tõng quèc gia hay tõng hiÖp héi quy định riêng dựa vào nhiều yếu tố, nh: nguồn gốc chủng loại ôtô lu hành, điều kiện đờng xá , trình độ tổ chức kiểm tra kỹ thuật, trang thiết bị kiểm tra v.v Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Bảng 1-1: Tiêu chuẩn hiệu phanh (của hệ thống phanh chính) cho phép ôtô lu hành đờng - Do Bộ GTVT Việt Nam quy định năm 1995 Stt Chủng loại ôtô Ôtô du lịch loại ôtô khác thiết kế sở ôtô du lịch Ôtô vận tải trọng lợng toàn ôtô khách có chiều dài toàn 7,5 m Ôtô vận tải đoàn ôtô có trọng lợng toàn > ôtô khách có chiều dài toàn > 7,5 m QuÃng đờng phanh Sp, m () Gia tốc chậm dần ổn định Jp, m/s2 (≥) 7,2 5,8 9,5 5,0 11 4,2 Tiªu chuẩn trình bày bảng đợc cho ứng với chế độ thử: - Ôtô không tải, chạy đờng nhựa khô, nằm ngang - Vận tốc bắt đầu phanh 30 Km/h (8,33 m/s) Do yêu cầu tốc độ ôtô ngày tăng, có xu hớng tăng vận tốc thử phanh phép ôtô lu hành đờng Tuy thử phanh tốc ®é cao lµ rÊt nguy hiĨm, nhÊt lµ ®iỊu kiện cha cho phép có bÃi thử chuyên dùng Vì nớc ta áp dụng tốc độ thử hạn chế 30 Km/h Số liệu cho bảng sử dụng để kiểm tra phanh định kỳ nhằm mục đích cho phép ôtô lu hành đờng để đảm bảo an toàn chuyển động Đối với các sở nghiên cứu hay thiết kế chế tạo cần áp dụng tiêu chuẩn nghiêm ngặt Bảng 1-2: Các tiêu đánh giá hiệu hệ thống phanh (Tiêu chuẩn Liên Xô) Tốc độ trKết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Lực tác Dạn g QuÃn g đ- Gia tốc chậm Biên soạn : TS Ngun Hoµng ViƯt Stt Chủng loại ôtô Ôtô du lịch Micrôbuys với số chỗ ngồi Ôtô buys > chỗ ngồi trọng lợng toàn Ôtô buys với trọng lợng toàn > Ôtô tải, trọng lợng toàn < 3,5 Ôtô tải, trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Ôtô tải, trọng lợng toàn > 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn bé > 12 tÊn íc phanh V0,K m/h dơng lên bàn đạp Pbđ, N () 80 500 60 700 60 700 70 700 50 700 40 700 50 700 40 700 thư êng phan h Sp, m (≤) dÇn ổn định Jp, m/s2 () I II I II 43,2 54,0 57,5 25,8 32,3 34,3 7,0 5,4 5,0 7,0 5,3 4,9 I II I II I II I II I II 32,1 40,1 42,7 44,8 56,0 59,6 25,0 31,3 33,3 17,2 21,5 22,9 26,5 33,1 35,2 6,0 4,5 4,1 5,5 4,1 3,8 5,5 4,0 3,7 5,5 4,0 3,6 5,5 4,0 3,7 I II 18,4 23,0 24,5 5,5 3,9 3,6 §èi víi hƯ thống phanh chính, giá trị tiêu đợc cho tơng ứng với ba dạng thử khác nhau, là: Bảng 1-3: Các tiêu đánh giá hiệu hệ thống phanh dự trữ (Tiêu chuẩn Liên Xô) Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Stt Chủng loại ôtô Tốc Lực tác độ tr- dụng lên íc bé phËn phanh ®iỊu V0,K khiĨn m/h N (≤) Qu·ng ®êng phanh Sp, m (≤) Gia tèc chËm dần ổn định Jp, m/s2 () 90,1 3,0 60 52,2 3,0 60 52,2 3,0 70 79,0 2,8 50 42,5 2,8 40 28,4 2,8 50 44,0 2,8 40 29,6 2,8 Tay đòn Ôtô du lịch Micrôbuys với số chỗ ngồi Ôtô buys > chỗ ngồi trọng lợng toàn Ôtô buys với trọng lợng toàn > Ôtô tải, trọng lợng toàn < 3,5 Ôtô tải, trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Ôtô tải, trọng lợng toàn > 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn từ 3,5 đến 12 Đoàn ôtô với trọng lợng toàn > 12 80 Bà n đạp 400 500 600 700 - Thử 0: Để xác định hiệu hệ thống phanh chính, cấu phanh nguội thờng tiến hành cho hai trờng hợp: động đợc tách không tách khỏi hệ thống truyền lực Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt - Thử I: Để xác định hiệu hệ thống phanh chính, cấu phanh đà làm việc nóng lên Đạng thử bao gồm hai giai đoạn: - Thử sơ bộ: Để cho cấu phanh nóng lên - Thử chính: Để xác định hiệu phanh - Thử II: Để xác định hiệu hệ thống phanh chính, ôtô máy kéo chuyển động xuống dốc dài Khi phanh phanh dự trữ hệ thống khác thực chức nó, gia tốc chậm dần lớn cần phải đạt m/s ôtô khách 2,8 m/s2 ôtô tải Đối với hệ thống