Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trong những năm gần đây, do nhu cầu xã hội ngày càng tăng cao, kéo theo mọi hoạt động trong đời sống xã hội đều phát triển theo xu hướng hiện đại hóa nên đòi hỏi phải có những phương tiện hiện đại phục vụ cho con người. Do đó song song với sự phát triển của mọi ngành nghề thì công nghệ ôtô cũng có sự thay đổi khá lớn. Ôtô dần dần đáp ứng được về các mặt tiện nghi, kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường,… trong đó vấn đề an toàn được đặt lên hàng đầu. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô và kỹ thuật điện tử thì tất cả các hệ thống trên ôtô nói chung và hệ thống phanh nói riêng ngày được hoàn thiện hơn, chất lượng hơn và tối ưu hơn.
Trên các xe ôtô tải hiện nay thường dùng hệ thống phanh khí dẫn động nhiều dòng nhằm tăng mức độ an toàn hiệu quả cho xe. Các hệ thống phanh có trang bị bộ chống hãm cứng bánh xe khi phanh được sử dụng rộng rãi. Nhưng đến nay ở trong nước các công trình nghiên cứu tính toán hiệu quả quá trình phanh khí nén thường chỉ dừng ở giai đoạn thử nghiệm trên băng thử, trong phòng thí nghiệm mà chưa có các nghiên cứu đầy đủ về quá trình phanh và tính ổn định của xe ôtô sau khi phanh trên đường. Xuất phát từ thực tế trên, đế tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị và xây dựng quy trình thử nghiệm đánh giá hiệu quả phanh ôtô trên đường” sẽ góp phần đáng kể trong quá trình nghiên cứu phát triển hệ thống phanh cũng như đánh giá quá trình phanh xe ôtô cho các doanh ngiệp sản xuất, lắp rắp ôtô trong nước nhằm đảm bào an toàn chuyển động của xe ôtô.
Hệ thống phanh. Hệ thống phanh trên ôtô là một trong những hệ thống đảm bảo an toàn chuyển động của ôtô, với công dụng sau: - Giảm dần tốc độ hoặc dừng hẳn xe lại khi xe đang chuyển động. - Giữ xe đứng yên trên đường dốc trong khoảng thời gian dài mà không cần có sự có mặt của người lái xe. 9 - Phanh chính thường được điều khiển bằng chân được sử dụng để giảm tốc độ hoặc dừng hẳn xe trong khi chuyển động.
- Phanh đỗ (còn gọi là phanh tay hay phanh dừng) thường được điều khiển bằng tay nhờ đòn kéo hoặc đòn xoay, sử dụng để giữ xe ở trạng thái đứng yên trên đường dốc (không tự trôi) trong thời gian dài. - Phanh dự phòng: Là hệ thống phanh dùng để dự phòng, phanh xe khi hệ thống phanh chính bị hư hỏng. Trên các ôtô hiện nay thiết bị phanh đỗ (phanh tay) thường được thiết kế để đảm nhiệm luôn nhiệm vụ này. - Ngoài ra trên các ôtô có khối lượng lớn, hoạt động ở vùng đồi núi còn được trang bị thêm hệ thống phanh bổ trợ còn gọi là hệ thống phanh chậm dần, nhằm làm giảm tốc độ ôtô khi xuống dốc dài liên tục.
Hệ thống phanh chính cần đảm bảo các yêu cầu chính sau : - Đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ôtô - máy kéo khi phanh. - Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng trên bàn đạp hay đòn điều khiển phải nhỏ. - Giữ cho ôtô - máy kéo đứng yên khi cần thiết trong thời gian không hạn chế. - Làm việc bền vững, tin cậy.
- Có hiệu quả phanh cao khi phanh đột ngột với cường độ lớn trong trường hợp nguy hiểm. - Phanh êm dịu trong những trường hợp khác, để đảm bảo tiện nghi và an toàn cho hành khách và hàng hóa. - Không có hiện tượng tự siết phanh khi bánh xe dịch chuyển thẳng đứng và khi quay vòng. - Hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong mọi điều kiện sử dụng.
- Có khả năng thoát nhiệt tốt. - Để có độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn chuyển động trong mọi trường hợp, hệ thống phanh của ôtô bao giờ cũng phải có tối thiểu ba loại phanh, là : 10 - Phanh làm việc : Là phanh chính, được sử dụng thường xuyên ở tất cả mọi chế độ chuyển động, thường được điền khiển bằng bàn đạp nên còn gọi là phanh chân. - Phanh dự trữ : Dùng để phanh ôtô trong trường hợp phanh chính bị hỏng. - Phanh dừng : Còn gọi là phanh phụ.
Dùng để giữ ôtô đứng yên tại chỗ khi dừng xe hoặc khi không làm việc. Phanh này thường được điều khiển bằng tay nên gọi là phanh tay. - Phanh chậm dần : Trên các ôtô tải trọng lớn như xe tải có trọng lượng toàn bộ lớn hơn 12 tấn, xe khách có trọng lượng toàn bô lớn hơn 5 tấn hoặc xe làm việc ở vùng đồi núi, thường xuyên phải chuyển động xuống các dốc dài, còn phải có phanh thứ tư là phanh chậm dần. Phanh chậm dần được dùng để phanh liên tục, giữ cho tốc độ ôtô - máy kéo không tăng quá giới hạn cho phép khi xuống dốc hoặc là để giảm dần tốc độ của ôtô - máy kéo trước khi dừng hẳn.
