2
1
3
4
5
6
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp kỹ thuật. Ngành ô tô cũng có
những bước phát triển rõ nét và có tính đặc trưng riêng. Ngày nay ô tô không chỉ đơn
thuần là phục vụ đi lại nhanh, chuyên chở nhiều, tuổi thọ cao, mà các loại ô tô đời mới
trong thời gian gần đây còn đáp ứng nhu cầu càng cao và khắt khe của con người, như:
Tính hiệu quả, tính kinh tế, tính công nghệ, tính tiện nghi, nồng độ khí xả đối với môi
trường và đặc biệt là vấn đề an toàn cho người và tài sản.
Một trong những bộ phận có tính quyết định đến khả năng an toàn khi chuyển
động của ô tô là hệ thống phanh. Nó góp phần giảm thiểu các tai nạn nguy hiểm có thể
xảy ra khi vận hành, nhờ điều khiển quá trình phanh mà người lái làm chủ được tốc độ,
nhanh, chậm và dừng hẳn khi cần thiết. Vì vậy đối với sinh viên ngành cơ khí giao
thông việc khảo sát, nghiên cứu về hệ thống phanh càng có ý nghĩa thiết thực hơn. Ðể
giải quyết vấn đề này thì trước hết cần phải hiểu rõ về nguyên lý hoạt động, kết cấu các
chi tiết hệ thống phanh, từ đó tạo tiền đề cho việc thiết kế hệ thống phanh nhằm tăng
hiệu quả phanh, tăng tính ổn định chuyển động và tính dẫn hướng khi phanh, tăng độ
tin cậy làm việc với mục đích đảm bảo an toàn chuyển động và tăng hiệu quả vận
chuyển của ôtô.
Xuất phát từ những lý do trên nên đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên
cơ sở xe Ford Transit 2008” được em chọn làm đề tài tốt nghiệp.
1
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ
1.1.1. Công dụng hệ thống phanh
chế.
- Đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ôtô máy kéo khi
phanh.
- Không có hiện tượng tự phanh khi các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng
và
khi quay
vòng.
- Hệ số ma sát giữa má phanh với trống phanh cao và ổn định trong mọi
điều
kiện sử
dụng.
- Có khả năng thoát nhiệt
tốt.
- Điều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay
đòn
điều khiển
nhỏ.
2
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
Để có độ tin cậy cao, đảm bảo an toàn chuyển động trong mọi trường hợp, hệ
thống phanh của ôtô máy kéo bao giờ cũng phải có tối thiểu ba loại phanh, là:
-Phanh
l
àm
việc: phanh này là phanh chính, được sử dụng thường xuyên ở tất
cả
mọi chế độ chuyển động, thường được điều khiển bằng bàn đạp nên còn gọi
là
phanh
chân.
của nhau. Nhưng chúng phải có ít nhất là hai bộ phận điều khiển và dẫn động
độc
lập.
Ngoài ra, để tăng thêm độ tin cậy, hệ thống phanh chính còn được phân
thành
các dòng độc lập để nếu một dòng nào đó bị hỏng thì các dòng còn lại vẫn
làm
việc bình
thường.
Để hệ thống phanh đạt hiệu quả phanh cao thì:
- Dẫn động phanh phải có độ nhạy
lớn.
- Phân phối mô men phanh trên các bánh xe phải đảm bảo tận dụng được
toàn
bộ trọng lượng bám để tạo lực phanh. Muốn vậy, lực phanh trên các bánh xe
phải
tỷ
lệ thuận với phản lực pháp tuyến của đường tác dụng lên
chúng.
3
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
- Trong trường hợp cần thiết, có thể sử dụng các bộ trợ lực hay dùng dẫn
động
khí nén hoặc bơm thủy lực để tăng hiệu quả phanh đối với các xe có trọng
lượng
toàn bộ
lớn.
Để đánh giá hiệu quả phanh người ta sử dụng hai chỉ tiêu chính là: gia tốc
chậm dần và quãng đường phanh. Ngoài ra cũng có thể dùng các chỉ tiêu khác, như:
Lực phanh hay thời gian phanh.
tác dụng lên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh tạo ra ở bánh xe. Đồng thời
không có hiện tượng tự xiết khi phanh.
Để đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ô tô máy kéo khi phanh, sự phân bố
lực phanh giữa các bánh xe phải hợp lý, cụ thể phải thỏa mãn các điều kiện chính sau:
- Lực phanh trên các bánh xe phải và trái của cùng một cầu phải bằng nhau. Sai
4
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
lệch cho phép không được vượt quá 15% giá trị lực phanh lớn nhất.
