Tính toán thiết kế hệ thống phanh ô tô

Hệ thống phanh chính ô tô là một trong các hệ thống đảm bảo tính an toàn chủ động và nâng cao vận tốc khai thác trung bình của ô tô. Trong chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành cơ khí ô tô, hệ thống phanh nói chung, hệ thống phanh chính nói riêng đã được nghiên cứu trong các môn học: Lý thuyết ô tô; Cấu tạo ô tô; Kết cấu tính toán ô tô. Cuốn sách hướng dẫn thiết kế môn học này nhằm giúp sinh viên chuyên ngành nắm được trình tự và phương pháp thiết kế các hệ thống phanh: Hệ thống phanh dẫn động khí nén, cơ cấu phanh tang trống; Hệ thống phanh thủy lực, cơ cấu phanh tang trống; Hệ thống phanh thủy lực trợ lực chân không, cơ cấu phanh đĩa. Trên cơ sở đó củng cố vững chắc hơn các kiến thức đã được trang bị và hình thành kỹ năng theo hướng học thuật chuyên sâu thiết kế ô tô.

GVHD : GV: Nguyễn Thành Công GV: Vũ Văn Định SVTH : Hồ Minh Quang MSSV : 5951040202 LỚP : Kỹ Thuật Ô Tô 1-K59

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống phanh chính ô tô là một trong các hệ thống đảm bảo tính an toàn chủ động và nâng cao vận tốc khai thác trung bình của ô tô Trong chương trình đào tạo

kỹ sư chuyên ngành cơ khí ô tô, hệ thống phanh nói chung, hệ thống phanh chính

nói riêng đã được nghiên cứu trong các môn học: Lý thuyết ô tô; Cấu tạo ô tô; Kết cấu tính toán ô tô Cuốn sách hướng dẫn thiết kế môn học này nhằm giúp sinh viên

chuyên ngành nắm được trình tự và phương pháp thiết kế các hệ thống phanh: Hệ thống phanh dẫn động khí nén, cơ cấu phanh tang trống; Hệ thống phanh thủy lực,

cơ cấu phanh tang trống; Hệ thống phanh thủy lực trợ lực chân không, cơ cấu phanh đĩa Trên cơ sở đó củng cố vững chắc hơn các kiến thức đã được trang bị và hình thành kỹ năng theo hướng học thuật chuyên sâu thiết kế ô tô

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Công và Thầy Vũ Văn Định đã

tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em để đề tài cho em được hoàn thành

Sinh viên thực hiện

Hồ Minh Quang

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

Mục lục

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH 1

1.1 Công dụng 1

1.2 Phân loại 1

1.3 Yêu cầu 2

1.4 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc cảu cơ cấu phanh 2

1.5 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc của dẫn động phanh 5

1.6 Các phương án chia dẫn động phanh 10

1.7 Lựa chọn phương án thiết kế 10

CHƯƠNG II THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHANH 11

2.1 Tính mô men phanh cần thiết của cơ cấu phanh 11

2.2 Xác định các kích thước cơ bản của cơ cấu phanh 12

2.2.1 Xác định các thông số hình học của cơ cấu phanh 13

2.2.2 Xác định góc (δ) và bán kính (ρ) của lực tổng hợp tác dụng lên má phanh 13

2.2.3 Xác định các lực cần thiết tác dụng lên guốc phanh bằng pp họa đồ 15

2.3 Tính toán các kích thước cơ bản của bầu phanh 17

2.3.1 Thiết kế tính toán bầu phanh trước 17

2.3.2 Thiết kế tính toán bầu phanh sau 19

2.4 Kiểm tra khả năng làm việc của cơ cấu phanh 21

2.4.1 Kiểm tra hiện tượng tự siết 21

2.4.2 Xác định kích thước của má phanh 22

2.4.3 Tính toán nhiệt phát ra trong quá trình phanh 24

2.5 Tính bền một số chi tiết cơ bản của cơ cấu phanh 25

2.5.1 Tính bền trống phanh 25

2.5.2 Tính bền chốt phanh 27

2.6 Máy nén khí 28

2.6.1 Các thông số kỹ thuật của máy nén khí 28

2.6.2 Năng suất của máy nén khí 28

2.6.3 Tính bền đường ống dẫn động phanh 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH

1.1 Công dụng

Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động tới tốc độ chuyển động nào đó

hoặc dừng hẳn ô tô một vị trí nhất định Thông thường, quá trình phanh xe được tiến

hành bằng cách tạo ma sát giữa phần quay và phần đứng yên trên xe, như vậy động năng chuyển động của xe biến thành nhiệt năng của cơ cấu ma sát và được truyền động ra môi trường xung quanh

