- 2 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
TRƯờNG ĐạI HọC THUỷ SảN Mai Văn Thanh
CK43-DLOT phân tích cơ sở lý thuyết, đặc điểm
cấu tạo và mô phỏng hoạt động
của hệ thống phanh ôtô Đồ án tốt nghiệp ĐạI HọC
Chuyên ngành :
H ớng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận NHA TRANG - 5 / 2006
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 3 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT Cơ Sở Lý THUYếT
) (khoảng 90 % tổng lực cản chuyển động của ôtô).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 4 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
Trong quá trình vận hành ôtô, số lần phanh khẩn cấp chiếm khoảng 5 á 10% tổng số
các lần phanh.
ã Phanh chậm dần - quá trình phanh nhằm giảm từ từ vận tốc của ôtô hoặc
dừng ôtô ở một vị trí đã định tr ớc.
ã Phanh tại chỗ - quá trình phanh khi ôtô đang đứng tại chỗ nhằm mục
đích không cho ôtô dịch chuyển ngoài ý muốn ca ng ời lái hoặc khi không có
ng ời lái.
Hệ thống phanh không những chỉ đảm bảo tính an toàn trong quá trình vận
hành xe mà còn nâng cao hiệu quả khai thác ph ơng 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 h ớng tăng nên hệ thống phanh là một trong những hệ thống chức năng
đ ợc quan tâm và đầu t nghiên cứu nhiều.
1.2. lực và momen tác dụng trong quá trình phanh
T - Trng tõm ca xe;
a
- Gúc nghiờng dc; G - Trng lc;
G - Trng lng bỏm; Z
1
, Z
2
- Lc ; F
f1
, F
f2
]. g = 9,81 m/s
2
.
T
a
G
F
g
G
2
G
1T
G
j
G
Y''
Y'
Z''
Z'
b
G
y
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 6 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
2
1
2PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 7 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
Để tiện trong nghiên cứu, ng ời ta th ờng phân tích phản lực của mặt đ ờng
thành 3 thành phần : Z, X và Y.
ã Phản lực vuông góc (Z) - còn gọi là - là thành phần có ph ơng
vuông góc với mặt đ ờng.
Z
1
- Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe tr ớc,
Z
2
- Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe sau,
Z
1
= G
b1
. cos a = G
j
1
(1.2a)
Z
2
F
x
X
1
Z
1
Z
1
a
1
ww
M
f1
a)b)c)
G
x
F
y 1 1
Y
1 1
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 8 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
Khi bánh xe lăn trên mặt đ ờng, vùng tiếp xúc không đối xứng qua các mặt
phẳng tâm của bánh xe (H. 1-3b, 1-3c) và điểm đặt của phản lực lệch so với đ ờng
tâm bánh xe một đoạn a
1
f1
+ F
f2
= f
1
. Z
1
+ f
2
. Z
2
(1.3a)
trong đó : F
f
- tổng lực cản lăn ; F
f1
, F
f2
- lực cản lăn ở các bánh xe tr ớc và sau ; f
1
, f
2
- hệ số cản lăn ở bánh xe tr ớc và ở bánh xe sau ; Z
1
, Z
2
- phản lực vuông góc
tại các bánh xe tr ớc và sau.
Nếu f
y
= F
f
F
g
= G. ( f . cosa sina ) = G. y (1.4b)
trong đó : y là .
y = f . cosa sina (1.4c)
1.2.5. Lực cản gió
Lực cản gió (F
w
) là lực của không khí tác dụng lên xe khi chuyển động. Lực
cản gió có ph ơng song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc hoặc cùng chiều chuyển
động của xe, tuỳ thuộc vào h ớng gió và tốc độ của xe, điểm đặt tại tâm chắn gió.
Trị số của lực cản gió th ờng đ ợc xác định bằng các công thức thực nghiệm.