phanh dừng, hiệu phanh đợc đánh giá tổng lực phanh thực tế mà cấu phanh tạo Khi thử (theo chiều: đầu xe hớng xuống dốc ngợc lại - quay lên dốc) phanh dừng cần phải giữ đợc ôtô máy kéo chở đầy tải động tách khỏi hệ thống truyền lực, đứng yên mặt dốc có độ nghiêng không nhỏ 25% Hệ thống phanh chậm dần cần phải đảm bảo cho ôtô máy kéo, chuyển động xuống dốc dài Km, độ dốc 7%, tốc độ không vợt 302 Km/h (8,330,6 m/s), mà không cần sử dụng hệ thống phanh khác Khi phanh phanh này, gia tốc chậm dần ôtô máy kéo thờng đạt khoảng 0,6ữ2,0 m/s2 Để trình phanh đợc êm dịu để ngời lái cảm giác, điều khiển đợc cờng độ phanh, dẫn động phanh phải có cấu đảm bảo quan hệ tỷ lệ thuận lực tác dụng lên bàn đạp đòn điều khiển với lực phanh tạo bánh xe Đồng thời tợng tự xiết phanh Để đảm bảo tính ổn định điều khiển ôtô máy kéo phanh, phân bố lực phanh bánh xe phải hợp lý, cụ thể phải thỏa mÃn điều kiện sau: - Lực phanh bánh xe phải trái cầu phải Sai lệch cho phép không đợc vợt 15% giá trị lực phanh lớn - Không xảy tợng khóa cứng, trợt bánh xe phanh Vì: Các bánh xe trớc trợt làm ôtô máy kéo bị trợt ngang; Các bánh xe sau trợt làm ôtô máy kéo tính điều khiển, quay đầu xe Ngoài ra, bánh xe bị trợt gây mòn lốp, giảm hiệu phanh giảm hệ số bám Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Để đảm bảo yêu cầu này, ôtô máy kéo đại ngời ta sử dụng điều chØnh lùc phanh hay hƯ thèng chèng h·m cøng b¸nh xe (Antilock Braking System - ABS) H×nh 1.1 Sù thay đổi hệ số bám dọc x hệ số bám ngang y theo độ trư ợt tương đối bánh xe ( tính theo công thức: ; đây: Va - Tốc độ chuyển động tịnh tiến ôtô b - Tốc độ góc bánh xe rb - Bán kính lăn bánh xe Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt x=X/Z y=Y/Z Hình 1.2 Sơ đồ lực tác dụng vết tiếp xúc bánh xe với mặt đường quan hệ hệ số bám dọc ngang Hình 1.3 Các trường hợp bánh xe bị trượt ngang phanh a- Cầu sau bị trượt; b- Cầu trước bị trượt; c- Quá trình giảm trượt Hình Sơkếđồ ngang ôtô Kết cấu, tính toán 1.4 thiết ôtôtrượt - Hệ thống phanh Biên soạn bánh sau bị hÃm cứng mặt : TS Nguyễn Hoàng Việttrên đường có hệ số bám nhỏ Yêu cầu điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện đợc đánh giá lực lớn cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển hành trình tơng ứng chúng Giá trị quy định tiêu cho bảng 1-4 Bảng 1- 4: Giá trị tối đa cho phép lực tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển hành trình tơng ứng chúng hệ thống phanh ôtô (Tiêu chuẩn Liên Xô) Phơng pháp Hệ thống điều khiển phanh Bằng bàn đạp Làm việc, dự trữ phanh dừng Bằng tay đòn Dự trữ dừng Chủng loại ôtô - Du lịch - Vận tải khách - Du lịch - Vận tải khách Pbđmax (N) 500 700 Sbđmax (mm) 150 180 400 600 160 220 1.1.3 Phân loại - Theo vị trí bố trí cấu phanh, phanh chia loại: Phanh bánh xe phanh truyền lực - Theo dạng phận tiến hành phanh (phần tử ma sát), phanh chia ra: Phanh guốc, phanh đĩa phanh dải - Theo loại dẫn động, phanh chia ra: Phanh khÝ, phanh thđy lùc, phanh khÝ nÐn, phanh ®iƯn tõ phanh liên hợp (kết hợp loại khác nhau) a) b) c) Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý loại phanh a- Phanh trống-Guốc; b- Phanh đĩa; c- Phanh dải Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng ViƯt 1.2 KÕt cÊu hƯ thèng phanh chÝnh §Ĩ thực nhiệm vụ mình, hệ thống phanh phải có hai phần kết cấu sau: - Cơ cấu phanh: Là phận trực tiếp tạo lực cản Trong trình phanh động ôtô máy kéo đợc biến thành nhiệt cấu phanh tiêu tán môi trờng - Dẫn động phanh: Để điều khiển cấu phanh 1.2.1 Cơ cấu phanh Là phận trực tiếp tạo lực cản làm việc theo nguyên lý ma sát, kết cấu cấu phanh phải có hai phần là: Các phần tử ma sát cấu ép Ngoài ra, cấu