tính toán thiết kế hệ thống phanh mới

- Theo kết cấu của cơ cấu phanh : phanh guốc, phanh đĩa, phanh đai - Theo phương thức dẫn động : dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực, dẫn động không khí nén, dẫn động điện, dẫn động hỗn h

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH

I: CÔNG DỤNG:

Hệ thống phanh dùng để giảm tốc độ của ô tô cho đến khi dừng hẳn hoặc đến một tốc độ nào đố theo yêu cầu của người lái Giữ chô ô tô máy kéo dừng ở ngang dốc trong thời gian lâu dài hoặc cố định xe trong thời gian dừng xe Đối với ô tô máy kéo hệ thống phanh rất quan trọng vì nó đảm bảo cho ô tô chuyển động an toàn ở tốc

độ cao hoặc dừng xe trong tình huống nguy hiểm nhờ vậy mà nâng cao được năng suất vận chuyển, tăng được tính động lực

II: PHÂN LOẠI:

- Tùy theo cách bố trí có thể chia hệ thống phanh thành : phanh ở bánh xe, phanh truyền lực

- Theo kết cấu của cơ cấu phanh : phanh guốc, phanh đĩa, phanh đai

- Theo phương thức dẫn động : dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực, dẫn động không khí nén, dẫn động điện, dẫn động hỗn hợp…

Trong hệ thống phanh người ta thường chia ra làm hai phần :

- Cơ cấu phanh là bộ phận trực tiếp làm giảm tốc độ góc của bánh xe hoặc trục các đăng truyền lực

- Dẫn động phanh có tác dụng truyền lực từ bàn đạp phanh (bộ phận sinh lực phanh) đến cơ cấu phanh và tăng lực phanh cho người lái Ta sẽ nghiên cứu kĩ từng phần trong hệ thống phanh

III: YÊU CẦU:

Hệ thống phanh là một bộ phận quan trọng của xe đảm nhận chức năng

an toàn chủ động nên nó phải thỏa mãn các yêu cầu sau :

- Có hệ quả phanh cao nhất trong mọi trường hợp mà bánh xe không bị trượt

- Hoạt động êm dịu , không giật để đảm bảo êm dịu khi phanh

- Điều khiển nhẹ nhàng để giảm nhẹ cường độ lao động của người lái xe

- Có độ nhạy cao để thích ứng nhanh với các trường hợp nguy hiểm

- Đảm bảo phân bố mô men phanh trên các bánh xe phải theo nguyên tắc sử dụng hoàn toàn trọng lượng bám khi phanh với mọi cường độ

- Không có hiện tượng tự xiết , thoát nhiệt tốt, có hệ số ma sát cao và ổn định Giữ được tỉ lệ thuận giữa lực đạp phanh và lực phanh sinh ra ở cơ cấu phanh

- Có độ tin cậy, độ bền, tuổi thọ cao, giá thành hạ

IV:CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HTP TRÊN Ô TÔ

1: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cơ cấu phanh guốc

- Cơ cấu phanh có điểm đặt riêng rẽ về 1 phía các lực dẫn động bằng nhau

Hình : Sơ đồ phanh guốc có điểm đặt riêng rẽ về một

phía các lực dẫn động bằng nhau

- Cơ cấu phanh có điểm đặt riêng rẽ về 1 phía và các guốc phanh có dịch chuyển như nhau :

Hình : Sơ đồ phanh guốc có điểm đặt riêng rẽ về một phía

và các guốc phanh có dịch chuyển như nhau

Hình : Cơ cấu phanh guốc có điểm đặt riêng rẽ về 2 phía

- Cơ cấu phanh tự cường hóa :

Hình: Cơ cấu phanh tự cường hóa 2: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của dẫn động phanh thủy lực

Hình: Hệ thống phanh thuỷ lực 1.Bàn đạp phanh; 2.Trợ lực phanh; 3.Xilanh phanh chính; 4.Càng phanh đĩa;

5.Má phanh đĩa; 6.Đĩa phanh; 7.Phanh trống; 8.Má phanh guốc Nguyên lý làm việc: khi phanh người ta đạp phanh lên bàn đạp phanh 1 qua hệ thống đòn bẩy đẩy piston của xilanh phanh chính dịch chuyển đẩy dầu trong buồng xilanh, dầu bị ép có áp suất cao trong xilanh và được dẫn động qua đường ống Dầu