Quá trình phanh. Quá trình giảm nhanh vận tốc hoặc dừng ôtô bằng cách tạo ra lực phanh tác dụng lên ôtô được gọi là quá trình phanh ôtô. Thời điểm đầu quá trình phanh (thời điểm bắt đầu phanh) là thời điểm lái xe bắt đầu tác động vào cơ cấu phanh. Thời điểm cuối quá trình phanh (thời điểm kết thúc phanh) là thời điểm lực phanh giảm xuống bằng không trong trường hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm vận tốc của xe giảm xuống bằng không trong trường hợp phanh khẩn cấp.
Nếu vận tốc của xe giảm xuống bằng không trước thời điểm lực phanh giảm xuống bằng không thì thời điểm cuối quá trình phanh là thời điểm xe bắt đầu dừng hẳn. Căn cứ vào mục đích thực hiện quá trình phanh ôtô, có thể phân biệt 3 chế độ phanh như sau : - Phanh khẩn cấp - là quá trình phanh với mục đích làm cho ôtô dừng hẳn trong thời gian ngắn nhất có thể. Khi phanh khẩn cấp thì động năng của ôtô bị tiêu hao chủ yếu do lực phanh (Fp) (khoảng 90 % tổng lực cản chuyển động của ôtô). Trong quá trình vận hành ôtô, số lần phanh khẩn cấp chiếm khoảng 5 ÷ 10% tổng số các lần phanh.
11 - Phanh chậm dần - quá trình phanh nhằm giảm từ từ vận tốc của ôtô hoặc dừng ôtô ở một vị trí đã định trước. - Phanh tại chỗ - quá trình phanh khi ôtô đang đứng tại chỗ nhằm mục đích không cho ôtô dịch chuyển ngoài ý muốn cửa người lái hoặc khi không có người lái trên xe. Hệ thống phanh không những chỉ đảm bảo tình an toàn trong quá trình vận hành xe mà còn nâng cao hiệu quả khai thác phương tiện thông qua việc nâng cao vận tốc trung bình của xe. Do yêu cầu tính an toàn ngày càng cao và vận tốc của ôtô cũng có xu hướng tăng nên hệ thống phanh là một trong những hệ thống chức năng được quan tâm và đầu tư nghiên cứu nhiều.
Động lực học ôtô khi phanh. • Lực và mômen tác dụng khi phanh. Lực và mômen tác dụng lên ôtô trong quá trình phanh - Mômen phanh và lực phanh Mômen phanh (Mp) là mômen do hệ thống phanh sinh ra nhằm cản chuyển động quay của các bánh xe. Đa số hệ thống phanh thông dụng hiện nay tạo ra mômen phanh bằng cách ép các má phanh vào bộ phận nào đó trên các bánh xe, trong đó má phanh được lắp trên bộ được cố định với khung xe.
12 Lực phanh (Fp) là tổng của các phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe được hình thành khi xuất hiện mômen phanh Hình 1. Mômen tác dụng lên bánh xe trong quá trình phanh Mặt khác: Mp Fp= (1.1) rb Mp max V P max = (1.2) rb 150 Trong công thức (1.max là mômen phanh cực đại mà hệ thống phanh có thể tạo ra. Trị số của M p.max phụ thuộc vào lực ép má phanh (P), diện tích bề mặt ma sát của má phanh, tính chất vật liệu chế tạo má phanh, v. Lực phanh lớn nhất có thể hình thành tại vùng tiếp xúc giữa các bánh xe và mặt đường không chỉ phụ thuộc vào mômen phanh mà còn phụ thuộc vào hệ số bám (ϕ) và trọng lượng bám (Gϕ).
Trị số của lực phanh cực đại (Fp.max) được giới hạn bởi điều kiện bám như sau : F p.3) trong đó : F ϕ - lực bám, ϕ - hệ số bám, G ϕ - trọng lượng bám. 13 Nếu xe chạy trên đường bằng thì G = G ϕ và F p.max được gọi là lực phanh tiềm năng - lực phanh cực đại mà hệ thống phanh có thể tạo ra, Fmax là lực phanh cực đại có thể hình thành tại vựng tiếp xúc giữa các bánh xe và mặt đường .max thì bánh xe sẽ bị trượt lê, tức là bánh xe không quay nhưng ôtô vẫn chuyển động tịnh tiến. Để tránh hiện tượng trượt lê, lực phanh thực tế được hình thành tại vùng tiếp xúc chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng lực bám. Tuyệt đại đa số xe cơ giới được trang bị cơ cấu phanh trên tất cả các bánh xe.
Chúng ta ký hiệu tổng mômen phanh và tổng lực lực phanh tác dụng lên các bánh xe phía trước và phía sau tương ứng là : M p1 , M p2 , F p1 và F p2. Phương trình cân bằng lực phanh. Phương trình cân bằng lực tác dụng lên ôtô trong quá trình phanh trong trường hợp tổng quát có thể biểu diễn như sau : F f1 + F f2 ± F g + F w + F m + F ms + F p1 + F p2 - F j = 0 (1.5) Trong trường hợp phanh khẩn cấp, để đảm bảo hiệu quả phanh cao, hệ thống phanh phải tạo ra được lực phanh lớn nhất có thể. Trong trường hợp đó, các lực cản tự nhiên (Fy, Fw, Fms) thường rất nhỏ so với lực phanh (Fp).
Để thuận tiện khi phân tích các yếu tố ảnh hưởng và các biện pháp nâng cao tính năng phanh, chúng ta xét trường hợp phanh khi ôtô chạy trên đường bằng (Fg =0), không kéo remorque (Fm = 0), lực phanh tự nhiên Fptn = 0. Với những giả định nếu trên, phương trình cân bằng lực phanh trong trường hợp phanh khẩn cấp có dạng : P p.6) Thay giá trị của Fj.max và Fp.max từ các công thức trên: 14 P j. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh 1.