TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
Khái niệm cơ điện tử
Cơ điện tử là một hệ thống máy móc được trang bị thiết bị điều khiển lập trình, cho phép hoạt động linh hoạt trong nhiều lĩnh vực Nó được ứng dụng rộng rãi trong sinh hoạt hàng ngày như máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt và máy chụp hình Ngoài ra, cơ điện tử còn đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp với các modul sản xuất linh hoạt và tự động hóa quy trình sản xuất, cũng như trong nghiên cứu khoa học thông qua các thiết bị đo và hệ thống kiểm tra.
Cơ điện tử, được định nghĩa bởi các nhà khoa học, xuất phát từ khái niệm của công ty Yasakawa Electric, trong đó thuật ngữ "Mechantronics" được hình thành từ "Mecha" trong "Mechanism" và "tronics" trong "electronics" Điều này cho thấy rằng các công nghệ và sản phẩm hiện nay ngày càng được tích hợp chặt chẽ, khiến ranh giới giữa các thành phần điện tử và cơ cấu trở nên mờ nhạt.
Cơ điện tử, theo định nghĩa của Harashima, Tomizukava và Fuduka vào năm 1996, là sự kết hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và điều khiển máy tính thông minh, nhằm thiết kế và chế tạo các sản phẩm cũng như quy trình công nghiệp.
Cơ điện tử được định nghĩa bởi Auslander và Kempf là sự tổng hợp các quyết định nhằm tạo ra hoạt động cho các hệ vật lý.
Năm 1997, Shetty lại quan niệm: “ Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế Tối Ưu Hóa các sản phẩm cơ điện.”
Gần đây, Bolton đã đưa ra một định nghĩa về hệ cơ điện tử, nhấn mạnh rằng đây không chỉ là sự kết hợp giữa các hệ cơ khí và điện, mà còn là một hệ thống điều khiển toàn diện Hệ cơ điện tử là sự tích hợp đầy đủ của tất cả các hệ thống này, tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh và hiệu quả.
Cơ điện tử là một lĩnh vực đa dạng và phong phú, với nhiều định nghĩa và phát biểu khác nhau Tuy nhiên, khi xem xét từng định nghĩa một cách riêng lẻ, chúng không thể cung cấp cái nhìn toàn diện và đầy đủ về thuật ngữ Cơ điện tử.
Hình 1 1 Cơ điện tử kết hợp giữa robot và tin học
Cơ điện tử là sự kết hợp mạnh mẽ giữa các lĩnh vực cơ khí, điện tử và tin học, tạo ra những sản phẩm mới với tính năng vượt trội Sự liên kết này không chỉ mang lại nhiều cơ hội phát triển mà còn đặt ra không ít thách thức cho ngành cơ điện tử Các sản phẩm cơ điện tử sở hữu những đặc trưng và ưu thế riêng, nổi bật hơn so với các hệ thống công nghệ độc lập khác.
Hình 1 2 Kết cấu cơ điện tử
Sản phẩm Cơ điện tử bao gồm các thiết bị gia dụng và đồ dùng được sản xuất hàng loạt, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Những sản phẩm này không chỉ chất lượng cao mà còn mang lại tiện ích tối ưu, phù hợp với yêu cầu riêng của từng người sử dụng Người tiêu dùng thường lựa chọn những sản phẩm này vì tính kinh tế, tiện dụng và hiệu quả, mà không cần quan tâm đến công nghệ bên trong.
Cơ điện tử có thể được định nghĩa như sau:
Cơ điện tử là lĩnh vực khoa học và công nghệ kết hợp nhiều ngành khác nhau, nhằm phát triển và nâng cao tính thông minh cho các sản phẩm, mang lại linh hồn và cảm xúc cho các công cụ phục vụ con người.
1.1.2 Các thành phần của hệ thống cơ điện tử
Hình 1 3 Sơ đồ hệ thống cơ điện tử.
Thiết bị công nghệ cơ khí: Đây chính là cơ cấu máy công tác, thực hiện các thao tác của quá trình công nghệ.
Thiết bị chuyển đổi năng lượng là công cụ quan trọng trong việc xác định giá trị các đại lượng vật lý, như cảm biến vận tốc, cảm biến áp suất và cảm biến lưu lượng Những thiết bị này giúp theo dõi và đo lường các thông số cần thiết trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Cơ cấu chấp hành là thiết bị nhận năng lượng từ bên ngoài và thực hiện tác động lên thiết bị công nghệ dựa trên tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển Trong hệ thống cơ điện tử, thường có ba loại cơ cấu chấp hành chính: công tắc, động cơ điện tịnh tiến và động cơ điện quay.
Bộ vi xử lý ( microprocessor).
Lõi của bộ điều khiển bao gồm bốn thành phần chính: bộ tính toán số học và logic, bộ điều khiển, các thanh ghi và bus truyền thông.
Phần mềm điều khiển thể hiện thuật toán điều khiển có tác dụng chỉ ra các cách thức hệ thống hoạt động.
Hệ thống cơ điện tử trên ô tô
Hình 1 4 Hệ thống cơ điện tử trên ô tô.