áp suất cao được đưa tới buồng xilanh của cơ cấu phanh, dầu đẩy piston chuyển động đẩy 2 guốc phanh có má phanh áp sát vào tang trống( ép má phanh vào đĩa phanh) thực hiện quá trình phanh bánh xe do trống phanh ( đĩa phanh) gắn liền với moayơ bánh xe Khi thôi phanh lò xo kéo hai má phanh về vị trí ban đầu, dưới tác dụng của

lò xo các piston sẽ về vị trí ban đầu ép dầu trở lại buồng dầu của xilanh phanh chính

3: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của trợ lực phanh

a Xi lanh phanh chính :

1.Bàn đạp phanh; 2.Cần piston; 3.Piston 1; 4,6 Lò xo nén; 5.Piston số 2; 7.Bình chứa

dầu phanh Nguyên lý làm việc:

Khi đạp phanh piston 3 sẽ dịch chuyển sang trái tạo nên áp suất cao ở khoang I, qua piston 5 tạo nên áp suất cao ở khoang II đưa dầu đến các ống dẫn, đến các cơ cấu phanh thực hiện quá trình phanh

b Bộ chia

Hình : Bộ chia 1.Piston ; 2 Vỏ bộ chia Nguyên lý làm việc : Khi phanh dầu từ xy lanh phanh chính bị dồn đến khoang A có

áp lưc lớn gây lên lực tác dụng lên các piston đẩy về 2 phía làm dầu ở dòng I, II đẩy lên các xilanh phanh bánh xe thực hiện quá trình phanh Áp suất của dòng I, II tăng lên đến khi cân bằng với khoang A Khi xảy ra hư hỏng ở 1 dòng nào đó thì dòng kia vẫn làm việc bình thường hiệu quả phanh bị giảm đi, người lái nhận biết hư hỏng thong qua hành trình của bàn đạp tăng lên

c Bầu trợ lực chân không

Hình: Cấu tạo bầu trợ lực chân không Nguyên lý làm việc:

- Khi không tác động vào phanh : Van không khí được nối với cần điều khiển van và bị lò xo của van không khí kéo về bên phải, van điều chỉnh bị đẩy về bên trái Điều này làm van không khí tiếp xúc với van điều chỉnh

-Đạp phanh :Khi đạp phanh cần điều khiển can đẩy van không khí làm nó dịch chuyển sang trái Lò xo van điều chỉnh dũng dịch chuyển sang trái cho đến khi nó tiếp xúc với van chân không Chuyển động này bịt kín nối ngoài đi qua lưới lọc bị chặn lại không vào buồng áp suất biến đổi Trong điều kiện này van chân không của thân van

bị tách khỏi van không khí tạo ra 1 lỗ thong giữa lố A và B Vì luôn có chân không trong buồn áp suất không đổi cũng có chân không trong buồng áp suất biến đổi Vì vậy lò xo màng ngăn đẩy piston sang phải thong giữa lỗ A và B Khi van không khí tiếp tục dịch chuyển sang trái nó càng dời xa van điều chỉnh làm cho không khí bên ngoài lọt vào buồng áp suất biến đổi qua lỗ B ( sau khi qua lưới lọc ) độ chênh áp suất giữa buồn áp suất không đổi làm cho piston dịch chuyển về bên trái làm cho đĩa phản đẩy cần đẩy bộ trợ lực về bên trái và tăng lực phanh

V: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

- Loại cơ cấu phanh: trước tang trống, sau tang trống

- Loại dẫn động phanh: thủy lực chân không

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHANH

I: THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Loại cơ cấu phanh Trước tang trống, sau tang trống

Loại dẫn động phanh Thủy lực chân không

1: Trọng lượng toàn bộ G:

G = Ga1 + Ga2 =645+695=1340(KG)

2: Xác định khoảng cách từ trọng tâm của ô tô đến tâm cầu trước (a) và tâm cầu sau (b)

Hình: Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

a = Ga2

G

L

=

2400 695.

1340= 1245(mm) = 1,245(m)

b = Ga1

G

L

=

9800

4500

2890 = 1155(mm) = 1,155(m)

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

Ta có hệ số phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau tương ứng là:

b g

h J

a g

h J

.