Theo [5], lực cản gió đ ợc xác định nh sau :
F
w
= 0.5 r
o
. c
w
. A. (v v
o
)
2
(1.5)
trong đó : r
o
j'
+ F
j''j
g
G
F
j
ì=
'
;
j
g
G
FF
jjjj
ìì=ì=
dd
''''j
g
G
FF
jjjj
ìì=ì=
dd
m
) là lực mà xe tác dụng lên remorque để kéo nó theo
với cùng tốc độ của xe. Ph ơng của lực kéo remorque đ ợc qui ớc là song song với
mặt đ ờng, chiều ng ợc chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại điểm liên kết xe với
remorque. F
m
= y. SG
m.i
(1.7)
trong đó : y - hệ số cản của đ ờng ; G
m.i
- trọng l ợng của các remorque.
1.1.8. momen phanh và lực phanh
Momen phanh (M
p
) là momen 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 momen phanh bằng cách ép
các má phanh vào bộ phận nào đó trên các bánh xe, trong đó má phanh đ ợc lắp trên
bộ đ ợc cố định với khung xe.
Lực phanh (F
p
) là tổng của các phản lực của mặt đ ờng tác dụng lên bánh
xe đ ợc hình thành khi xuất hiện momen phanh.
T
r
b
F
p
max.
=
(1.8b)
Trong công thức (1.8b), M
p.max
là momen 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.v.
Lực phanh lớn nhất có thể hình thành tại vùng tiếp xúc giữa các bánh xe và
mặt đ ờng không chỉ phụ thuộc vào momen phanh mà còn phụ thuộc vào hệ số bám
(j) và trọng l ợng bám (G
j
). Trị số của lực phanh cực đại (F
p.max
) đ ợc giới hạn bởi
điều kiện bám nh sau :
F
p.max
Ê F
j
= j . G
j
(1.8c)
trong đó : F
j
- Lực bám, j - Hệ số bám, G
j
- Trọng l ợng bám.
+ M
p2
F
p
= F
p1
+ F
p2
Ngoài các loại lực và moment đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực
và moment khác tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động, nh :
ã Lực ma sát (F
ms
) - lực ma sát giữa các bề mặt chuyển động t ơng đối với
nhau trong các bộ phận của xe.
ã Moment quán tính của các bánh xe (M
J.b1
, M
J.b2
) - Moment xuất hiện khi
tốc độ quay của các bánh xe thay đổi.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 12 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
ã Moment kéo (M
k
) - moment tại các bánh xe chủ động đ ợc truyền đến từ
động cơ của ôtô.
p1
+ F
p2
- F
j
= 0 (1.9a)
hoặc
F
y
+ F
w
+ F
m
+ F
ms
+ F
p
- F
j
= 0 (1.9b)
Trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp, để đảm bảo hiệu quả phanh cao, hệ thống
phanh phải tạo ra đ ợc lực phanh lớn nhất có thể. Trong tr ờng hợp đó, các lực cản
tự nhiên (F
y
, F
w
, F
ms
) th ờng rất nhỏ so với lực phanh (F
p
Mai Văn Thanh - CK43-OT
và
j
p
g
j
d
j
ì
=
max.
(1.9e) 1.3. động học quá trình phanh ôtô
Thời gian phanh (t
p
), quãng đ ờng phanh (S
p
) và gia tốc phanh (j
p
) là các
thông số động học cơ bản của quá trình phanh.
(t
p
) là khoảng thời gian tính từ thời điểm lái xe bắt đầu tác
động vào cơ cấu phanh đến thời điểm điểm lực phanh giảm xuống bằng không trong
tr ờng hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm vận tốc của xe giảm xuống bằng không
trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp. Nói cách khác, thời gian phanh là khoảng thời
==
j
d
max.
(1.11a)
1
0
min.
1
v
g
dv
g
t
j
v
j
p
ì
ì
=ì
ì
=
ũ
j
d
j
d
(1.11b)
1
phụ thuộc vào kiểu dẫn động phanh và tình trạng kỹ thuật của nó.
t
1
= 0,2 - 0,4 s - dẫn động phanh thuỷ lực.
t
1
= 0,6 - 0,8 s - dẫn động phanh khí nén [4].
