Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên ô tô

Ch­¬ng 6 tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng phanh 123 Ch­¬ng 6 tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng phanh 6 1 S¬ ®å ®éng häc cña hÖ thèng phanh tiªu biÓu vµ t¶i träng tÝnh to¸n 6 1 1 HÖ thèng phanh guèc H×nh 6 1 C¬ c.

123

Ch-ơng 6 tính toán thiết kế hệ thống phanh 6.1 Sơ đồ động học của hệ thống phanh tiêu biểu và tải trọng tính toán :

6.1.1 Hệ thống phanh guốc :

Hình 6.1 Cơ cấu phanh guốc

Hình 6 sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu phanh guốc

6.1.2 Hệ thống phanh đĩa :

Hình 6.2 Cơ cấu phanh đĩa loại giá đỡ cố định

Loại này, giá đỡ đ-ợc bắt cố định trên dầm cầu Trên giá đỡ bố trí hai xi lanh bánh xe ở hai phía của đĩa phanh Trong các xi lanh có pittông, mà một đầu của nó

b g L

b G

.1

.2

= (6 - 1) Mô men phanh tính toán cần thiết sinh ra ở mỗi cơ cấu phanh ở cầu sau là:

M j h rbx

g p

a g L

a G

.1

.2

G - trọng l-ợng của ôtô khi đầy tải

L - là chiều dài cơ sơ của xe

b, hg- là tọa độ trọng tâm của xe

g - là gia tốc trọng tr-ờng, chọn g = 9,81 m/s2

Jmax - là gia tốc chậm dần cực đại của ôtô khi phanh, lấy Jmax = (6  7) m/s2

 - là hệ số bám của bánh xe với mặt đ-ờng, lấy  = (0,6  0,7)

rbx - là bán kính lăn của bánh xe

6.3 Tính toán cơ cấu phanh

6.3.1 Thiết kế cơ cấu phanh dầu (phanh guốc)

6.3.1.1 Xác định góc  là góc tạo bởi lực h-ớng tâm N với trục X-X

2 1

2sin2

sin2

2cos2

1 0

0 2 2 0

2 1

sin ).

cos(

2 sin

cos cos

2

Khi tính toán cơ cấu phanh chúng ta cần xác định lực P tác dụng lên guốc phanh

để đảm bảo cho tổng mô men phanh sinh ra ở guốc phanh tr-ớc

tính toán của mỗi cơ cấu phanh phanh đặt ở bánh xe Sau khi chọn đ-ợc các thông số kết cấu 1, 0, 2, rt từ đó tính đ-ợc góc  và bán kính  nghĩa là xác định h-ớng và

điểm đặt lực N(h-ớng vào tâm O) Lực R là tổng hợp của lực N và T, ph-ơng của R tạo với ph-ơng của N góc 1 và góc 1 xác định theo công thức sau:

tg 1 = T/N =  (6 - 5)

 là hệ số ma sát giữa tấm ma sát với tang trống, th-ờng chọn  = 0,3

Ta lần l-ợt vẽ cơ cấu phanh bánh tr-ớc với các thông số đã biết, dựng hệ trục tính toán, sau đó đặt lực tác dụng:

Lực P do cam quay sinh ra đã xác định ph-ơng chiều điểm đặt, ch-a biết độ lớn Phản lực R của trống phanh tác dụng lên má phanh cũng đã biết ph-ơng chiều

điểm đặt, ch-a biết độ lớn

Phản lực U từ chốt phanh tác dụng lên guốc phanh, điểm đặt đi qua tâm chốt quay

O1 còn ph-ơng chiều độ lớn ch-a biết

Nh- đã phân tích ta có:

M’p = M’p1 + M’p2= (R’1 + R’2).r’0 (6 - 6) M’’p = M’’p1 + M’’p2= (R’’1 + R’’2).r’’0 (6 - 7)

b Xác định quan hệ giữa lực P và mômen phanh bằng ph-ơng pháp giải tích

Xét cân bằng guốc phanh tr-ớc đối với tâm O (hình 6.1) ta có:

