Tính toán thiết kế - kiểm nghiệm hệ thống phanh ôtô – Tr. 1 Phần 1 THIẾT KẾ HẸ THỐNG PHANH Ô TÔ Mục đích của việc thiết kế hệ thống phanh ôtô là nhằm xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phanh cũng như hệ thống điều khiển truyền động phanh cho ôtô theo tiêu chí hiệu quả phanh là cao nhất. Để thực hiện được mục đích này, nội dung thiết kế bao gồm việc tính toán và phân tích để xác định kiểu, loại và kích thước các bề mặt ma sát của cơ cấu phanh, xác định kiểu/loại và kích thước của cơ cấu ép, xác định kiểu/loại và kích thước của hệ thống điều khiển truyền động phanh nhằm bảo đảm các yêu cầu đối với hệ thống phanh trang bị trên ôtô.1 THIẾT KẾ CƠ CẤU PHANH: 1.1 Mô-men phanh yêu cầu ở các cơ cấu phanh : Để bảo đảm hiệu quả phanh cao nhất với gia tốc chậm dần lớn nhất mà các bánh xe không bị trượt thì trước hết cơ cấu phanh ở các bánh xe phải có khả năng tạo ra mô-men phanh lớn nhất được xác định bằng: Mbx = Gbx.1) trong đó : Gbx : Trọng lượng bám của bánh xe khi phanh, [N]. bx : Hệ số bám giữa lốp với mặt đường của bánh xe khi phanh.
Rbx : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe; lấy theo số liệu cho trước của đề bài, hoặc tra bảng về bán kính thiết kế Rtk theo kí hiệu lốp mà nhiệm vụ thiết kế đã cho, rồi tính bán kính Rbx theo công thức kinh nghiệm như sau: Rbx = Rtk.2) ở đây b là hệ số kể đến sự biến dạng của lốp khi làm việc so với bán kính thiết kế; và có thể được chọn theo số liệu kinh nghiệm như sau: + Với lốp áp suất thấp: pl = (0,08 0,5) [MN/m2] thì b = 0,930 0,935 + Với lốp áp suất cao: pl > 0,5 [MN/m2] có thể chọn b = 0,945 0,950 TS. Lê Văn Tụy - Bộ môn Ôtô & MCT, Khoa CK Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Tính toán thiết kế - kiểm nghiệm hệ thống phanh ôtô – Tr. 2 Hệ số bám bx giữa lốp với mặt đường của bánh xe khi phanh phải là “giá trị lớn nhất có thể có” nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống phanh. Tuy nhiên hệ số bám không được chọn lớn quá giá trị giới hạn mà tại đó khi phanh bánh xe có thể bắt đầu bị trượt lết hoàn toàn.
Nếu vượt quá giới hạn thì các bánh xe bị trượt lết, bánh xe sẽ bị mất dẫn hướng và do đó xe dễ bị lệch khỏi hướng chuyển động; xe có thể bị xoay và quay đầu xe, thậm chí có thể bị lật xe rất nguy hiểm. Hệ số bám bx giữa lốp với mặt đường của bánh xe thường được xác định bằng thực nghiệm. Với các kiểu lốp hiện nay, trên các loại đường nhựa hoặc bê- tông tốt và khô ráo thì hệ số bám lớn nhất max có thể đạt đến giá trị 0,750,85. Tuy vậy hệ số bám hình thành giữa lốp với mặt đường trong quá trình phanh bị thay đổi theo trạng thái và độ trượt giữa lốp với mặt đường (hình 1.1 thể hiện quan hệ giữa hệ số bám và độ trượt tương đối giữa lốp với mặt đường .
