Động lực học ô tô máy kéo - Chương 7

Nội dung: Chương I. Lực và mômen tác dụng lên ô tô máy kéo trong quá trình chuyển động, Chương II. Động lực học tổng quát của ô tô - máy kéo bánh xe, Chương III. Động lực học của máy kéo xích, Chươ

Chơng 7

phanh ô tô và máy kéo bánh

Hệ thống phanh trên ô tô máy kéo dùng để làm giảm vận tốc hoặc dừng hẳn khi cần thiết Nhờ có hệ thông phanh ta có thể nâng cao vận tốc trung bình của ô tô máy kéo và đảm bảo an toàn chuyển động

Để phanh ô tô máy kéo có thể sử dụng các phơng pháp sau: phanh các bánh xe, phanh bằng động cơ hoặc kết hợp cả hai phơng pháp

7.1 Phanh ô tô máy kéo bằng cơ cấu phanh bánh xe

7.1.1 Lực phanh sinh ra ở bánh xe

Xét trờng hợp chỉ sử dụng phanh các bánh xe, khi đó để thực hiện phanh ng ời lái ngắt ly hợp để tách động cơ khỏi hệ thống truyền lực đồng thời tác động lên bàn đạp phanh để hãm bánh xe lại

Trên Hình 7.1 biểu diễn các lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

Khi tác động lên bàn đạp phanh thì cơ cấu phanh sẽ tạo ra mô men ma sát còn gọi

là mô men phanh MP làm giảm tốc độ quay của bánh xe hoặc ngừng quay Lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến PP ngợc với chiều chuyển động Phản lực P P còn

đợc gọi là lực phanh và xác định theo biểu thức:

P M

r p p b

 (7.1) trong đó : rb  bán kính động lực học của bánh xe

Lực phanh lớn nhất Ppmax bị giới hạn bới điều kiện bám của bánh xe với mặt đ ờng, nghĩa là:

Ppmax = P = Zb (7.2) trong đó: Plực bám và hệ số bám của bánh xe ;

Zb  phản lực pháp tuyến tác dụng lên bánh xe

Khi phanh còn có mô men của lực quán tính tiếp tuyến Mjb và mô men cản lăn

Mf tác dụng lên bánh xe Do đó lực phanh tổng cộng PP0 sẽ là:

P M M M

r p

b

p

f jb b

0       (7.3) Thực tế Mf và Mjb ảnh hởng không đáng kể, do đó khi tính toán chỉ tính theo mô men phanh

Trong quá trình phanh xe, động năng hoặc thế năng (khi xe chuyển động xuống dốc) của xe bị tiêu hao cho ma sát giữa trống phanh và má phanh, giữa lốp và mặt đ ờng cũng nh để khắc phục lực cản lăn, lực cản không khí, ma sát trong hệ thống truyền lực,

ma sát trong động cơ Năng lợng bị tiêu hao phụ thuộc vào chế độ phanh của xe

Mô men phanh càng tăng thì cơ năng biến thành nhiệt năng giữa trống phanh và má phanh cũng nh sự trợt lê giữa lốp và mặt đờng càng tăng, còn năng lợng để khắc phục các lực cản khác tơng đối nhỏ Khi các bánh xe bị phanh cứng hoàn toàn thì tất cả năng lợng hầu nh biến thành nhiệt năng ở khu vực tiếp xúc giữa lốp và mặt đờng Sự trợt lê sẽ làm giảm hiệu quả phanh, tăng độ mòn lốp và ảnh h ởng xấu đến tính ổn định ngang của xe Do vậy, để tránh hiện tợng trợt lê trên các xe hiện đại thờng đặt bộ chống hãm cứng khi phanh

G M

jb

v

M P

P P

r b M

f

P P Z

Hình 7.1 Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên bánh xe khi phanh

7.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá của quá trình phanh

Để đánh giá chất lợng của quá trình phanh ô tô máy kéo có thể sử dụng các chỉ tiêu sau: gia tốc chậm dần lớn nhất jmax ,quãng đờng phanh nhỏ nhất Smin, thời gian phanh nhỏ nhất tmin và lực phanh

Các chỉ tiêu trên đợc xác định trong điều kiện phanh ô tô máy kéo không kéo rơ mooc và ngắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực

1) Gia tốc chậm dần khi phanh

Trên hình 7.2 trình bày sơ đồ lực và mô men tác dụng lên ô tô máy kéo khi phanh Lập phơng trình cân bằng lực theo phơng chuyển động nhận đợc :

Pj = PP + Pf + Pw  P (7.4)

Pj  lực quán tính;

Pf  lực cản lăn;

Pw  lực cản không khí;

P  lực cản dốc, lấy dấu (+) khi lên dốc hoặc dấu () khi xuống dốc

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, trị số của các lực Pf và Pw rất nhỏ so với lực phanh

PP do đó có thể bỏ qua và phơng trình (7.4) có thể viết lại:

Pj = PP  P hoặc Pj = PP  G.sin

hoặc P G

j j  p  sin  (7.5) trong đó:   góc dốc của mặt đờng ; j  gia tốc chậm dần của xe; j  hệ số tính

đến sự ảnh hởng các khối lợng quay trên xe ; G  trong lơng sử dụng xe

Từ phơng trình (7.5) rút ra :

j g

G P G j

p

 ( sin ) (7.7)

Gia tốc phanh lớn nhất jmax đạt đợc khi lực phanh lớn nhất Pmax:

j g

j p

  (7.7) Lực phanh lớn nhất Ppmax theo điều kiện bám của bánh xe với mặt đờng:

Ppmax = ZP (7.8)

trong đó :   hệ số bám của bánh xe;

ZP  phản lực pháp tuyến tác dụng lên tất cả các bánh đợc phanh

Đối với máy kéo thờng chỉ phanh các bánh chủ động sau Trong tr ờng hợp này phản lực pháp tuyến đợc xác định theo công thức:

Z G L b G h P h

L p

j

 cos (  ) sin 

Thay ZP vào (7.8), PPmax vào (7.7) sẽ xác định đợc gia tốc cực đại:

j g L b L h

L h j

max

( ) cos ( ) sin



Khi phanh trên đờng bằng phẳng ( = 0 ):

j g L b

L h j

max





  (7.10)

Đối với ô tô và một số loại máy kéo (T150K, K700) cơ cấu phanh lắp trên tất cả

Hình 7.2 Sơ đồ lực tác dụng lên máy kéo khi phanh

P

W

j

h Gsin

Gcos Z

n

P

f

P

P

v

L

 Z K

các bánh xe:

PPmax = Gcos

max (cos sin)



j

g

j (7.11)

Khi phanh trên đờng nằm ngang ( = 0):

j g

j

max 

  (7.12)

Từ các công thức trên thấy rằng, để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần giảm hệ

số j Vì vậy khi phanh đột ngột, ngời lái cần cắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực nhằm làm giảm j và tăng jmax Gia tốc phanh cực đại phụ thuộc vào

hệ số bám  giữa lốp và mặt đờng Giá trị của hệ số bám  phụ thuộc vào kết cấu lốp, tình trạng mặt đờng Trên đờng nhựa tốt  = 0,75  0,8 Nếu coi j  1 và g = 10 m/

s2 thì gia tốc phanh cực đại trên đờng nhựa tốt có thể đạt trị số jmax = 7,5  8 m/s2

2) Thời gian phanh

Để xác định thời gian phanh có thể sử dụng công thức (7.12) viết ở dạng sau:

j dv

dt

g

j

 (7.13)

Suy ra: dt

g dv

j



 Muốn xác định thời gian nhỏ nhất cần tích phân biểu thức dt trong giới hạn từ thời điểm ứng với vận tốc phanh ban đầu v1 tới thời điểm ứng với vận tốc v2 ở cuối quá trình phanh.:

t j j

v

v

g dv g v v

min    (  )





 1 2

2 1

Khi xe dừng hẳn v2= 0 do đó:

t v

g

j



1

(7.14)

Từ biểu thức (7.14) ta thấy thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc bắt

đầu phanh v1 , hệ số j và hệ số bám  giữa bánh xe với mặt đờng Để giảm thời gian phanh cần giảm hệ số j bằng cách cắt ly hợp khi phanh để tách động cơ khỏi hệ thống truyền lực