'

1 0

1

x c P a R r M

U = = = (6 - 8)

1 +

= (6 - 9) ChiÕu c¸c lùc t¸c dông trªn guèc phanh tr-íc lªn trôc X −1 X2 ta cã:

P cos0 +U x −N1cos −T1sin = 0 (6 - 10)

Thay trÞ sè cña U xtõ c«ng thøc (6 - 9) vµ thay





' 1 1

' 1 '

1 '

)cos

(

)cos

(

' 2

)cos

.( 2.)sin(cos

)cos

.( 22

2 '

1 '

P c

a c

P M

.)sin (cos

=

c

c P P

(6 - 15)

128

Hình 6.4 Sơ đồ lực tác dụng ở cơ cấu phanh tự c-ờng hóa

Trên hình 6.4 trình bày sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu phanh tự c-ờng hóa ở cơ cấu phanh này hiệu quả phanh đ-ợc tăng lên nhờ dùng lực ma sát giữa má phanh tr-ớc

và trống phanh để ép thêm má phanh sau Hai guốc phanh đ-ợc nối với nhau bằng thanh trung gian 1 Nh- vậy guốc phanh sau đ-ợc ép vào trống phanh không những bằng lực P mà còn lực U2 có trị số bằng lực U1

Coi nh- guốc phanh và trống phanh hoàn toàn cứng chúng ta có thể xác định trị

số  và r0 theo ph-ơng trình

0 1 2 0

0 2 2 0

2 1

1

sin)cos(

2sin

)cos(cos

.2

−

và ph-ơng trình

2 0

Lực P vàU1song song thì lựcR1cân bằng các lực trên cũng phải song song và

đồng thời tiếp tuyến với vòng tròn bán kính r0 Chúng ta sẽ có các ph-ơng trình sau :

) ( a c R1 c r0

0

1

r c

c a P R

− +

=

129

0

0 1

1

r c

r a P P R U

c a P

))(

(

))(

())(

(

0 0

0 0

2

r b r c

r c b a c b r a P R

=

Biến đổi ta đ-ợc :

0

0 0

0 2

))(

(

))(

(

r r b r c

r b c a P

−

−

++

= (6 - 20) Công thức (6 - 19) và (6 - 20) cho chúng ta thấy rằng ở cơ cấu phanh tự c-ờng hóa khi có lực P tác dụng, guốc phanh sau sẽ sinh ra mô men phanh M 2 lớn hơn nhiều so với guốc phanh tr-ớc

Nếu góc  và 1  của má phanh tr-ớc khác với má phanh sau thì  và 2 r0 của hai guốc phanh cũng sẽ khác nhau

6.3.1.3 Kiểm tra hiện t-ợng tự xiết khi phanh

Đây là hiện t-ợng xảy ra khi má phanh bị ép sát vào trống phanh chỉ bằng lực ma sát mà không cần tác động lực P của dẫn động lên guốc phanh

Kiểm tra hiện t-ợng tự xiết của guốc tr-ớc :  =





sin

cos

6.3.1.4 Xác định kích th-ớc của má phanh

Kích th-ớc má phanh guốc chọn trên cơ sở đảm bảo công ma sát riêng, áp suất trên mặt phanh, tỷ số trọng l-ợng toàn bộ của ôtô trên diện tích toàn bộ của các má phanh và chế độ làm việc của phanh

. 20

 [L] =30007000 (KNm/m2) (6 - 21) Trong đó:

G - Trọng l-ợng toàn bộ ôtô khi đầy tải

o t

Phanh đĩa đ-ợc dùng ở xe con nh- là các phanh chính, còn ở ôtô vận tải thì dùng

ít hơn So với phanh guốc thì phanh đĩa có những -u điểm sau:

- Phanh đĩa loại hở có trọng l-ợng nhỏ

- Khe hở giữa các đĩa và guốc ở trạng thái nhả phanh bé (0,05 – 1mm), do đó cho phép tăng khá nhiều tỷ số truyền của dẫn động phanh