- Không xảy ra hiện tượng khóa cứng, trượt các bánh xe khi phanh. Vì: Các
bánh xe trước trượt sẽ làm ô tô máy kéo bị trượt ngang, các bánh xe sau trượt có thể
làm ô tô máy kéo mất tính điều khiển, quay đầu xe. Ngoài ra, các bánh xe bị trượt còn
gây mòn lốp, giảm hiệu quả phanh do giảm hệ số bám.
Để đảm bảo các yêu cầu này, trên ô tô máy kéo hiện đại ngày nay người ta sử
dụng các bộ điều chỉnh lực phanh hay hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Antilock
Branking System – ABS).
1.1.3. Phân loại hệ thống phanh
Có nhiều cách để phân loại hệ thống phanh.
1.1.3.1. Theo kết cấu của cơ cấu phanh
+ Cơ cấu phanh guốc
+ Cơ cấu phanh đĩa
+ Cơ cấu phanh dải
1.1.3.2. Theo phương thức dẫn động phanh
+ Dẫn động cơ khí
+ Dẫn động thủy lực
+ Dẫn động khí nén
+ Dẫn động liên hợp
+ Dẫn động điện từ
1.1.3.3. Theo mức độ tối ưu hóa của hệ thống
+ Hệ thống phanh có điều hòa.
+ Hệ thống phanh có ABS, BA, EBD…
Bảng 1-3 Đặc tính kỹ thuật động cơ xe Ford Transit 2008
Động cơ Turbo Diesel 2.4L TDCI, trục cam kép
Loại 4 xilanh thẳng hàng
Dung tích xilanh (cc) 2402
Đường kính x Hành trình (mm) 89.9 x 94.6
Công suất cực đại (Hp/rpm) 138/3500
Momen xoắn cực đại (Nm/rpm) 375/2000
Hộp số 6 số tay
Ly hợp Đĩa ma sát khô, dẫn động bằng thủy lực
1.2.3. Hệ thống truyền lực
Hộp số trên xe là loại hộp số sàn 6 cấp, ly hợp loại đĩa ma sát khô dẫn động
bằng thủy lực
1.2.4. Hệ thống treo
Hệ thống treo trước là loại hệ thống treo độc lập sử dụng lò xo xoắn và ống
giảm chấn thủy lực. Hệ thống treo phía sau là loại hệ thống teo phụ thuộc dung nhíp là
và ống giảm chấn bằng thủy lực
1.2.5. Hệ thống phanh và hệ thống lái
Trên xe sử dụng loại phanh đĩa cho cả trước và sau dẫn động bằng thủy lực,
ngoài ra còn trang bị thêm hệ thống chống bó cứng phanh ABS
7
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
Hệ thống lái trợ lực lái bằng thủy lực
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
PHANH
2.1. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN DẪN ĐỘNG PHANH
2.1.1. Dẫn động phanh loại cơ khí
a. Đặc điểm, ưu nhược điểm
Dẫn động phanh cơ khí bao gồm nhiều loại như: loại đòn kéo, loại cáp, loại cần
kéo và các cơ cấu điều khiển trong cơ cấu phanh.
Dẫn động cơ khí cơ ưu điểm là độ tin cậy cao, nhưng nhược điểm lực tác dụng
BA
2
3
1 12 11 10
9
6 75
4
8
Hình 2-2 Dẫn động thuỷ lực trợ lực chân không
1- Bàn đạp phanh; 2- Van không khí; 3- Vòng cao su cơ cấu tỷ lệ; 4- Màng (piston)
trợ lực; 5- Bộ trợ lực chân không; 7- Bình chứa dầu phanh; 8- Xylanh chính; 9- Van
9
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
phanh; 10- Xylanh phanh bánh xe; 11- Van chân không; 12- Van một chiều; 13-
Máy nén khí
Đặc điểm của hệ thống trợ lực chân không, là sử dụng ngay độ chân không ở
họng cổ hút của động cơ đưa vào một khoang của bộ trợ lực, khoang kia được thông
với khí trời. Khi đạp phanh sẽ tạo tín hiệu điều khiển mở van cho bộ trợ lực làm việc.
Sự chênh áp suất trong bộ trợ lực sẽ tạo một ngoại lực tác động vào xylanh lực làm
tăng áp suất trong dẫn động phanh, tăng lực phanh.
a. Ưu điểm
- Phanh đồng thời các bánh xe với sự phân bố lực phanh theo yêu cầu.