phanh có số phận phụ khác, nh: Bộ phận điều chỉnh khe hở bề mặt ma sát, phận để xả khí ®èi víi dÉn ®éng thđy lùc PhÇn tư ma sát cấu phanh có dạng: Trống - Guốc, Đĩa hay Dải Mỗi dạng có đặc điểm kết cấu riêng biệt 1.2.1.1 Loại trống - guốc: a Thành phần cấu tạo: Đây loại cấu phanh đợc sử dụng phổ biến Cấu tạo gồm: - Trống phanh: trống quay hình trụ gắn với moay bánh xe - Các guốc phanh: bề mặt gắn ma sát (còn gọi má phanh) - Mâm phanh: đĩa cố định, bắt chặt với dầm cầu Là nơi lắp đặt định vị hầu hết phận khác cấu phanh - C¬ cÊu Ðp: phanh, c¬ cÊu Ðp ngời lái điều khiển thông qua dẫn động, ép bề mặt ma sát guốc phanh tỳ chặt vào mặt trống phanh, tạo nên lực ma sát phanh bánh xe lại - Bộ phận điều chỉnh khe hở xả khí (chỉ có dẫn động thủy lực) b Các sơ đồ tiêu đánh giá: Có nhiều sơ đồ để kết nối phần tử cấu phanh (Hình 1.6) Các sơ đồ khác ở: - Dạng số lợng cấu ép - Số bậc tự guốc phanh - Đặc điểm tác dụng tơng hỗ guốc với trống, guốc với cấu ép Và vậy, khác ở: - Hiệu làm việc Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt 10 phanh quay quanh tâm cố định A1 góc nhỏ d Biến dạng má phanh ë ®iĨm B bÊt kú cđa nã theo híng quay guốc B1B'1, theo phơng hớng kính hình chiếu B 1B'1 bán kính OB1 kéo dài, tức đoạn B 1C1 Do d rÊt nhá nªn cã thĨ coi gãc (A1B1B'1) = 90o, biến dạng phải tìm: = B1C1 = B1B'1sinγ1 = A1B1dθsinγ1 XÐt tam gi¸c OA1B1, ta cã: A1B1 = (OA1/sin1)sin1 Bởi vậy: (1.7) = OA1sin1d Vì thời điểm OA1 d số, nên biến dạng thay đổi theo quy luật hàm sin áp suất thay đổi theo quy luật tơng tự, tức viết: (1.8) q1 = q1maxsin1 Từ kết nhận đợc kết luận rằng: guốc phanh mới, cha rà mòn, áp suất theo chiều dài ma sát (bề mặt má phanh) phân bố không mà theo quy luật hàm sin Mức độ không ®¸nh gi¸ b»ng hƯ sè: (1.9) ∆ = qmax/qtb ë đây: qtb - áp suất giả định phân bố đều, tạo nên mô men phanh tơng tự nh trờng hợp áp suất phân bố không + Phanh dải (Hình 1.90): áp suất riêng điểm dải phanh đợc xác định theo phơng trình Ơle: (1.10) qx = Sx/BR đây: Sx - Lực căng dải phanh điểm tính áp suất; B - Chiều rộng dải phanh; R - Bán kính trống phanh Quan hệ lực căng hai đầu dải phanh đợc xác định theo công thức Ơle: (1.11) S1 = S2eà Trong đó:à - Hệ số ma sát - Góc ôm Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 104 Hình 1.90 Sơ đồ xác định quyBiên luậtsoạn phân áp suất : TS.bố Nguyễn Hoàng Việt dải phanh (1.12) Nh rõ ràng: áp suất chiều dài dải phanh thay đổi phụ thuộc vào lực căng theo quan hệ hàm số mũ Tại hai đầu tiếp xúc trống với dải phanh, áp suất đạt cực trị: qmax = S1/BR; qmin = S2/BR b) Quan hệ lực dẫn động mô men phanh tạo + Phanh guốc: Hiện để xác định quan hệ có ba phơng pháp khác là: đồ thị, đồ - giải giải tích Phơng pháp thứ ba phổ biến u việt đơn giản, có độ xác cao thuận tiện cần phân tích ảnh hởng thông số Bởi sử dụng phơng pháp Xét cân guốc phanh với giả thiết sau: - áp suất phân bố theo chiều rộng má phanh - Quy luật phân bố áp suất theo chiều dài má phanh không phụ thuộc vào giá trị lực ép tác dụng lên guốc có dạng tổng quát: (1.13) q = qmax() đây: qmax - áp suất max má phanh; () - Hàm phân bố áp suất - Hệ số ma sát trống má phanh không phụ thuộc vào chế độ phanh Khi phanh, phần tử vô bé d (Hình 1.91) chịu tác dụng lực pháp tuyến dN = qbrd lực ma sát dFT = àdN = àqbrd từ phía trống phanh Lực ma sát tạo mô men phanh: dMp = dFT.r = µqbr2dα, hay dMp = µqmaxbr2Ψ(α) dα (1.14) Tích phân biểu thức (1.14) từ đến ta đợc mô men phanh tổng Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 105 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Mp1,2 = µqmaxbr ∫ψ (α ) dα (1.15) α0 guèc phanh tơng ứng tạo (guốc tự siết có số 1, guốc không tự siết - số 2): Để xác định qmax, ta viết phơng trình cân mô men ®èi víi ®iĨm quay (C) cđa gc: ∑M c α1 α1 α0 α0 = Ph ± ∫ ldFT − s sin dN = Hình 1.91 Sơ đồ tÝnh to¸n gc phanh (1.16) ThÕ c¸c biĨu thøc cđa dFT vµ dN vµo (1.16) vµ chó ý r»ng l = (r - scos), sau biến đổi cã: α1 α1 α1 α0 α0 α0 qmax = [ Ph /(rb)] /{s ∫ψ (α ) sin αdα µ[r ∫ψ (α ) dα − s ∫ψ (α ) cosαdα ]} (1.17) Thế biểu thức (1.17) vào phơng trình (1.15) råi chia tư vµ r ∫ψ (α ) dα mẫu cho nhận đợc phơng trình để xác định mô men phanh guốc theo lực ép: M p1, = Phµ /( A µB ) α1 đây: A = ( s ( ) sin αdα ) /( r ∫ψ (α ) dα ) α0 α0 (1.18) (1.19) α0 α1 α1 α0 α0 B = − [( s ∫ψ (α ) cosαdα ) /(r ∫ψ (α ) dα )] (1.20) DÊu (-) ë mÉu sè cđa biĨu thøc (1.18) t¬ng øng víi gc tự siết, dấu (+) - tơng ứng với guốc không tự siết Nh mô men tổng hai guèc phanh sÏ lµ: M P ∑ = M P1 + M P = P1h1µ (1.21)P2 h2 µ + A1 àB1 A2 àB2 Các phơng trình từ (1.17) đến (1.21) với tất cấu phanh guốc: loại bơi (2 bậc tự do) nh loại có điểm quay cố định (1 bậc tự do) Để áp dụng cho loại cấu phanh cụ thể cần xác định thêm hàm phân bố áp suất () Quy luật phân bố áp suất theo chiều dài má phanh phơ thc rÊt nhiỊu u tè, ®ã cã ®é cứng vững nhiệt độ chi tiết cấu phanh cấu phanh mà chi tiết có độ cứng vững cao, nh đà chứng minh phần trên, guốc bậc tự do: () = sin áp suất qmax tác dụng điểm có = 90o (Hình 1.92a) cấu phanh mà chi tiết có độ cứng vững thấp, áp suất phân bố theo chiều dài má phanh gần nh (Hình 1.92b), tức () =1 Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 106 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Hình 1.92 Biểu đồ phân bố áp suất má phanh Kết tính toán mô men phanh cho thấy: sai lệch hai trờng hợp () = sin () = 1, không lớn (không vợt 5%) Sau tích phân biểu thức (1.19) (1.20) ta nhận đợc: - Với () = sinα: - Víi ψ(α) = 1: s sin( 2α ) − sin( 2α1 ) + 2(α1 − α ) r 4(cosα − cosα1 ) s (1.22) Bs = − (cosα − cosα1 ) 2r s cosα − cosα1 ) Ad = r (α1 − α ) s sin α1 − sin α ) (1.23) Bd = − r (α1 − α ) As = Đối với guốc phanh hai bËc tù do, ψ1(α) = sin(α + ϕ1) - guèc tríc vµ ψ2(α) = sin(α - ϕ2) - gc sau, áp suất đạt giá trị max điểm có = (90o 1, ) , tức điểm áp st max dÞch theo chiỊu quay cđa trèng phanh mét góc so với điểm guốc phanh bậc tự Thế biểu thức vào công thức tính A B, sau tích phân, nhận đợc giá trị A B ®èi víi c¸c gc cã hai bËc tù do: 1 cos ϕ1, [α1 − α + sin( 2α ) − sin( 2α1 )] ± sin ϕ1, (sin α1 − sin α ) s 2 A= (1.24) 2r cos ϕ1, [(cosα − cosα1 ) ± sin ϕ1, (sin α1 − sin α )] s B =1− 2r 1 cos ϕ1, (sin (2α1 ) − sin (2α ) ± sin ϕ1, [α1 − α − sin( 2α1 ) − sin(2α )] 2 cos ϕ1, [(cosα − cosα1 ) ± sin ϕ1, (sin α1 − sin α )] Dấu (+) (1) đợc lấy ứng với guốc phía trớc dấu (-) (2) lấy ứng với guốc phía sau Giá trị 1,2 thừa nhận sở phân tích đặc điểm mài mòn má phanh loại bơi đà qua sử dụng Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 107 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt nh sau: = 40o ữ 50o = 20o ÷ 30o Khi ϕ1 = ϕ2 = th× biĨu thức (1.24) trở thành dạng (1.22) Đối với dẫn động thủy lực có guốc đối xứng P = P2 = P; A1 = A2 = A; B1 = B2 = B vµ h1 = h2 = h, nên theo công thức (1.21) ta có: PAhà A2 − µ B M ( A2 − µ B ) P = P∑ Ahµ (1.25) MP = Từ suy ra: (1.26) Đối với cấu phanh có hai guốc tự siết không kích thớc nh nhau, thì: Phà A B M ( A µ B ) P = P∑ 2hµ (1.27) M P ∑ = M 1, = Và: (1.28) Đối với cấu ép cam hay chêm MP1 = MP2; A1 = A2 = A (1.29) P1h1 /( A − µB ) = P2 h2 /( A + µB ) vµ B1 = B2 = B, tức là: Từ điều kiện cân cam Ðp (xem h×nh 1.93), ta cã: (1.30) Pd lk = ( P1 + P2 )d k / Tõ (1.29), nÕu coi h1 ≈ h2 th×: P2 = P1  (A + µB )  AP1 (A + µB ) ⇒ P2 + P1 = P1  +  = (A − µB )  (A − µB ) A àB Thay biểu thức vào (1.30), ta tìm đợc: P1, = Pd lk B (1 ) dk A (1.31) đây: Pd - Lực tác dụng lên đòn cam ép lk - Chiều dài đòn (cánh tay đòn P d) dk - Đờng kính vòng tròn sở profin cam ThÕ biĨu thøc cđa P 1,P2 (1.31) vµo (1.21) vµ chó ý r»ng m« men phanh hai gc sinh b»ng nhau, A1 = A2 vµ B1 = B2, ta nhận đợc: MP = P1h1à P2 h2 µ µ ( P1 + P2 )(h1 + h2 ) = = A − µB A + µB 2A MP∑ = M P ∑ Ad k µPd lk (h1 + h2 ) ⇒ Pd = Ad k µlk (h1 + h2 ) Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 108 (1.32) (1.33) Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Hình 1.93 Sơ đồ tính toán cấu cam ép + Phanh đĩa: Quan hệ lực ép mô men ma sát (phanh) tơng tự nh ly hợp (xem chơng ly hợp) + Phanh dải: Từ điều kiện cân trống phanh (Hình 1.94) xác định quan hệ mô men phanh lực siết hai đầu dải phanh nh sau: (1.34) Mp = (S1 - S2).R µβ mµ ta đà biết theo phơng trình Ơle: S1 = S1e , nên (1.34) viết lại: (1.35) Mp = S2(eà - 1).R Sau xác định đợc S1 S2, theo giá trị mô men phanh MP thông số kết cấu, vào sơ đồ dẫn động cụ thể, từ điều kiện cân lực ta xác định đợc lực dẫn động cần thiết Hình 1.94 Sơ đồ xác định quy luật phân bố áp suất tính toán phanh dải Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 109 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt 1.3.1.4 Điều kiện để không xảy tợng tự siết phanh: Hiện tợng tự siết tợng má phanh tự siết vào trống phanh lực ma sát mà không cần tác dụng lực dẫn động Trong trờng hợp đó, phơng diện lý thuyết mô men phanh tăng ®Õn v« cïng Tõ c«ng thøc (1.18): M P 1,2 = Phà , phanh guốc, t(A àB ) ợng tự siết xảy mẫu số không Để tránh tợng (1.36) phải đảm bảo điều kiện: (A - àB) > 0, tức là: < (A/B) Đối với phanh đĩa có cấu tạo lực ép kiểu bi - chêm mặt (1.37) nghiêng, điều kiện để tránh tự siết là: < tg Trong đó: - Góc nghiêng mặt chêm Đối với kết cấu nay, thờng = 35o ữ 40o 1.3.1.5 Trình tự tính toán: a) Xác định mô men phanh cần sinh cấu phanh Mô men phanh cần sinh đợc xác định từ điều kiện đảm bảo hiệu phanh lớn nhất, tức sử dụng hết lực bám để tạo lực phanh Muốn đảm bảo điều kiện đó, lực phanh sinh cần phải tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe Ví dụ, áp dụng điều kiện ôtô hai cÇu, ta cã: ϕZ kt ϕGa ϕGa = [b + hg ( J max / g )] = (b + ϕhg ) 2L 2L ϕZ ϕGa ϕGa PPs = ks = [ a − hg ( J max / g )] = (a − ϕhg ) 2L 2L PPt = (1.38) Trong ®ã: PPt,PPs - Lùc phanh sinh cấu phanh cầu trớc sau Ga , g - Trọng lợng toàn ôtô gia tốc trọng trờng L,a,b Hg - Tơng ứng chiều dài sở tọa độ trọng tâm ôtô Jmax - Gia tốc chậm dần cực đại phanh - Hệ số bám bánh xe với đờng Khi tính toán, để đảm bảo cho cấu phanh có khả sinh mô men cực đại luôn lớn tối thiểu mô men xác định theo điều kiện bám, ngời ta có xu hớng lấy giá trị tối đa Cụ thể: - Đối với ôtô du lịch: tt = 0.85 ữ (nếu dẫn động phanh có trợ lực) tt = 0.75 ữ 0.85 (nếu dẫn động trợ lực) Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 110 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt - Đối với ôtô tải khách: khó bố trí cấu phanh bánh xe, nên thờng lấy tt = 0.60 ữ 0.65 Giá trị phù hợp với tiêu yêu cầu hiệu phanh b) Xác định kích thớc cấu phanh + Bán kính bề mặt ma sát trống phanh (r t): Đợc chọn sở kích thớc lốp, cho: vành bánh xe trống có khe hở định () không nhỏ 20 ữ 30 mm Khe hở cần thiết không khí lu thông làm mát trống phanh + Các kích thớc lại: nh s, h, 1, chọn tơng tự kết cấu tơng đơng đà có Chỉ ý rằng: góc «m β = (α2 - α1) thêng lÊy giíi hạn 90o ữ 120o Nếu lớn làm tăng mức độ phân bố không áp suất mà hiệu phanh không tăng đợc bao nhiêu, chí giảm nhiệt độ trống phanh tăng nhiều phanh liên tục, làm giảm hệ số ma sát Lấy nhỏ không tận dụng đợc kích