TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Kể từ khi ô tô được phát minh ra, phanh đã là một bộ phận không thể thiếu của nó
Hệ thống phanh trong xe hơi hiện đại đã trải qua nhiều cải tiến đáng kể kể từ khi ra đời, mang lại hiệu suất và độ an toàn cao hơn cho người lái.
Trong những năm đầu, phanh xe được chế tạo từ các khối gỗ gắn vào vành bánh xe, giúp giảm tốc độ khi người lái gạt đòn bẩy Cơ chế này đã được sử dụng trong nhiều năm, kể cả trong giai đoạn đầu phát triển của xe hơi Tuy nhiên, với sự gia tăng nhanh chóng về tốc độ của xe, việc sử dụng gỗ làm phanh trở nên không hiệu quả và gây ra tiếng ồn khó chịu.
Hình 1.1: Hệ thống phanh bằng khối gỗ trên các mẫu xe ngày xưa
Trong quá trình phát triển, hệ thống phanh bằng gỗ đã được thay thế bằng thép và da Mặc dù bàn đạp chân đã được sử dụng thay cho đòn bẩy, nhưng hệ thống mới vẫn gặp phải một số vấn đề, như tiếng ồn lớn khi đạp phanh và hiệu quả sử dụng chưa đạt yêu cầu.
Ô tô hiện đại không chỉ là phương tiện giao thông thiết yếu mà còn mang lại sự thoải mái và an toàn cho người sử dụng, phản ánh sự phát triển liên tục và không ngừng nghỉ của ngành công nghiệp ô tô.
Hệ thống phanh đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những thiết kế thô sơ đến các công nghệ tiên tiến như phanh thủy lực và khí nén Mặc dù đã cải thiện hiệu suất, nhưng các hệ thống này vẫn gặp phải nhiều vấn đề như mất ổn định khi phanh mạnh và quãng đường phanh dài Để khắc phục những nhược điểm này, hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) đã được nghiên cứu và phát triển Hệ thống phanh ABS hoạt động dựa trên nguyên lý nhấp nhá, với ba chế độ tăng áp, giữa áp và giảm áp, giúp ngăn chặn hiện tượng bó cứng bánh xe, từ đó cải thiện khả năng kiểm soát và an toàn khi phanh.
Hệ thống phanh ABS bao gồm cảm biến tốc độ, bộ điều khiển, bơm thủy lực (phanh thủy lực) hoặc máy nén (phanh khí nén) và các van điện từ Nhờ sự tiến bộ trong khoa học và kỹ thuật, nhiều hệ thống hỗ trợ phanh như ESP, EBD và ASR đã được phát triển Các xe hơi hiện đại ngày nay thường được trang bị phanh đĩa thủy lực hoặc phanh khí, kết hợp với hệ thống ABS và các công nghệ hỗ trợ phanh tiên tiến.
Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, hệ thống phanh thủy lực và khí nén đã trở nên không còn tối ưu do chiếm nhiều không gian và có thời gian phản hồi chậm Do đó, việc nghiên cứu hệ thống phanh mới như phanh cơ điện trở thành cần thiết Chúng tôi nhận thấy tiềm năng lớn từ phanh cơ điện, đặc biệt là hệ thống phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang phát triển, và quyết định chọn đề tài này để khám phá sâu hơn.
Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ôtô nhằm tìm hiểu sâu hơn về hệ thống phanh nêm điện tử EWB đang được Siemens phát triển.
Mục đích nghiên cứu
Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống phanh điện tử EWB trên ô tô, mô tả hoạt động và những ưu điểm nổi bật của nó Qua đó, chúng tôi thiết lập một mô hình đơn giản nhằm mô phỏng hệ thống phanh cơ điện này, giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và lợi ích của công nghệ phanh hiện đại.
Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trong và ngoài trường.
Nội dung nghiên cứu
Tổng quát về hệ thống phanh điện
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Thi công mô hình mô phỏng sơ bộ hệ thống
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nhiều phương pháp trong đó có phương pháp chính như sau:
Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh
Nghiên cứu và biên dịch tài liệu nước ngoài
Tham khảo các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động lực
Chọn lọc thông tin, học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè.
TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHANH ĐIỆN
Chức năng của hệ thống phanh
Hệ thống phanh đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tốc độ và dừng xe, đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách Đối với ôtô, phanh không chỉ giúp ngăn ngừa tai nạn mà còn cần được cải tiến liên tục để tối ưu hiệu suất Việc phát triển các hệ thống phanh nhỏ gọn và hiệu quả giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm không gian trong xe.
Hệ thống phanh bao gồm cơ cấu phanh giúp hãm tốc độ góc của các bánh xe hoặc trục trong hệ thống truyền lực, cùng với truyền động phanh để điều khiển cơ cấu phanh.