Hệ thống cơ điện tử là một hệ thống điều khiển toàn diện, quản lý động cơ, truyền lực, phanh và các chức năng khác với độ chính xác cao thông qua ECU (bộ xử lý) Hệ thống này tích hợp nhiều ECU khác nhau, đảm bảo các tính năng cơ bản của ô tô được vận hành hiệu quả.
EFI: Hệ thống phun xăng điện tử.
ESA: Hệ thống đánh lửa sớm điện tử.
ISC: Hệ thống điều khiển tốc độ không tải.
ECT: Hộp số tự động điều khiển điện tử.
ABS: Hệ thống phanh chống bó cứng.
TEMS: Hệ thống treo điều khiển điện tử.
TRC: Hệ thống chống trượt bánh xe.
1.2.1.Các hệ thống điều khiển động cơ a) Hệ thống phun xăng điện tử EFI
Hình 1 5 Sơ đồ hệ thống EFI
Bơm nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu dưới áp suất không đổi đến các vòi phun, từ đó phun một lượng nhiên liệu nhất định vào đường ống nạp theo tín hiệu từ ECU động cơ ECU nhận tín hiệu từ nhiều cảm biến để điều chỉnh hoạt động, bao gồm áp suất đường ống nạp, góc quay trục khuỷu, tốc độ động cơ, tăng tốc, giảm tốc và nhiệt độ nước làm mát cùng với nhiệt độ khí nạp.
ECU sử dụng tín hiệu casc để xác định thời gian phun nhiên liệu cần thiết, nhằm đạt được tỷ lệ hòa khí tối ưu cho từng điều kiện hoạt động của động cơ Hệ thống đánh lửa sớm điện tử ESA cũng góp phần cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
ECU được lập trình để tối ưu hóa thời điểm đánh lửa cho mọi chế độ hoạt động của động cơ Dựa vào dữ liệu từ các cảm biến theo dõi, ECU sẽ gửi tín hiệu điều khiển IGT đến IC đánh lửa, đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra chính xác.
Các tín hiệu quan trọng bao gồm tốc độ động cơ NE, góc quay trục khuỷu G, áp suất đường ống nạp PIM, lưu lượng khí nạp (VS, KS và VG) và nhiệt độ nước làm mát THW Bên cạnh đó, việc điều khiển tốc độ không tải ISC cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành.
ECU được lập trình với các giá trị tốc độ động cơ tiêu chuẩn dựa trên nhiệt độ nước làm mát THW và trạng thái bật tắt của điều hòa A/C Các cảm biến gửi tín hiệu đến ECU, giúp điều khiển dòng khí qua van ISC và điều chỉnh tốc độ không tải về mức tiêu chuẩn Hệ thống chẩn đoán cũng đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
ECU động cơ có hệ thống chẩn đoán liên tục giám sát tín hiệu từ các cảm biến Khi phát hiện sự cố, ECU ghi lại dưới dạng mã DTC (Mã chẩn đoán hư hỏng) và kích hoạt đèn MIL (Đèn báo hư hỏng) Nếu cần, ECU có thể truyền tín hiệu DTC qua đèn MIL hoặc hiển thị trên màn hình máy chẩn đoán cầm tay Chức năng chẩn đoán này cung cấp DTC và dữ liệu liên quan đến sự cố trên máy chẩn đoán, thể hiện tính năng tiên tiến của hệ thống điện tử, bao gồm cả phanh ABS.
Hình 1 8 Sơ đồ hệ thống ABS
Thành phần chính đó là cảm biến tốc độ, cảm biến hồi chuyển
Bộ điều khiển ECU là bộ não điện tử của hệ thống ABS, có nhiệm vụ tiếp nhận và phân tích thông tin từ các cảm biến Khi phát hiện xe trong trạng thái an toàn, ECU sẽ ra lệnh cho các bộ phận khác hoạt động.
Bơm thủy lực và các van điều chỉnh đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phanh, giúp điều chỉnh lực đẩy của dầu lên má phanh Khi lực bóp phanh vượt quá mức an toàn, van điều chỉnh sẽ hỗ trợ để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống.
Khi khả năng trượt bánh giảm, các van sẽ chuyển động để phục hồi tác động mạnh nhất, giúp xe dừng nhanh chóng Quá trình này diễn ra trong một phần nhỏ của giây và lặp lại liên tục cho đến khi xe đạt được trạng thái cân bằng ổn định.
Nguyên lý hoạt động của phanh ABS
Phanh ABS thường khó nhận diện trên đường bình thường, nhưng khi gặp tình huống khó phanh, như đường trơn, ướt hoặc khi cần phanh đột ngột, hệ thống này sẽ phát huy hiệu quả rõ rệt.
Khi trượt bánh, tay lái thường mất kiểm soát, và hệ thống ABS sẽ hỗ trợ bằng cách bóp-nhả liên tục để giảm lực tác động vào đĩa phanh Điều này giúp ngăn chặn tình trạng bó phanh quá nhanh và mạnh, đồng thời duy trì sự quay của bánh xe Hệ thống ABS tự động áp dụng lực phanh tối đa để dừng phanh hoặc phát hiện nguy cơ khóa bánh mới.
