tính toán thiết kế hệ thống phanh ôtô

LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu sử dụng ô tô trong giao thông hiện nay đang phát triển mạnh mẽ.Trong nghành động lực chuyên nghiên cứu và chế tạo động cơ nhằm tạo ra những động cơ có công suất có

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu sử dụng ô tô trong giao thông hiện nay đang phát triển mạnh mẽ.Trong nghành động lực chuyên nghiên cứu và chế tạo động cơ nhằm tạo ra những động cơ có công suất có ích lớn nhất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu.Nhưng muốn sử dụng hiệu quả công suất đó trên ô tô thì lại phụ thuộc vào cấu tạo của

ô tô.Để ô tô hoạt động được thì phải đảm bảo được những thông số kỹ thuật cũng như tính ổn định của

ô tô trong quá trình làm việc.Đồ án môn học tính toán và thiết kế ô tô phải đảm nhận được nhiệm vụ này Nay em nhận thiết kế hệ thống phanh của ô tô nhằm mục đích ôn lại kiến thức đã học và nâng cao kỹ năng cũng như sự linh hoạt trong tính toán và thiết kế các hệ thống,cơ cấu trong ô tô.

Được sự giảng dạy của thầy giáo bộ môn cũng như sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy hướng dẫn nay em đã hoàn thành đồ án,nhưng trong quá trình tính toán và thiết kế không thể tránh khỏi những sai sót mong thầy cô chỉ dẫn để những đồ

án sau này được hoàn thiện và tốt hơn.Em xin chân thành cảm ơn.

2.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU PHANH 10

2.1.XÁC ĐỊNH TOẠ ĐỘ TRỌNG TÂM CỦA XE THEO CHIỀU

nhiệt 22

3.2.TÍNH HÀNH TRÌNH LÀM VIỆC VÀ LỰC BÀN

4.PHÂN TÍCH , CHỌN VÀ TÍNH TOÁN TRỢ LỰC YÊU

KẾ 30

Đầu đề thiết kế: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ

THỐNG PHANH ÔTÔ

Số liệu cho trước :

+ Loại ôtô :tải (diesel)

+ Trọng lượng bản thân : G0 = 1790[kg]

- Phân bố lên cầu trước : G0t = 537 [kg]

- Phân bố lên cầu sau : G0s = 1253 [kg]+ Trọng lượng toàn bộ : Ga = 2985[kg]

- Phân bố lên cầu trước : Gat = 895 [kg]

- Phân bố lên cầu sau : Gas = 2090 [kg]+Tốc độ cực đại : Vmax = 130 [km/h]

+ Chiều dài cơ sở : L = 2585 [mm]

+ Chiều cao trọng tâm khi đầy tải : hg = 750 [mm]+Bán kính thiết kế bánh xe :Rbx = 0,3[m]

I.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH:

I.1 CÔNG DỤNG, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI :

I.1.1 Công dụng :

Hệ thống phanh ô tô được dùng để giảm tốc độcủa ô tô cho đến khi dừng hẳn hoặc đến một tốc độcần thiết nào đó Ngoài ra, hệ thống phanh còn có nhiệmvụ giữ cho ô tô đứng yên tại chỗ trên các mặt dốc

nghiêng hoặc trên các mặt đường ngang với thời gian khônghạn chế

Đối với ô tô, hệ thống phanh là hệ thống đặc biệtquan trọng vì nó đảm bảo cho ô tô chuyển động an toàntrong mọi chế độ làm việc và nhờ đó mới có thể pháthuy hết khả năng động lực, nâng cao tốc độ và năngsuất vận chuyển của xe

I.1.2 Yêu cầu :

- Hệ thống phanh cần đảm bảo các yêu cầu chính sau :

+Đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ô tô khiphanh

+Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiếttác dụng trên bàn đạp hay đòn điều khiển phải nhỏ

+ Giữ cho ô tô đứng yên khi cần thiết trong thời giankhông hạn chế

+ Làm việc bền vững, tin cậy

+Có hiệu quả phanh cao trong mọi chế độ làmviệc

+Phanh êm dịu trong những trường hợp khác, antoàn cho hành khách và hàng hóa

+ Không có hiện tượng tự siết phanh khi bánh xedịch chuyển thẳng đứng và khi quay vòng

+ Hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh caovà ổn định trong mọi điều kiện sử dụng

+ Có khả năng thoát nhiệt tốt

- Để có độ tin cđy cao, đảm bảo an toăn chuyển động trong mọi trường hợp,hệthống phanh ô tô bao giờ cũng có tối thiểu ba loại phanh sau:

+ Phanh làm việc : Phanh này là phanh chính, được

sử dụng thường xuyên ở tất cả mọi chế độ chuyển

động, thường được điền khiển bằng bàn đạp nên còngọi là phanh chân.

