Sau khi đã chọn được kiểu/loại cơ cấu phanh hợp lý theo mục 1.2 nêu trên, chúng ta có thể bắt tay tính toán để xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phanh thiết kế.
Các thông số cơ bản của cơ cấu phanh bao gồm mô-men phanh do cơ cấu phanh tạo ra, cơ cấu ép để tạo lực ép cho cơ cấu phanh. Cách tính mô-men phanh
và do đó công thức tính lực ép yêu cầu của cơ cấu ép phụ thuộc vào kiểu/loại cơ cấu phanh cụ thể. Vì vậy để xác định lực ép yêu cầu ở mỗi cơ cấu phanh phải xét cụ thể từng kiểu/loại cơ cấu phanh dưới đây.
2.2.1. Cơ cấu phanh trống guốc loại 1 (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng xy lanh kép và có hai điểm tựa cố định của guốc được bố trí cùng phía):
Công thức xác định mô- men ma sát do hai guốc tạo ra tác dụng lên tang trống được xác định như sau:
- Với guốc tự siết (6) có lực ép F1 từ piston tạo ra mô-men quay là cùng chiều với chiều quay (1) của tang trống (xem hình 1.3), nên có giá trị xác định bằng biểu thức:
Mg1 = AF1h1μ
1−μ B1
(1.11)
- Với guốc tự tách (7) với lực ép F2 từ piston tạo ra mô-men quay là ngược chiều với chiều quay (1) của tang trống, có giá trị được xác định bằng:
Mg2 = AF2h2μ
2+μB2 (1.11b)
Vậy mô-men phanh tổng cộng do hai guốc (6) và (7) tạo ra cho tang trống được xác định bằng biểu thức:
Mp = AF1h1μ
1−μ B1+ F2h2μ
A2+μ B2 (1.12)
Hình 1.3: Cơ cấu phanh trống guốc loại 1
Trong đó h1, h2 là khoảng cách từ tâm quay của điểm tựa cố định (8) đến phương lực ép tương ứng F1 và F2 hình thành từ hai piston (5) được minh họa như trên hình 1.3.
Các thông số A và B là các đại lượng đặc trưng cho các thông số kết cấu và qui luật phân bố áp suất trên má phanh của guốc phanh và có thể được xác định theo giả thiết áp suất má phanh phân bố đều: q = const như sau.
A =
s
rt(cosδ+μsinδ).
sin(α2−α2 1)
(α2−α2 1) (1.16)
B = 1 (1.16b)
trong đó các góc a1, a2 là các thông số kết cấu về góc đặt đầu – cuối của tấm ma sát – tính bằng [rad] (xem hình 1.4).
Trong tính toán thiết kế, có thể chọn các góc a1, a2 theo kinh nghiệm sao cho hiệu số (a2 - a1) ằ 900 á 1100. Cũn đại lượng s[m] là khoảng cỏch từ tõm quay bỏnh xe đến tâm quay điểm tỳ cố định của guốc phanh như được minh họa trên hình vẽ 1.4.
Khoảng cách s có thể tính theo khoảng cách b = s.cosa0 với a0 là góc đặt tâm quay điểm tỳ cố định của guốc phanh, còn b là khoảng cách từ tâm quay bánh xe đến đường thẳng nối hai tâm quay của hai điểm tựa cố định (xem hình 1.4).
Hình 1.4: Sơ đồ tính cơ cấu phanh trống- guốc
Còn thông số d là góc đặt của phương hợp lực tổng hợp; khi áp suất phân bố đều thì d có thể được xác định bằng:
δ=π−(α1+α2)
2 (1.17)
Trên hình 1.4 thể hiện khoảng cách từ tâm quay của điểm tựa cố định (8) đến phương lực ép F đối với hai guốc là như nhau; tức là h1 = h2 = h = (a+b). Trong tớnh toỏn thiết kế cú thể chọn theo kinh nghiệm với h ằ 0,8 đường kớnh trống phanh Dt (h ằ 0,8Dt) trong khi cỏc khoảng cỏch a ằ b ằ h/2 ằ 0,4Rt (với Rt là bỏn kính tang trống). Và nếu hai guốc phanh được gắn các má phanh hoàn toàn giống nhau về kích thước cũng như kết cấu (xem hình 1.4); và giả sử hai má phanh có qui luật phân bố áp suất như nhau; tức là có A1 = A2 = A và B1 = B2 = B thì mô-men phanh do các hai guốc phanh của cơ cấu phanh tang trống loại 1 sinh ra được viết lại bằng:
Mp = F.h.μ .(A−μ B1 + 1
A+μ B) (1.14)
hay Mp = F.h.μ .(2AA2−μ2B2) (1.14b)
Chắc chắn rằng mô-men phanh do cơ cấu phanh sinh ra Mp phải bằng mô- men phanh yêu cầu lý thuyết; tương ứng ở cầu trước và cầu sau Mp(i) với chỉ số i = 1 để chỉ cho cơ cấu phanh cầu trước, còn i = 2 để chỉ cho cơ cấu phanh cầu sau.
