Chơng 2. động lực học quá trình phanh xe 2.1 Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh Có bốn chỉ tiêu chính thức đợc dùng để đánh giá hiệu quả phanh: - Gia tốc chậm dần khi phanh. - Thời gian phanh. - Quãng đờng phanh. - Lực phanh hoặc lực phanh riêng. 2.1.1. Gia tốc chậm dần khi phanh Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng để đánh giá hiệu quả phanh ôtô. Gia tốc chậm dần càng lớn thì hiệu quả phanh càng cao. Khi phanh trên đờng bằng thì lực phanh P P chiếm khoảng 98% tổng các lực cản trong quá trình phanh. Do đó ta có thể coi lực phanh sẽ cân bằng với lực quán tính. Mặt khác, khả năng tiếp nhận lực phanh ở các bánh xe còn phụ thuộc rất nhiều vào khả năng bám của các bánh xe với đờng. Gia tốc chậm dần cực đại khi phanh đợc xác định theo công thức sau: Pmax g. J = (2.1) Trong đó: là hệ số tính đến ảnh hởng của các khối lợng quay của ôtô khi phanh, đồng thời đặc trng cho độ bền của vết tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đờng. Công thức (2.1) cho thấy: gia tốc phanh đạt đợc không phụ thuộc vào trọng lợng toàn bộ của ôtô và để tăng gia tốc chậm dần khi phanh (tức là tăng hiệu quả phanh) thì cần giảm hệ số . Chẳng hạn trong trờng hợp phanh cấp tốc, ngời lái nên cắt ly hợp để tách động cơ đang làm việc ra khỏi hệ thống truyền lực, loại bỏ đợc lực quán tính do gia tốc khối lợng quay của động cơ 19 mà chủ yếu là của bánh đà. Khi đó giá trị sẽ giảm xuống giá trị bé hơn nhiều, J ' Pmax sẽ tăng lên. J Pmax phụ thuộc vào hệ số bám giữa lốp với mặt đờng. Giá trị hệ số bám lớn nhất trên đờng nhựa tốt. Nếu coi và gia tốc trọng trờng g = 10m/s max 0,7 0,8= ữ 1= 2 thì gia tốc chậm dần cực đại khi phanh trên đờng nhựa tốt, khô, nằm ngang có thể đạt trị số: . 2 Pmax J7,08,0[m/s]=ữ Trong quá trình phanh chậm dần, ôtô chỉ đạt gia tốc phanh chậm dần nhỏ hơn J Pmax khoảng 2 ữ 3 lần. Phanh cấp tốc chỉ xảy ra trong những tình huống đặc biệt nguy hiểm và chỉ chiếm khoảng 5 ữ10% tổng số lần phanh. 2.1.2 Thời gian phanh Thời gian phanh cũng là một trong các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả phanh cũng nh chất lợng quá trình phanh. Thời gian phanh càng nhỏ tức là hiệu quả phanh càng cao. Công thức (2.1) đợc thể hiện dới dạng vi phân nh sau: dv g. dt = (2.2) dt .dv g. = (2.3) Muốn xác định thời gian phanh cần tích phân lợng dt trong giới hạn vận tốc từ thời điểm ứng với vận tốc bắt đầu phanh v 1 tới thời điểm vận tốc v 2 ở cuối quá trình phanh. Công thức xác định thời gian phanh nh sau: ( 1 2 v P v t.dv.v g. g. == ) 12 v (2.4) Nếu phanh ôtô đến khi dừng hẳn thì v 2 = 0, khi đó thời gian phanh nhỏ nhất t Pmin đợc tính nh sau: 20 Pmin 1 t g. .v = (2.5) Công thức (2.5) cho thấy rằng thời gian phanh nhỏ nhất t Pmin không phụ thuộc vào trọng lợng xe mà phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu phanh ôtô v 1 , phụ thuộc vào hệ số ảnh hởng của khối lợng quay và phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe với mặt đờng. Để giảm thời gian phanh, ngời lái nên cắt ly hợp khi phanh. 