Trên ô tô, phanh xe hoạt động bằng cách tạo ra ma sát giữa các bộ phận quay và đứng yên của hệ thống bánh xe, cụ thể là giữa tang trống và má phanh hoặc đĩa phanh với má phanh Quá trình ma sát này có thể gây mài mòn và làm nóng các chi tiết, và nếu không được phát hiện và điều chỉnh kịp thời, sẽ dẫn đến giảm hiệu quả phanh Hư hỏng trong hệ thống phanh có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tính an toàn khi di chuyển của ô tô.
Yêu cầu của hệ thống phanh
Phanh êm dịu trong bất kỳ mọi trường hợp để đảm bảo sự ổn định của ô tô khi phanh
Điều khiển nhẹ nhàng, nghĩa là lực tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển không lớn
Dẫn động phanh có độ nhạy cảm lớn
Để đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu, việc phân bố mômen phanh trên các bánh xe cần phải được thực hiện sao cho tận dụng hoàn toàn trọng lượng bám trong mọi tình huống phanh, bất kể cường độ phanh là như thế nào.
Không có hiện tượng tự siết phanh
Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt
Có hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong điều kiện sử dụng
Giữ tỉ lệ thuận giữa lực trên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh trên bánh xe
Có khả năng phanh khi sử dụng trong thời gian dài
Để đảm bảo an toàn, xe phải có khả năng dừng nhanh chóng trong mọi tình huống, với phanh đột ngột giúp xe dừng lại trong khoảng cách ngắn nhất và đạt gia tốc cực đại Theo tiêu chuẩn Châu Âu, xe con cần phải đạt hiệu suất tối ưu trong tất cả các bài thử nghiệm.
Hệ thống phanh cần có độ nhạy cảm cao, hiệu quả phanh không thay đổi nhiều lần giữa các lần phanh
Đảm bảo tránh hiện tượng trượt lết trên đường
Phanh chân và phanh tay hoạt động độc lập, không ảnh hưởng lẫn nhau Trong trường hợp phanh chân gặp sự cố, phanh tay có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế, đảm bảo chức năng dự phòng an toàn.
Phanh tay dùng để giữ nguyên vị trí xe, phải giữ nguyên trên dốc tối thiểu là 18% (tức là 16-20 độ)
Các cơ cấu phanh cần có khả năng thoát nhiệt hiệu quả để tránh làm nóng các bộ phận xung quanh như lốp xe và moay ơ Đồng thời, việc điều chỉnh và thay thế các chi tiết hư hỏng cũng phải được thực hiện một cách dễ dàng.
Để đáp ứng các yêu cầu trong thiết kế cấu trúc cơ khí, cần đảm bảo rằng sản phẩm chiếm ít không gian, có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và đáp ứng các tiêu chuẩn chung.
Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh
Khi người lái tác động lên bàn đạp phanh, cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma sát, hay còn gọi là mômen phanh, để hãm bánh xe Điều này dẫn đến sự xuất hiện của phản lực tiếp tuyến tại bánh xe.
Chiều ngược chiều chuyển động
Phương song song với mặt phẳng nằm ngang
Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường
Xét tại một bánh xe như hình vẽ [2]
Hình 2.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh
M p : Mômen phanh tác dụng lên bánh xe
F p : Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường
Mjb : Mômen quán tính của bánh xe
Z b : Phản lực của bánh xe r b : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe
Khi đó lực phanh P p được xác định theo công thức: p p b
Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường
F p max : Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường
F : Lực bám giữa bánh xe với mặt đường
Z b : Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe
: Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường
Khi phanh, bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, dẫn đến mômen quán tính M jb tác dụng cùng chiều chuyển động của bánh xe Đồng thời, mômen cản lăn M f tác động ngược chiều, có vai trò hãm bánh xe Do đó, lực hãm tổng cộng khi phanh bánh xe được xác định bởi các yếu tố này.
Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh tại cơ cấu phanh sẽ tăng lên cho đến khi bánh xe bắt đầu trượt lê Khi bánh xe trượt hoàn toàn, hệ số bám giảm xuống mức thấp nhất, dẫn đến lực phanh giữa bánh xe và mặt đường cũng giảm, làm giảm hiệu quả phanh Hơn nữa, khi bánh xe trượt, khả năng dẫn hướng của xe sẽ bị ảnh hưởng, và nếu bánh sau trượt, tính ổn định khi phanh sẽ bị mất.
Để ngăn chặn hiện tượng trượt lê bánh xe và đảm bảo an toàn khi phanh, ôtô hiện đại được trang bị hệ thống ABS, giúp chống bó cứng bánh xe.
Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu
Giả sử ôtô chuyển động với vận tốc v 1 , khi phanh thì v 1 giảm dần và gia tốc j