Từ đó, suy ra công thức xcs định lực ép yêu cầu cần tác dụng lên piston của cơ cấu phanh kiểu trống guốc loại 1 như sau:
F = Mp(A2−μ2B2)
2Ah μ (1.15)
Nếu đường kính hai piston trong xy-lanh kép là như nhau thì các lực ép F1
và F2 bằng nhau và bằng lực ép F do áp suất dầu trong xy-lanh kép tạo ra:
F =
π.Dxl2 4 pxl
(1.13) ở đây Dxl là đường kính xy lanh kép, pxl là áp suất dầu phanh trong xy lanh.
Trong thiết kế, áp suất dầu phanh lớn nhất trong hệ thống có thể chọn trong khoảng giỏ trị pxl ằ 5á10[MN/m2] đối với hệ thống phanh khụng cú ABS hoặc cú với pxl
ằ 10á25[MN/m2] đối với hệ thống phanh cú điều khiển điện tử ABS; cũn hệ số ma sỏt cú thể chọn m ằ 0,30á0,33.
2.2.2. Cơ cấu phanh trống guốc loại 2 (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng xy lanh đơn và có hai điểm tựa cố định của tâm quay guốc được bố trí khác phía):
Do tính chất đối xứng đối với tâm quay bánh xe, nên công thức xác định mô-men ma sát của hai guốc tự
siết (có phương lực tổng hợp theo chiều siết (2) so với tâm quay (5)) tác dụng lên tang trống có công thức tính hoàn toàn giống nhau:
Mg1 = AF1h1μ
1−μ B1 (1.18) Mg2 = AF2h2μ
2−μ B2 (1.18b) Nếu đường kính hai piston trong hai xy-lanh là như nhau thì các lực ép F1 và F2 bằng nhau và
bằng lực ép F do áp suất dầu trong xy-lanh tạo ra cho hai piston (4) hoàn toàn giống nhau. Và nếu kích thước của hai má phanh trên hai guốc cũng giống nhau (A1 = A2 = A và B1 = B2 = B và h1 = h2) thì mô-men phanh do hai guốc tự siết tạo ra cho trống phanh được xác định bằng:
Mp = 2.F.h.μA−μ B = KC.pxl (1.19)
Trong đó KC là hằng số đặc trưng cho thông số kết cấu của cơ cấu phanh; độc lập với áp suất phanh trong xy-lanh phanh pxl.
Hình 1.5: Cơ cấu phanh trống guốc loại 2
Suy ra công thức tính lực ép yêu cầu đối với piston của cơ cấu phanh kiểu trống guốc loại 2 được xác định bằng biểu thức:
F = Mp(A−μB)
2h μ (1.20)
Chú ý rằng, các công thức đã xác định đối với hai guốc được coi là tự siết so với chiều quay (1) quy ước là chiều quay tiến khi xe chạy tới. Ngược lại, khi xe chạy lùi, chiều quay tang trống sẽ có chiều ngược lại, và hai guốc phanh (6) lúc này trở thành tự tách và mô-men phanh tổng cộng do hai guốc tác dụng lên trống phanh giảm đáng kể vì được xác định bằng:
Mp = 2.F.h.μA+μ B (1.20b)
2.2.3. Cơ cấu phanh trống guốc loại 3 (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng xy lanh đôi cho cả hai đầu guốc đối xứng):
Do tính chất đối xứng toàn toàn theo cả hai chiều quay, nên công thức xác định mô-men ma sát của hai
guốc theo chiều tự siết (2) tác dụng lên tang trống có công thức tính hoàn toàn giống nhau cho cả hai chiều quay tiến cũng như lùi xe:
Mg1 = AF1h1μ
1−μ B1 (1.18) Mg2 = AF2h2μ
2−μ B2 (1.18b) Và nếu kích thước của hai má phanh trên hai guốc cũng giống nhau (A1 = A2 = A và B1 = B2 =
B và h1 = h2) thì mô-men phanh do hai guốc tự siết tạo ra cho trống phanh được xác định đơn giản bằng:
Hình 1.6: Cơ cấu phanh trống guốc loại 3
Mp = 2.F.h.μA−μ B = KC.pxl (1.19)
2.2.4. Cơ cấu phanh trống guốc loại 4 – cường hóa (loại trống guốc có cơ cấu ép bằng xy lanh kép và thanh cường hóa):
Do tính chất của thanh cường hóa song song với phương lực ép F nên các lực tác dụng lên các guốc là cùng song song nhau. Công thức tính mô-men ma sát của hai guốc tác dụng lên tang trống được xác định như sau.
