Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trên Ô tô có trang bị hệ thống phanh nhằm mục đích giảm vận tốc hoặc dừng hẳn khi cần thiết. Lúc đó người lái giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ, đồng thời phanh để hãm xe lại. Nhờ có hệ thống phanh mà người lái có thể nâng cao vận tốc chuyển động trung bình của Ô tô và đảm bảo an toàn khi chuyển động. Do vận tốc chuyển động ngày càng cao cho nên việc đi sâu nghiên cứu để hoàn thiện sự làm việc của hệ thống phanh nhằm đảm bảo an toàn chuyển động của Ô tô ngày càng cấp thiết.
Lực phanh và Mô men phanh Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma sát còn gọi là mômen phanh M p nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe xuất hiện phản lực tiếp tuyến P p ngược chiều với chuyển động (Hình 1-1). Phản lực tiếp tuyến này được gọi là lực phanh và xác định theo biểu thức: (1.1) Ở đây: M p là mômen phanh tác dụng lên bánh xe. P p là lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa mặt đường và bánh xe.
r p là bán kính làm việc của bánh xe. Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi lực điều kiện bám giữa bánh xe và mặt đường, nghĩa là: P pmax = P φ = Z b.2) Ở đây: P pmax: lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường; 7 P φ: lực bám của bánh xe với mặt đường; Zb: phản lực pháp tuyến tác dụng lên xe; φ: hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường.1 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh. Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có mômen quán tính M jb tác dụng, mômen này cùng chiều với chiều chuyển động của bánh xe; ngoài ra còn có mômen cản lăn M f tác dụng, mômen này ngược chiều với chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại. Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng P po sẽ là: Trong quá trình phanh Ô tô mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe.
Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám φ có giá trị thấp nhất, cho nên khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất. Không những thế, nếu các bánh xe trước bị trượt lê sẽ làm mất tính dẫn hướng khi phanh, còn nếu các bánh xe sau bị trượt lê sẽ làm mất tính ổn định khi phanh. 8 Vì vậy để tránh hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe (tức là không để bánh xe bị hãm cứng khi phanh) thì trên ô ô hiện đại có đặt bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh. Từ biểu thức (1.2) thấy rằng muốn có lực phanh lớn không những cần có hệ số bám φ có giá trị cao mà phải có lực pháp tuyến Z b lớn.
Cũng vì vậy để sử dụng được hết toàn bộ trọng lượng bám của Ô tô cần phải bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe của Ô tô. Trong quá trình phanh xe, động năng hoặc thế năng (khi Ô tô chuyển động xuống dốc) của xe bị tiêu hao cho ma sát giữa trống phanh và má phanh, giữa lốp và mặt đường cũng như để khắc phục sức cản lăn, sức cản không khí, ma sát trong hệ thống truyền lực, ma sát trong động cơ. Năng lượng bị tiêu hao trong quá trình phanh phụ thuộc vào chế độ phanh của xe. Mômen phanh càng tăng thì cơ năng biến thành nhiệt năng giữa trống phanh và má phanh cũng như sự trượt lê giữa lốp và mặt đường càng tăng, còn năng lượng để khắc phục các sức cản khác tương đối nhỏ.
Khi các bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống phanh và má phanh cũng như sự cản lăn hoàn toàn không có nữa, tất cả năng lượng hầu như biến thành nhiệt ở khu vực tiếp xúc giữa lốp và mặt đường. Sự trượt lê sẽ làm giảm hiệu quả phanh, tăng độ mòn lốp, tăng độ trượt dọc và ảnh hưởng xấu đến tính ổn định ngang của xe. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh Không có định nghĩa cụ thể về hiệu quả phanh (hay còn gọi là chất lượng phanh). Để đánh giá chất lượng của quá trình phanh có thể dùng các chỉ tiêu sau: quãng đường phanh, gia tốc chậm dần, thời gian phanh, lực phanh.
Tại Việt Nam xe chỉ được phép lưu hành khi một số chỉ tiêu đó nằm trong phạm vi cho phép. Số lượng chỉ tiêu, chỉ tiêu nào và phạm vi cho phép của chỉ tiêu phụ thuộc từng nước. Mỗi nước có tiêu chuẩn riêng của mình.Việt Nam có tiêu chuẩn TCVN 5658-1999. Năm 2000 Bộ Giao thông Vận tải ban hành quy định “Tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường của phương tiện cơ giới đường bộ”.
Các trạm đăng kiểm là cơ quan kiểm tra và cấp phép lưu hành cho các loại xe 9 Bảng 1.1 Áp dụng trên đường nhựa khô, bằng phẳng, vận tốc xe 30 Km/h Loại Ô tô S(m) ≤ J max (m/s2), ≥ Ô tô con 7,2 5,8 Ô tô tải, trọng lượng toàn bộ < 80kN,xe khách 9,5 5,0 có chiều dài < 7,5 m Ô tô tải, trọng lượng toàn bộ ≥ 80kN,xe khách 11 4,2 có chiều dài ≥ 7,5 Chúng ta sẽ xem xét lần lượt các chỉ tiêu nói trên. Gia tốc chậm dần Gia tốc chậm dần khi phanh là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng phanh Ô tô. Khi phân tích các lực tác dụng lên Ô tô có thể viết phương trình cân bằng lực kéo khi phanh Ô tô như sau; P j = P p + P f + P ω +Pŋ Pi (1.3) Ở đây: P j – lực quán tính sinh ra khi phanh Ô tô P p – lực phanh sinh ra ở các bánh xe P f - lực cản lăn P ω – lực cản không khí P ŋ – lực để thắng tiêu hao cho ma sát cơ khí (ma sát ở ổ bi…) P i – lực cản lên dốc. Khi phanh trên đường nằm ngang thì lực cản lên dốc P i = 0 Thực nghiệm chứng tỏ rằng các lực P f, Pω , P ŋ cản lại sự chuyển động của Ô tô có giá trị rất bé so với lực cản phanh P p.