- Hiệu suất cao, độ nhạy tốt.
- Kết cấu đơn giản, được sử dụng rộng rãi trên các loại ô tô.
- Không ảnh hưởng đến công suất động cơ, ngược lại khi phanh làm giảm công
suất của động cơ vì hệ số nạp giảm, tăng hiệu quả phanh.
b. Nhược điểm
- Không thể cho tỷ số truyền lớn vì tỷ lệ với lực bàn đạp
- Có hư hỏng thì hệ thống làm việc kém hiệu quả
- Hiệu suất có thể thấp khi ở nhiệt độ môi trường thấp
+ Giá thành cao.
c. Phạm vi ứng dụng
Phanh khí nén được dùng trên xe tải trung bình, lớn, chuyên dùng.
2.2.2.4. Dẫn đông thủy lực dùng bơm và các bộ tích năng
Lực tác dụng lên cơ cấu phanh là áp lực của chất lỏng cung cấp từ bơm và các
bộ tích năng thủy lực. Người lái chỉ việc điều khiển các van đóng mở, qua đó điều
chỉnh áp suất và lưu lượng chất lỏng đến các cơ cấu phanh tùy theo cường độ phanh
yêu cầu.
Hình 2-4 Dẫn động thuỷ lực dùng bơm và các bộ tích năng
1. Bàn đạp; 2. Xilanh chính; 3,4. Hai khoang của van phanh; 5. Các xilanh của bánh
sau; 6. Các xilanh bánh trước; 7,9. Bình tích năng; 8. Rơ-le điều khiển;10. Van an toàn;
11. Bơm thuỷ lực.
a. Ưu điểm
+ Hiệu suất làm việc cao
12
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
+ Độ nhạy cao
+ Tạo lực phanh lớn
+ Luôn luôn đảm bảo phanh đồng thời các bánh xe
+ Lực điều khiển nhỏ
b. Nhược điểm
+ Kết cấu quá phức tạp
+ Khó khăn cho việc sữa chữa
+ Giá thành cao
+ Phải tiêu tốn công suất cho bơm
+ Hiệu suất giảm nhiều ở nhiệt độ thấp
+ Sự dao động áp suất của chất lỏng, có thể làm cho các đường ống bị rung
động và moomen phanh không ổn định
+ Yêu cầu độ kín khít cao
c. Phạm vi ứng dụng
Hình 2-6 Sơ đồ kết cấu phanh trống guốc với một xylanh thủy lực.
1- Mâm phanh; 2- Má phanh; 3- Guốc phanh; 4- Xylanh bánh xe; 5,7- Lò xo hồi vị
guốc phanh; 6- Chi tiết giữ cho guốc không di chuyển theo hướng dọc trục.
14
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
Đây là loại cơ cấu phanh đươc sử dụng phổ biến nhất, cấu tạo gồm:
- Trống phanh: là một trống quay hình trụ gắn với moay ơ bánh xe.
- Các guốc phanh: trên bề mặt gắn các tấm ma sát (còn gọi là má phanh).
- Mâm phanh: là một đĩa cố định bắt chặt với dầm cầu, là nơi lắp đặt và định vị
hầu hết các bộ phận khác của cơ cấu phanh.
- Cơ cấu ép: khi phanh cơ cấu ép do người lái điều khiển thông qua dẫn động, sẽ
ép các bề mặt ma sát của guốc phanh tỳ chặt vào mặt trong của trống phanh, tạo ra lực
ma sát để phanh bánh xe lại.
- Bộ phận điều chỉnh khe hở (chỉ có đối với dẫn động thủy lực): Khi nhả phanh,
giữa trống phanh và má phanh cần phải có mọt khe hở tối thiểu nào đó, khoảng
(0,2÷0,4) mm để cho phanh nhả được hoàn toàn. Khe hở này tăng lên khi các má
phanh bị mài mòn, làm tăng hành trình của cơ cấu ép, tăng lượng chất lỏng làm việc
cần thiết hay lượng tiêu thụ không khí nén, tăng thời gian chậm tác dụng, Để tránh
những hậu quả xấu đó, phải có cơ cấu điều chỉnh khe hở giữa má phanh và trống
phanh.
Ưu điểm:
+ Có thể kết hợp để làm phanh dừng.
+ Giá thành rẻ.
+ Công nghệ chế tạo không quá cao.