3) Quãng đờng phanh

Quãng đờng phanh là chỉ tiêu quan trọng

nhất để đánh giá chất lợng phanh của ô tô Vì

vậy trong tính năng kỹ thuật của ô tô, các nhà

chế tạo thờng cho biết quãng đờng phanh của

ô tô ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã định

So với các chỉ tiêu khác thì quãng đờng

phanh là chỉ tiêu mà ngời lái xe có thể nhận

thức đợc một cách trực quan và dễ dàng tạo

điều kiện cho ngời lái xe xử lý tốt trong khi

phanh ô tô trên đờng

Để xác định quãng đờng phanh nhỏ

nhất, có thể sử dụng biểu thức (5.13) bằng

cách nhân hai vế với vi phân quãng đờng dS,

ta có:

dS g vdv

hay

dS g dS

dt

dv

j

j













(7.15)

Tích phân biểu thức trên với các cận v1

và v2 ta nhận đợc quãng đờng phanh nhỏ

nhất:

Hiình 7.3

ảnh h ởng của vận tốc ban đầu v

1 và

hệ số bám  đến quãng đ ờng phanh

nhỏ nhất

S (m) 120 100



80





20 40 60

v, m/s 22,2

16,6 11,1 5,5

0

g vdv g vdv

v

v v

v

2

1 2

1

S

j



2

22 (7 16) Khi ô tô dừng hẳn v2 = 0, ta có:

S v

g

j



12

2 (7.17)

Qua biểu thức trên ta thấy để giảm quãng đờng phanh nhỏ nhất cần giảm hệ số

j , cho nên nếu ngời lái cắt ly hợp trớc khi phanh thì quãng đờng phanh sẽ ngắn hơn

Trên hình 7.3 biểu diễn sự phụ thuộc giữa quãng đờng phanh S với vận tốc ban

đầu v1 và hệ số bám Qua đó thấy rằng, vận tốc v1 càng cao thì quãng đờng phanh S

càng lớn, ngợc lại hệ số bám càng tăng thì S càng giảm

4) Lực phanh và lực phanh riêng

Lực phanh và lực phanh riêng là chỉ tiêu đánh giá chất lợng phanh và thờng đợc

sử dụng khi thử phanh trên bệ thử

Lực phanh sinh ra ở các bánh xe ô tô đợc xác định theo công thức:

P M

r

b

 (7.18)

Lực phanh riêng p là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lợng toàn bộ G của xe,

nghĩa là:

p P

G

p

 (7.19)

Lực phanh riêng cực đại nhận đợc khi lực phanh đạt cực đại:

p P

G

G G

p

max

max

    (7.20)

Khi đánh giá chất lợng phanh của ô tô máy kéo có thể sử dụng một trong bốn chỉ

tiêu trên Trong đó quãng đờng phanh là đặc trng nhất, vì nó cho phép ngời lái hình

dung đợc vị trí xe sẽ dừng trớc một chớng ngại vật mà họ phải xử trí để khỏi xảy ra tai

nạn khi ngời lái xe phanh ở vận tốc nào đấy Do đó, chỉ tiêu này thờng đợc sử để đánh

giá hiệu quả tác động của phanh Lực phanh và lực phanh riêng thuận lợi khi đánh giá

chất lợng phanh trên bệ thử

5) Giản đồ phanh và chỉ tiêu phanh thực tế

Quãng đờng phanh thực tế bao giờ cũng lớn hơn quãng đờng phanh lý thuyết do

ngời lái xe cần một thời gian phản xạ nhất định, do cơ cấu dẫn động phanh chậm tác

dụng và gia tốc phanh không thể tăng nhanh đột ngột đến giá trị cực đại

Để xác định quãng đờng phanh thực tế cần nghiên cứu quá trình phanh thông qua

các đồ thị thực nghiệm thể hiện quan hệ giữa lực phanh PP và thơi gian phanh t Đồ

thị PP = f(t) đợc gọi là giản đồ phanh thực tế (hình 7.4)

Cần lu ý rằng giản đồ phanh là quan hệ của lực phanh PP với thời gian phanh t,

hay cũng là quan hệ của gia tốc chậm dần j với thời gian t

Điểm 0 trên đồ thị ứng với lúc ngời lái nhìn thấy chớng ngại vật ở phía trớc và

nhận thức đợc là cần phải phanh xe Các thành phần thời gian nh sau:

Hình 6.4 Giản đồ phanh thực tê

j

Pj

B A

0

t

t

4

t

3

t

2

t

1

j max

t1  thời gian phản xạ của ngời lái, từ lúc thấy đợc chớng ngại vật cho đến lúc tác dộng vào bàn đạp phanh, thời gian này phụ thuộc vào trình độ của ng ời lái Thời gian t1 thờng nằm trong khoảng 0,3  0,8s

t2  thời gian chậm tác dụng của hệ thống dẫn động phanh, tính từ lúc ng ời lái tác

