Chương IV LÝ THUYẾT PHANH Ô TÔ. I. Khái niệm về quá trình phanh. Xét quá trình phanh trên đường bằng. Các phương pháp để ô tô dừng lại khi đang chuyển động: • Cho lăn tự nhiên, cắt động lực ( tách ly hợp). Tiêu hao động năng do f P + ω P . • Tạo lực phanh nhân tạo ở các bánh xe. k P = f P + ω P - J P + p P = 0 ⇒ J P = f P + ω P + p P - Phanh chậm dần: động năng bị triệt tiêu bởi công ma sát trong cơ cấu phanh. Và một phần bởi f P + ω P (lực cản tự nhiên). - Phanh cấp tốc dẫn đến bó cứng ( k ω = 0): động năng tiêu hao do công ma sát trượt bánh xe_mặt đường (mòn lốp, mất tính dẫn hướng). - Phanh dừng: dùng để giữ cho xe đứng yên tại chỗ trên dốc hoặc trên đường bằng. Không nên phanh bó cứng bánh xe vì: Nhứ nhất: Khi phanh bó cứng bánh xe, lực phanh nhỏ hơn khá nhiều so với phanh bánh xe ở giới hạn bám. Khi phanh chưa bó cứng bánh xe, lực phanh chủ yếu được sinh ra do ma sát trong cơ cấu phanh. Khi phanh bó cứng bánh xe, lực phanh do ma sát trượt của lốp với đường. Giới hạn lực phanh lúc đó được xác định bởi khả năng bám của bánh xe với mặt đường. Khi trượt, hệ số bám giảm đáng kể. Theo các kết quả thực nghiệm cho thấy lực phanh giảm khoảng (20 – 30)%. Tương ứng với quãng đường phanh tăng lên. Thứ hai: khi bánh xe bị bó cứng, ô tô sẽ mất tính điều khiển và khả năng ổn định chuyển động. Khảo sát sự mất ổn định của của bánh xe. • Khi trượt trơn, sẽ suất hiện phản lực của đường tác dụng vào bánh xe theo phương chuyển động và ngược hướng chuyển động. • Nếu có lực ngang ngẫu nhiên nào đó đồng thời tác dụng thì tại điểm tiếp xúc của bánh xe_đường cũng xuất hiện phản lực ngang k Y . Hợp lực ∑ P của hai phản lực này có phương không trùng với phương chuyển động của ô tô nên gây mất ổn định chuyển động. Nếu đạt tới z P ϕ thì chỉ cần một lực ngang rất nhỏ cũng có thể gây mất ổn định chuyển động, chưa kể đến việc lực phanh ở hai bánh xe trên một cầu không bằng nhau (bảng số liệu). ∑ P = 22 kktr YR + ≤ z P ϕ II. Phương trình động lực học của ô tô khi phanh. k P = 0, j P = 0, mk P = 0, i P = 0 k P = f P + P ω - j P + p P = 0 j P = G g dv dt = f P + P ω + p P = .f G + 2 KFv + p P Khi v < 100 km/h coi P ω = 0 ( chỉ chiếm khoảng 4% năng lượng quán tính). Đặt p γ = p P G là lực phanh đơn vị. j P = . . p G J g δ = ( ) p G f γ + ⇒ p J = dv dt = ( ) p f g γ + Khi phanh ở cấp tốc thì p γ có thể đạt tới trị số hệ số bám ϕ . Trên đường nhựa tốt thì ϕ << f nên bỏ qua f . Nhận xét : Gia tốc phanh tỉ lệ với lực phanh đơn vị ( đây là nhận xét quan trọng, chú ý p γ = ϕ < 1). Khi phanh mà vẫn đóng ly hợp nên còn lực phanh do ma sát của động cơ. pe P = _ms e tl k tl M i r η ( _ms e M mômen ma sát của động cơ được xác định bằng thực nghiệm) III. Vấn đề sử dụng trọng lượng bám khi phanh. 1. Điều kiện phanh có hiệu quả nhất. Để sử dụng hoàn toàn trong lượng bám của xe, lực phanh đơn vị ở các bánh xe phải bằng nhau. 1p γ = 2p γ = 3p γ = … = pn γ = pi i P G = p γ ( tại sao cần 1p γ = 2p γ = 3p γ = … = pn γ ) ( i G trọng lượng tác dụng lên cầu thứ i cũng là phản lực pháp tuyến zi P ). Như vậy: Các lực phanh tỉ lệ với phản lực pháp tuyến. 