+ Đối với guốc phía trước (theo chiều quay tiến của tang trống (1) – hình 1.7) có vai trò như guốc tự siết theo chiều lực tổng hợp (2):
Mg1 = F(b−ra+b0)r0
(1.21)
Trong đó kích thước a, b tương ứng là khoảng cách từ tâm quay bánh xe đến phương các lực ép F của piston và với phương 2 điểm tỳ qua thanh cường hóa (7) – xem thêm minh họa trên hình 1.4; còn r0 là bán kính vòng tròn cơ sở của lực tổng hợp tác dụng lên guốc phanh (như lực minh họa bởi (2)) và được xác định bởi biểu thức:
r0 = ρ μ
√1+μ2 (1.22)
Với m là hệ số ma sát trượt giữa má phanh và trống phanh; còn r là bán kính của điểm đặt lực tổng hợp tác dụng lên guốc phanh; và có thể được xác định như sau:
Hình 1.7: Cơ cấu phanh trống guốc loại 4 (loại cường hóa)
ρ=
rt.(α2−α1)
2
sin(α2−2α1) (1.23)
+ Đối với guốc phía sau (được cường hóa thêm lực đẩy qua thanh cường hóa (7) do phản lực tỳ của guốc trước lên thanh cường hóa); và mô-men được xác định theo biểu thức:
Mg2 = Mg1(c−rc+r00) (1.24)
Trong đó kích thước c được xác định là khoảng cách từ tâm quay bánh xe đến điểm tỳ tùy động của guốc lên điểm tựa tạm thời cố định (điểm tựa này thay đổi theo chiều quay của trống phanh – trên hình 1.7 là điểm tỳ giữa bích trên piston (4) với mặt đầu xy lanh cố định).
Từ biểu thức (1.24) cho thấy (c−rc+r00)> 1 nên Mg2 > Mg1 ; hay nói cách khác guốc sau đã được cường hóa thêm một đại lượng so với guốc tự siết phía trước với một giá trị chính bằng đại lượng cường hóa Kch =(c−rc+r00) .
Mô-men phanh tổng cộng do hai guốc tạo ra cho trống phanh kiểu cường hóa được xác định bằng:
Mp = Mg1(1+Kch) (1.25)
Hay Mp = F(b−ra+b0)r0(1+Kch) (1.25b)
Suy ra công thức tính lực ép yêu cầu F đối với piston (4) của cơ cấu phanh kiểu trống guốc loại 4 (loại cường hóa) được xác định bởi bểu thức:
F =
Mp
(b−ra+b0)r0(1+Kch) (1.26)
Ở đây Kch chính là hệ số cường hóa với Kch = (c−rc+r00)
F = π. Dxl2
4 pxl (1.13)
ở đây Dxl là đường kính xy lanh kép, pxl là áp suất dầu phanh trong xy lanh.
2.2.5. Cơ cấu phanh trống guốc loại 5 (với cam ép của phanh khí nén):
Do tính chất bố trí tâm quay của hai điểm tựa cố định cùng phía nên biểu thức xác định mô-men ma sát của hai guốc tác dụng lên tang trống hoàn toàn khác nhau theo tính chất tách/siết mặc dầu kích thước hoàn toàn giống nhau.