+ Phanh dự trữ : Dùng để phanh ô tô trong trường

hợp phanh chính bị hỏng

+ Phanh dừng : Còn gọi là phanh phụ Dùng để giữ

ô tô đứng yên tại chỗ khi dừng xe hoặc khi không làmviệc Phanh này thường được điều khiển bằng tay nêngọi là phanh tay

Các loại phanh dùng trên có thể có bộ phận chung vàkiểm nghiệm chức năng của nhau Nhưng phải có ít nhấtlà hai bộ điều khiển và dẫn động độc lập

Ngoăi ra, để tăng thím độ tin cậy,hệ thống phanh chính còn được phđn thănhcâc dòng độc lập để nếu một dòng năo đó bị hỏng thì câc dòng khâc vẫn hoạt độngbình thường

Để đânh giâ hiệu quả phanh người ta sử dụng hai chỉ tiíu chính lă: gia tốcchậm dần vă quêng đường phanh Ngoăi ra cũng có thể dùng câc chỉ tiíu khâcnhư:lực phanh hay thời gian phanh

I.1.3 Phân loại :

a)Tùy theo cách bố trí cơ cấu phanh ở bánh xe hoặc

ở trục của hệ thống

truyền lực mà chia ra :

+ Phanh bánh xe

+ Phanh truyền lực

b)Theo dạng bộ phận tiến hành phanh, cơ cấu phanhcòn chia ra :

+ Phanh trống - guốc :+ Phanh đĩa :

+ Phanh dải

a Phanh trống guốc b Phanh đĩa c

Phanh dải

Hình1.1 Sơ đồ kết cấu của phanh trống guốc; phanh

*Ưu nhược điểm của phanh đĩa so với loại trống guốc.

+Ưu điểm:

-Có khả năng làm việc với khe hở nhỏ 0,050,15mm

nên rất nhạy, giảm được thời gian chậm tác dụng và chophép tăng tỉ số truyền dẫn động

-Áp suất phân bố đều trên bề mặt má phanh, do đó

má phanh mòn đều

-Bảo dưỡng đơn giản do không phải điều chỉnh khe hở -Lực ép tác dụng theo chiều trục tự cân bằng nên

cho phép tăng giá trị của chúng để đạt hiệu quả phanhcần thiết mà không bị giới hạn bởi điều kiện biến dạngcủa kết cấu Vì thế, phanh đĩa có kích thước nhỏ gọn vàdễ bố trí trong bánh xe

-Hiệu quả phanh không phụ thuộc vào chiều quay

và ổn định hơn

-Điều kiện làm mát tốt hơn nhất là đối với loại đĩa

quay

+Nhược điểm:

-Nhạy cảm với bụi bẩn và khó làm kín.

-Các đĩa phanh loại hở dễ bị ôxi hóa, bị bẩn làm các

má phanh mau mòn

-Áp suất làm việc cao nên các má phanh dễ bị nứt,

xước

-Thường phải sử dụng các bộ trợ lực chân không

để tăng lực dẫn động nên khi động cơ làm việc hiệuquả dẫn động phanh thấp và khó sử dụng chúng đểkết hợp làm phanh dừng

Đôi với phanh dải

Ưu điểm: là hiện tượng không tự siết nên phanh êm

dịu, hiệu quả phanh không phụ thuộc vào chiều quay

Nhược điểm :là hiệu quả phanh không cao, áp suất

trên bề mặt ma sát phân bố không đều nên má phanh mònkhông đều và tải trọng hướng kính tác dụng lên trục lớn

Loại trống guốc có các loại thông dụng sau:

Hình 1.2 : Các cơ cấu phanh thông dụng và sơ đồ

Cơ cấu phanh có tính thuận nghịch là cơ cấu phanhmà giá trị mômen phanh do nó tạo ra không phụ thuộcvào chiều quay của trống, tức là chiều chuyển động củaôtô