.

2 = − Trong đó: hg: chiều cao trọng tâm của xe hg=596(mm)

g: gia tốc trọng trường, g=9,81(m/s2)

Jpmax: gia tốc phanh cực đại, chọn Jpmax=6m/s2

Thay số vào ta được:

1

6.0,596

9,81.1.155

2

6.0,596

9,81.1,245

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:

+) Ở cầu trước là:

bx

2

. 1 1 1

ϕ

+) Ở cầu sau là:

bx

2

. 2 2 2

ϕ

= Trong đó: 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

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

rbx: bán kính bánh xe

Với lốp ký hiệu: 6-13 Chọn λ = 0,945 Hệ số biến dạng của lốp

0

2 25, 4 / 2 0,945 13 2.6 25, 4 / 2 187 0,187

bx

Thay số vào ta được:

645.10.1,32.0, 6

0,187 477, 6( ) 2

p

2

695.10.0, 71.0, 6

0,187 276,8( ) 2

p

II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 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 ( )δ và bán kính (ρ) 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 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

t 2 ( V h )

d

Trong đó: δv - Độ dày vành bánh xe, lấy δv =5 mm

Kh Khoảng cách giữa vành bánh xe và tang phanh;

Kh=20mm

∆ - Độ dày tang phanh; lấy ∆=10 mm

=> rt=13/2.25,4-(5+20+10)=130 (mm)

t

- Các kích thước khác của cơ cấu phanh a, c, e được tính theo công thức thực nghiệm.

a = c = 0,8rt = 104 mm

e = 0.85rt = 111 mm

h = a+c = 208 mm

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

Ta có:

2 1

0

2 1

2 sin 2

sin 2

2 cos 2

cos

β β

β

β β

δ

−

−

−

=

tg

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

( 1 2) 0 0

0 2 2

0

2 1

sin cos

2 sin

cos cos

2

β β

β β

β β

β β

ρ

+

− +

−

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=130 mm

* Đối với guốc phanh trước:

Chọn: β1 = 150, β0 = 1200=2,09 (rad), β2 = 1350

0,185 2.2, 09 sin 30 sin 270

t

=> δt = 10,50

2.130(cos15 cos135)

151, 42

2, 09 sin 120 2.2,09.cos(15 135).sin120

* Đối với guốc phanh sau:

Chọn: β1 = 150, β0 = 1000=1,74 (rad), β2 = 1150

0, 40 2.1, 74 sin 30 sin 230

s

=>δs = 21,90

2.130(cos15 cos115)

159, 4

1, 74 sin 100 2.1,74.cos(15 115).sin100

3: Xác định các lực cần thiết tác dụng lên guốc phanh bằng phương pháp họa đồ

Khi tính toán cơ cấu phanh chúng ta cần xác định lực P tác dụng lên guốc phanh trước và sau để đảm bảo cho tổng mô men phanh sinh ra ở guốc phanh trước và

mô men sinh ra guốc sau bằng mô men tính toán của mỗi cơ cấu phanh đặt ở bánh xe

Khi đã chọn các thông số kết cấu ở trên ta đã tính được góc δ và bán kính ρ nghĩa là xác định được hướng và điểm đặt lực N ( lực hướng vào tâm 0)

Lực R là lực tổng hợp của N và T, lực R tạo với N một góc φ

Góc φ được xác định như sau: T

tg

N

ϕ= =µ

µ: Hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh : µ = 0,3

=> tgφ = 0,3 => φ = φt = φs = 170

Mô men sinh ra ở cơ cấu phanh của một bánh xe là:

Mp = R

1

.r

ot

+ R

2

.r

os

0,3

ot t

µ

0,3

os s

µ

Guốc phanh bị ép bằng cam phanh (phanh khí) thì lực P

1

và P

2

tác dụng lên hai guốc phanh sẽ khác nhau Trong trường hợp này khi cam quay, hai guốc phanh sẽ dịch chuyển như nhau, do đó áp suất tác dụng lên hai má phanh bằng nhau và lực R