Hình 1.8: Cơ cấu phanh trống guốc loại 5 (loại cam ép)
Mg1 = AF1h1μ
1−μ B1 (1.27) Mg2 = AF2h2μ
2+μB2 (1.28)
Tuy nhiên do cam ép có hành trình nâng cam ép đối với hai guốc giống nhau, nên biến dạng và do đó áp lực giữa má phanh và trống phanh giống nhau khi cấu tạo và kích thước hai guốc giống nhau (A1 = A2 = A và B1 = B2 = B); nghĩa là Mg1 = Mg2. Do vậy mô-men tổng cộng do hai guốc tạo ra cho trống phanh có thể xác định bằng:
Mp = 2. F1h1μ
A−μ B=2. F2h2μ
A+μB (1.29)
Suy ra biểu thức xác định các lực ép yêu cầu F1 và F2 đối với cơ cấu phanh kiểu trống guốc với cam ép được xác định bằng:
F1 = Mp(A−μB)
2 h1μ (1.30)
F2 = Mp(A+μ B)
2 h2μ (1.30b)
Khi cam ép làm việc, hành trình cam sẽ nâng cao để ép các lực F1, F2 lên hai guốc tại hai điểm tỳ mà tại đó phương các lực ép F1, F2 đều tiếp tuyến với bán kính vòng tròn cơ sở của cam theo phương ngang (xem hình 1.8b); nghĩa là, các thông số h1 = h+ro và h2 = h-ro (xem hình 1.8b) trong đó h là khoảng cách từ tâm cam đến tâm chốt tỳ đầu cố định của guốc.
Vì vậy quan hệ các lực ép F1/F2 được xác định theo tỷ lệ bằng:
F1
F2=(A−μ B)/h1
(A+μ B) /h2 (1.31)
Và bằng cách cộng về theo vế từ (1.30) và (1.30b) ta có tổng của hai lực F1
và F2 xác định bằng:
F1 + F2 = Mp
2μ ((A−μB)/h1+(A+μB)/h2) (1.31b)
Suy ra mô-men phanh do cơ cấu phanh kiểu cam ép tạo ra cho trống phanh:
Mp = (F1+F2).2m
(A−μ B)/h1+(A+μ B)/h2 (1.32)
Các lực ép F1 & F2 do cam ép tạo ra cho hai guốc dưới tác dụng bởi mô-men quay do lực bầu phanh khí nén Fb tạo ra nhờ cánh tay đòn Ld; tức là:
Mq = Fb.Ld = ro(F1+F2) (1.33)
Trong đó: Ld là cánh tay đòn quay của lực từ bầu phanh khí nén Fb; ro là bán kính vòng tròn cơ sở của cam ép.
Lực ở bầu phanh khí nén được có thể được xác định bằng:
Fb = π. Db2
4 pkn (1.33b)
Ở đây Db là đường kính bầu phanh khí nén, pkn là áp suất khí nén khi phanh.
Trong thiết kế, ỏp suất khớ nộn được chọn theo kinh nghiệm pkn ằ (0,7á0,8) [MN/
m2] đối với xe cú tải trọng trung bỡnh; với xe tải trọng lớn thỡ pkn ằ (0,9á1,0) [MN/m2].
Sau khi biến đổi và thay thế cho hai lực phanh F1 và F2, thì công thức xác định mô-men phanh do cơ cấu cam ép khí nén tạo ra có thể viết lại bằng:
Mp = (pknp
D2
4 )(Ld/ro).2m (A−μ B)/h1+(A+μ B)/h2
+ Với cơ cấu phanh cầu trước có đường kính bầu phanh D1 và đòn quay Ld1
với đường kính vòng tròn cơ sở của cam ép do1 = 2.ro thì mô-men phanh do cơ cấu phanh cầu trước sinh ra được xác định bằng:
Mp1 = (pknp
D12
4 )(Ld1/ro).2m (A−μ B)/h1+(A+μ B)/h2
Mp1 = K1.p1 với K1 = (p
D12
4 )(Ld1/ro).2m (A−μ B)/h1+(A+μ B)/h2
+ Với cơ cấu phanh cầu sau có đường kính bầu phanh D2 và đòn quay Ld2
với đường kính vòng tròn cơ sở của cam ép do2 = 2.ro thì mô-men phanh do cơ cấu phanh cầu sau sinh ra được xác định bằng:
Mp2 = (pknp
D22
4 )(Ld2/ro).2m (A−μ B)/h1+(A+μ B)/h2
Mp2 = K2.p2 với K2 = (p
D22
4 )(Ld2/ro).2m (A−μB) /h1+(A+μB)/h2
Và tỷ số mô-men thực tế K12 xác định bằng:
K12 = MMp1
p2
=K1
K2=¿(DD12)2LLdd12
2.2.6. Cơ cấu phanh kiểu đĩa:
Với cơ cấu phanh kiểu đĩa thì việc hình thành mô-men ma sát hoàn toàn tương tự như ly hợp ma sát cơ khí (xem hình 1.9). Mô-men ma sát của đĩa được tạo ra bởi hai guốc có giá trị hoàn toàn bằng nhau Mp1 = Mp2 nhờ lực ép F là giá trị chung được tạo ra bởi piston trong cơ cấu tùy động (hình 19a) hay dùng 2 piston bố trí đối xứng qua đĩa có cùng kích thước đường kính (hình 19b).