động vào bàn đạp phanh đến khi má phanh tác động vào trống phanh Đối với phanh dầu t2  0,03 s và đối với phanh khí t2  0,3 s

t3  thời gian tăng ( biến thiên) lực phanh hoặc tăng gia tốc chậm dần Với phanh dầu t3  0,2 s và với phanh khí t3 = 0,5  1,0 s

t4  thời gian phanh hoàn toàn, ứng với lực phanh cực đại Thời gian này đợc xác

định theo công thức (7.14), trong thời gian này lực phanh và gia tốc phanh không đổi

t5  thời gian nhả phanh, lực phanh giảm đến 0 Với phanh dầu t5  0,2 s, với phanh khí t5 = 1,5 2,0 s

Khi xe dừng hoàn toàn thì thời gian t5 không ảnh hởng đến quãng đờng phanh nhỏ nhất Nh vậy thời gian phanh thực tế có thể đợc xác định theo công thức :

t = t1 + t2 + t3 + t4 (7.21)

Nếu kể đến thời gian chậm tác dụng t2 của hệ thống dẫn động thì quãng đờng phanh thực tế S tính từ khi tác động lên bàn đạp phanh đến khi xe dừng hẳn đ ợc xác

định theo công thức sau:

S v t k v

g

s

1 2  1

2 2 (7.22)

trong đó: ks  hệ số hiệu đính quãng đờng phanh, xác định bằng thực nghiệm Với xe du lịch ks = 1,2  1,2; với xe tải và xe khách ks = 1,4  1,7 Trong quá trình sử dụng thực tế, do má phanh bị mòn và do điều chỉnh phanh không đúng sẽ làm cho quãng đờng phanh thực tế lớn hơn và gia tốc phanh giảm đi so với phanh còn mới và điều chỉnh đúng

7.1.3 Điều kiện đảm bảo phanh tối u

Đối với ô tô hệ thống phanh đợc lắp trên tất cả các bánh xe Trọng lợng phân bố trên các cầu thờng không nh nhau, trong khi hệ số bám của các bánh xe nh nhau, do đó cần phải phân bố lực phanh trên các bánh xe cho hợp lý thì hệ thống phanh mới phát huy đợc hiệu quả tốt

Trên Hình 7.5 biểu diễn lực tác dụng lên ô tô khi phanh, bao gồm: trọng l ợng ô tô

G, lực cản lăn Pf1 và Pf2 ở các bánh xe trớc và sau, phản lực pháp tuyến Z1 và Z2 tác dụng lên cầu trớc và cầu sau, lực phanh PP1 và PP2 ở các bánh trớc và sau, lực cản không khí Pw , lực quán tính Pj

Bằng cách lập phơng trình cân bằng mô men của các lực tác dụng lên ô tô với các

điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đờng A và B, ta xác định đợc các phản lực:

Z Gb P h

L

j

1  ; Z Ga P h

L

j

2  (7.23)

hoặc Z G

jh g

1  (  ) ; Z G

jh g

2  (  ) (7.24) trong đó: a, b, h  toạ độ trọng tâm của ô tô;

L  chiều dài cơ sở của ô tô

Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỉ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe trong quá trình

v

Trọng tâm

P

w

P

j



Z



P

P2

b a

L

Hình 7.5 Các lực tác dụng lên ô tô khi phanh

phanh lại thay đổi do có lực quán tính Pj tác dụng

Trong trờng hợp phanh có hiệu quả nhất tỉ số giữa các lực phanh ở các bánh xe tr

-ớc và sau sẽ là:

P

P

Z Z

Z Z

p p

1 2

1 2

1 2

 

 (7.25) Thay các biểu thức (7.23) vào (7.25) ta đợc :

P

P

Gb P h

Ga P h

p p

j j

1 2

 (7.27) Trong quá trình phanh , có thể bỏ qua lực cản lăn Do đó có thể viết:

P J P P1 P P2

và P JmãP Pmax G (7.27)

Thay Pjmax vào (7.27) ta có: P

P

b h

a h

p p

1 2

1

 