Trong quá trình phân tích dữ liệu từ bộ cảm biến ở các bánh xe, nếu bộ điều khiển ABS phát hiện bánh xe có nguy cơ bị khóa cứng, nó sẽ đóng van để ngăn chặn dầu thắng chảy xuống Khi cần thiết, ABS sẽ mở van để dầu thắng lưu thông trở lại, giúp bánh xe lăn đều khi giảm tốc và tránh tình trạng khóa cứng.
Khi tốc độ xe đạt từ 20km/h trở lên, hệ thống ABS sẽ tự động hoạt động nhanh chóng, kèm theo âm thanh click bên trong máy Ngược lại, khi xe di chuyển với tốc độ dưới 20km/h, ABS sẽ ngừng hoạt động.
1.2.2.Các hệ thống điều khiển thân xe
Các hệ thống điều khiển thân xe gồm VSC-ESP-VSA ổn định thân xe.
Chương trình ổn định điện tử (ESP) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự an toàn khi lái xe, đặc biệt khi bạn điều khiển xe qua những khúc cua gấp với tốc độ cao Sự cần thiết của ESP sẽ trở nên rõ ràng khi bạn trải nghiệm cảm giác lái xe an toàn hơn trong những tình huống khó khăn.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE NISSAN SUNNY XL
Tổng quan về xe Nissan Sunny XL
2.1.1 Hình ảnh của xe Nissan Sunny XL 2016
Hình 2 2 Tuyến hình xe Nissan Sunny XL
Nissan Sunny XL được trang bị khung xe Zone Body nổi tiếng, mang đến sự vững chắc và an toàn tối ưu Khung vỏ được thiết kế với các vùng hấp thụ xung lực cùng nhiều tính năng an toàn thông minh, nhằm bảo vệ người lái và hành khách trong mọi tình huống.
Hệ thống chống bó cứng phanh ABS
Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD
Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp BA
Phanh đĩa trước và tang trống sau
Hệ thống túi khí kép SRS
Dây đai an toàn 3 điểm với bộ căng đai sớm và tự động nới lỏng
Các thông số kỹ thuật của xe Nissan Sunny XL
Các thông số kỹ thuật của xe Nissan Sunny XL được thể hiện dưới bảng sau:
STT Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
2 Hộp số Hộp số tay 5 cấp
4 Kích thước tổng thể LxWxH mm 4425x1695x1500
5 Chiều dài cơ sở L mm 2590
6 Chiều rộng cơ sở (Trước x sau)
8 Trọng lượng không tải G0 kg 1032
9 Trọng lượng toàn tải Ga kg 1419
10 Bán kính quay vòng tối thiểu
12 Dung tích bình xăng Lít 41
13 Hệ thống phun nhiên liệu
15 Kiểu động cơ 4 xylanh, thẳng hàng, 16 van, DOHC
16 Công suất tối đa Ne Hp/rmp 98/6000
17 Mômen xoắn tối đa Me N.m/rpm 134/4000
18 Dung tích công tác V cc 1498
19 Tốc độ tối đa Vmax Km/h 170 km/h
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH CHO XE NISSAN
Công dụng, yêu cầu của hệ thống phanh
3.1.1 Công dụng hệ thống phanh
Hệ thống phanh còn đảm bảo cho ô tô chuyển động an toàn ở tốc độ cao nâng cao năng suất vận chuyển.
3.1.2 Yêu cầu của hệ thống phanh
Hệ thống phanh là một bộ phận quan trọng của xe ô tô đảm nhận chức năng an toàn chủ động, cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:
Có hiệu quả phanh cao nhất ở tất cả các bánh xe trong mọi trường hợp.
Hoạt động êm dịu nhẹ nhàng để giảm cường độ lao động của người lái.
Hệ thống phanh cần có độ nhạy cao để nhanh chóng phản ứng với các tình huống nguy hiểm Đồng thời, việc phân bổ mômen phanh trên các bánh xe phải tuân theo nguyên tắc sử dụng tối đa trọng lượng bám khi thực hiện phanh ở mọi cường độ.
Không có hiện tượng tự xiết.
Có hệ số ma sát cao và ổn định.
Giữ được tỉ lệ thuận giữa lực tác dụng lên bàn đạp phanh và lực phanh sinh ra ở cơ cấu phanh.
Có độ tin cậy, độ bền và tuổi thọ cao.
Phân tích lựa chọn phương án thiết kế của hệ thống phanh
3.2.1 Chọn loại dẫn động phanh
Trên ô tô và máy kéo, có bốn loại dẫn động phanh chính: cơ khí, thủy lực, điện và khí nén Trong số này, dẫn động cơ khí thường chỉ được sử dụng cho phanh dừng do hiệu quả phanh thấp và khó khăn trong việc phanh đồng thời tất cả các bánh xe Điều này xảy ra vì không thể đảm bảo độ chính xác trong việc chế tạo các nhánh dẫn động, đặc biệt sau một thời gian sử dụng dài Do đó, dẫn động điện trở thành lựa chọn tối ưu, giúp giảm thời gian dẫn động và cho phép phanh đồng thời tất cả các bánh xe.
Loại dẫn động thuỷ lực
- Độ nhạy lớn, thời gian chậm tác dụng nhỏ
Đảm bảo phanh đồng thời tất cả các bánh xe là rất quan trọng, vì áp suất trong hệ thống chỉ tăng khi tất cả các má phanh tiếp xúc chặt chẽ với trống phanh, không phụ thuộc vào đường kính xy lanh hoặc khe hở giữa má phanh và trống.