1p P = p γ 1z P , 2p P = p γ 2z P . • Nếu điều kiện trên không đảm bảo thì sẽ gây ra sự hãm cứng một bánh xe nào đó trước (giả sử tại đó pi P > p γ zi P ) và sau đó đến các bánh xe khác. Cuối cùng là mất ổn định khi phanh. • Khi có phân bố lý tưởng các lực phanh, gia tốc phanh lớn nhất được xác định theo : pmax J = pmax γ g = ϕ g . ( pmax J không phụ thuộc vào trọng lượng xe mà chỉ phụ thuộc vào ϕ ). • Khi các pi P không bằng nhau ta sẽ có: p γ = p P G = 1 1 1 1 p z p z pn zn P P P G γ γ γ + + p J = g 1 1 1 1 p z p z pn zn P P P G γ γ γ + + 2. Cơ sở lý thuyết điều hoà lực phanh. Ta đã biết yêu cầu 1p P = p γ 1z P , 2p P = p γ 2z P ( ) ∗ Với xe 2 cầu : 1z P = G L . p g J h b g   +  ÷   2z P = G L . p g J h a g   −  ÷   Trong quá trình sử dụng thì p J , a , b , g h \ nên 1z P , 2z P thay đổi. Vậy 1z P , 2z P luôn cần biến đổi để phù hợp với ( ) ∗ . Lực phanh trong trường hợp ( ) ∗ là sự phân bố lý tưởng. Từ ⇒ 1p M , 2p M là : 1p M = 1p P k r = p γ G L . p g J h b g   +  ÷   k r 2p M = 2p P k r = p γ G L . p g J h a g   −  ÷   k r 1p M = k r p γ G L . p g J h b g   +  ÷   k r 2p M = k r p γ G L . p g J h a g   −  ÷   k r Lập tỉ số 1p M / 2p M = C C = 1 2 p p M M = 1 2 P p M M = 1 2 z z P P = p g p g gb J h ga J h + − = g p g p h b J g h a J g + + const≠ Nhận xét: C = ( ) , , , p g f J b a h  Ứng với mỗi p J khác nhau ta cũng cần phải có C = 1 2 p p M M khác nhau.  Do tải trọng thay đổi nên C = 1 2 p p M M cũng cần thay đổi giá trị tương ứng cho thích hợp. Hệ thống phanh cần tạo zi P (và pi M ) thoả mãn theo quan hệ đồ thị này và theo phương trình ( ) ∗∗ . Phụ thuộc p J tức là phụ thuộc vào p γ hoặc khi phanh cường độ cao thì phụ thuộc ϕ ( pmax J = pmax γ g = ϕ g ). Với các hệ thống phanh cổ điển không có bộ điều hoà lực phanh p P và momen phanh p M thì tỉ số c C của cơ cấu : c C = ' 1 ' 2 p p M M = 1 1 2 2 A Q A Q Với _ 1 2 ,A A _ hệ số tỉ lệ momen phanh bánh xe trước, sau với lực tác dụng lên cơ cấu doãng của cơ cấu phanh 1 Q . Nó phụ thuộc vào kết cấu phanh, kích thước của nó, hệ số ma sát trong cơ cấu. _ 1 2 ,Q Q _ lực tác dụng lên cơ cấu doãng. Coi rằng hệ số ξ = const thì i A = const. Nếu không có bộ điều hoà thì 1 2 Q Q = const (ở phanh thuỷ lực thì 1 2 Q Q = 2 1 2 2 d d ) ⇒ nếu c C = const thì:  Hoặc không sử dụng hết trọng lượng bám.  Hoặc là gây có cứng bánh xe ở một cầu. Ta có thể giải thích điều đó như sau:  Giả thiết nếu phanh ở 1 Q để đạt 2p M = 2max M ϕ trên đường tốt thì không sử dụng hết 1 M ϕ .  Nếu phanh với 2 Q (trên đường trơn để không bó cứng bánh trước ) 1 M ϕ = 1min M ϕ thì không sử dụng hết khả năng bám của bánh sau. ⇒ cần có hệ thống phân phối lại lực phanh khi phanh xe trên đường. 