Cơ cấu phanh có tính cân bằng tốt là cơ cấu phanhkhi làm việc, các lực từ guốc phanh tác dụng lên trốngphanh tự cân bằng, không gây tải trọng phụ tác dụng lêncụm ổ trục bánh xe

Hệ số hiệu quả là một đại lượng bằng tỷ sốgiữa mômen phanh tạo ra và tích của lực dẫn động nhânvới bán kính trống phanh.(hay còn gọi một cách quy ướclà mômen của lực dẫn động )

Sơ đồ lực tác dụng lên guốc phanh trên hình 1.2 là

sơ đồ biểu diển đã được đơn giản hóa nhờ các giả thiếtsau :

- Các má phanh được bố trí đối xứng với đườngkính ngang của cơ cấu

- Hợp lực của các lực pháp tuyến (N) và của cáclực ma sát (fN) đặt ở giữa vòng cung của má phanh trênbán kính rt.

Từ sơ đồ ta thấy rằng :

Lực ma sát tác dụng lên guốc trước ( tính theochiều chuyển động của xe) có xu hướng phụ thêm vớilực dẫn động ép guốc phanh vào trống phanh, nên cácguốc này gọi là guốc tự siết

Đối với các guốc sau, lực ma sát có xu hướng làmgiảm lực ép, nên các guốc này được gọi là guốc tựtách Hiện tượng tự siết tự tách này là một đặtđiểm đặc trưng của cơ cấu phanh trống - guốc

Sơ đồ hình 1.2a có cơ cấu ép bằng cơ khí, dạng camđối xứng Vì thế độ dịch chuyển của các guốc luôn luônbằng nhau Và bởi vậy áp lực tác dụng lên các guốc vàmômen phanh do chúng tạo ra có giá trị như nhau :

N1 = N2 = N và Mp1 = Mp2 = Mp

Do hiện tượng tự siết nên khi N1 = N2 thì P1< P2 Đâylà cơ cấu vừa thuận nghịch vừa cân bằng Nó thườngđược sử dụng với dẫn động khí nén nên thích hợp chocác ôtô tải và khách cỡ trung bình và lớn

Sơ đồ trên hình 1.2b dùng cơ cấu ép thủy lực, nênlực dẫn động của hai guốc bằng nhau : P1 = P2 = P Tuyvậy do hiện tượng tự siết nên áp lực N1 > N2 và Mp1 >

Mp2 Cũng do N1 > N2 nên áp suất trên bề mặt má phanhcủa guốc trước lớn hơn guốc sau, làm cho các guốc mònkhông đều Để khắc phục hiện tượng đó, ở một sốkết cấu đôi khi người ta làm má phanh của guốc tự siết

dài hơn hoặc dùng xylanh ép có đường kính làm việc khácnhau : Phía trước tự siết có đường kính nhỏ hơn.

Cơ cấu phanh loại này là cơ cấu phanh thuận nghichnhưng không cân bằng Nó thường sử dụng trên các ôtôtải cở nhỏ và vừa hoặc các bánh sau của ôtô du lịch

Về mặt hiệu quả phanh, nếu thừa nhận hệ sốhiệu quả của sơ đồ hình 1.2a :

Khq = Mp/(P1+P2).rt = 100%, thì hệ số hiệu quả của cơ cấuphanh dùng cơ cấu ép thủy lực hình 1.2b sẽ là116%122%, khi có cùng kích thước chính và hệ số masát giữa má phanh và trống phanh : f = 0,300,33

Để tăng hiệu quả phanh theo chiều tiến của xe,người ta dùng cơ cấu phanh với hai xylanh làm việc riêngrẽ Mỗi guốc phanh quay quanh một điểm cố định bố tríkhác phía, sao cho khi xe chạy tiến thì cả hai guốc đềutự siết (H 1.2c) Hiệu quả phanh trong trường hợp này cóthể tăng được 1,6  1,8 lần so với cách bố trí bìnhthường Tuy nhiên khi xe chạy lùi hiệu quả phanh sẽ thấp,tức là cơ cấu phanh không có tính thuận nghịch

Cơ cấu phanh loại này kết hợp với kiểu bình thườngđặt ở các bánh sau, cho phép dễ nhàng nhận được quanhệ phân phối lực phanh cần thiết Ppt > Pps trong khi nhiềuchi tiết của các phanh trước và sau có cùng kích thước Vìthế nó thường được sử dụng ở cầu trước các ôtô dulịch và tải nhỏ