Mô men phanh M pcủa phanh đĩa loại guốc đ-ợc xác dịnh theo công thức:

M p =2P..r tb (6 - 23)

P - là áp suất chất lỏng trong hệ thống

 - là hệ số ma sát giữa tấm ma sát và đĩa

ở hình d-ới đây trình bày sơ đồ tính toán phanh đĩa loại kín của ôtô

Hình 6.5 Sơ đồ tính toán cơ cấu phanh đĩa loại kín

Lực P do ống xilanh làm việc sinh ra sẽ làm cho đĩa ép 3 xoay đi vào tì vào ụ đỡ

4 Nhờ các hòn bi 5 chạy trên các rãnh nghiêng 6 cho nên hai đĩa ép 3 và 1 sẽ bị ép vào

vỏ của cơ cấu phanh để tiến hành sự phanh

Từ điều kiện cân bằng đĩa ép 1 ta có:





g T S Q

R Q a P n R

cot

.

P - là lực sinh ra của mỗi ống xilanh làm việc

a - là khoảng cách từ đ-ờng trục cơ cấu phanh đến tâm ống xilanh làm việc

 - là hệ số ma sát giữa má phanh (vòng ma sát) với vỏ của cơ cấu phanh

Q - là lực ép sinh ra trên bề mặt ma sát

tb

R - là bán kính trung bình của má phanh (vòng ma sát)

 - là góc nghiêng đ-ờng lăn của hòn bi

a P n Q



 −

=

.

(6 - 26)

Mô men sinh ra trên cơ cấu phanh là:

Mb = m  Q Rtb (6 - 27)

Với:

M - là số l-ợng đôi bề mặt ma sát, ở cơ cấu phanh đang tính m = 2

Thay trị số của Q vào công thứ (6 - 25) ta có:

tb b

tb p

R tg

R

R a P n m M

.

p

R a n m

R tg

R M P

)

tb b

R

R tg

R tg

R

.

0

a Xác định bán kính của đĩa phanh

Mô men ma sát của đĩa phanh đ-ợc xác định theo công thức:

i R p M

Me =  emax =   tb.Trong đó:

 - là hệ số ma sát của đĩa phanh

2

2 =2 =3,16 ( c - là hệ số kinh nghiệm)

Từ D2 ta tính đựơc R2

133

Bán kính trong của đĩa phanh đựơc tính:

R1=(0,530,75)R2

Cần chú ý chọn R1 và R2 cho hợp lý

b Kiểm tra áp suất sinh ra trên bề mặt đĩa phanh

Kiểm tra áp suất trên bề mặt đĩa phanh khi làm việc theo công thức:

] [ 2

.

2 max

q i b R

M q

Trong quá trình phanh động năng của ôtô chuyển thành nhiệt năng ở trống phanh

và một phần thoát ra môi tr-ờng bên ngoài, vì vậy ta có ph-ơng trình cân bằng năng l-ợng theo công thức sau:

C dt

g

t t

m v

1− =  +  (6 - 30) Trong đó:

G- là trọng l-ợng toàn bộ của ôtô

g- là gia tốc trọng tr-ờng g = 9,81 (m/s2)

v1, v2- là tốc độ đầu và cuối khi phanh (m/s)

mt - là khối l-ợng các trống phanh và các chi tiết bị nung nóng

C - là nhiệt dung của chi tiết bị nung nóng, trong khoảng 273o đến 573oK

 - là sự tăng nhiệt độ của trống phanh so với môi tr-ờng không khí (oK)

Ft- là diện tích làm mát của trống phanh (m2)

kt- là hệ số truyền nhiệt giữa trống phanh và không khí

t – là thời gian phanh (s)

Khi phanh ngặt ở thời gian ngắn, năng l-ợng truyền ra môi tr-ờng không khí coi nh- không dáng kể cho nên số hạng thứ hai có thể bỏ qua, trên cơ sở đó có thể xác