3. Vấn đề chống hãm cứng bánh xe khi phanh. Trong quá trình tính toán động lực học ta thường sử dụng giá trị hệ số bám cho trước trong các bảng số liệu. Giá trị ϕ này được tính toán bằng thực nghiệm khi ứng với trường hợp bánh xe trược lết hoàn toàn trên đường (khi v = 0 và k ω ≠ 0). Thực ra hệ số bám ϕ ngoài việc phụ thuộc vào đường xá và trạng thái mặt đường, nó còn phụ thuộc vào độ trượt tương đối λ của bánh xe với mặt đường. Trong quá trình phanh có hai khái niệm về bám : bám dọc x ϕ và bám ngang y ϕ . Hệ số bám dọc là tỉ số giữa lực phanh tiếp tuyến với bánh xe p P và tải trọng tác dụng lên bánh xe k G . x ϕ = p k P G = p γ Khi không phanh ( p P = 0) thì x ϕ = 0. hệ số bám ngang cũng tương tự y ϕ = y k P G . Đồ thị: Độ trượt tương đối của bánh xe_đường được tính theo : λ = .100% k k v r v ω −    ÷   Trong đó v là vận tốc tịnh tiến của xe cũng như của tâm trục bánh xe. k ω là vận tốc góc của bánh xe và k r là bán kính trung bình của bánh xe.  Khi ( ) k k v r ω − = 0 thì v = k k r ω thì bánh xe lăn không trượt hoặc λ = 0.  Khi k k v r ω − > 0 ⇔ v > k k r ω bánh xe lăn và có trượt. Hệ số x ϕ thay đổi (như đồ thị) và đạt max ϕ trong khoảng λ = (15 ÷ 25)%.  Khi k ω = 0, k v ≠ 0, thì λ = 100% ⇒ x ϕ ↓ . Ở giá trị độ trượt tối ưu, hệ số bám ngang cũng có giá trị khá cao. Như vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ở vùng có độ trượt tối ưu λ = (15 ÷ 25)% thì sẽ đạt maxp P = maxx ϕ . z P . Có nghĩa hiệu quả phanh cựa đại, đảm bảo độ ổn định tốt khi phanh. Loại đường maxx ϕ x ϕ Nhựa và bê tông khô. 0,8 – 0,9 0,7 – 0,8 Nhựa ướt. 0,5 – 0,7 0,45 – 0,6 Bê tông ướt. 0,75 – 0,8 0,65 – 0,7 Đất khô. 0,65 – 0,7 0,6 – 0,65 Đất ướt. 0,5 – 0,55 0,4 – 0,5 Ý tưởng : Để có maxp P ⇔ pmax J ⇔ maxx ϕ ⇔ λ = (15 ÷ 25)% cần thiết kế hệ thống phanh sao cho λ = .100% k k v r v ω −    ÷   = (15 ÷ 25)%. Khi phanh, nếu k ω ↑ thì lệnh ↓ , nếu k ω ↓ dưới mức yêu cầu thì lệnh ↑ ( điều này cần cho mọi bánh xe). Chu kỳ điều khiển k ω như hình vẽ. Với mỗi lần phanh cần tạo 7 – 11 lần ⇒ với hệ thống phanh thủy lực có độ nhạy cao hơn ⇒ thuận tiện cho việc chế tạo. Với hệ thống phanh khí nén có độ nhạy thấp nên chế tạo khó hơn. IV. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng phanh. 1. Gia tốc chậm dần khi phanh. k P = f P + ω P - J P + p P = 0 với δ = 1 ⇒ J P = . p G J g = fG + 2 KFv + p P ⇒ p J = ( ) p f g γ + Gia tốc cực đại khi phanh. maxp J = g ϕ = maxp γ g 2. Quãng đường phanh tối thiểu. v = dS dt ⇒ v = dS dv . dv dt ⇒ dS = p vdv J min S = 2 1 0v p v vdv J = ∫ = 2 1 2 p v J min S = 2 1 2 v g ϕ hoặc min S = 2 G gKF ln 2 KFv G ϕ ϕ + ( m ) 3. Thời gian phanh tối thiểu. p J = dv dt ⇒ dt = 2 1 1 v p v dv J ∫ với p J = 2 p KFv f G γ   + +  ÷   g = g ϕ = maxp γ Coi như p P đạt cực đại trong quá trình phanh nên f ≈ 0, ω P ≈ 0. ⇒ minp t = 2 1 0 1 . v v dv g ϕ = ∫ = 1 v g ϕ Nhận xét:  1 v có giá trị càng nhỏ thì thời gian phanh càng nhỏ và ngược lại.  Hệ số bám ϕ càng lớn thì thời gian phanh càng giảm. 4. Giản đồ phanh. 01_ 1 t _(0,3 – 1,8) s 12_ 2 t _(0,05 – 0,1) s với phanh thuỷ lực. (0,2 – 0,4) s với phanh thuỷ khí. 3 t _(0,25 – 0,4) s thời gian tăng p J . 4 t _ p J = maxp J . 5 t _ (0, - 0,5) s nhả phanh sau khi dừng. ⇒ thời gian hanh thực tế (từ 1 v đến 2 v ): p t = 1 t + 2 t + 3 t + 4 t Tương ứng với p t là p S : p S = 1p S + 2p S + 3p S + 4p S Vì 1 t và 2 t nhỏ nên ta coi 1 v = const nên ⇒ 1p S + 2p S = 1 v 1 t + 1 v 2 t = 1 v ( 1 t + 2 t ) 3p S ứng với thời gian gia tốc phanh: 3p S = 1 v 1 t - ptb J . 