Nhược điểm:
+ Do kết cầu kín nên khả năng tản nhiệt cơ cấu phanh rất kém.
+ Áp lực phân bố không điều trên bề mặt má phanh, nên làm cho má phanh
mòn không điều.
+ Độ nhạy của cơ cấu phanh kém, do khe hở giữa má phanh và trống phanh lớn,
khoảng (0,2÷0,4)mm.
6 - Chốt dẫn hướng.
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
- Áp suất phân bố đều trên bề mặt má phanh, do đó má phanh mòn đều và ít
phải điều chỉnh.
- Bảo dưỡng đơn giản do không phải điều chỉnh khe hở.
- Có khả năng làm việc với khe hở nhỏ (0,05÷0,15)mm nên rất nhạy, giảm được
thời gian chậm tác dụng và cho phép tăng tỷ số truyền dẫn động.
- Lực ép tác dụng theo chiều trục và tự cân bằng, nên cho phép tăng giá trị của
chúng để tăng hiệu quả phanh cần thiết mà không bị giới hạn bởi điều kiện biến dạng
của kết cấu. Vì thế phanh đĩa có kết cấu nhỏ gọn và dễ bố trí trong bánh xe.
- Hiệu quả phanh không phụ thuộc vào chiều quay và ổn định hơn.
- Điều kiện làm mát tốt hơn, nhất là đối với loại đĩa quay.
Tuy vậy phanh đĩa còn có một số nhược điểm hạn chế sử dụng của nó là:
- Nhạy cảm với bụi bẩn và khó làm kín.
- Các đĩa phanh loại hở dễ bị ôxy hóa, bị bẩn làm các má phanh mòn nhanh.
- Áp suất làm việc cao nên các má phanh dễ bị nứt, xước…
- Thường phải sử dụng bộ trợ lực chân không để tăng lực dẫn động, nên khi
động cơ không làm việc, hiệu quả phanh dẫn động thấp và khó sử dụng chúng kết hợp
làm phanh dừng.
b. Phạm vi sử dụng
Cơ cấu phanh loại đĩa thường được sử dụng trên ô tô du lịch. Gần đây loại
phanh này bắt đầu được sử dụng trên một số ô tô vận tải và hành khách.
KẾT LUẬN
Qua phân tích đặc điểm, ưu nhược điểm của cơ cấu phanh, mặt khác căn cứ trên
cơ sở ô tô tham khảo là xe du lịch Ford Transit 2008 ta chọn cơ cấu phanh là cơ cấu
phanh loại đĩa loại má kẹp tùy động xylanh bố trí trên má kẹp cho cả cơ cấu phanh
trước và phanh sau. Đĩa phanh ở cơ cấu phanh trước có xẻ rãnh thông gió trong khi đĩa
phanh ở cơ cấu phanh sau là loại đĩa đặc.
2.3. PHÂN TÍCH CHỌN SƠ ĐỒ PHÂN DÒNG CHÍNH
- Để dẫn động phanh làm việc với độ tin cậy cao, thì cần có ít nhất là ai dòng
Hệ thống phanh trên xe thiết kế Ford Transit 2008 có trang bị hệ thống chống
hãm cứng bánh xe ABS. Sau đây sẽ giới thiệu một số sơ đồ ABS phổ biến dùng dẫn
động thủy lực, điều khiển bằng điện tử .
1
2
Hình 2-11 Sơ đồ ABS 3 kênh 3 cảm biến
1- Van điện từ; 2- Cảm biến
Sơ đồ hình 2-11 sử dụng hai cảm biến tốc độ bánh xe đặt ở các bánh xe cầu
trước và một cảm biến tốc độ bánh xe với vòng răng cảm biến đặt trên bánh răng vành
chậu của bộ vi sai cầu sau.
1
2
Hình 2-12 Sơ đồ ABS 3 kênh 4 cảm biến
1- Van điện từ; 2- Cảm biến
19
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
Trên hình 2-12 là sơ đồ ABS 3 kênh có 4 cảm biến bố trí ở các bánh xe và 3 van
điều khiển. Phương án này hai bánh trước được điều khiển độc lập, hai bánh sau được
điều khiển chung theo mudul thấp (select low mode), tức là bánh xe nào có khả năng
bám thấp sẽ quyết định áp lực phanh chung cho cả cầu sau
Phương án này sẽ loại bỏ được mômen quay vòng cưỡng bức trên cầu sau, tính
ổn định tăng nhưng hiệu quả phanh giảm bớt. Hầu hết các bánh xe có bánh sau chủ
động và nhiều bánh xe trước chủ động sử dụng ABS 3 kênh.
