Đặt vấn đề Kể từ khi ô tô được phát minh ra, phanh đã là một bộ phận không thể thiếu của nó. Hệ thống phanh mà chúng ta đang sử dụng trong những chiếc xe hơi hiện đại bây giờ đã trải qua rất nhiều cải tiến kể từ khi phát minh. Trong thời gian đầu, phanh được làm từ các khối gỗ được sử dụng trên xe ngựa để giảm tốc độ, các khối gỗ được gắn vào vành bánh xe và người lái xe chỉ việc gạt đòn bẩy, các khối gỗ sẽ hạn chế tốc độ quay của bánh xe. Cơ chế đơn giản này được sử dụng trong rất nhiều năm về sau, thậm chí ở giai đoạn phát triển đầu tiên của xe hơi.
Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng về tốc độ của xe, việc sử dụng gỗ để làm phanh không còn hiệu quả nữa và nó cũng gây ra tiếng ồn khó chịu.1: Hệ thống phanh bằng khối gỗ trên các mẫu xe ngày xưa Hệ thống phanh bằng gỗ được thay thế bằng thép và da trong quá trình phát triển tiếp theo. Bàn đạp chân được thay thế cho đòn bẩy, tuy nhiên vẫn còn những vấn đề hạn chế với hệ thống mới này: tiếng ồn gây ra khi đạp phanh vẫn lớn và hiệu quả khi sử dụng chưa cao. 1 Với sự phát triển liên tục và không ngừng nghỉ, ô tô ngày nay không chỉ là phương tiện giao thông quan trọng, mà nó còn mang đến sự thoải mái, an toàn cho người sử dụng. Hệ thống phanh cũng được phát triển từ một hệ thống phanh thô sơ, người ta đã nghiên cứu ra hệ thống phanh thủy lực và khí nén để phanh tốt hơn.
Nhưng nó vẫn còn rất nhiều khuyết điểm như khi phanh lực phanh quá lớn, làm xe mất ổn định, quãng đường phanh dài. Hệ thống phanh tiếp tục được nghiên cứu và sửa đổi liên tục để tăng cường tính năng an toàn cho xe. Để khắc phục những nhược điểm trên người ta đã nghiên cứu ra một hệ thống phanh hiện đại hơn đó là hệ thống ABS (Anti-lock Braking system) phanh ABS hoạt động theo nguyên lý nhấp nhã với 3 chế độ tăng áp, giữa áp, giảm áp nhằm không cho bánh xe bị bó cứng để khỏi bị trượt và vẫn đánh lái được khi phanh. Hệ thống phanh ABS có thành phần như cảm biến tốc độ, bộ điều khiển, bơm thủy lực (phanh thủy lực) hay máy nén (phanh khí nén) và các van điện từ.
Với sự phát triển khoa học và kỹ thuật con người đã nghiên cứu ra nhiều hệ thống hỗ trợ phanh như : ESP, EBD, ASR… Những chiếc xe hơi hiện đại ngày nay được trang bị hệ thống phanh đĩa thủy lực hay phanh khí kết hợp với các hệ thống ABS với các hệ thống hỗ trợ phanh như ESP, EBD, ASR… Tuy nhiên, với xu hướng công nghệ điện tử hiện đại, hệ thống phanh bằng thủy lực và khí nén chưa được xem là tối ưu. Vì nó chiếm nhiều không gian trong khoang động cơ, hệ thống phanh còn cồng kềnh và thời gian trễ khi phanh còn lớn. Con người tiếp tục nghiên cứu ra một hệ thống phanh mới - phanh cơ điện sẽ là giải pháp cho tương lai. Chúng em nhận thấy tìm năng lớn từ hệ thống phanh cơ điện trong đó điển hình là hệ thống phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang nghiên cứu.
Nên chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ôtô“ để nghiên cứu và hiểu thêm hệ thống phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang nghiên cứu .2 Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan về hệ thống,mô tả hoạt động, những ưu điểm để có cái nhìn sâu sắc hơn, qua đó thiết lập mô hình đơn giản để mô phỏng hệ thống phanh cơ điện “ hệ thống phanh điện tử EWB” trên ôtô. Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trong và ngoài trường.3 Nội dung nghiên cứu Tổng quát về hệ thống phanh điện Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hư hỏng Thi công mô hình mô phỏng sơ bộ hệ thống 1.4 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nhiều phương pháp trong đó có phương pháp chính như sau: Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh Nghiên cứu và biên dịch tài liệu nước ngoài. Tham khảo các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động lực. Chọn lọc thông tin, học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè.