2.1.3 Quãng đờng phanh 2.1.3.1 Quãng đờng phanh lý thuyết Quãng đờng phanh S P là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá hiệu quả phanh cũng nh chất lợng quá trình phanh của ôtô. So với các chỉ tiêu khác thì chỉ tiêu này mang tính trực quan và thực tế nhất, giúp lái xe xử lý tốt khi phanh trên đờng. Chỉ tiêu này thờng đợc đa vào trong các tài liệu tính năng kỹ thuật của ôtô, có kèm theo giá trị vận tốc bắt đầu phanh tơng ứng. Quãng đờng phanh càng nhỏ thì chất lợng phanh càng tốt. Công thức tính quãng đờng phanh đợc xác định trên cơ sở biểu thức (2.2) bằng cách nhân hai vế của biểu thức (2.2) với một lợng vi phân dS của quãng đờng phanh: dv g. .dS .dS dt = dS g. .dv v.dv .dS dt == (2.6) dS .v.dv g. = (2.7) Giá trị quãng đờng phanh S P đợc xác định bằng cách tích phân một lợng dS theo biểu thức trong giới hạn vận tốc từ thời điểm ứng với vận tốc bắt 21 đầu phanh v 1 tới thời điểm vận tốc v 2 ở cuối quá trình phanh. Công thức xác định quãng đờng phanh nh sau: () 1 2 v 22 P1 v S.v.dv.v g. 2.g. == 2 v (2.8) Nếu phanh ôtô đến khi dừng hẳn thì v 2 = 0, ta có thời gian phanh nhỏ nhất S Pmin đợc tính nh sau: 2 Pmin 1 S 2.g. .v = (2.9) Công thức (2.9) cho thấy rằng quãng đờng phanh nhỏ nhất phụ thuộc bậc hai vào vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh v 1 , phụ thuộc vào hệ số ảnh hởng của khối lợng quay và phụ thuộc vào hệ số bám giữa bánh xe với mặt đờng. Để giảm quãng đờng phanh cần giảm hệ số , nên ngời lái cần cắt ly hợp rồi mới phanh. Các công thức (2.1), (2.5), (2.9) về mặt lý thuyết không phụ thuộc vào trọng lợng toàn bộ G của ôtô. Nhng ba công thức trên đều phụ thuộc vào hệ số bám , mà hệ số lại phụ thuộc vào tải trọng G của ôtô. Khi G tăng lên thì giảm, do đó gia tốc phanh chậm dần sẽ giảm còn thời gian phanh và quãng đờng phanh sẽ tăng lên. Vì vậy, thực nghiệm đã chứng minh đợc rằng quãng đờng phanh của xe con, xe tải và xe khách khác nhau mặc dù bắt đầu phanh ở cùng một vận tốc v 1 . Đồ thị trên hình 2.1 mô tả mối quan hệ đó: Hình 2.1. Đồ thị chỉ sự thay đổi quãng đờng phanh theo vận tốc bắt đầu phanh v 1 và theo hệ số bám 22 Đồ thị trên hình 2.1 đã cho thấy rằng vận tốc bắt đầu phanh v 1 càng cao thì quãng đờng phanh S P càng lớn vì quãng đờng phanh phụ thuộc vào bình phơng của vận tốc v 1 , đồng thời hệ số bám càng cao thì quãng đờng phanh S P càng giảm. 2.1.3.2 Quãng đờng phanh thực tế Các công thức (2.1), (2.4), (2.8) xác định gia tốc chậm dần, thời gian phanh và quãng đờng phanh đều mang tính lý thuyết, tức là trong điều kiện lý tởng với một loạt các giả thiết đã đợc đặt ra. Khi đó, áp suất khí nén trong hệ thống đợc coi nh đạt giá trị cực đại ngay tại thời điểm bắt đầu phanh và thời gian phản ứng của lái xe không đợc kể đến. Thời gian phanh thực tế không phải đợc tính từ khi phanh bắt đầu có hiệu quả mà phải tính từ khi ngời lái nhận đợc tín hiệu để phanh. Do