1
2
Hình 2-13 Sơ đồ ABS 4 kênh 4 cảm biến
1- Van điện từ; 2- Cảm biến
ABS 4 kênh điều khiển phanh 4 bánh xe một cách riêng biệt. Đây là hệ thống
hoàn chỉnh nhưng đắt tiền nhất và yêu cầu mỗi bánh xe phải có một cảm biến tốc độ
riêng.
: Trọng lượng bám của bánh xe khi phanh.
φ
bx
: Hệ số bám giữa lốp với mặt đường của bánh xe khi phanh.
R
bx
: Bán kính làm việc trung bình của bánh xe. Trên xe sử dụng loại lốp với ký
hiệu 275/75R16, ta có thể xác định được bán kính thiết kế của lốp [1] theo công thức
21
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
r
0
= (B +
2
d
) [mm] (3.2)
Trong đó:
- B: Bề rộng của lốp. B = 275 [mm] = 10,826 [inch]
- R: Cấu trúc xương lốp
- d: Đường kính vành bánh xe. d = 16 [inch] = 406,4 [mm]
Thay vào công thức (3.2) ta được bán kính thiết kế:
r
0
= (10,826 + 8).25,4 = 478,18 [mm]
Bán kính lăn trung bình của bánh xe:
R
bx
= λ. r
0
= 0,93.478,18 = 444,7 [mm]
2
: Hợp lực các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên bánh xe cầu sau.
L
0
: Chiều dài cơ sở của xe.
H
g
: Toạ độ trọng tâm theo chiều cao.
a,b: Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước/sau.
P
f1
,P
f2:
Lực cản lăn bánh xe trước/sau.
P
p1
,P
p2
: Lực phanh ở các bánh xe cầu trước/sau.
P
ω
: Lực cản không khí.
P
j
: Lực quán tính khi phanh.
Viết phương trình cân bằng mô men khi xe đứng yên ta có tọa độ trọng tâm theo
chiều dọc xe a,b (Hình 3-1).
L
0
.Z
3730
2
= 1865 [KG]
L
0
- Chiều dài cơ sở của xe ; L
0
= 3750 [mm]
Thay vào công thức trên ta được:
3750.1865
1875
3730
b
= =
[mm]
23
Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên cơ sở xe Ford Transit 2008
a = L
0
– b = 3750 - 1875 = 1875 [mm]
( )
1
x x
0
.
2
a
b g b
G
G b h
: Tọa độ trọng tâm khi xe đầy tải.Theo tài liệu tham khảo [3] ta chọn
h
g
= 0,6.B
0
. Với B
0
là bề rộng cơ sở của xe được lấy theo vết bánh xe sau, ta có B
0
=
1704 [mm]
=> h
g
= 0,6.1704 = 1022,4 [mm]
xb
ϕ
: Hệ số bám của bánh xe. Hệ số bám φ
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 tạ đó khi phanh bánh
xe có thể 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.
Đối với hệ thống phanh trên xe Ford Transit 2008 được trang bị thêm hệ thống
chống hãm cứng bánh xe ABS thì hệ số bám có thể đạt đến giá trị cực đại, tức là φ
bx ≃
φ
max
= 0,75 ÷ 0,85. Ở đây ta chọn φ
P
bx2
= G
bx2
.φ
bx
=5157,324.0,8 = 4125,86 [N] (3.5b)
Mô men phanh yêu cầu ở các bánh xe trước và sau là:
M
bx1
= P
bx1
.R
bx
= 10510,66.0,4447 = 4674,1 [N.m] (3.6)
M
bx2
= P
bx2
.R
bx
= 4125,86.0,4447 = 1834,77 [N.m] (3.6b)
Với R
bx
= 0,4447 [m] là bán kính làm việc của bánh xe.
3.1.2. Hệ số phân bố lực phanh lên các trục bánh xe.
Thực tế momen phanh sinh ra ở các bánh xe là do cơ cấu phanh lắp đặt ở bánh
xe sinh ra. Cơ cấu phanh ở các bánh xe có nhiều kiểu 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
ϕ
+
−
(3.7)
Thế các số liệu đã tính ở (3.6) và (3.6b) ta có:
K
12
=
4674,1
1834,77
= 2,5148 (3.7b)
25
Copyright: Tài liệu đại học ©