- Kết cấu đơn giản, kích thước khối lượng và giá thành nhỏ
- Có khả năng dùng trên nhiều loại xe khác nhau mà chỉ cần thay đổi cơ cấu phanh
* Tuy vậy nó cũng có nhiều nhược điểm:
Yêu cầu về độ kín khít cao trong hệ thống ống dẫn có thể gây giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp Sự dao động áp suất của chất lỏng làm tăng rung động trong các đường ống và tạo ra mô men phanh không ổn định Hơn nữa, lực tác dụng lên bàn đạp lớn thường yêu cầu sử dụng các bộ trợ lực, dẫn đến việc cấu trúc dẫn động trở nên phức tạp hơn.
- Với các đặc điểm đó, dẫn động thủy lực được sử dụng rộng rãi trên các ô tô du lịch, ô tô tải cỡ nhỏ hoặc cỡ đặc biệt lớn
Sau khi phân tích ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của các loại dẫn động, chúng tôi quyết định chọn dẫn động thủy lực cho thiết kế xe con Do momen phanh ở các bánh xe nhỏ, lực bàn đạp cũng sẽ nhỏ, trong khi kích thước xe con 4 bánh hạn chế khả năng bố trí bầu chứa khí và các van dẫn động như tổng van phân phối và van hạn chế áp suất Hơn nữa, xe thiết kế có nhiều trang bị phụ, yêu cầu công suất động cơ lớn Nếu sử dụng phanh khí nén, cần có máy nén khí, điều này sẽ làm giảm công suất động cơ, không phù hợp với thiết kế.
3.2.2 Chọn sơ đồ dẫn động của hệ thống phanh.
Với dẫn động thủy lực hai dòng chéo nhau có trợ lực chân không có những ưu nhược điểm như:
- Khi bị hỏng hay rò rỉ dầu ở một dòng thì ô tô vẫn được phanh ở một bánh trước và một bánh sau ở phía so le.
- Chất lượng vẫn được đảm bảo tốt cả khi trên đường có hệ số bám dọc ở hai vết bánh xe khác nhau nhiều.
- Khi một dòng bị hư hỏng thì có thể làm quay ngang xe hoặc mất ổn định hướng khi phanh xe.
Qua phân tích ở trên => chọn dẫn động thủy lực hai dòng cho hai cầu riêng biệt có trợ lực chân không
Hệ thống chống bó cứng phanh ABS có các sơ đồ:
Hình 3 1 Sơ đồ ABS 1 kênh 1 cảm biến.
1 Cảm biến tốc độ; 2 Xylanh chính; 3 Khối thủy lực; 4 Cơ cấu cung cấp năng lượng; 5.
Bơm cao áp; 6 Rơle điện; 7 Xylanh bánh xe.
ABS 1 kênh - RWAL (Rear Wheel Antilock) hay RABS (Rear Antilock Braking System) là những hệ thống chống hãm cứng hai bánh sau, điều khiển áp suất dòng dẫn động đi đến đồng thời cả hai phanh bánh sau, nó chỉ là những hệ thống đơn giản được thiết kế cho các loại xe thể thao, xe tải nặng, vì các loại xe này rất dễ bị hãm cứng bánh sau khi phanh trong trường hợp non hoặc không tải.
Sơ đồ hình 3.1 minh họa việc sử dụng cảm biến tốc độ bánh xe, với vòng răng cảm biến được lắp đặt trên bánh răng của vành chậu trong bộ vi sai cầu sau.
Sơ đồ hình 3.2 mô tả hệ thống sử dụng hai cảm biến tốc độ bánh xe ở cầu trước và một cảm biến tốc độ bánh xe với vòng răng cảm biến được lắp trên bánh răng vành chậu của bộ vi sai cầu sau.
Hình 3 2 Sơ đồ ABS 3 kênh 3 cảm biến
Hình 3 3 Sơ đồ ABS 3 kênh 4 cảm biến
Sơ đồ ABS 3 kênh được trình bày trong Hình 3.3, bao gồm 4 cảm biến gắn ở các bánh xe và 4 van điều khiển Trong hệ thống này, hai bánh trước được điều khiển độc lập, trong khi hai bánh sau được điều khiển chung theo chế độ thấp (select low mode) Hệ thống ABS 3 kênh thường được áp dụng cho các xe có bánh sau chủ động và nhiều xe có bánh trước chủ động.
ABS 4 kênh điều khiển phanh 4 bánh xe một cách riêng biệt.
Sơ đồ ABS 4 kênh, như hình 3.4, bao gồm 4 cảm biến được lắp đặt ở các bánh xe và 4 van điều khiển độc lập, thường được sử dụng cho xe có động cơ đặt trước bánh trước chủ động Hệ thống này tự động điều chỉnh lực phanh cho từng bánh xe, đảm bảo rằng lực phanh luôn nằm trong vùng có khả năng bám tối đa, từ đó tối ưu hóa hiệu quả phanh Tuy nhiên, khi phanh trên đường có hệ số bám không đồng đều giữa hai bên, mô men quay vòng cưỡng bức có thể tăng lên, dẫn đến giảm tính ổn định của xe.