định sự tăng nhiệt độ trống phanh nh- sau:

C m g

v v G

t 2

) ( 12 − 22

=

 (6 - 31)

Hình 6.5 Sơ đồ phanh dầu dẫn động một dòng

Đ-ờng kính trong d của ống xilanh làm việc xác định theo công thức :

i P

P d

Lực Q tác dụng lên bàn đạp phanh để tạo nên áp suất đã chọn trong hệ thống xác

định theo công thức:



1 ' 4

2

l

l P

D

Q = i (6 - 33) Trong đó:

 - là hiệu suất dẫn động thủy lực, = 0 , 92

Lực Q cực đại phải nằm trong giới hạn 0,65 – 0,75 KN đối với ôtô con và 0,75

- 0,80 KN đối với ôtô tải

Hình 6.6 Xi lanh chính của phanh dầu dẫn động một dòng

Đối với ôtô hai cầu có cơ cấu phanh đặt ở tất cả các bánh xe hành trình bàn đạp h tính theo công thức sau:

'

2 2

0 2

2

2 2 1

2 1

l

l D

x d x

d

h =    + ng +     (6 - 34) Trong đó:

136

b Tính toán c-ờng hóa phanh loại chân không

Hình 6.7 Sơ đồ tính toán c-ờng hóa phanh loại chân không

Từ điều kiện cân bằng màng 9 chúng ta có :

P xlc f7 =F m(P2 −P3) +F v(P1−P2) +P lx (6 - 35) Trong đó:

1 ,P ,P

P - là áp suất ở các buồng I, II và III

137

Có thế tính một cách gần đúng nh- sau:

m xlc f h F

2 max 0,05MN/m

Lực Q ctác dụng lên piston của xilanh lực bằng:

Q c = h.F c (6 - 37) Trong đó:

c

F - là diện tích hữu dụng của piston (màng) của xilanh lực

Lực Q cnày tạo áp suất phụ thêm P cở hệ thống

c

c c

f

F h

P =  (6 - 38)

Trong đó:

c

f - là diện tích piston 8 của xilanh lực của bộ c-ờng hoá

Nh- vậy áp suất tổng cộng của chất lỏng trong hệ thống sẽ là:

=



c m

c xlc

F f

F f P

Q =  

(lít/phút) (6 - 40)

Trong đó:

i - là số l-ợng xilanh của máy nén khí

d - là đ-ờng kính của xilanh, tính theo cm

Hình 6.8 Sơ đồ tính toán van phân phối

Điều kiện cân bằng cơ cấu tùy động: van, màng và lò xo thể hiện nh- sau (không

kể ma sát và các lò xo phụ) :

Q= C= F m(P2 −P1) +F v(P3 −P2) (6 - 41) Lựa trên bàn đạp phanh tỷ lệ nghịch với chuyển dịch của bàn đạp, nghĩa là hiện t-ợng tùy động tiến hành theo chuyển dịch

C S

Q F

bd bd

F

i Q

P max = =

bd t

0 MN m

Pth = i (6 - 42) Trong đó :

i

P - là áp suất trong bầu phanh

D - là đ-ờng kính làm việc của màng

1

 - là hệ số tính đến độ nạp không khí nén vào bầu phanh,  = 1 1

2

 - là hiệu suất cơ học bầu phanh,  = 0,95 2

Bầu phanh đ-ợc thử độ bền và độ kín với áp suất 0,7 – 0,8 MN/m2 khi phanh

đẩy nằm ở vị trí tận cùng

Lò xo của bầu phanh th-ờng có độ cứng khoảng 1,5 – 3,5 KN/m

Lực ép của lò xo th-ờng vào khoảng 80 – 150 N

Lực P thtác dụng lên thanh đẩy phải đủ để tạo lên cam quay của cơ cấu phanh các lực P1vàP2theo yêu cầu để có thể ép các guốc phanh và trống phanh và sinh ra mô mem cần thiết