đó, t P và S P sẽ lớn hơn so với các giá trị tính theo các công thức (2.5), (2.9). Để xác định đợc quãng đờng phanh thực tế cần nghiên cứu quá trình phanh qua các đồ thị thực nghiệm thể hiện quan hệ giữa lực phanh P P sinh ra ở bánh xe (hoặc mômen phanh M P ) với thời gian t. Đồ thị này đợc gọi là giản đồ phanh (hình 2.2). Đây cũng là đồ thị biểu thị quan hệ của gia tốc chậm dần J P với thời gian t. Hình 2.2. Giản đồ phanh 23 Giản đồ phanh nhận đợc bằng thực nghiệm và qua giản đồ phanh có thể phân tích và thấy đợc bản chất của quá trình phanh. Trên giản đồ, gốc toạ độ đợc coi là thời điểm ngời lái phát hiện ra chớng ngại vật ở phía trớc và nhận thức đợc rằng cần phải phanh xe. Thời gian các giai đoạn trong quá trình phanh thực tế đợc xác định cụ thể gồm có: - t 1 : thời gian phản xạ của ngời lái, tức là từ lúc thấy đợc chớng ngại vật cho đến lúc tác dụng vào bàn đạp phanh. Thời gian này phụ thuộc vào trình độ của ngời lái. Thời gian t 1 thờng nằm trong giới hạn t 1 = 0,3 ữ 0,8s. - t 2 : thời gian chậm tác dụng của hệ thống phanh do phải khắc phục hành trình tự do trong hệ thống, tức là thời gian từ lúc ngời lái tác dụng vào bàn đạp phanh cho đến khi má phanh ép sát vào tang phanh. Thời gian này phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, đối với phanh khí nén t 2 = 0,2 ữ 0,4s. - t 3 : thời gian tăng lực phanh và tăng gia tốc chậm dần. Thời gian này cũng phụ thuộc vào kết cấu dẫn động phanh, với phanh khí nén t 3 = 0,5 ữ1s. - t 4 : thời gian phanh hoàn toàn với lực phanh cực đại P Pmax và với gia tốc chậm dần cực đại J Pmax . Thời gian này đợc xác định theo công thức (2.1). Trong thời gian này lực phanh và gia tốc chậm dần có giá trị không đổi. - t 5 : thời gian nhả phanh sau khi xe dừng, lực phanh giảm dần về 0. Đối với phanh khí nén t 2 = 1,5 ữ 2s. Khi ôtô đã dừng hoàn toàn thì thời gian phanh t 5 không ảnh hởng đến quãng đờng phanh nhỏ nhất. Nh vậy thời gian phanh thực tế tổng cộng kể từ lúc có tín hiệu phanh đến khi phanh dừng hẳn sẽ là: t P = t 1 + t 2 + t 3 + t 4 (2.10) Từ giản đồ phanh cho thấy ở thời gian t 1 + t 2 , lực phanh và gia tốc chậm dần bằng không. Lực phanh và gia tốc bắt đầu tăng lên từ thời điểm A là điểm khởi đầu của thời gian t 3 . Cuối thời gian t 3 , lực phanh và gia tốc chậm dần đạt 24 giá trị cực đại và giữ không đổi trong suốt thời gian t 4 . Cuối thời gian t 4 , gia tốc chậm dần và lực phanh bắt đầu giảm. Hết thời gian t 5 , lực phanh bằng không. Gia tốc chậm dần trong thời gian t 4 đợc gọi là gia tốc chậm dần ổn định. Tuy nhiên, giản đồ phanh trên đây đã đợc đơn giản hóa, còn giản đồ phanh lấy từ thực nghiệm có dạng đờng gợn sóng nhấp nhô. Nếu kể đến thời gian phản xạ của ngời lái và thời gian chậm tác dụng của dẫn động phanh thì quãng đờng phanh thực tế đợc xác định nh sau: S P = S 1 + S 2 + S 3 + S 4 (2.11) Trong đó : S 1 + S 2 = v 1 .(t 1 + t 2 ) (2.12) 2 3 313Pmax t Sv.tJ . 