Hình 1.9a: Cơ cấu phanh đĩa kiểu giá xy-lanh tùy động
Chú thích hình 1.9a: 1- Võ cố định có lỗ trượt; 2- Chốt trượt mang giá xy-lanh di trượt; 3- Giá mang xy-lanh di trượt; 4- Má phanh trong; 5- Đĩa phanh; 6- Má phanh ngoài; 7- Phớt làm kín dầu; 8- Ống dẫn dầu vào xy-lanh; 9- Piston; 10 – Xy-lanh di trượt; 11- Phớt cao su chắn bụi bẩn cho piston; 12- Phớt cao su chắn bụi bẩn cho chốt trượt (2)
Hình 1.9b: Cơ cấu phanh đĩa kiểu giá xy-lanh cố định
Chú thích hình 1.9b: 1- Nửa giá xy-lanh cố định thứ nhất; 2- Bu-lông ghép hai nửa giá xy-lanh cố định; 3- Phớt làm kín dầu giữa piston và xy-lanh; 4- Ống dẫn dầu cho hai xy-lanh; 5-Các má phanh; 6- Đĩa phanh; 7- Phớt chắn bụi bẩn cho piston; 8- Piston; 9- Nửa giá xy-lanh cố định thứ hai; 10 – Ống dẫn dầu vào xy- lanh của cơ cấu phanh; 11- Giá để gắn cố định trên thân vỏ; 12- Lỗ để gắn cố định giá xy-lanh lên thân vỏ bằng bu-lông.
Dẫu cơ cấu phanh đĩa kiểu giá xy-lanh cố định hay tùy động, thì vẫn có hai má phanh tác dụng lên hái phía của đĩa phanh. Vì vậy mô-men ma sát cũng được tạo ra từ hai má phanh có giá trị hoàn toàn bằng nhau Mp1 = Mp2 nhờ có cùng lực ép F tạo ra bởi một piston trong cơ cấu tùy động (hình 19a) hay dùng 2 piston bố trí đối xứng qua đĩa có cùng kích thước đường kính (hình 19b).
Do bố trí cơ cấu ép có tính chất đối xứng, nên biểu thức xác định mô-men ma sát của hai má phanh tác dụng lên đĩa hoàn toàn bằng nhau và có thể được xác định bằng biểu thức quen thuộc như sau:
Mg1 = F1μ2
3(RR2322−−RR1312) (1.32a)
Mg2 = F2μ2
3(RR2322−R13
−R12) (1.32b)
Nếu xem các lực ép F1 và F2 là như nhau và bằng lực ép F, thì mô-men phanh tổng cộng do hai má phanh tạo ra cho đĩa phanh được xác định bằng:
Mp = 2F.μ23(RR2322−R13
−R12) (1.33)
Trong đó R2 là đường kính ngoài của đĩa; còn R1 là bán kính trong của đĩa phanh; trong khi Dxl là đường kính của xy-lanh và pxl là áp suất dầu cao áp cung cấp vào xy-lanh của cơ cấu phanh.
Suy ra công thức tính các lực ép yêu cầu F đối với cơ cấu phanh kiểu đĩa được xác định bởi biểu thức:
F = 3
4 Mp
μ .(RR222−R12
3−R13) (1.34)
Trong thiết kế, áp suất dầu phanh lớn nhất trong hệ thống có thể chọn trong khoảng giỏ trị pxl ằ 5á10[MN/m2] đối với hệ thống phanh khụng cú ABS hoặc cú với pxl ằ 10á25[MN/m2] đối với hệ thống phanh cú điều khiển điện tử ABS; đối với hệ thống phanh khí nén thì áp suất khí nén của bầu phanh được chọn theo kinh nghiệm pkn ằ (0,7á0,8) [MN/m2] đối với xe cú tải trọng trung bỡnh; với xe tải trọng lớn thỡ pkn ằ (0,9á1,0) [MN/m2].
Kết luận:
Mlt(a,b,hg,Lo,𝜑) == Mtt(KC,p) => Phân tích chọn 𝜑 phù hợp; phân tích chọn áp suất phanh; Căn cứ kết câu của cơ cấu phanh lựa chọn => Kích thước thiết kế: Mlt(𝜑) == Mtt (p)