ã (t
2
) - khoảng thời gian tính từ thời điểm
lực phanh bắt đầu có tác dụng hãm xe đến thời điểm lực phanh đạt đến một trị số
xác định. Trong nhiều tài liệu giáo khoa, để dễ hiểu, thời điểm cuối của giai đoạn
phát triển lực phanh đ ợc quy ớc là thời điểm lực phanh đạt trị số cực đại.
ã (t
3
) - Trong thời gian phanh chính, lực phanh
đ ợc duy trì ở trị số cực đại.
ã (t
p
) - trong thời gian tính từ thời điểm cơ cấu điều khiển
phanh bắt đầu đ ợc tác động đến thời điểm lực phanh đ ợc loại bỏ. Nếu vận tốc của
xe giảm xuống bằng không tr ớc thời điểm lực phanh đ ợc loại bỏ thì thời điểm
cuối để tính thời gian phanh là thời điểm xe bắt đầu dừng hẳn.
(j
p
) là đại l ợng đánh giá mức độ giảm vận tốc của ôtô trong
quá trình phanh.
ã Gia tốc phanh tức thời :
ì
=
max.
(1.12c)
(S
p
) là đoạn đ ờng mà xe đi qua trong thời gian phanh.
Trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp có thể xác định quãng đ ờng phanh nh
sau :
j
p
g
dt
dv
j
d
j
ì
==
max.
(1.13a)
Nhân cả 2 vế ph ơng trình trên với dS
p
:
p
j
p
dS
j
d
(1.13d)
2
1
0
min.
1
v
g
dvv
g
S
j
v
j
p
ì
ì
=ìì
ì
=
ũ
j
d
j
d
(1.13e)
0
t
1
t
2
t
3
t
4 Giản đồ phanh nhận đ ợc bằng thực nghiệm và qua giản đồ phanh có thể
phân tích và thấy đ ợc bản chất của quá trình phanh.
Giản đồ phanh là quan hệ của lực phanh (F
p
) với thời gian phanh (t), hay
cũng là quan hệ của gia tốc phanh (j
p
) với thời gian phanh (t).
1.4. tính năng phanh
hay chất l ợng quá trình phanh là khả năng và hiệu quả của
việc thực hiện chức năng của hệ thống phanh. Tính năng phanh đ ợc định l ợng
bằng hai nhóm chỉ tiêu là: Hiệu quả phanh và tính ổn định phanh.
ã - là khả năng của hệ thống phanh xét về ph ơng diện
giảm tốc độ của ôtô khi ng ời lái tác động lên cơ cấu điều khiển phanh trong tr ờng
hợp phanh khẩn cấp.
Hiệu quả phanh đ ợc đánh giá thông qua một trong các chỉ tiêu d ới đây:
- Gia tốc phanh (j
p
)
1.5. các biện pháp nâng cao tính năng phanh
Nh chúng ta đã biết, nhờ có hệ thống phanh mà có thể nâng cao vận tốc
trung bình của ôtô và độ an toàn khi giao thông. Xu h ớng chung là vận tốc của ôtô
ngày càng đ ợc nâng cao, bởi vậy việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao tính năng
phanh luôn là một vấn đề đ ợc các nhà nghiên cứu,thiết kế, chế tạo ôtô quan tâm.
Để nâng cao tính năng phanh, có thể áp dụng các biện pháp sau đây:
- Bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe để tận dụng trọng l ợng bám của
ôtô.
- Điều hòa lực phanh ở các bánh xe phía tr ớc và phía sau để tận dụng trọng
l ợng bám của ôtô trong những điều kiện vận hành khác nhau.
- Chống hãm cứng bánh xe khi phanh để ngăn chặn hiện t ợng tr ợt lết.
ã
Từ công thức (1.8c) ta có: F
p.max
Ê F
j
= j . G
j
trong đó : F
j
- Lực bám, j - Hệ số bám, G
j
- Trọng l ợng bám.