6 = (2.13) Quãng đờng xe chạy trong thời gian t 4 đợc xác định từ điều kiện cân bằng giữa công do lực phanh sinh ra với động năng của xe trong thời gian t 4 : 2 Pmax 4 4 G P.S .v 2. g = (2.14) Trong đó : P Pmax là lực phanh ôtô trên đoạn đờng S 4 , [N] v 4 là vận tốc ban đầu của ôtô trên đoạn đờng S 4 , [m/s] 3 41Pmax t vvJ. 2 = Từ đó ta có công thức xác định S 4 nh sau: 22 113Pmax 4 Pmax vv.tJ. S 2.J 2 8 =+ 3 t (2.15) Tổng quãng đờng phanh của ôtô sẽ là: 25 22 31Pmax P112 Pmax tvJ Sv.tt 22.J 24 =+++ 3 .t (2.16) Khi phanh cấp tốc đến giới hạn hãm cứng bánh xe các cầu thì: J Pmax = g. Khi đó quãng đờng phanh trong trờng hợp phanh cấp tốc sẽ là: 22 31 P112 tvg Sv.tt 22.g. 24 3 t =+++ (2.17) Trong quá trình sử dụng thực tế, do má phanh bị mòn và do điều chỉnh không đúng sẽ làm cho quãng đờng phanh lớn hơn rất nhiều và gia tốc phanh chậm dần giảm đi 10 ữ 15% so với khi phanh còn mới và điều chỉnh đúng. 2.1.4 Lực phanh và lực phanh riêng Ba chỉ tiêu quan trọng nhất đã đợc xem xét ở trên. Lực phanh và lực phanh riêng cũng là chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả phanh. Tuy nhiên chỉ tiêu này chỉ đợc dùng thuận lợi nhất khi thử phanh ôtô trên bệ thử. Lực phanh sinh ra ở các bánh xe ôtô đợc xác định theo công thức: P P K M P r = (2.18) Trong đó : M P là mômen phanh của các cơ cấu phanh, [N.m] r K là bán kính tính toán của bánh xe, [m] Lực phanh riêng là lực phanh tính trên một đơn vị trọng lợng toàn bộ G của ôtô. Lực phanh riêng đợc xác định theo công thức (2.18): P P P P G = (2.19) Lực phanh riêng đạt cực đại khi lực phanh đạt cực đại: 26 Pmax Pmax PG. GG = = = (2.20) Công thức (2.19) cho thấy lực phanh riêng cực đại có giá trị bằng hệ số bám. Nh vậy, về mặt lý thuyết, lực phanh riêng cực đại có thể đạt đợc giá trị 70 ữ 80% trên mặt đờng nhựa khô nằm ngang. Nhng trong thực tế, giá trị đạt đợc chỉ trong khoảng 45 ữ 65%. Ngoài ra có thể sử dụng thông số lực phanh riêng cho từng cầu xe . Các giá trị này dùng để đánh giá khả năng sử dụng trọng lợng bám ở từng cầu. P1 P2 , P1 P2 P1 P2 K1 K2 PP ; RR = = (2.21) Cả bốn chỉ tiêu trên đều có giá trị ngang nhau, nghĩa là khi đánh giá chất lợng phanh chỉ cần dùng một trong bốn chỉ tiêu đó. Việc dùng chỉ tiêu nào để đánh giá hiệu quả phanh là tuỳ thuộc vào tình hình trang thiết bị đo lờng của từng nớc và sự phát triển nền công nghiệp của nớc đó. Việt Nam hiện đang sử dụng hai chỉ tiêu là quãng đờng phanh và gia tốc chậm dần cực đại khi phanh. Tại Việt Nam hiện nay, tiêu chuẩn về hiệu quả phanh cho phép ôtô lu hành trên đờng đợc quy định tại tiêu chuẩn 22 TCN 224-2001: Tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trờng của phơng tiện cơ giới đờng bộ do Bộ trởng Bộ Giao thông vận tải Việt Nam ban hành ngày 05/12/2001. Tiêu chuẩn này quy định thử xe ở chế độ không tải, trên mặt đờng bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng bằng phẳng và khô, đợc đánh giá bằng một trong hai chỉ tiêu: S P hoặc J Pmax , hệ số bám không nhỏ hơn 0,6. Vận tốc bắt đầu phanh là 30[Km/h] hay là 8,33[m/s]. 