thớc trống phanh má phanh mau mòn Chiều rộng má phanh (b) đợc chọn cho phanh với lực phanh cực đại, áp suất trung bình bề mặt ma sát q (công thức 1.40) không lớn 2,0 MPa (MN/m2) tải trọng riêng qui ớc (thông số đánh giá gián tiếp): (1.39) p = mag/FΣ ≤ [p] Trong ®ã:ma, g - Khối lợng toàn ôtô máy kéo gia tèc träng trêng FΣ - Tỉng diƯn tÝch cđa tÊt má phanh ôtô [p] = 0,25 0,30 MPa (tơng ứng với xe có khối lợng toàn đến 11 lớn 11 tấn) Trờng hợp phanh dải: chiều rộng b đợc tính theo áp suất cho phép dải phanh Tuy vậy, nói chung chiều rộng b không nên lấy lớn 100 mm Nếu theo tính toán mà b lớn nên làm thành hai dải song song để má phanh áp đợc sát vào trống phanh Chiều dày ma sát thờng lấy từ ữ mm Dải thép dày từ 1,5 ữ 2,5 mm, thờng đợc chế tạo thép 40 kiểm tra bền kÐo ë tiÕt diƯn nguy hiĨm víi [σK] =40 90 MPa Đối với phanh đĩa: thông số cần xác định diện tích bề mặt làm việc má phanh (F hình 1.95), bán kính r 1, bán kính r2, bán kính tơng đơng rtđ chiều dày đĩa phanh, lực ép chiều trục Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt 111 Hình 1.95 Hình dạng thông số phanh đĩa a- Đĩa phanh; b, c, d- Má phanh dạng rẻ quạt, dạng tròn, dạng tròn cắt vát Diện tích làm việc má phanh đợc xác định áp suất cho phép (đối với vật liệu ma sát bình thờng áp suất cho phép nằm giới hạn 0,015 0,02 MPa Góc ôm má phanh thờng không lớn 20 30O c) Kiểm tra điều kiện tránh tự siết: Điều kiện tránh tự siết đợc kiểm tra theo công thức đà xây dựng phần d) Tính toán nhiệt mài mòn: Tính toán mài mòn đợc tiến hành theo tiêu gián tiếp áp suất trung bình ma sát guốc tự siết công ma sát riêng xác định nhiệt độ đốt nóng trống phanh cờng độ mài mòn má phanh, nh sau: - áp suất trung bình má phanh: qtb = M P1 ≤ [qtb ] µbrt β (1.40) [qtb] = 2,0 MPa - má phanh vật liệu atbét thông thờng - Công má sát riêng (l ms) tỷ số công ma sát sinh phanh ôtô máy kéo từ tốc độ cực đại đến dừng tổng diện tích (F ) tất c¸c m¸ phanh: lms (1.41) maVa = ≤ [lms ] F Đối với ôtô du lịch: [lms] = 1000 ữ 1500 J/cm2 Đối với ôtô tải khách: [lms] = 600 ữ 800 J/cm2 Tính toán nhiệt nhằm hạn chế không cho nhiệt độ trống phanh tăng giới hạn cho phép tiến hành nh sau: Trong trình phanh, động xe chuyển thành nhiệt đốt nóng trống phanh phần tỏa không khí Do theo định luật bảo toàn lợng viết: Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 112 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt t Gc 2 (V1 − V2 ) = mt C∆τ c + Ft ∫ K∆τ ( t ) dt 2g ë ®©y: Gc , g tÝnh phanh (1.42) - Träng lợng toàn ôtô tác dụng lên cầu đợc J h Ga (b + p g ) L g J h G Gc = Z ks = a (a p g ) L g + Đối với cầu tríc cđa xe hai cÇu: Gc = Z kt = + Đối với cầu sau xe hai cầu: V1, V2 - Tốc độ đầu cuối trình phanh ôtô mt - Khối lợng trống phanh chi tiết liên quan bị nung nóng Trong trờng hợp trống phanh có kết cấu ghép: vòng ma sát gang vật liệu sở hợp kim nhôm, số hạng thứ vế phải công thức (1.42) có dạng: (m C + mk Ck )∆τ c , ®ã: mδ, mk - Tỉng khèi lợng tơng ứng trống vòng ma sát cầu đợc tính; C, Ck - Nhiệt dung riêng tơng ứng trống vòng ma sát: + Đối víi thÐp vµ gang : Ck = 482 J/(KgKo) + Đối với hợp kim nhôm : C = 880 J/(KgKo) c, (t)- lợng tăng nhiệt độ trống phanh so với môi trờng cuối trình phanh; Ft - DiƯn tÝch t¶n nhiƯt cđa trèng phanh; K - Hệ số truyền nhiệt trống phanh không khÝ; t - Thêi gian phanh Khi phanh ngỈt thời gian ngắn, nhiệt lợng truyền không khí không đáng kể, nên số hạng thứ hai vế phải (1.42) bỏ qua Trên sở đó, xác định lợng tăng nhiệt độ trống phanh mét lÇn phanh nh sau: ∆τ c = Gc (V 21 − V 2 ) g (mδ Cδ + mk Ck ) (1.43) Khi phanh ngỈt từ tốc độ ban đầu V1 = 30 Km/h dừng hẳn (V2 = 0), c không đợc vợt 15oC