1.2 Phân loại

Hệ thống phanh được phân chia theo tính chất hình thành hệ thống phanh

a Theo đặc điểm điều khiển chia thành:

- Phanh chính (phanh chân), dùng để giảm tốc độ xe khi xe đang chuyển động

- Phanh phụ (phanh tay), dùng để đỗ xe khi người lái rời khỏi buồng lái và dùng

làm phanh dự phòng

- Phanh bổ trợ (phanh bằng động cơ, thủy lực hoặc điện tử) dùng để tiêu hao bớt một phần động năng của ô tô khi cần tiến hành phanh lâu dài (phanh trên dóc dài,…)

b Theo kết cấu của phanh được chia ra thành:

- Cơ cấu phanh tăng trống

- Cơ cấu phanh đĩa

- Cơ cấu phanh dài

d Theo mức độ hoàn thiện phanh

Hệ thống phanh được hoàn thiện theo hướng nâng cao chất lượng điều khiển ô tô khi phanh,do vậy được trang bị thêm bộ chỉnh lực phanh:

- Bộ điều chỉnh lực phanh( bộ điều hòa lực phanh )

- Bộ chống hảm cứng bánh xe( hệ thống phanh có ABS

Trên hệ thống có ABS còn có thể bố trí các liên hợp điều chỉnh: hạn chế trượt

quay, ổn định học ô tô…nhằm hoàn thiện thiện khả năng cơ động, ổn định của ô

tô khi không điều khiển phanh

1.3 Yêu cầu

Hệ thống phanh có các yêu cầu cơ bản sau:

 Có hiệu quả phanh cao nhất ở tất cả bánh xe, nghĩa là đảm bảo quản đường phanh ngắn nhất, khi phanh đột ngột trong trường hợp nguy hiểm

 Điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi: lực tác dụng lên bàn đạp hay cần kéo phù hợp với khả năng điều khiển liên tục của con người

 Đảm bảo chuyển động của ô tô và phanh êm diệu trong mọi trường hợp

 Dẫn động phanh có độ nhạy cao, đảm bảo sự tương quan giữa lực đạp phanh và sự phanh của ô tô trong quá trình thực hiện phanh

 Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt, duy trì ổn định hệ số ma sát cơ cấu phanh trong mọi điều kiện sử dụng

 Hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh với các cường độ đạp phanh khác nhau

 Có khả năng giữ ô tô đứng yên trong thời gian dài, kể cả trên nền đường dốc

 Đảm bảo độ tin cậy cuả hệ thống trong khi thực hiện phanh trong mọi điều kiện sử dụng, kể cả khi một phần dẫn động điều khiển hư hỏng

1.4 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc cảu cơ cấu phanh

Trên các ô tô hiện đại sử dụng phổ biến hai loại cơ cấu phanh: phanh tang trống (phanh guốc) và phanh đĩa Phanh guốc sử dụng chủ yếu trên các ô tô có tải trọng lớn: ô tô tổ chở khách và một số loại ô tô con Phanh đĩa được sử dụng chủ yếu trên ô tô con, tải, ô tô đặc biệt là ở các cơ cấu phanh trước

a Cơ cấu phanh tăng trống

- Cấu tạo của cơ cấu tang trống được thể hiện trên các sơ đồ ở hình 1.1, gồm có trống phanh (4) quay cùng với bánh xe, các guốc phanh (1) lắp với mâm phanh cố định, trên

nhan cuốc phanh có gắn các má phanh (2) Một đầu của guốc phanh quay được quanh chốt tựa guốc (3), đầu còn lại tỳ vào pittông của xilanh công tác (5) (dẫn động thuỷ lực) hoặc cam ép (6) (dẫn động khí nén)