1

=R

2

Như vậy khi guốc phanh bị ép bằng cam quay, chúng ta có thể xác định ngay lực R

1

và R

2

0 2 1

2r

M R

Muốn xác định P

1

, P

2

ta dùng phương pháp họa đồ bằng cách vẽ đa giác lực của

guốc phanh trước và sau

Góc δ là góc tạo bởi (X, N) muốn xác định được X ta chọn góc α

Từ vị trí đặt lực P nối với tâm quay cố định của 2 guốc ta có trục Y từ đó ta có trục X, theo tính toán ta có ρ1, ρ2 và có δ vậy từ đây ta xác định được vị trí đặt lực N

có phương hướng vào tâm 0

Từ điểm đặt lực P ta kéo dài lực P, quay hai vòng tròn có bán kính ρ

t

và ρ

s

kết hợp với các góc δ

t

và δ

s

, xác định được điểm đặt lực R

1

và R

2

, vẽ hai vòng tròn có bán kính r

ot

và r

os

, kẻ tiếp tuyến của hai đường tròn đi qua hai điểm đặt lực của R

1

và R

2

Đó là phương của R

1

và R

2

, hai đường tiếp tuyến này cắt đường kéo dài của lực P tại 0

’

và 0

’’

Từ 0

’

nối với tâm chốt quay của má trước ta có phản lực U

1

và nối 0

’’

với tâm chốt quay của má sau ta có phản lực U

2

Như vậy trên mỗi guốc phanh có ba lực P

1

,R

1

,U

1

và P

2

,U

2

và R

2

Ta xây dựng hai đa giác lực này bằng cách lấy hai đoạn bằng nhau để thể hiện lực R, nối tiếp R là U

1

bằng cách trượt thước kẻ theo đường // với đường U

1

và lại nối tiếp với P

1

cũng kẻ // với đường P

1

ta sẽ có tam giác khép kín Tương tự ta có tam giác thứ hai đối với má sau

Hình: Họa đồ lực tác dụng lên cơ cấu phanh sau.

Từ đồ họa ta dùng thước kẻ ly đo được:

a) Đối với cầu trước: Mp=477,6 (N.m)

0

477,6 477, 6

5553( )

2 t 2.0, 043

r

Trên đồ thị ta đo được R=65,34 (mm)

Vậy ta có tỷ lệ xích: μ = 5553/65,34 = 85(N/m)

Trên họa đồ ta đo được: P

1

= 47,55 (mm) => P

1

=3995(N) P

2

=3995/0,55=7263(N) U

1

=96,04 (mm); U

2

=72,75 (mm)

Từ đó tính được:

U

1

=8163(N);

U

2

=6183(N)

b) Đối với cầu sau: Mp=276,8(N.m)

0

3218( )

2 t 2.0,043

r

Vậy ta có tỷ lệ xích: μ = 3218/65,34 = 49,3(N/m)

=> P

1

=4247(N); P

2

=8591(N); U

1

=9527(N); U

2

=7276(N)

4: Kiểm tra hiện tượng tự siết:

Hiện tượng tự xiết trong quá trình phanh là hiện tượng khi má phanh ép sát vào trống phanh chỉ bằng lực ma sát mà không cần tác động lực P của truyền động lên guốc phanh Trong trường hợp như vậy mô men phanh đứng về phương diện mà nói

sẽ tiến tới vô hạn

Hiện tượng tự xiết sẽ gây ra bó cứng bánh xe, làm mất ổn định khi phanh, nhất là trong trường hợp xe tiến Do đó trong tính toán thiết kế cần kiểm tra hiện tượng tự xiết khi xe tiến

Để kiểm tra hiện tượng tự xiết, ta thiết lập môi quan hệ giữa mô men phanh M

p

và lực ép P

Xảy ra hiện tượng tự xiết khi: ϕ

δ ρ

δ

C

−

=

sin

cos

Trong đó: C- là khoảng cách từ tâm bánh xe đến tâm chốt quay của

má phanh(mm), C=115 mm

+) Trường hợp xe tiến: khi xe tiến về phía trước, hiện tượng tự xiết chỉ có thể xảy ra ở guốc phanh trước