6.5 Tính toán điều hoà lực phanh

Để điều chỉnh tỷ lệ lực phanh ng-ời ta sử dụng bộ điều hoà lực phanh loại tia

Bộ điều hoà đ-ợc lắp trên dẫn động phanh cầu sau và điều chỉnh áp suất khí nén dẫn tới các bầu phanh cầu sau theo tải trọng tác dụng lên cụm cầu sau

4 3

0

2 1

Hình 6.10 b Đặc tính tĩnh của bộ điều hoà lực phanh:

0 - vị trí nằm ngang của cần điều khiển

Bộ điều hoà đ-ợc lắp trên khung ôtô Thanh kéo 1 (hình 6.10 b) có đầu trên nối với cần điều chỉnh 2, còn phần d-ới nối với phần tử đàn hồi 3 lắp trên cầu ôtô Khi tải tác dụng lên cụm cầu sau thay đổi khung xe dịch chuyển theo ph-ơng thẳng đứng làm cần 2 quay quanh tâm O Nhờ đó mà bộ điều hoà điều chỉnh tỷ lệ giữa áp suất vào và

áp suất ra khỏi điều hoà

Tr-ớc tiên cần xác định các thông số lắp ráp của bộ điều hoà lực phanh (chiều dài thanh đòn lP và góc ) Sau đó phải xác định hệ số K – hệ số điều chỉnh áp suất khí nén cấp từ bộ điều hoà đến các bầu phanh khi ôtô ở trạng thái tĩnh, đầy tải và không tải với các điều kiện sau: lực phanh các bánh sau cần đảm bảo tận dụng khả

Thay các giá trị của p và p2 ta đ-ợc:

Theo đặc tính tĩnh của bộ điều hoà lực phanh (hình 6.10 b) ta xác định các góc đặt của cần điều chỉnh

Độ dài cần điều chỉnh lP có thể đ-ợc tính theo sơ đồ lắp đặt (hình 6.10 a)

01 0

0

sinsin − 

4000 5000 8000

Các khối l-ợng không đ-ợc treo của cụm cầu sau

Hình 6.10 c - Đặc tính đàn hồi tĩnh của nhíp sau ôtô đang xét

Tiếp theo cần xác định các giá trị tức thời của góc β và hệ số điều chỉnh áp suất

K theo hệ số lực phanh cho các tr-ờng hợp ôtô đầy tải và không tải

Khi phanh do sự phân bố lại trọng l-ợng giữa các cầu nên tải trọng đặt lên cầu sau giảm đi, góc β giảm theo, điều này dẫn đến sự thay đổi hệ số điều chỉnh áp suất K Biến đổi công thức (26) và thay β01 bằng β, Δf0 bằng Δf ta đ-ợc:

143

P P

P

l

f l

f

sinsin

.sin   (6-45) Trong đó: Δf – Giá trị tức thời của biến dạng nhíp nghĩa là hiệu số giữa độ võng nhíp

ở trạng thái tĩnh khi ôtô đầy tải và độ võng ở chế độ tải đang xét (phụ thuộc vào hệ số lực phanh)

Thay giá trị lP và β0 vào công thức (6-47) ta đ-ợc:

54 54

Các giá trị lực phanh T1 và T2 phụ thuộc vào áp suất khí nén trong các bầu phanh đ-ợc xác định theo các công thức (18) và (19)

áp suất khí nén trong các bầu phanh của các cầu sau:

P2 = P1/K (6-48)

Khi đó:

478,0

5,59

33,

2

1

K P

a

66,49833,249

5,178239,0

144

0,7 0,2

0,1

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Hình 6.10 d - Đồ thị quan hệ giữa hệ số sử dụng trọng l-ợng bám cầu tr-ớc

và cụm cầu sau của ôtô không tải (đ-ờng đứt) và đầy tải (đ-ờng liền) của

ôtô đang xét với tỷ lệ lực phanh giữa các cầu đ-ợc điều chỉnh