Lực phanh P p chiếm tới 98% của tổng các lực có xu hướng cản sự chuyển động của Ô tô. Vì thế cho nên có thể bỏ qua các lực P f , 10 P ω , P ŋ trong phương trình (1.3) và khi Ô tô phanh trên đường nằm ngang (Pi = 0), ta có phương trình sau: P j = Pp (1.4) Lực phanh lớn nhất P pmax được xác định theo điều kiện bám khi các phanh xe bị phanh hoàn toàn và đồng thời theo biểu thức: P pmax =φ.G Từ đó, phương trình (1.4) có thể viết như sau: (1.5) Ở đây: δ i – hệ số tính đến ảnh hưởng các trọng khối quay của Ô tô Từ biểu thức (1.5) có thể xác định gia tốc chậm dần cực đại khi phanh: (1.6) Để tăng gia tốc chậm dần khi phanh cần phải giảm hệ số δ i. Vì vậy khi phanh đột ngột người lái cần cắt ly hợp để tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực, lúc đó δ i sẽ giảm và j pmax sẽ tăng. Gia tốc chậm dần cực đại phụ thuộc vào hệ số bám φ giữa lốp và mặt đường và giá trị của hệ số bám lớn nhất φ max = 0,75 + 0,8 trên đường nhựa tốt nhất.
Nếu coi δ i =1 và gia tốc trọng trường g= 10 m/s 2 thì gia tốc chậm dần cực đại của Ô tô khi phanh ngặt trên đừng nhựa tốt, khô, nằm ngang có thể đạt trị số j pmax đến 7,5 ÷ 8 m/s2. Trong quá trình Ô tô làm việc, thường phanh với gia tốc chậm dần thấp hơn nhiều, phanh đột ngột (phanh ngặt) chỉ xảy ra trong những lúc cấp thiết. Thời gian phanh Thời gian phanh cũng là một trong các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng phanh.Thời gian phanh càng nhỏ thì chất lượng phanh càng tốt. Để xác định thời gian phanh có thể sử dụng biểu thức (1.6) viết ở dạng sau: j= (1.7) Từ biểu thức (1.7) có thể viết : Muốn xác định thời gian phanh nhỏ nhất cần tích phân dt trong giới hạn từ thời điểm ứng với vận tốc phanh ban đầu v 1 tới thời điểm ứng với vận tốc v2 ở cuối quá trình phanh: Khi phanh Ô tô đến lúc dừng hẳn thì v2 = 0, do đó: (1.8) Ở đây: v 1 – vận tốc của Ô tô ứng với thời điểm bắt đầu phanh.
Từ biểu thức (1.8) ta thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu phanh của Ô tô, phụ thuộc vào hệ số và hệ số bám φ giữa bánh xe với mặt đường. Để cho thời gian phanh nhỏ cần phải giảm , vì vậy người lái xe nên cắt ly hợp khi phanh. Quãng đường phanh Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của Ô tô. Cũng vì vậy mà trong tính năng kỹ thuật cuả Ô tô, các nhà máy chế tạo thường cho biết quãng đường phanh của Ô tô ứng với vận tốc bắt đầu phanh đã định.
So với các chỉ tiêu khác thì quãng đường phanh là chỉ tiêu mà người lái xe có thể nhận thức được một cách trực quan và dễ dàng tạo điều kiện cho người lái xe xử lý tốt trong khi phanh Ô tô trên đường. Để xác định quãng đường phanh nhỏ nhất, có thể sử dụng biểu thức (1.7) bằng cách nhân hai vế với dS (dS – vi phân của quãng đường), ta có: dS Hay là : vdv= (1.9) Quãng đường phanh nhỏ nhất được xác định bằng cách tích phân dS trong giới hạn từ thời điểm ứng với tốc độ bắt đầu phanh v1 đến thời điểm ứng với vận tốc cuối quá trình phanh v2.10) Khi phanh đến lúc Ô tô dừng hẳn v2 = 0 : (1.11) 13 Từ biểu thức (1.11) ta thấy rằng quãng đường phanh nhỏ nhất phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của Ô tô lúc bắt đầu phanh (theo hàm bậc hai), phụ thuộc vào hệ số bám φ và hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay. Để giảm quãng đường phanh cần giảm hệ số , cho nên nếu người lái cắt ly hợp trước khi phanh thì quãng đường phanh sẽ ngắn hơn. Cần chú ý rằng theo các công thức (1.