Để nhận được hiệu quả phanh cao cả khi chuyểnđộng tiến và lùi, người ta dùng cơ cấu phanh thuậnnghịch và cân bằng loại bơi như trên hình 1.2d Các guốcphanh của sơ đồ này có hai bậc tự do và không có điểm

quay cố định Cơ cấu ép gồm hai xylanh làm việc tácdụng đồng thời lên đầu trên và dưới của các guốc phanh.Với kết cấu như vậy cả hai guốc phanh đều tự siết dùcho trống phanh quay theo chiều nào Tuy nhiên nó cónhược điểm là kết cấu phức tạp.

Loại đĩa có các loại thông dụng sau:

Phanh đĩa có các loại: loại kín, loại hở; một đĩa,nhiều đĩa; loại vỏ quay, loại đĩa quay, loại vòng ma sátquay

Phanh đĩa thường có hai phương pháp bố trí má kẹp:loại cố định và loại tùy động kiểu bơi

Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu các loại phanh đĩa.

Phương án lắp má kẹp cố định có độ cứng vững cao,cho phép sử dụng lực dẫn động lớn; nhưng điều kiệnlàm mát kém, nhiệt độ làm việc của cơ cấu phanh lớn

Nhược điểm này được khắc phục bằng cách dùngmá kẹp tùy động.Với kết cấu này thì độ cứng vữngthấp, khi các chốt bị biến dạng,mòn gỉ làm cho các máphanh mòn không đều, hiệu quả phanh giảm, gây rungđộng Loại má kẹp tùy động có nhiều ưu điểm vì dùngmột xilanh thủy lực có chiều dài lớn gấp đôi nên điềukiện làm mát tốt hơn, dầu phanh ít nóng hơn,nhiệt độlàm việc có thể giảm được 30oC 50oC Ngoài ra, nó còncho phép dịch sâu cơ cấu phanh vào bánh xe nhờ đó giảmđược cánh tay đòn tác dụng của lực cản lăn đối với trụquay đứng của các bánh xe dẫn hướng

Loại dải có các loại thông dụng sau:

Loại dải thường dùng cho các loại máy kéo xích Nócó các loại sau:

S2 S2 S1 S1



Hình 2.4: Sơ đồ các loại phanh dải.

-Phanh dải đơn giản không tự siết Khi tác dụng lực,cả hai đầu dải phanh được rút lên siết vào trống phanh.Với ưu điểm là hiện tượng không tự siết nên phanh êmdịu, hiệu quả phanh không phụ thuộc vào chiều quay.Nhược điểm là hiệu quả phanh không cao (Hình2.4.a)

-Phanh dải đơn giản tự siết một chiều Do một đầuđược cố định nên hiệu quả phanh chiều tự siết cao hơn

6 lần chiều ngược lại Nhược điểm là phanh thường bịgiật, không êm dịu (Hình 2.4.b)

-Phanh dải loại kép Kết cấu giống như ghép haiphanh dải loại đơn có một đầu nối chung cố định Ưuđiểm là quay theo chiều nào hiệu quả phanh cũng khôngđổivà luôn có một nhánh tự siết (Hình 2.4.c)

-Phanh dải loại bơi Tương tự như phanh dải đơn giảntự siết nhưng hiệu quả phanh không phụ thuộc vàochiều quay (Hình 2.4.d)

Nhược điểm chung của phanh dải là áp suất trên bề mặt

ma sát phân bố không đều nên má phanh mòn không đều và tải trọng hướng kính tác dụng lên trục lain

c)Theo đặc điểm hình thức dẫn động, truyền động phanh thì chia ra :

+ Phanh cơ khí: - Ưu điểm: giá thành rẻ, kết cấu đơn

giản, làm việc tin cậy

- Nhược điểm:+ Hiệu suất thấp, hiệu quả phanhkhông cao, không tiện nghi

+ Khó thực hiện việc phanh đồng thời giữa cácbánh xe do các khe hở điều chỉnh khó đều nhau, độ mòncũng khác nhau, không có cơ cấu tự điều chỉnh được nênkhi phanh xe dễ gây mất ổn định

+ Kết cấu cồng kềnh

+ Phải thường xuyên chăm sóc

Dẫn động cơ khí chỉ thích hợp cho phanh dừng vàhiệu suất thấp( = 0,4  0,6), dùng cho máy kéo do đườngdẫn động không dài và tốc độ thấp