- Trong trường hợp dẫn động bằng thuỷ lực (hình 1.1a), khi phanh, áp suất chất lỏng pi trong xilanh (5) tác dụng lên các pittông và đẩy các guốc phanh ép vào tang trống thực hiện quá trình phanh Đối với dẫn động khí nén, áp suất khí tạo nên lực trên ty đẩy và thông qua đòn dẫn động (7) làm quay cam (6) đẩy các guốc phanh ép vào tang trống

Do cấu tạo của cơ cấu phanh guốc khá đa dạng, nên để thuận tiện cho việc tính toán, người

ta phân chúng thành ba loại sau (hình 1.2)

 Cơ cấu có một guốc xiết, loại “Simplex”, hình 1.2;

 Cơ cấu có hai guốc xiết, kiểu “Dou-Duplex”, hình 1.3a

 Cơ cấu “Dou-Duplex”, hình 1.3b

Hình 1.1 cơ cấu phanh guốc a: Dẫn động thủy lực, b: dẫn động khí nén

1-Guốc phanh, 2- Má phanh, 3- Chốt, 4- Tăng trống, 5-Xi lanh công tác,

6-Cam, 7- Đòn dẫn động cam, 8-Bầu phanh

b Cơ cấu phanh đĩa

- Cơ cấu phanh đĩa có hai loại: khung cố định (hình 12.4a) và khung di trượt (hình

12.4b) Cơ cấu phanh đĩa khung cố định thường được dùng trên các ô tô con loại

lớn và trên các ô tô thể thao vì nó có độ bền cao Nhược điểm của nó là nhạy cảm với nhiệt độ khi phanh trong thời gian dài

- Cơ cấu phanh đĩa khung di trượt được sử dụng phổ biến hơn do kết cấu gọn nhẹ,

thuận tiện cho việc lắp đặt trong không gian hẹp

So với phanh tang trống, phanh đĩa có những ưu điểm sau:

 Kết cấu nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ;

 Khe hở giữa má phanh và trống phanh nhỏ (0,05 – 0,1mm), nhờ đó cho phép

tăng khá nhiều tỷ số truyền dẫn động phanh;

 Thoát nhiệt, thoát nước các bề mặt ma sát tốt;

 Lực tác dụng lên cơ cấu phanh cân bằng, không gây tải trọng trên moay ơ

 Áp suất phân bố đều trên các bề mặt ma sát

Hình 1.4 Cơ cấu phanh đĩa

1.5 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc của dẫn động phanh

1.5.1 Dẫn động cơ khí

Dẫn động phanh cơ khí là loại cần, kéo, đòn, cáp và các cơ cấu điều khiển trong cơ

cấu phanh Sử dụng đòn cơ khí hoặc dùng dây cáp để dẫn động

Hình 1.5 Sơ đồ dẫn động phanh cơ khí

3: Con lăn dây cáp 7: Thanh cân bằng

4: Dây cáp 8,9: Dây cáp dẫn động phanh

1.5.2 Dẫn động phanh thủy lực ( hệ thống phanh dầu )

Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống dẫn động phanh bằng thuỷ lực điển hình sử dụng trên ô tô được thể hiện trên hình 1.6 Hiện nay, do yêu cầu về an toàn chuyển động

ngày nâng cao dẫn động phanh chính của ô tô bắt buộc phải có hai dòng độc lập, nếu một trong hai dòng có sự cố thì dòng còn lại phải đảm bảo được hiệu quả phanh nhất định

Một trong những giải pháp tạo hai dòng dẫn động độc lập là sử dụng xilanh chính

có hai khoang công tác riêng biệt như thể hiện trên hình 1.6 Trong đó, dòng thứ nhất bắt đầu từ k từ khoang trước (khoang sơ cấp) của xilanh chính theo đường ống (7) qua

bộ điều hoà lực phanh (8) tới các xilanh công tác (9) của các cơ cấu phanh guốc của các bánh xe cầu sau (10) Dòng thứ hai đi hứ cấp) của xilan xilanh từ khoang sau (khoang thứ chính (3) theo đường ống (4) tới các xilanh công tác (5) của các cơ cấu phanh đĩa của các bánh xe cầu trước (6)

Khi phanh, lực tác động của người lái từ bàn đạp được truyền qua các đòn dẫn động tới ty đẩy (14) làm pittông (2) dịch chuyển Khi mép của phớt làm kín 5 bịt lỗ bù dầu