Với μ=0,3; ρ

t

=151,42(mm); δ

t

=10,5

0

115.cos10,5

151, 42 115.sin10,5

−

Vậy không xảy ra hiện tượng tự xiết ở bánh xe khi xe tiến

+) Trường hợp xe lùi

Với μ=0,3; ρ

t

=159,4(mm); δ

t

=21,9

0

115.cos 21,9

159, 4 115.sin 21,9

−

Vậy không xảy ra hiện tượng tự xiết ở bánh xe khi lùi

5: Xác định kích thước của má phanh

Kích thước má phanh chọn trên cơ sở đảm bảo công ma sát riêng áp suất trên

má phanh, tỷ số trọng lượng toàn bộ của ô tô trên diện tích toàn của các má phanh và

Công ma sát riêng L xác định trên cơ sở má phanh thu toàn bộ động năng của ô

tô chạy với vận tốc V0 trước khi phanh

[ ] 400 1000 ( / )(*) 2

2

2

gF

GV

Σ

Trong đó: G = 9800 KG

V0 là tốc độ của ô tô khi bắt đầu phanh, chọn V0=60Km/h=16,66m/s

g: Gia tốc trọng trường, lấy g=10m/s2

FΣ: diện tích toàn bộ của các má phanh ở tất cả các bánh xe.

Ta có công thức tính diện tích là:

m 0i t i

i 1

FΣ r b

=

= β∑

β0i: góc ôm má phanh thứ i

bi: bề rộng của má phanh thứ i

rt: bán kính trống phanh, rt = 130 mm

m: số lượng của má phanh, m = 8

Ta chọn cơ cấu phanh ở 4 bánh là như nhau, nên ta có:

) (

4 F t F s

F∑ = + trong đó: Ft là diện tích của má phanh trước

Fs là diện tích của má phanh sau

4(2, 09.130.140 1,74.130.140) 69160( ) 691,6( )

Thay vào (*) ta được:

2

2

98000.16,66

196, 6( / ) 400 2.10.691,6

Vậy má phanh chọn thỏa mãn toàn bộ năng lượng khi phanh bánh xe

b) Kiểm tra áp suất trên bề mặt ma sát

Khi muốn biết thời gian phục vụ của má phanh hay tuổi thọ của nó thì ta xét đến

áp suất trên bề mặt ma sát dựa vào thông số q

( )

2 2

t 0

Mp

.b.r

Theo công thức (**) ta thấy khi muốn xét đến thông số q thì phụ thuộc vào góc

ôm má phanh và mô men phanh sinh ra tại cơ cấu phanh vậy ta chỉ xét đến má phanh

có gốc ôm lớn và chịu mô men phanh lớn

Xét cầu trước vì cầu trước chịu mô men phanh lớn hơn cầu sau và ta xét đối với

má trước vai má trước chịu mô men phanh lớn hơn má sau

Ta có: µ= 0,3

β0 = 120 độ = 2,09 rad

rt = 130 mm; b=140mm

Với cầu trước mô men sinh ra tại một cơ cấu phanh là: Mp=477,6 (N.m)

2

477,6

1, 23( / ) 2( / ) 0,3.0,14.0,13 2, 09

Vậy guốc phanh trước đảm bảo áp suất riêng, do đó guốc phanh sau cũng đảm bảo áp suất riêng

6: Tính toán nhiệt phát ra trong quá trình phanh

Trong quá trình phanh động năng của ô tô chuyển thành nhiệt năng ở trống phanh và một phần thoát ra môi trường không khí Nếu nhiệt độ cơ cấu phanh lớn sẽ làm hệ số ma sát giữa má và trống giảm, dẫn đến giảm hiệu quả phanh

Phương trình cân bằng năng lượng:

t t t t

t C t F k d m

V V g

G

0 0

2 2

2

2

G: trọng lượng toàn bộ của ô tô khi đầy tải

g: gia tốc trọng trường, lấy g=10(m/s2)

V1,V2: tốc độ đầu và cuối khi phanh

mt: khối lượng của các trống phanh và các chi tiết bị nung nóng

(khối lượng mỗi tang trống =4 KG)

C: nhiệt dung riêng của các chi tiết bị nung nóng, (C=500J/Kg.độ)

t0: sự tăng nhiệt độ của trống phanh so với môi trường không khí

Ft: diện tích làm mát của trống phanh

kt: hệ số truyền nhiệt giữa trống phanh và không khí