2 3 2 t Thường gia tốc phanh trong giai đoạn này được xác định theo biểu thức: ptb J = 1 3 maxp J ⇒ 3p S = 1 v 1 t - maxp J . 2 3 6 t Quãng đường xe chạy trong thời gian 4 t được xác định từ điều kiện cân bằng giữa công do lực phanh sinh ra với động năng của xe. A = 4p S p P = 2 12 2 vG g ⇒ 4p S = 2 12 2 v . max 1 p J = 1 2 2 3 1 max . 2 p t v J   −  ÷   . max 1 p J 12 v là tốc độ ban đầu trên đoạn đường 4p S và 12 v = 3 1 max . 2 p t v J   −  ÷   ⇒ 4p S = 2 1 max 2 p v J - 1 3 2 v t + 2 max 3 8 p J t ⇒ p S ∑ = 1p S + 2p S + 3p S + 4p S = 1 v ( 1 t + 2 t ) + 1 v 1 t - ptb J . 2 3 2 t + 2 1 max 2 p v J - 1 3 2 v t + 2 max 3 8 p J t ⇒ p S ∑ = 1 v 3 1 2 2 t t t   + +  ÷   + 2 1 max 2 p v J − 2 max 3 24 p J t Khi phanh hãm cứng bánh xe ở 2 cầu nghĩa là maxp J = g ϕ . Ta biểu diễn 1 v (tốc độ ban đầu khi phanh) theo đơn vị /km h , ta sẽ có : p S ∑ = 1 v 3 1 2 2 t t t   + +  ÷   + 2 1 2 v g ϕ − 2 3 24 g t ϕ Tiêu chuẩn VIỆT NAM về hiệu quả phanh cho phép lưu hành trên đường bo (Bộ Giao Thông Vận Tải năm 1995 ứng với v = 30 /km h ≈ 8,3 /m s ) Loại xe p S ( m ) không lớn hơn maxp J không lớn hơn Ô tô con 7,2 5,8 Ô tô tải G ∑ < 80 KN và xe khách có chiều dài toàn bộ < 7,5 m 9,5 5,0 Xe tải, xe đoàn có G ∑ > 80 KN và xe khách có chiều dài toàn bộ > 7,5 m 11 4,5 5. Anh hưởng của các yếu tố sử dụng đến . a) Trạng thái kĩ thuật của hệ thống phanh. - Như khe hở má phanh (nếu cho tăng 0,5 mm ⇒ quãng đường phanh tăng từ (10 - 25)%). - Áp suất khí nén p ↑ thì p S ↓ (hiện tại (0,7 – 0,8) a MP , xu hướng tăng (1,2 - 2) a MP ). - Dầu mỡ, nước… b) Ảnh hưởng trọng lượng xe đến p S . Khi G ↑ thì p S ↑ ( ↑ 10.000 N thì p S ↑ 1 m ). c) Trạng thái mặt đường. ϕ ↓ thì p S ↑ ( với 1 v = 32 /km h , ϕ = 0,715 → p S = 10 m , ϕ = 0,3 → p S = 16,5 m ). d) Vận tốc chuyển động của xe. e) Ngoài yếu tố sử dụng, yếu tố kết cấu cũng ảnh hưởng tới quãng đường phanh. 6. Phanh bằng động cơ. Sử dụng phanh bằng động cơ khi:  Cần giảm tốc độ xe một cách từ từ.  Cần duy trì xe có vận tốc const khi xe xuống dốc dài (trong trường hợp này, động cơ được sử dụng như hệ thống phanh chậm dần). Phanh bằng động cơ không cắt ly hợp:  Ở động cơ diesel gần như cắt nhiên liệu hoàn toàn.  Động cơ xăng, bướm ga mở nhỏ nhất (không tắt khoá điện để nhiên liệu vẫn được đốt cháy). Bằng thí nghiệm chứng tỏ rằng, phanh bằng động cơ chỉ có hiệu quả ở các số truyền thấp. . Chương IV LÝ THUYẾT PHANH Ô TÔ. I. Khái niệm về quá trình phanh. Xét quá trình phanh trên đường bằng. Các phương pháp để ô tô dừng lại khi đang chuyển động: •. quả phanh cho phép lưu hành trên đường bo (Bộ Giao Thông Vận Tải năm 1995 ứng với v = 30 /km h ≈ 8,3 /m s ) Loại xe p S ( m ) không lớn hơn maxp J không lớn hơn Ô tô con 7,2 5,8 Ô tô tải. đường bằng. Không nên phanh bó cứng bánh xe vì: Nhứ nhất: Khi phanh bó cứng bánh xe, lực phanh nhỏ hơn khá nhiều so với phanh bánh xe ở giới hạn bám. Khi phanh chưa bó cứng bánh xe, lực phanh chủ