10 thì áp suất trong khoang a bắt đầu tăng, lò xo (7) bị nén lại, van (9) mở ra và chất lỏng được dồn vào đường ống dẫn tới các xilanh công tác tại các bánh xe để thực hiện quá trình phanh

Hình 1.7 Sơ đồ và nguyên lí của phanh chính

Khi nhả phanh, pittông (2) lùi trở về vị trí ban đầu, áp suất cao trong hệ thống tạo nên lực nén lò xo (6) lại để chất lỏng hồi về xilanh chính qua van một chiều 8 Lò xo 6 được thiết kế sao cho khi áp suất trong hệ thống còn khoảng 0,1 MPa thì van một chiều đóng lại, tạo nên áp suất dư Áp suất này có tác dụng ép chặt mép các phớt làm kín vào thành xilanh để chống rò rỉ chất lỏng, đồng thời nó đảm bảo cho không khí không lọt vào trong hệ thống

1.5.3 Dẫn động phanh khí nén:

Trên hình 1.8 thể hiện sơ đồ và nguyên lí của hệ thống dẫn động phanh bằng khí nén của ô tô tải có ba cầu Hệ thống gồm có nguồn cung cấp khí nén, dẫn động phanh chính với hai dòng độc lập và dẫn động phanh dừng và phanh dự phòng

Hình 1.8 Sơ đồ dẫn động phanh khí nén Khí nén được cung cấp bởi máy nén khí (1), đi qua van an điều áp (2), qua bộ lọc tách nước (3), van an toàn kép (4) tới các bình chứa khí (5) và (6) Van an toàn kép (4) đảm bảo cho hai bình chứa khí hoạt động hoàn toàn độc lập với nhau tạo thành hai nguồn cung cấp

khí độc lập cho hai dòng dẫn động phanh Van bảo vệ (17) có nhiệm vụ ngắt bình chứa 18 không cho thông với hệ thống nếu có sự cố lọt khí trên đường dẫn động phanh dừng và phanh dự phòng

Dẫn động phanh chính gồm có hai dòng độc lập với nhau Dòng dẫn động phanh cầu trước bắt đầu từ bình khí (5) đi qua ống dẫn (8), qua khoang dưới của tổng van (11), qua van hạn chế áp suất (12) tới các bầu phanh (13) Dòng dẫn động phanh cầu sau đi từ bình khi (6) qua ống dẫn (7), qua khoang trên của tổng van (11), qua bộ điều hoà lực phanh (14) tới các bầu phanh (15, 16) của cụm cầu sau

Máy nén khí sử dụng trong các hệ thống dẫn động phanh trên các ô tô tải thường là máy nén dạng pittông Máy nén được thiết kế với năng suất sao cho có thể nạp nhanh tất cả các bình khi trên ô tô sau khi khởi động động cơ

Van điều áp (2) đồng thời là van an toàn có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất làm việc trong

cụ thể

Hình 1.9 tổng van hai dòng

Ở trạng thái không phanh như thể hiện trên hình vẽ, các van xả (6) và (10) đang mở, nên các bâu phanh tại các bánh xe được nổi thông với khí trời qua các cửa C và A

Khi phanh, lực Q truyền từ bàn đạp tới thông qua phần tử đàn hồi (4) đẩy pittông (5) the nap rhon dịch chuyển đi xuống Đầu tiên, van xả (6) đóng lại ngặn đường thông cửa C với khí trời Sau đó, van nạp (7) mở ra cho khí nén từ cửa D đi qua khoang dưới pittông (5) tới cửa C, rồi từ đó tới các bầu phanh bánh xe để thực hiện qua trình phanh Đồng thời, khí nén đi từ khoang trên qua lỗ nhỏ B và tác động lên pittông (1), đẩy nó cùng với pittông nhỏ (12) đi xuống Dịch chuyển của pittông (12) lần lượt đóng van xả (10) và mở van nạp (9), để cho khí nén đi từ cửa E sang cửa A để đi tới các bâu phanh tại các bánh xe

Để giảm tối da tốc độ chậm tác dụng của hệ thống, phần dẫn động khí nén được thiết kế sao cho chiều dài đường ống ngắn nhất có thể