Hình 3 4 ABS 4 kênh 4 cảm biến
Ngoài các phương án dẫn động đã đề cập, còn có phương án sử dụng bơm trợ lực hệ thống lái thay vì bơm riêng cho ABS Tuy nhiên, phương pháp này hiện nay ít được áp dụng do khó khăn trong việc điều khiển nguồn động lực cho quá trình tăng áp và chi phí không tiết kiệm đáng kể Vì lý do này, bài viết sẽ không trình bày cách bố trí ABS theo kiểu này.
Phương pháp dẫn động phanh thủy lực hai dòng kết hợp với hệ thống chống bó cứng phanh ABS điều khiển bốn kênh và bốn bánh được xác định là tối ưu nhất trong các sơ đồ dẫn động đã phân tích.
Hình 3 5 Sơ đồ hệ thống phanh xe thiết kế.
1 Đĩa phanh; 2 Xylanh chính; 3 Bầu trợ lực chân không; 4 Bàn đạp phanh; 5 Công tắt khởi động; 6 Guốc phanh; 7 Má phanh; 8 Xylanh bánh xe; 9,16 Các cảm biến; 10. Dòng dẫn động phanh sau; 11 Đèn báo phanh; 12 Đèn báo ABS; 13 Bộ thuỷ lực và máy tính; 14 Bánh răng; 15 Dòng dẫn động phanh trước.
3.2.3 Chọn loại cơ cấu phanh
Trong hệ thống phanh, cơ cấu phanh là bộ phận tạo ra lực cản thông qua nguyên lý ma sát, bao gồm hai phần chính: các phần tử ma sát và cơ cấu ép Phần tử ma sát có thể là trống guốc, đĩa hoặc dải; trong đó, dải thường chỉ sử dụng trên máy kéo, đĩa thường dùng cho phanh cầu trước xe du lịch, còn trống guốc là loại phổ biến nhất.
Vì vậy cơ cấu phanh trước ta chọn cơ cấu phanh đĩa, cơ cấu phanh sau ta chọn loại trống guốc
*Với cơ cấu phanh trước:
Phanh đĩa có các loại: kín, hở, một đĩa, nhiều đĩa, loại vỏ quay, đĩa quay, vòng ma sát quay
Phanh dạng đĩa quay hở có hai phương pháp lắp ghép má kẹp: lắp cố định và lắp tùy động kiểu bơi Phương pháp lắp cố định mang lại độ cứng vững cao và cho phép sử dụng lực dẫn động lớn, nhưng có điều kiện làm mát kém dẫn đến nhiệt độ làm việc cao hơn Để cải thiện tình trạng này, phương pháp lắp má kẹp tùy động được sử dụng, giúp dịch sâu cơ cấu phanh vào bánh xe, từ đó giảm lực cản lăn tác động lên trụ quay đứng của các bánh xe dẫn hướng Sơ đồ kết cấu phanh đĩa quay loại má kẹp kiểu bơi được thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3 6 Sơ đồ kết cấu phanh đĩa loại má kẹp kiểu bơi.
1 Má phanh; 2 Piston; 3 Chốt dẫn hướng; 4 Đĩa phanh; 5 Má phanh.
Qua phân tích ta chọn phanh đĩa quay loại má kẹp kiểu bơi cho cơ cấu phanh trước.
Cơ cấu phanh sau có thể được lựa chọn là phanh guốc, với nhiều loại khác nhau như phanh guốc đối xứng qua trục, phanh guốc đối xứng qua tâm, phanh guốc loại bơi và phanh guốc loại tự cường hóa.
Tính toán các thông số cơ bản
3.3.1 Tính mômen phanh yêu cầu ở các cơ cấu phanh
Mômen phanh cần được xác định dựa trên điều kiện tối ưu hóa hiệu quả phanh, tức là tận dụng tối đa lực bám để tạo ra lực phanh Để đạt được điều này, lực phanh phải tỷ lệ thuận với các phản lực tiếp tuyến tác động lên bánh xe Hình 3.8 minh họa sơ đồ lực tác dụng lên xe.
Hình 3 8 Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh.
Ga - Trọng lượng toàn bộ của ô tô.
G1 - Trọng lượng toàn bộ của ô tô tác dụng lên cầu trước.
G2 - Trọng lượng toàn bộ của ô tô tác dụng lên cầu sau.
Z1 - Phản lực pháp tuyến từ mặt đường lên bánh trước của xe.
Z2 - Phản lực pháp tuyến từ mặt đường lên bánh sau của xe.
Chiều dài cơ sở của xe (Lo) và chiều cao trọng tâm (hg) là hai yếu tố quan trọng trong thiết kế ô tô Khoảng cách từ cầu trước đến tọa độ trọng tâm (a) cùng với khoảng cách từ cầu sau đến tọa độ trọng tâm (b) cũng đóng vai trò quyết định trong việc xác định tính ổn định và hiệu suất của xe.
Gọi Z1,Z2 lần lựơc la phản lực pháp tuyến tại mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước và cầu sau.
- Trọng lượng toàn bộ: Ga = 1419.9,8 = 13906,2 (N).
Theo [1] trọng lượng phân bố lên cầu trước và sau là 50/50.