Giá trị cực đại của hệ số bám đạt được khi trị số độ 0 ,8 trượt tương đối khoảng 25%. Khi độ 0 ,6 trượt tương đối đạt đến giới hạn trượt 0 ,4 100% bên trái (lốp bắt đầu có xu hướng bị trượt hoàn toàn) thì hệ số 0 ,2 bám giảm khoảng 20% - 25% so với 0 20 40 60 80 1 00 giá trị cực đại của nó. Vượt qua giới Hình 1.1 : Quan hệ giữa hệ số bám hạn này thì lốp sẽ trượt hoàn toàn và và độ trượt tương đối . gây nguy hiểm cho xe.
Vì vậy khi chọn hệ số bám bx để tính toán thiết kế cho hệ thống phanh phải xét đến khả năng bám của các bánh xe đối với mặt đường. Khả năng bám lớn nhất của các bánh xe đối với mặt đường phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh về độ trượt của bánh xe so với mặt đường của hệ thống phanh được thiết kế. Với hệ thống phanh có trang bị hệ thống kiểm soát và điều chỉnh độ trượt bánh xe (xe có trang bị hệ thống chống hãm cứng bánh xe ABS – Anti-lock Brake System, hay trang bị hệ thống phanh điều khiển điện tử EBS - Electronic Brake TS. Lê Văn Tụy - Bộ môn Ôtô & MCT, Khoa CK Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Tính toán thiết kế - kiểm nghiệm hệ thống phanh ôtô – Tr.
3 System) thì hệ số bám có thể đạt đến giá trị cực đại; tức là bx max = 0,75 0,85 ứng với độ trượt tương đối = 20% 30% (hình 1. Ngược lại, với hệ thống phanh thông thường; không có khả năng điều chỉnh độ trượt giữa lốp và mặt đường thì hệ số bám khi phanh chỉ có thể đạt bx (0,750,80)max 0,560,68. Trong công thức (1.1) thì trọng lượng bám ở mỗi bánh xe Gbx chính bằng phản lực pháp tuyến Zi tại bánh xe khi phanh (hình 1. Khi ôtô được phanh khẩn cấp với tốc độ bất kỳ cho đến khi dừng hẳn (v = 0) thì gia tốc phanh sẽ đạt cực đại và sẽ được xác định từ phương trình cân bằng lực quán tính lớn nhất khi phanh P j như được thể hiện trên hình 1.
v Pw Pj O hg O1 Ga P2 O2 P1 Z1 Z2 a b Lo Hình 1.2: Sơ đồ tính toán lực tác dụng lên ôtô khi phanh. Viết phương trình cân bằng mô-men lần lượt đối với tâm O1 và O2 ta có: Ga J Gbx1 = b h g pmax (1.3) 2L o g Ga J Gbx2 = a h g pmax (1.3b) 2L o g trong đó Ga là trọng lượng toàn bộ của xe thiết kế [N], giá trị này được lấy (hoặc tính) theo số liệu đã cho của nhiệm vụ thiết kế; Jpmax là gia tốc chậm dần cực đại khi phanh và g là gia tốc trọng trường [m/s2]; hg là chiều cao trọng tâm xe và Lo là TS. Lê Văn Tụy - Bộ môn Ôtô & MCT, Khoa CK Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Tính toán thiết kế - kiểm nghiệm hệ thống phanh ôtô – Tr. 4 chiều dài cơ sở của xe thường được cho trước theo đề bài.