27 Loại ôtô Quãng đờng phanh S P [m] Gia tốc phanh J Pmax [m/s 2 ] Ôtô con, kể cả ôtô con chuyên dùng đến 09 chỗ (kể cả ngời lái) Không lớn hơn 7,2 Không nhỏ hơn 5,8 Ôtô tải có trọng lợng toàn bộ không lớn hơn 8000KG, ôtô khách trên 09 chỗ (kể cả ngời lái) có tổng chiều dài không lớn hơn 7,5m Không lớn hơn 9,5 Không nhỏ hơn 5,0 Ôtô tải hoặc đoàn ôtô có trọng lợng toàn bộ lớn hơn 8000KG, ôtô khách trên 09 chỗ (kể cả ngời lái) có tổng chiều dài lớn hơn 7,5m Không lớn hơn 11 Không nhỏ hơn 4,2 Bảng 2.1. Tiêu chuẩn kiểm tra hiệu quả phanh công tác định kỳ trên đờng ở Việt Nam 2.2. Khảo sát động lực học quá trình phanh xe Việc khảo sát động lực học quá trình phanh sẽ cho ta thấy rõ các yếu tố ảnh hởng mật thiết đến quá trình phanh. Kết quả quan trọng nhất mà quá trình khảo sát thu đợc đó là tìm ra đợc các điều kiện để hiệu quả phanh đạt tối u và một số chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả ấy. 2.2.1. Các giả thiết Khi đang chuyển động trên đờng cũng nh khi bắt đầu vào chế độ phanh ôtô chịu tác dụng của nhiều nội lực và ngoại lực phức tạp. Để đơn giản và thuận tiện cho việc khảo sát, đề tài đa ra một số giả thiết sau: 28 [...]... bánh xe cầu sau của ôtô + PW là lực cản không khí Trong quá trình phanh, lực cản lăn và lực cản không khí có giá trị nhỏ, có thể bỏ qua Sự bỏ qua này chỉ gây ra sai số khoảng 1,5 ữ 2% 2. 2.3 Động lực học quá trình phanh Sử dụng sơ đồ khảo sát hình 2. 3 viết phơng trình cân bằng lực của ôtô theo chiều chuyển động ta có: PJ = PP + Pf + PW (2. 22) Hay: G dv dS = PP + G.f + K W F g dt dt 2 (2. 23) Trong... của kết cấu hệ thống phanh 2. 2 .2 Sơ đồ khảo sát Từ các giả thiết trên, sơ đồ khảo sát động lực học quá trình phanh xe đợc đa ra nh trên hình 2. 3 Hình 2. 3 Sơ đồ lực tác dụng lên ôtô khi phanh Trong đó: + PP1, PP2 là lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe cầu trớc và bánh xe cầu sau với mặt đờng Bản chất của lực phanh chính là phản lực 29 tiếp tuyến ngợc chiều chuyển động của ôtô, xuất hiện... a J P h g K2 L g (2. 29) Trong trờng hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các bánh xe cầu trớc và cầu sau sẽ là: PP1 R K1 R K1 = = PP2 R K2 R K2 (2. 30) Từ công thức (2. 22) và các giả thiết đã nêu, ta có: PJ = PP = PP1 + PP2 (2. 31) 32 PJmax = G J P max = PP max = G. = G. P max g J P max = g. = g. P max (2. 32) (2. 33) Công thức (2. 33) xác định gia tốc phanh lớn nhất khi... bố lực phanh lý tởng hay chính là khi phanh có hiệu quả nhất Theo biểu thức (2. 30), đó cũng là thời điểm lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỷ lệ thuận với tải trọng tác dụng lên chúng Tải trọng đó lại bị thay đổi trong quá trình phanh do tác dụng của lực quán tính Thay giá trị của JPmax ở biểu thức (2. 33) lần lợt vào các biểu thức (2. 29) và (2. 30) ta có: PP1 b + h g = PP2 a h g (2. 34) Biểu thức (2. 34)... lực cản lăn khi phanh cấp tốc Ta có: g g J P max = P = (2. 