Vậy tải trọng lượng phân bố lên cầu trước G1 và cầu sau G2 là:
G1 = G2 = Ga.0,5 = 13906,2.0,5 = 6953,1 (N) Xác định tọa độ trong tâm: a, b, hg.
Lấy mô men tại điểm O1 ta có:
Thay số vào ta được: a = 2590
Từ sơ đồ hình 3.8 ta thấy:
b = L0 – a = 2590 – 1295 = 1295 (mm) hg - Tọa độ trọng tâm theo chiều cao Theo tài liệu [2] ta có: hg = 0,5.B với B: chiều rộng cơ sở, B = 1480 (mm).
Từ hình 3.8 ta viết được phương trình cân bằng mô men như sau:
+ Đối với cầu trước: Z2.L0 - Ga.a + Pj.hg = 0 (2.3)+ Đối với cầu sau: Z1.L0 - Ga.b - Pj.hg = 0 (2.4)
Trong đó: Pj - Lực quán tính. ma - Khối lượng của ô tô. g - Gia tốc trọng trường.
Thay (2.3) vào (2.4) và (2.5) ta được:
(2.7) + Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước:
(2.8) + Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau:
Hệ số bám giữa lốp và mặt đường, ký hiệu là φ, đóng vai trò quan trọng trong tính toán khả năng sinh ra momen phanh Để đảm bảo momen cực đại luôn lớn hơn hoặc tối thiểu bằng momen xác định theo điều kiện bám, giá trị tối đa của φ được sử dụng Theo tài liệu, hệ số bám này dao động từ 0,75 đến 0,85, và thường được chọn là φ = 0,8.
Thay (2.6) vào (2.8) ta được lực bám của mỗi bánh xe ở cầu trước với mặt đường là:
Thay (5.7) vào (5.9) ta được lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu:
Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước: bx p p P r
(2.13) Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau: bx p P r
Mp1 - Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước.
Pp1 - Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu trước.
Mp2 - Mômen phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau.
Pp2 - Lực phanh của mỗi bánh xe ở cầu sau.
Z1 - Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu trước.
Z2 - Phản lực của mặt đường tác dụng lên cầu sau. rbx - Bán kính làm việc của bánh xe, rbx = λ.r0 [mm]. r0 - Bán kính thiết kế của bánh xe, r0 = H +
2 d 25,4 [mm]. d - Đường kính của vành bánh xe được tính theo đơn vị Anh (inch).
B - Bề rộng của lốp được tính theo đơn vị (mm).
Theo tài liệu tham khảo ta có kí hiệu lốp: 185/65R15.
→ B = 185 [mm]; d = 15 [inch]; H = 0,65.B λ - Hệ số kể đến sự biến dạng của lốp.
Theo [1] đối với xe con ta chọn lốp có áp suất thấp λ= 0.93 ÷ 0.935.
- Ðối với cơ cấu phanh trước (phanh đĩa).
Mô men phanh của mỗi bánh xe cầu trước Mp1:
Thay giá trị vào các công thức (2.12) ta được: bx p p P r
- Ðối với cơ cấu phanh sau (phanh guốc).
Mô men phanh của mỗi bánh xe cầu sau Mp2:
Thay các giá trị trên vào công thức (2.14) ta được bx p P r
Tính toán thiết kế cơ cấu phanh
3.4.1 Tính toán thiết kế cơ cấu phanh trước a) Tính toán lực phanh mà cơ cấu phanh sinh ra
Hình 3 9 Sơ đồ tính toán phanh đĩa
Mômen phanh sinh ra trên một cơ cấu phanh dạng đĩa quay được xác định như sau:
- Hệ số ma sát: m- Số đôi bề mặt má phanh Chọn m = 2.
P- Lực ép má phanh vào đĩa phanh. rtb- Bán kính đặt lực: 1 2 tb 2
Với R 1, R 2- là bán kính bên trong, ngoài tấm ma sát.
Theo xe tham khảo ta chọn:
Thay vào công thức (2.17) ta có:
b) Tính toán đường kính xy-lanh phanh trước
(2.18) n- Số ống xylanh làm việc Chọn n= 1. p0-Áp suất chất lỏng trong hệ thống p0 = 5 10 (MPa)
Chọn p0 = 8 (Mpa) d- Đường kính xylanh
3.4.2 Tính toán thiết kế cơ cấu phanh sau
3.4.2.1 Tính toán lực phanh mà cơ cấu phanh sinh ra a Xác định góc δ, bán kính ρ của lực tổng hợp tác dụng lên má phanh
Góc δ (góc tạo bởi trục ox với đường đi qua tâm O với điểm đặt lực):
Với: β- Góc tính từ tâm chốt quay guốc phanh đến chỗ tán tấm ma sát.
Bán kính ρ của lực tổng hợp:
2 (cos cos ) sin 2 cos( ).sin r t
Với: rt- Bán kính của tang trống
Theo tài liệu đường kính tang trống nằm trong khoảng
Bán kính tang trống phanhrt = 0,125 (m).
Hình 3 10 Các thông số hình học của cơ cấu phanh
b) Xác định góc ở các cơ cấu phanh
Sau khi xác định các số kết cấu (β1, β2, β0, r1), chúng ta có thể tính toán góc và bán kính ρ Qua đó, chúng ta xác định được hướng và vị trí đặt lực N1, với lực N1 hướng vào tâm O.