Nếu xe chạy trên đ ờng bằng thì G = G
j
và F
- 18 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
Nh ng biện pháp này không chống đ ợc hiện t ợng tr ợt lết khi phanh.
ã
Theo công thức (1.9c): F
p.max
- F
j.max
= 0. Vậy ta có
F
pmax
= j. G = F
jmax
(1.15)
Xét tr ờng hợp khi phanh xe trên đ ờng bằng không kéo remorque. Bằng
cách lập các ph ơng trình moment của các lực tác dụng lên ôtô khi phanh đối với
các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đ ờng A và B, ta có thể xác định phản lực
thẳng góc Z
1
và Z
2
khi phanh nh sau:
L
hFbG
Z
gj
+
==
jj
(1.17a)
)
.(.
2max2
L
hFaG
ZF
gj
pp
-
==
jj
(1.17b)
Từ công thức (1.17a) và (1.17b) ta thấy lực phanh cực đại phụ thuộc vào các
yếu tô sau: Trọng l ợng ôtô (G), tọa độ trọng tâm (a, b, h
g
) và lực quán tính (F
j
).
Đối với ôtô cụ thể thì G, a, b, h
g
là những hằng số chỉ có F
j
thay đổi.
Vậy ta có:
F
F
p
p
==
j
j
(1.17d)
Lắp các biểu thức (1.16a) và (1.16b) vào (1.17d) ta đ ợc:
gj
gj
p
p
hFaG
hFbG
F
F2
1
-
+
= (1.17e)
Trong quá trình phanh thì lực cản lăn (F
f1
) và (F
f2
) không đáng kể, có thể bỏ
j
-
+
= (1.17g)
Biểu thức (1.17g) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất,
nghĩa là muốn phanh đạt hiệu quả nhất (quãng đ ờng phanh ngắn nhất, hoặc gia tốc
phanh chậm dần lớn nhất, hoặc thời gian phanh nhỏ nhất) thì trong quá trình phanh
quan hệ giữa lực phanh ở các bánh xe tr ớc (F
p1
) và lực phanh ở các bánh xe sau
(F
p2
) phải luôn thỏa mãn biểu thức (1.17g).
-
Là moment cần đ ợc tạo ra để có đ ợc hiệu quả phanh cao nhất .
111
.
pbp
FrM = (1.18a)
222
.
pbp
FrM = (1.18b)
Trong đó: r
b1
, r
b2
- Bán kính của bánh xe tr ớc và sau.
L
rG
FrM
j
j
-== (1.18d)
Đối với ôtô đã chất tải nhất định, ta có a, b, h
g
, cố định. Bằng cách thay đổi
giá trị j, dựa trên biểu thức (1.18c) và (1.18d) ta có thể vẽ đồ thị M
p1
= f
1
(j) và
M
p2
= f
2
(j).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 20 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
j
Trên ( H.1-7) thì đ ờng đậm nét ứng với ôtô đầy tải và đ ờng đứt nét ứng với
ôtô không tải.
Từ đồ thị ( H.1-7) có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa moment phanh ở bánh sau
M
p2
1
, p
2
- áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh tr ớc và cơ cấu phanh
sau;
k
1
,k
2
- hệ số tỷ lệ t ơng ứng với phanh tr ớc và phanh sau.
Từ các biểu thức (1.18e) và (1.18f) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong
dẫn động phanh tr ớc và phanh sau:
12
21
1
2
.
.
p
p
Mk
Mk
p
p
=
(1.18g)
Dựa vào biểu thức (1.18g) có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa áp suất p
1
và p
OA nghiêng với trục hoành một góc 45
0
, lúc đó bộ điều hòa lực phanh ch a làm
việc. Khi áp suất trong xi lanh chính đạt giá trị p
dch
( áp suất điều chỉnh ) thì lúc đó
bộ điều hòa lực phanh bắt đầu làm việc. Từ thời điểm đó áp suất p
2
nhỏ hơn áp suất
p
1
và đ ờng đặc tính điều chỉnh đi theo đ ờng thẳng AB gần sát với đ ờng cong lý
t ởng.