1.6 Các phương án chia dẫn động phanh

Theo có quy định hiện hành, dẫn động phanh có ít nhất hai dòng độc lập nhằm nâng cao tính an toàn

Trên hình 1.11 là một số phương án chia dòng

Trong các phương án trên, phương án chia dòng kiểu “II” (hình a) được sử dụng phổ biến trên các loại xe do có kết cấu đơn giản Nhược điểm chính của nó là hiệu quả phanh

có thể bị giảm mạnh khi một dòng gặp sự cô do phân bộ tải lên các câu không đều nhau Phương án chia dòng chéo kiểu “X” đảm bảo hiệu quả phanh 50% khi một dòng bị hỏng Nhưng nó có nhược điểm lớn là khi một dòng bị hỏng, lực phanh phân bố không đều

ở hai bên gây nên mômen quay thân xe

Các phương án còn lại đảm bảo hiệu quả phanh cao khi một dòng gặp sự cố, nhưng có kết cấu phức tạp hơn nên ít được sử dụng

1.7 Lựa chọn phương án thiết kế

- Loại cơ cấu phanh: Tang trống trước, sau

- Loại dẫn động phanh: Khí nén hai dòng

CHƯƠNG II THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHANH

2.1 Tính mô men phanh cần thiết của cơ cấu phanh

2.1.3 Xác định moment phanh cần thiết sinh ra ở cơ cấu phanh

Mô men sinh ra ở các cơ cấu phanh của ô tô phải đảm bảo giảm tốc độ hoặc dừng ô tô

hoàn toàn với gia tốc chậm dần trong giới hạn cho phép

Hình: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh Với cơ cấu phanh đặt trực tiếp ở tất cả các bánh xe thì mô men phanh tính toán cần sinh

ra ở mỗi cơ cấu phanh ở hai cầu tương ứng là:

Ga1, Ga2 là tải trọng tương ứng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và sau ở trạng

thái tĩnh trên mặt đường nằm ngang

 : hệ số bám của bánh xe với mặt đường, chọn φ = 0,6

- Ta tính được bán kính thiết kế của bánh xe:

Thay số vào ta được:

+ Đối với mỗi cơ cấu phanh cầu trước:

2.2 Xác định các kích thước cơ bản của cơ cấu phanh

Như đã trình bày ở chương trước , cơ cấu phanh lựa chọn là cơ cấu phanh guốc

Tính toán cơ cấu phanh guốc nhằm mục đích :

+ Xác định các thông số hình học của cơ cấu phanh : a,c,e,h

+ Xác định góc và bán kính () của phản lực pháp tuyến tác dụng lên má phanh

+ Xác định lực cần thiết tác dụng lên guốc phanh bằng phương pháp họa đồ

+ Xác định bề rộng má phanh

+ Tính toán kiểm tra cơ cấu phanh

 Kiểm tra hiện tượng tự xiết

 Công ma sát riêng

 Nhiệt trong quá trình phanh

2.2.1 Xác định các thông số hình học của cơ cấu phanh

Hình: Các thông số hình học của cơ cấu phanh Bán kính tang trống phanh tính theo công thức

Trong đó: δv - Độ dày vành bánh xe, lấy δv =10 mm

Kh Khoảng cách giữa vành bánh xe và tang phanh, Kh=20mm

- Độ dày tang phanh; lấy =10 mm

Ta có:

Góc δ là góc hợp bởi lực pháp tuyến N1 và trục X1-X1

β1: góc tính từ tâm chốt quay của guốc phanh đến chỗ tán tấm ma sát,

β1 = 140-160

β0: góc ôm của tấm ma sát, β0 = 1000-1200

β2 = β1 + β0

Ta có:

Trong đó: ρ: bán kính điểm đặt của tổng phản lực tác dụng lên

guốc phanh khi phanh

Rt : bán kính của tang trống, xe tham khảo có Rt=190 mm

* Đối với guốc phanh trước:

Chọn: 1 = 140, 0 = 1200=2,09 (rad), 2 = 1340

268 sin 28 sin 09 , 2 2

268 cos 28

228 cos 28

0

2 1

2sin2

sin2

2cos2

0 2 2

0

2 1

sincos

2sin

coscos