Gọi R là lực tổng hợp của hai lực N và T.
Góc được xác định như sau: 1 1
Hệ số ma sát giữa tấm ma sát và tang trống được xác định là μ = 0,3, từ đó chúng ta có thể tính được góc = 16,7 độ, giúp xác định hướng của lực R1 Tiếp theo, cần xác định bán kính r0.
Như vậy mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh sau của một bánh xe là:
Trong đó bán kính r0 được xác định theo công thức:
d) Xây dựng họa đồ lực phanh
Hệ thống phanh dẫn động bằng thủy lực sử dụng một xylanh chung cho cả hai piston, đảm bảo rằng lực tác động lên guốc phanh trước và sau là đồng nhất, với các áp suất Pt, Ps đều bằng nhau.
Họa đồ được xây dựng cho từng guốc phanh.
- Xác định các thông số hình học của cơ cấu phanh và vẽ sơ đồ theo đúng tỉ lệ, vẽ các lực P;
- Tính góc và bán kính ρ, từ đó xác định điểm đặt của lực R;
- Tính góc và vẽ phương của lực R Kéo dài phương của Rt và P cắt nhau tại O ’ , kéo dài phương của P và Rs cắt nhau tại O ’’ ;
- Để xác định phương của U cần lưu ý rằng, ở trạng thái cân bằng tổng các lực tác dụng lên guốc phanh bằng 0: PRU 0;
Ba lực này cần tạo thành một tam giác khép kín, nghĩa là khi kéo dài chúng sẽ cắt nhau tại một điểm, cụ thể là các điểm O’ và O’’ Để xác định phương của các lực U, ta chỉ cần nối O’ với O1 và O’’ với O2.
Trên hình vẽ, hai đoạn lực P bằng nhau được đặt song song và ngược chiều Từ các lực P này, các tam giác lực cho guốc phanh được dựng lên bằng cách vẽ các đường song song với các lực R và U đã có trên họa đồ.
Dựa vào tỷ lệ trên họa đồ, chúng ta có thể tính toán giá trị của các lực tác dụng cần tìm Hai véc tơ b c c a 1 1 , 1 1 đại diện cho U R ' , ' và có độ lớn được đo trên bản vẽ.
Hai véc tơ b c c a 2 2 , 2 2 lần lượt biểu thị U R '' , '' và có độ lớn đo được trên bản vẽ:
Xét tỉ lệ giữa R ' và R '' , ta có:
Hình 3 11 Họa đồ lực phanh
M p : Là mômen sinh ra ở một cơ cấu phanh sau: M p 2= 436,34 (N)
Giải 2 phương trình ta được:
Từ đây ta tính được tỉ lệ xích của họa đồ:
Ta tính được giá trị các lực :
3.4.2.2 Tính toán đường kính xy-lanh sau Đường kính xylanh công tác của bánh sau được tính toán dựa trên lực P đã xác định ở trên dựa trên phương pháp họa đồ lực phanh:
P- lực ép của xylanh lên guốc phanh: P = 2125 N pi- áp suất dầu làm việc trong hệ thống phanh, chọn pi= 8 Mpa
Ta có bảng thông số các kích thước của cơ cấu phanh như sau
Bảng 3 1 Bảng thông số cơ cấu phanh sau
Thông số Cơ cấu phanh sau
3.4.3 Tính toán kiểm nghiệm một số thông số
3.4.3.1 Kiểm nghiệm công ma sát
Khi phanh ô tô đang di chuyển với vận tốc v0 cho đến khi dừng lại (v=0), toàn bộ động năng của ô tô được chuyển hóa thành năng lượng ma sát tại các bộ phận phanh.
G- Trọng lượng của ô tô khi đầy tải G= 13906,2 N. v- Tốc độ của ô tô khi bắt đầu phanh v = 60 km/h = 16,67 m/s. g- Gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s 2
F∑- Tổng diện tích các má phanh
- Với cơ cấu phanh cầu trước
FΣ1- Tổng diện tích các má phanh cơ cấu phanh cầu trước
Trong đó: x0- góc ôm tấm ma sát x0= 60 0
- Với cơ cấu phanh cầu sau
Chiều rộng má phanh b Chọn b = 50 mm
Bán kính tang trống rt = 125 mm
Góc ôm tấm ma sát 0 ' 120 ; 0 0 '' 100 0
Diện tích một má trước:
Diện tích một má sau:
FΣ2- Tổng diện tích các má phanh cơ cấu phanh sau (4 má phanh)
Do đó diện tích toàn bộ các má phanh là:
Vậy công ma sát riêng nằm trong giới hạn cho phép L[ ] (4 10).10 ( /L 6 J m 2 )
3.4.3.2 Tính áp suất trên bề mặt má phanh a) Với cơ cấu phanh cầu trước Áp suất trên bề mặt ma sát chính bằng lực ép ép má phanh vào đĩa phanh chia cho diện tích má phanh.
Lực ép má phanh là:
Diện tích 1 má phanh sẽ là:
Do đó áp suất trên bề mặt phanh sẽ là:
Áp suất trên bề mặt cơ cấu phanh trước nằm trong giới hạn cho phép Đối với cơ cấu phanh cầu sau, áp suất trên bề mặt má phanh được giới hạn bởi sức bền của vật liệu, vì mỗi loại vật liệu chỉ chịu được một áp lực nhất định Công thức tính áp suất trên bề mặt má phanh được xác định dựa trên những yếu tố này.