e) Xác định lực ép cần thiết: Sau đà biết mô men phanh cần sinh kích thớc cấu phanh, ta dễ dàng xác định đợc lực ép cần thiết tác dụng lên guốc phanh theo công thức đà xây dựng Khi tÝnh to¸n cã thĨ thõa nhËn hƯ sè ma s¸t = 0,32 ữ 0,38 lấy trung bình 0,35 Giá trị lực ép số liệu ban đầu để tính toán dẫn động sức bền chi tiết Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 113 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt f) Tính bền chi tiết: + Trống phanh: Tính tóan xác phức tạp Vì dùng phơng pháp tính gần với giả thiết sau: - Trống phanh gồm hai phần: hình trụ đĩa (Hình 1.96) Các phần đợc nối với then hoa cho biến dạng chúng độc lập, then hoa có tác dụng để truyền mô men xoắn; - Trống phanh đợc xem nh hình trụ thành mỏng, có chiều dài vô lớn Hình 1.96 Sơ đồ tính toán trống phanh Với giả thiết nh ta cã thĨ tÝnh øng st sinh theo c«ng (1.44) thức sau: qtb db = 2s đây: qtb = 2MPmax/(àdbF) - áp suất trung bình tác dụng lên trống phanh; db - Đờng kính mặt trèng phanh σ - øng st ë tiÕt diƯn ®êng kÝnh s - ChiỊu dµy tÝnh tãan cđa thµnh trèng MPmax - Mô men phanh cực đại - Hệ sè ma s¸t FΣ - Tỉng diƯn tÝch c¸c m¸ phanh Từ suy ra: s = MPmax/(àF) (1.45) Đó chiều dày đợc tính toán sở đảm bảo điều kiện bền Trong thực tế, chiều dày trống phanh phải đảm bảo độ cứng vững khả hấp thụ nhiệt cần thiết Vì thế, chiều dày trống thờng đợc lấy s2 = (1,4 ữ 1,6)s (xem hình 1.96) Ngoài ra, mặt trống thờng đợc làm gân vòng để tăng độ cứng vững diện tích tản nhiệt Trong trờng hợp đó, chiều dày trống đo đáy gân thờng lấy s1 = (0,7 ữ 0,8)s, chiều dài đoạn không làm gân l = (0,2 ữ 0,4)b Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 114 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt + Các bu lông ghép trống: đợc tính theo cắt Các bu lông thờng đợc chế tạo thép bon chất lợng tốt (nh: thép 45) nhiệt luyện để đạt độ cứng 26 ữ 32 HRC Với vật liệu nh vậy, ứng suất cắt cho phép đợc lấy 110 MPa + Trục cam ép: đợc tính theo xo¾n, víi øng st xu¾n cho phÐp b»ng 130 MPa Cam ép thờng đợc chế tạo từ thép 40 hay 45 cao tần đạt độ cứng 48 ÷ 56 HRC + C¸c chi tiÕt kh¸c: nh cam ép, gối đỡ dới, đầu tỳ guốc, đợc tính theo chèn dập ứng suất dập cho phép, thép bon thấp lấy 160 ữ 230 MPa, gang xám - 110 ÷ 140 MPa, gang rÌn - 160 MPa 1.3.2 Tính toán dẫn động phanh Tính toán dẫn động phanh bao gồm tính toán tĩnh học tính toán động lực học Tính toán tĩnh học nhằm mục đích: xác định thông số kết cấu chính, đảm bảo cho dẫn động tạo đợc lực ép yêu cầu, với lực đạp hành trình bàn đạp nằm giới hạn cho phép Tính toán động lực học có nhiệm vụ: xác định thông số đặc tính dẫn động liên quan đến độ nhạy (hay thời gian chậm tác dụng) chất lợng trình ®é, nh: diƯn tÝch tiÕt diƯn, chiỊu dµi ®êng èng, đặc tính lu lợng khả thông qua van Trong giáo trình trình bày phần tính toán tĩnh học Phần tính toán động lực học đợc đề cập tài liệu chuyên đề Các số liệu cần biết tính toán tĩnh học dẫn động phanh là: - Lực ép cần thiết tác dụng lên guốc phanh (P) - đợc xác định tính toán cấu phanh - Lực đạp hành trình bàn đạp cho phép: [P bđ] [Sbđ] - theo tiêu chuẩn quy định - Sơ đồ dÉn ®éng ®· chän 1.3.2.1 DÉn ®éng thđy lùc a Nhiệm vụ tính toán: - Xác định đờng kính xi lanh (dc) xi lanh bánh xe (dk); - Tỷ số truyền dẫn động (idđ); - Tính toán trợ lực cần thiết Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 115 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt b Sơ đồ tính toán: Xem hình 1.66 r1 m r2 Hình 1.97 Sơ đồ tính toán dẫn động phanh thủy lực a- Các khoang xi lanh chÝnh bè trÝ nèi tiÕp; b - Bè trí song song a3 Trình tự tính toán: + Đờng kÝnh xi lanh b¸nh xe (dk): d k = P /(pmax (1.46) đây: pmax - áp suất cực đại cho phép chất lỏng dòng dẫn động, áp suất cao kết cấu dẫn động gọn, nhng yêu cầu ống dẫn vấn đề làm kín lại khắt khe hơn, đoạn ống mềm cao su chỗ nối ghép Thờng thờng chọn pmax = ữ 12 MPa (MN/m2) + §êng kÝnh xi lanh chÝnh (dc): Đờng kính xi lanh nói chung không khác d k nhiều Đối với kết cấu nay, số liệu thống kê nhận đợc nh sau: dkt/dc = 1,0 ÷ 1,5; dks/dc = 0,9 ÷ 1,2 vµ dkt/dks = 0,8 ữ 1,7 - Nếu hai cầu trang bị phanh guèc dkt/dc = 2,1 ÷ 2,4; dks/dc = 1,0 ÷ 1,2 vµ dkt/dks = 1,7 ÷ 2,4 - NÕu cầu trớc trang bị phanh đĩa, cầu sau - phanh guốc (Chỉ số t s ký hiệu tơng ứng với phanh cầu trớc sau) + Lực cần tác dụng lên bàn đạp (Pbđ): Để tạo đợc áp suất (p max) yêu cầu, cần phải tác dụng lên bàn đạp lực: Pbd d c  r1   r1      = mPc   = mp max    r2  r η  2  (1.47) đây: r1, r2 - Các kích thớc ghi sơ đồ tính - Hiệu suất dẫn động bàn đạp, thừa nhận 0,86 ữ 0,92 m - Sè cÇn (khoang) xi lanh chÝnh bè trÝ song song Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 116 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt Vì số lần phanh ngặt với hiệu phanh cực đại chiếm (5 ữ 10)% số lần phanh chung Nên lực lớn cho phép bàn đạp phanh lớn nhiều so với lực cho phép bàn đạp ly hợp Cụ thể: [Pbđ] = 500 ữ 700 N + Hành trình làm việc bàn ®¹p (Slv):  k S lv =  d  c n ∑ d ki i =1  r  x i + ∆ + δ'+δ' '    r1   (1.48) Trong ®ã:k - Hệ số tính đến biến dạng đàn hồi ®êng èng Khi tÝnh to¸n cã thĨ lÊy b»ng 1,07 1,1; ∆ = (1,5 ÷ 2,5) mm - Khe hë piston xi lanh đẩy nối với bàn đạp; ' '' - Hành trình không tải piston xi lanh chính; n - số lợng piston xi lanh bánh xe đợc điều khiển xi lanh chính; xi - Hành trình piston xi lanh b¸nh xe thø i, x i cã thĨ xác định nh sau: xi = (0 + m)(h' + h'')/h'' đây: - Khe hở hớng kính má phanh trống phanh phần má; m - Độ mòn hớng kính cho phép má phanh; h' h'' - Các kích thớc xem hình 1.98 Thông thờng xi = 1,5 ữ 4,5 mm - phanh guốc xi = 0,1 ữ 0,35 - phanh đĩa Hình 1.98 Sơ đồ tính toán hành trình bàn đạp dẫn động phanh thuỷ lực Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 117 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt + Hành trình toàn bàn đạp (Sbđ): Sbđ = (1,4 ữ 1,6)Slv (1.49) Tức hành trình toàn bàn đạp cần phải lớn hành trình làm việc từ (40 ữ 60)% Lợng tăng thêm dự trữ cần thiết để đảm bảo tạo đợc áp suất làm việc cực đại đà chọn, tính đến biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt chi tiết thể tích chất lỏng cần thiết để điều khiển đèn báo phanh Để điều khiển phanh đợc thuận tiện, hành trình toàn bàn đạp không đợc vợt 150 ữ 180 mm (giá trị nhỏ dùng cho ôtô du lịch) Khi chọn trớc Pbđ Sbđ giới hạn cho phép, giải đồng thời phơng trình (1.47) (1.48), ta xác định đợc đờng kính xi lanh dc kích thớc r1 r2 ngợc lại: chọn trớc kích thớc xác định đợc Pbđ Sbđ Trong trờng hợp không đảm bảo đợc cho Pbđ Sbđ đồng thời nằm giới hạn quy định phải sử dụng trợ lực + Tính toán trợ lực: Nhiệm vụ tính toán gồm: - Xác định hệ số trợ lực - Chọn loại sơ đồ trợ lực - Xác định thông số trợ lực đà chọn Hệ số trợ lực: dùng để đánh giá hiệu tác dụng trợ lực đợc xác định nh sau: Ky = pmax p'max (1.50) đây: pmax p'max - áp suất cực đại hệ thống, tơng ứng với trợ lực làm việc không lµm viƯc Râ rµng: K y = Pbdtt P + Pbdtl P = bdch = + bdtl Pbdch Pbdch Pbdch (1.51) đây: pbđtt - Lực cực đại cần thiết tác dụng lên bàn đạp (khi trợ lực), tính toán đợc theo công thức (1.47) pbđch - Lực cực đại cần tác dụng lên bàn đạp có trợ lực, đợc chọn theo điều kiện thuận tiện điều khiển pbđtl - Phần lực đạp đợc giảm nhẹ nhờ tác dụng trợ lực Kết cấu, tính toán thiết kế ôtô - Hệ thống phanh 118 Biên soạn : TS Nguyễn Hoàng Việt