26) Theo biểu thức (2. 24), để đạt đợc PPmax thì phải sử dụng hoàn toàn trọng lợng bám khi phanh Để sử dụng hoàn toàn trọng lợng bám của ôtô thì lực phanh sinh ra ở các bánh xe hoặc các trục phải đồng thời đạt đến giá trị lực bám Nói cách khác, lực phanh riêng ở các trục phải bằng nhau, nghĩa là: 31 P1 = P2 = PP1 P = P2 = R K1 R K2 (2. 27)... K1 R K2 (2. 27) Biểu thức (2. 27) cho thấy các lực phanh phải tỷ lệ tơng ứng với các phản lực pháp tuyến của đờng tác dụng lên bánh xe của các cầu Trong trờng hợp này ta có thể nói đã có sự phân bố lực phanh lý tởng Nếu biểu thức (2. 27) không đợc thỏa mãn thì sẽ xảy ra sự hãm cứng các bánh xe ở một cầu rồi đến cầu còn lại, dẫn đến mất ổn định chuyển động của xe Khi đó lực phanh riêng của xe sẽ nhỏ hơn... số bám và gia tốc phanh cũng sẽ nhỏ hơn gia tốc khi đạt đến sự phân bố lực phanh lý tởng Theo sơ đồ trên hình 2. 3, ta có hệ phơng trình cân bằng sau: R K1 + R K2 = G R K1 L = PJ h g + G.b (2. 28) Trong quá trình phanh, có thể bỏ qua ảnh hởng của lực cản lăn, lực cản không khí và coi 1 Giải hệ phơng trình trên ta xác định đợc giá trị phản lực pháp tuyến của đờng tác dụng lên bánh xe cầu trớc và cầu... dẫn động ra cơ cấu phanh cầu trớc và cơ cấu phanh cầu sau Mômen phanh ở các bánh xe các cầu đợc xác định từ lực phanh: 33 M P1 = PP1 rk = R K1 P rk M P2 = PP2 rk = R K2 P rk (2. 35) Hoặc đợc xác định từ điều kiện bám: J P h g G M P1 = R K1 .rk = b + .rk L g M = R .r = G a J P h g .r k K2 k P2 L g (2. 36) Dựa vào biểu thức (2. 36) ta có thể biểu thị mối quan hệ giữa MP1, MP2 phụ... (2. 30) ta có: PP1 b + h g = PP2 a h g (2. 34) Biểu thức (2. 34) là chính điều kiện đầy đủ đảm bảo phanh xe có hiệu quả nhất, nghĩa là muốn phanh đạt hiệu quả nhất thì trong quá trình phanh xe, quan hệ lực phanh ở các bánh xe trớc PP1 với lực phanh ở các bánh xe sau PP2 phải luôn thỏa mãn biểu thức (2. 34) Tuy nhiên, trong điều kiện sử dụng của ôtô thì tọa độ trọng tâm luôn thay đổi do cách chất tải... gia tốc trọng trờng, [m/s2] Trong thực tế khi vận tốc ôtô nhỏ hơn 100Km/h thì lực cản không khí chiếm khoảng 4% tổng lực cản, do vậy khi xác định gia tốc phanh và quãng đờng phanh có thể bỏ qua PW Bỏ qua PW và thay P từ công thức (2. 19) vào phơng trình (2. 23) ta có biểu thức xác định gia tốc phanh nh sau: JP = dv g = ( P + f ) dt (2. 25) Khi phanh cấp tốc, về mặt trị số lực phanh riêng sẽ gần bằng . phanh công tác định kỳ trên đờng ở Việt Nam 2.2. Khảo sát động lực học quá trình phanh xe Việc khảo sát động lực học quá trình phanh sẽ cho ta thấy rõ các yếu tố ảnh hởng mật thiết đến quá. đầy đủ đảm bảo phanh xe có hiệu quả nhất, nghĩa là muốn phanh đạt hiệu quả nhất thì trong quá trình phanh xe, quan hệ lực phanh ở các bánh xe trớc P P1 với lực phanh ở các bánh xe sau P P2 . Khi phanh trên đờng bằng thì lực phanh P P chiếm khoảng 98% tổng các lực cản trong quá trình phanh. Do đó ta có thể coi lực phanh sẽ cân bằng với lực quán tính. Mặt khác, khả năng tiếp nhận lực