3 Chương 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHANH ĐIỆN 2.1 Chức năng của hệ thống phanh Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động của xe tới vận tốc chuyển động nào đó, dừng hẳn hoặc giữ xe đỗ ở một vị trí nhất định. Đối với ôtô hệ thống phanh là một trong những cụm quan trọng nhất, bởi vì nó bảo đảm cho ôtô giảm tốc nhanh chóng để khỏi gây tai nạn thiệt hại về người và của, an toàn cho người lái xe. Do đó để nâng cao được hiệu quả khi phanh người ta luôn tìm kiếm và cải thiện hệ thống phanh sao cho tốt nhất, nhỏ gọn để giảm khối lượng xe và không gian xe. Hệ thống phanh gồm có cơ cấu phanh để hãm trực tiếp tốc độ góc của các bánh xe hoặc một trục nào đấy của hệ thống truyền lực và truyền động phanh để dẫn động cơ cấu phanh.
Trên ôtô sự phanh xe được tiến hành bằng cách tạo ma sát giữa phần quay và phần đứng yên của các cụm liên kết với bánh xe: giữa tang trống với má phanh hoặc đĩa phanh với má phanh. Quá trình ma sát trong các cơ cấu phanh dẫn tới mài mòn và nung nóng các chi tiết ma sát, nếu không xác định kịp thời và tiến hành hiệu chỉnh thì có thể dẫn tới làm giảm hiệu quả phanh. Hư hỏng trong hệ thống phanh thường kèm theo hậu quả nghiêm trọng, làm mất tính an toàn chuyển động của ôtô.2 Yêu cầu của hệ thống phanh Phanh êm dịu trong bất kỳ mọi trường hợp để đảm bảo sự ổn định của ô tô khi phanh. Điều khiển nhẹ nhàng, nghĩa là lực tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển không lớn.
Dẫn động phanh có độ nhạy cảm lớn. Đảm bảo việc phân bố mômen phanh trên các bánh xe phải theo quan hệ thế nào để sử dụng hoàn toàn trọng lượng bám khi phanh với bất kì cường độ nào. Không có hiện tượng tự siết phanh. Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt.
Có hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong điều kiện sử dụng. Giữ tỉ lệ thuận giữa lực trên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh trên bánh xe. Có khả năng phanh khi sử dụng trong thời gian dài. Phải đảm bảo nhanh chóng dừng xe trong bất kì tình huống nào.
Khi phanh đột ngột xe phải dừng sau quãng đường ngắn nhất, tức có gia tốc cực đại. Theo tiêu chuẩn Châu Âu xe con phải đạt hiệu quả cao nhất trong tất cả các trường hợp thử xe. 4 Hệ thống phanh cần có độ nhạy cảm cao, hiệu quả phanh không thay đổi nhiều lần giữa các lần phanh. Đảm bảo tránh hiện tượng trượt lết trên đường.
Phanh chân và phanh tay làm việc độc lập không ảnh hưởng đến nhau. Phanh tay có thể thay thế phanh chân khi phanh chân gặp sự cố, đảm bảo chức năng dự phòng. Phanh tay dùng để giữ nguyên vị trí xe, phải giữ nguyên trên dốc tối thiểu là 18% (tức là 16-20 độ). Các cơ cấu phanh phải thoát nhiệt tốt, không truyền nhiệt ra các khu vực làm ảnh hưởng tới cơ cấu làm việc của các cơ cấu xung quanh (lốp xe, moay ơ …) phải dễ dàng điều chỉnh thay thế các chi tiết hư hỏng.
Ngoài ra còn phải đảm bảo các yêu cầu như chiếm ít không gian, trọng lượng nhỏ, độ bền cao, và các yêu cầu chung của cấu trúc cơ khí.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma sát còn gọi là mômen phanh nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe suất hiện phản lực tiếp tuyến: Chiều ngược chiều chuyển động Phương song song với mặt phẳng nằm ngang Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường Xét tại một bánh xe như hình vẽ [2] 5 Hình 2.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh. Trong đó : M p : Mômen phanh tác dụng lên bánh xe Fp : Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường M jb : Mômen quán tính của bánh xe M f : Mômen cản lăn Ff : Lực cản lăn Z b : Phản lực của bánh xe rb : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe Khi đó lực phanh Pp được xác định theo công thức: Mp Fp (2.1) rb Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường Fp max F Zb .2) 6 Trong đó: Fp max : Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường F : Lực bám giữa bánh xe với mặt đường Zb : Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường 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 chuyển động của bánh xe. Ngoài ra còn có mômen cản lăn M f tác dụng, mômen này ngược chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại.
Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng là: M p M f M jb M f M jb Fpo Fp (2.3) rb rb Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe. Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám có giá trị thấp nhất 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 bị trượt sẽ làm mất tính năng dẫn hướng khi phanh, còn nếu bánh sau bị trượt khi phanh làm mất tính ổn định khi phanh. Vì vậy để tránh hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe (tức là không để bánh xe bị bó cứng khi phanh) trên ôtô hiện đại có hệ thống ABS chống bó cứng bánh xe khi phanh.