+ Phanh thủy lực ( phanh dầu ): - Có ưu điểm quan

+ Hiệu suất cao(  = 0,8 0,9)

+ Kết cấu đơn giản, kích thước, khối lượng, giáthành nhỏ

+ Có khả năng dùng trên nhiều loại xe khác nhau màchỉ cần thay đổi cơ cấu phanh

- Bên cạnh đó loại dẫn động này còn có nhượcđiểm:

+ Yêu cầu độ bền khá cao, khi có một chỗ nào đó

bị rò rỉ thì cả dẫn động không làm việc được

+ Lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp lớn nênthường sử dụng các bộ trợ lực để giảm lực đạp, làmcho kết cấu phức tạp.

+ Sự dao động áp suất của chất lỏng làm việc cóthể làm cho các đường ống bị rung dộng và mô menphanh không ổn định

+ Hiệu suất giảm nhiều ở nhiệt độ thấp

+ Phanh khí nén ( phanh hơi ):

- Ưu điểm:

+ Điều khiển nhẹ nhàng, lực điều khiển nhỏ

+ Làm việc tin cậy hơn dẫn động thuỷ lực (khi rò rĩhệ thống vẫn có thể tiếp tục làm việc được, tuy hiệuquả phanh thấp)

+Dễ phối hợp với các dẫn động cơ cấu sử dụngkhí nén khác

+ Dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình dẫn động

- Nhược điểm:

+ Độ nhạy thấp, thời gian chậm tác dụng lớn

+ Do bị hạn chế bởi điều kiện rò rĩ áp suất làmlực khí nén thấp hơn của chất lỏng trong dẫn động thuỷlực tới 1015 lần Nên kích thước và khối lượng củadẫn động lớn

+ Số lượng các cụm và chi tiết nhiều

+ Kết cấu phức tạp, giá thành cao

Do có ưu nhược điểm như vậy nên dẫn động khínén thích hợp cho các ô tô cỡ trung bình và lớn

+ Phanh điện từ: - Ưu điểm:

+ Kết cấu gọn nhẹ

+ Hiệu suất phanh cao

+ Hiệu quả phanh cao.

+ Thời gian chịu tác dụng nhỏ

- Nhược điểm:

+ Khó sửa chữa

+ Phải tốn kém cho bộ phận phát điện, nên takhông chọn loại này

+ Phanh liên hợp: Có độ nhạy cao,tính đồng bộ vă chính xâc rất cao

2.2 XÁC ĐỊNH MOMEN PHANH CẦN SINH RA Ở CÁC CƠ CẤUPHANH

Trong đó:

Ga - Trọng lượng toàn bộ của ôtô, điểm đặt tại tọa độtrọng tâm

của xe, phương chiều như hình vẽ

Gat - Trọng lượng toàn bộ của ôtô tác dụng lên cầutrước.;

Gas - Trọng lượng toàn bộ của ôtô tác dụng lên cầu sau;

Z1 - Phản lực từ mặt đường lên bánh trước của xe;

Z2 - Phản lực từ mặt đường lên bánh sau của xe;

L - Chiều dài cơ sở của xe;

hg- Chiều cao trọng tâm của xe;

a - Khoảng cách từ cầu trước đến tọa độ trọng tâmcủa xe;

b - Khoảng cách từ cầu sau đến tọa độ trọng tâm củaxe;

Theo sơ đồ phân tích lực như (Hình 2.1) ta có:

as

G G

L G



.

( 2.1) = 2090.2585/(895 +2090)

Pf2 - Lực cản lăn ở bánh xe sau;

Ppt ,Pps - Lực phanh ở mổi bánh xe trước và sau;

Pw - Lực cản không khí;

Pj - Lực quán tính sinh ra khi phanh;

L - Chiều dài cơ sở;

hg, a, b - Tọa độ trọng tâm của ôtô;

Khi phanh bỏ qua lực cản không khí P và lực cản lăn Pf1và

Pf2 Vì khi phanh vận tốc của xe giảm nhanh cho đến vậntốc bằng không, nên Pf1+Pf2 nhỏ hơn rất nhiều so với Ppt và

Pps

Lập phương trình cân bằng momen đối với O1 ta có:

2.Z2.L+ P j.hg - a.G a= 0