Trong đó: μ- Hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh, μ = 0,3
FΣ- Diện tích má phanh tại nơi có MP.
Vậy áp suất trên bề mặt cơ cấu phanh sau nằm trong giới hạn cho phép.
3.4.3.3 Tính nhiệt phát ra trong quá trình phanh
Trong quá trình phanh, động năng của ô tô được chuyển đổi thành nhiệt năng tại trống phanh, trong khi một phần năng lượng cũng thoát ra môi trường không khí Phương trình cân bằng năng lượng mô tả sự chuyển đổi này.
Trong trường hợp phanh ngặt, thời gian phanh rất ngắn nên lượng nhiệt tỏa ra ngoài không khí rất nhỏ, có thể bỏ qua được, khi đó:
Sự tăng nhiệt độ trống phanh khi phanh với V1 = 30 km/h, V2 = 0 không quá 15 0 t- Độ gia tăng nhiệt độ.
G- Trọng lượng toàn bộ của ô tô khi đầy tải G = 13906,2 N. g- Gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s 2 c- Nhiệt dung riêng của trống phanh làm bằng gang c = 500 J/kg.độ mt- Khối lượng trống phanh.
Trên thực tế khối lượng các đĩa phanh và các chi tiết bị nung nóng lớn hơn 6,564(kg) do đó cơ cấu phanh đảm bảo thoát nhiệt tốt.
Tính toán dẫn động phanh
1 Bàn đạp phanh; 2 Xylanh chính; 3 Xylanh bánh xe; 4 Đường ống dẫn
3.5.1 Tính toán xy-lanh chính
Xét điều kiện cân bằng tại xylanh chính:
Qbd- lực tác động từ bàn đạp Chọn Qbd= 700 N
- hiệu suất truyền động thủy lực Chọn = 0,92 l,l ’ - cánh tay đòn dẫn động bàn đạp Theo xe tham khảo ta có ' 260
3.5.2 Hành trình làm việc của các piston trong xy-lanh
Hành trình làm việc của các piston trong các xylanh ở cơ cấu phanh cầu sau (x2) được tính như sau:
0- khe hở trung bình giữa má phanh và tang trống0,25mm.
Độ mòn đường kính cho phép của má phanh là 1 mm Khoảng cách từ tâm trống tới điểm đặt lực P là 102 mm, trong khi khoảng cách từ tâm trống tới chốt định vị của má phanh là 97 mm.
Cơ cấu phanh trước là phanh đĩa nên khe hở giữa má phanh và đĩa phanh nhỏ nên chọn x1= 1 mm.
Hành trình của bàn đạp trong hệ thống phanh bằng chất lỏng được xác định bằng cách bỏ qua biến dạng đàn hồi và tính toán thể tích chất lỏng cần ép ra khỏi xylanh chính Đối với ô tô có phanh ở tất cả các bánh xe, hành trình bàn đạp được tính theo một công thức cụ thể.
0- khe hở giữa thanh đẩy và piston ở xylanh chính 0 (1,5 2)mm Chọn 0
=1,5 mm. d1, d2, D- đường kính xylanh bánh trước, bánh sau và xylanh chính.
b -hệ số bổ sung khi phanh ngặt thể tích của dẫn động chất lỏng tăng lên.
Vậy Sbd [Sbd] 0 (mm) thỏa mãn điều kiện
3.5.3 Tính toán thiết kế bộ trợ lực phanh
Chọn loai bộ trợ lực
Hệ thống phanh được thiết kế với dẫn động thủy lực, vì vậy bộ trợ lực được sử dụng là bộ trợ lực chân không Bộ trợ lực chân không tận dụng độ chân không trong đường nạp của động cơ để tạo ra lực hỗ trợ, giúp người lái điều khiển dễ dàng hơn.
Từ công thức xác định trên bàn đạp:
Qbd- lực do người lái sinh ra tại bàn đạp Chọn Qbd = 300 N.
D- đường kính xylanh chính: D = 23 mm. pi- áp suất dầu sinh ra trong hệ thống. l,l ’ - kích thước các đòn của bàn đạp phanh.
Khi có trợ lực ta chọn lực bàn đạp cực đại của người lái 300 N
.0,92 3,32 / 3,14.23 52 p i N mm Áp suất do bộ cường hóa sinh ra sẽ là:
7 3,32 3,68 / 2 c t i p p p N mm pt- áp suất tổng cực đại cần thiết sinh ra khi phanh ngặt, pt = 7 MPa.
- Xác định kích thước màng trợ lực
Lực do bộ trợ lực sinh ra là:
Xét sự cân bằng của màng: Q c (p 0 p F ' ) m P LX c m LX
Qc- lực do bộ trợ lực sinh ra p0- áp suất khi quyển p ’ - áp suất chân không Δp- độ chênh áp giữa buồng trước và buồng sau: Δp= 0,05 N/mm 2
Fm- diện tích màng trợ lực:
Dm- đường kính màng trợ lực
Plx- lực lò xo hồi vị: Plx= 30 N