 (7.28) Biểu thức (7.28) là điều kiện đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất Nghĩa là muốn phanh đạt hiệu quả nhất ( quãng đờng phanh nhỏ nhất hoặc gia tốc phanh lớn nhất hoặc thời gian phanh nhỏ nhất ) thì trong quá trình phanh quan hệ giữa lực phanh ở các bánh

xe trớc Pp1 và ở các bánh xe sau Pp2 phải luôn thoả mãn biểu thức (7.28)

Trong điều kiện sử dụng, tọa độ trọng tâm của ôtô luôn thay đổi do chất tải khác nhau và hệ số bám  cũng thay đổi khi chạy trên các loại đờng khác nhau Do đó, tỷ

số Pp1/Pp2 luôn thay đổi trong điều kiện sử dụng Trong điều kiện nh vậy, muốn thoả mãn điều kiện (7.28) phải thay đổi mô men phanh Mp1 và Mp2 trên các bánh xe trớc và sau Để thay đổi mô men phanh có thể bằng cách thay đổi áp suất dầu hoặc áp suất khí nén dẫn đến các xi lanh bánh xe hoặc dẫn đến bầu phanh (phanh khí) Trên các ô tô hiện đại thờng lắp bộ điều hoà lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh nhằm tự động điều chỉnh lực phanh để luôn thoả mãn điều kiện phanh tối u (7.28)

7.2 Phanh ô tô bằng động cơ

Phanh ô tô bằng động cơ đợc thực hiên bằng cách không ngắt ly hợp nhng giảm hoặc ngắt hoàn toàn lợng nhiên liệu cung cấp vào động cơ Khi đó các bánh xe chủ

động của ô tô đóng cai trò chủ động, còn động cơ quay bị động Do đó ma sát của các chi tiết và lực cản khí động học trong động cơ tạo ra mô men phanh MPd Trị số của

MPd phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ đợc biểu thị trên hình 7.6 Mô men phanh

MPđ của động cơ đợc truyền đến các bánh xe ô tô máy kéo và tạo ra lực phanh:

P pd M i pd T r



 (7.29) trong đó: iT, m  tỉ số truyền và hiệu suất cơ học trong hệ thống truyền lực;

rk  bán kính động lực học của bánh xe chủ động

Quá trình phanh bằng động cơ tốc độ quay của trục khuỷu giảm dần, do đó xuất hiện mô men các lực quán tính tiếp tuyến Mjd của các khối lợng chuyển động trong

động cơ Lực chủ động do mô men Mjd tạo ra đợc xác định theo công thức:

P M i

d dt

i r

jd

jd T m

T m k

     trong đó: Id  mô men quán tính của các chi tiết chuyển động trong động cơ đợc qui dấn đến trục khuỷu

Mối quan hệ giữa gia tốc góc của động cơ và gia tốc chuyển động j của ô tô đ ợc

MPd

0,03

0,02

0,01

rad/s 300

200 100

0

Hình 7.6

Đặc tính mô men phanh của động cơ xăng

biểu thị theo công thức:

d

i r

T k





Kết hợp hai công thức trên ta nhận đợc:

P I i

jd d T m

k



2 2



(7.30) Lực PPd có tác dụng phanh, còn lực Pjd có tác dụng duy trì chuyển động của ô tô

Do đó, điều kiện để có thể phanh bằng động cơ là:

Ppd > Pjd

hoặc j M r

I i

pd k

d T m



2 (7.31)

Nếu điều kiện trên không thoả mãn thì động cơ không những không hỗ trợ cho quá trình phanh mà ngợc lại con gây cản trở Do vậy, khi cần phanh xe với gia tốc lớn cần phải ngắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực

Cần lu ý rằng, mô men phanh MPd do động cơ tạo ra phụ thuộc vào tốc độ góc

của trục khuỷu, khi  thì MPd= 0 hình 7.6) Do đó không thể dùng phanh

động cơ để phanh cho xe dừng hẳn (v=0)

Phanh bằng động cơ thờng đợc sử dụng khi ô tô chuyển động xuống dốc dài nhằm tránh cho cơ cấu phanh khỏi bị nóng, đỡ mòn má phanh và trống phanh hoặc khi phanh

ô tô trên đờng trơn có khả năng lệch một bên Để tăng mô men phanh MPd trên các xe tải dùng cho vùng đồi núi có trang bị thêm bộ phận tăng mô men phanh của động cơ bằng cách điều chỉnh khả năng thoát của dòng khí xả