Nếu xét ở trạng thái xe không tải thì ở giai đoạn đầu đ ờng đặc tính đi theo
đ ờng thẳng OC nghĩa là lúc đó bộ điều hòa lực phanh ch a làm việc. p suất p
d.ch
ứng với điểm C là áp suất ở dẫn động phanh tr ớc ở thời điểm mà bộ điều hòa bắt
đầu làm việc. Tiếp đó đ ờng đặc tính đi theo đ ờng thẳng CD. Đ ờng CD là đ ờng
đặc tính của bộ điều hòa lực phanh khi xe không tải.
Từ đồ thị (h.1-10) thấy rằng áp suất trong dẫn động phanh sau p
2
khi đã có bộ
điều hòa lực phanh sẽ diễn biến theo đ ờng gấp khúc OAB. Đ ờng gấp kghúc này
nằm d ới đ ờng cong lý t ởng 1 nghĩa là áp suất p
2
có giá trị gần với áp suất lý
t ởng nh ng luôn nhỏ hơn áp suất lý t ởng yêu cầu, cho nên không xảy ra hiện
t ợng bó cứng bánh xe sau khi phanh.
Mai Văn Thanh - CK43-OT
v
rwv
bb
ì
-
=
l
(1.19)
Trong đó:
v- vận tốc của ôtô ;
w
b
- vận tốc góc của bánh xe đang phanh ;
r
b
- bán kính làm việc của bánh xe.
Hệ số bám dọc đ ợc hiểu là tỷ số của lực phanh F
p
trên tải trọng G
b
tác dụng
lên bánh xe :
b
p
x
G
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 25 -
Mai Văn Thanh - CK43-OT
giá trị độ tr ợt tối u l
0
không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá trị cực đại
mà hệ số bám ngang j
y
cũng có giá trị khá cao.
Nh vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ tr ợt của bánh xe là l
0
thì
sẽ đạt đ ợc lực phanh cực đại : F
p.max
= j
x.max
. G
b
nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất
và đảm bảo tính ổn định tốt khi phanh.
để độ tr ợt nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị l
0
thì hệ thống phanh
tr ờng đ ợc gắn thêm hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (ABS), nhờ vậy
sẽ đảm bảo hiệu quả phanh , tính ổn định, tính dẫn h ớng khi phanh nhờ có giá trị
j
x.max
, j
Ngoài ra khi các bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống
phanh và bố phanh cũng nh sự cản lăn hoàn toàn không còn nữa, tất cả năng l ợng
hầu nh biến thành nhiệt ở khu vực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đ ờng. Sự tr ợt lê
ngoài việc làm giảm hiệu quả phanh còn làm tăng thêm độ mòn lốp , tăng độ tr ợt
dọc và ảnh h ởng xấu tới tính ổn định ngang của xe khi phanh.
Để khắc phục hiện t ợng tr ợt lết bánh xe khi phanh nhằm làm tăng hiệu quả
và tính ổn định của quá trình phanh, trên ôtô hiện đại th ờng lắp hệ thống chống
hãm cứng bánh xe gọi tắt là ABS ( anti-lock brake system).
Hệ thống phanh ABS gồm các phần tử chính sau :
+ Cảm biến tốc độ bánh xe
Đ ợc đặt tại các bánh xe, thu nhận và gởi các tín hiệu về tình trạng của các
bánh xe đến bộ điều khiển trung tâm. Ngoài ra còn có một số thiết bị cảm biến khác
nh : cảm biến gia tốc,cảm biến trọng lực,
Tiếp nhận, xử lý các thông tin từ các thiết bị cảm biến và ra lệnh tăng hoặc
giảm áp lực phanh ( Bộ điều khiển này ngày nay là điện tử )
Thực hiện các lệnh do bộ điều khiển trung tâm gởi đến ( bộ thực hiện th ờng
là loại thủy lực, loại khí hoặc loại hỗn hợp thủy khí) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Copyright: Tài liệu đại học ©