Còn a và b là khoảng cách tính từ trọng tâm O đến các trục bánh xe trước và sau [m]. Chú ý trong hai công thức (1.3) thì số 2 là hệ số tính cho mỗi vị trí lắp bánh xe trên mỗi trục (theo sơ đồ tính ở hình 1.2); nếu xe có cầu kép (kiểu công thức bánh xe 6x4 hoặc 8x4) với hai trục sau hoặc hai trục trước giống nhau hoàn toàn về phương diện liên kết và chịu tải đối với khung xe thì thay số 2 bằng số 4 (có bốn cơ cấu phanh ứng với 4 vị trí lắp bánh xe – không phân biệt lốp đơn hay kép). Tại thời điểm ôtô thực hiện phanh vừa dừng hẳn (v = 0), từ phương trình cân bằng lực suy ra gia tốc phanh cực đại được xác định gần đúng bằng: Jpmax bx.4) hay bx Jpmax/g là hệ số bám giữa lốp với mặt đường khi phanh; nó cũng chính là giá trị đặc trưng cho lực phanh riêng (lực phanh lớn nhất có thể đạt được tính trên mỗi đơn vị trọng lượng ở mỗi vị trí lắp bánh xe - có tài liệu còn gọi là cường độ phanh). Để ý rằng trong thực té thì hệ số bám khi phanh bx tại mỗi vị trí bánh xe có thể là khác nhau; tuy nhiên nếu thừa nhận rằng tất cả các lốp trước/sau của ôtô đều như nhau về kích thước, về hoa lốp, về biến dạng và có cùng trạng thái tiếp xúc với mặt đường khi phanh thì có thể coi hệ số bám của chúng là bằng nhau và đều bằng bx.
Lúc này các phương trình ở (1.3) có thể được viết lại: Gbx1 = Ga b h g bx (1.5) 2L o Gbx2 = Ga a h g bx (1.5b) 2L o Khi đó mô-men phanh yêu cầu của mỗi cơ cấu phanh ở các bánh xe trước được xác định bằng: Mbx1 = Pbx1.6) Mbx1 = Ga b h g bx .6b) 2L o Và mô-men phanh ở bánh xe sau: Mbx2 = Pbx2. Lê Văn Tụy - Bộ môn Ôtô & MCT, Khoa CK Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Tính toán thiết kế - kiểm nghiệm hệ thống phanh ôtô – Tr. 5 Mbx2 = Ga a h g bx .6d) 2L o Trong đó Pbx chính là lực phanh yêu cầu ở mỗi cơ cấu phanh bánh xe và được xác định bằng: Pbx1 = Gbx1.bx = Ga b h g bx .bx = Ga a h g bx .7b) 2L o Chú ý: các khoảng cách a, b có thể được cho trước theo yêu cầu của đề bài xe thiết kế hoặc được tính thông qua trọng lượng phân bố trên trục trước G a1, trục sau Ga2 (được cho trước theo nhiệm vụ thiết kế) như sau.8b) Cũng vậy, chiều cao trọng tâm xe hg thường được cho trước theo đề bài thiết kế hoặc có thể tính gần đúng theo chiều rộng cơ sở Bo theo công thức kinh nghiệm sau (đối với xe vận tải hàng hóa cũng như hành khách): hg (0,60,8).9) Riêng xe con (xe du lịch) do được thiết kế với sàn xe thấp nhằm nâng cao tính ổn định khi chạy với tốc độ cao, nên chiều cao trọng tâm có thể lấy bằng một nửa chiều rộng cơ sở B, tức là hg = 0,5.2 Hệ số phân bố lực phanh lên các trục bánh xe: Thực tế mô-men phanh sinh ra ở các bánh xe là do cơ cấu phanh được lắp đặt ở các bánh xe của ôtô. Cơ cấu phanh ở các bánh xe có nhiều kiểu/loại và vì vậy nói chung trên một chiếc xe có thể có các cơ cấu phanh khác nhau đối với các trục bánh xe trước và trục bánh xe sau.
Ngay cả khi kiểu cơ cấu phanh giống nhau nhưng kết cấu và kích thước cụ thể vẫn có thể khác nhau tùy theo mô-men phanh yêu cầu phân bố trên các trục như đã trình bày ở mục 1. Vì vậy, để có cơ sở chọn cơ cấu phanh hợp lý, trước hết cần tính toán đánh giá tỷ số phân bố mô-men phanh (hay lực phanh) lên trục trước và trục sau theo hệ số phân bố lực phanh K12 như sau: TS. Lê Văn Tụy - Bộ môn Ôtô & MCT, Khoa CK Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Tính toán thiết kế - kiểm nghiệm hệ thống phanh ôtô – Tr.