phân tích cơ sở lý thuyết, đặc điểm cấu tạo và mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh ôtô

- 2 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
TRƯờNG ĐạI HọC THUỷ SảN


Mai Văn Thanh
CK43-DLOT


phân tích cơ sở lý thuyết, đặc điểm
cấu tạo và mô phỏng hoạt động
của hệ thống phanh ôtô





Đồ án tốt nghiệp ĐạI HọC
Chuyên ngành :
H ớng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận


NHA TRANG - 5 / 2006
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 3 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT


Cơ Sở Lý THUYếT

của hệ thống PHANH ôTô

1.1. Khái niệm chung về quá trình phanh
Khi ôtô đang chuyển động trên mặt đ ờng ngang với vận tốc nào đó, nếu
ng ời lái cắt nguồn động lực truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thì ôtô sẽ
chạy chậm lại và dừng hẳn sau một khoảng thời gian nào đó. Sở dĩ ôtô chạy chậm lại
và dừng hẳn là vì động năng của ôtô sẽ bị tiêu hao cho lực cản của đ ờng, lực cản
của không khí và lực cản do ma sát trong các bộ phận chuyển động của ôtô. Các loại
lực cản nói trên đ ợc gọi là lực phanh tự nhiên (F
ptn
).
Trong tr ờng hợp muốn giảm nhanh vận tốc của ôtô hoặc duy trì vận tốc của
ôtô khi đang chuyển động xuống dốc, th ờng phải có (F
p
) - một loại lực
cản nhân tạo - có trị số lớn hơn nhiều lần lực phanh tự nhiên. ôtô là
hệ thống có chức năng tạo ra lực phanh. Quá trình tạo ra lực phanh để giảm nhanh
vận tốc hoặc dừng ôtô đ ợc gọi là ôtô. Thời điểm đầu quá trình
phanh ( ) là thời điểm lái xe bắt đầu tác động vào cơ cấu
phanh. Thời điểm cuối quá trình phanh ( ) là thời điểm lực
phanh giảm xuống bằng không trong tr ờng hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm
vận tốc của xe giảm xuống bằng không trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp. Nếu vận
tốc của xe giảm xuống bằng không tr ớc thời điểm lực phanh giảm xuống bằng
không thì thời điểm cuối quá trình phanh là thời điểm xe bắt đầu dừng hẳn.
Căn cứ vào mục đích thực hiện quá trình phanh ôtô, có thể phân biệt 3 chế
độ phanh nh sau :
ã Phanh khẩn cấp - là quá trình phanh với mục đích làm cho ôtô dừng hẳn
trong thời gian ngắn nhất có thể. Khi phanh khẩn cấp thì động năng của ôtô bị tiêu
hao chủ yếu do lực phanh (F
p

) (khoảng 90 % tổng lực cản chuyển động của ôtô).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 4 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
Trong quá trình vận hành ôtô, số lần phanh khẩn cấp chiếm khoảng 5 á 10% tổng số
các lần phanh.
ã Phanh chậm dần - quá trình phanh nhằm giảm từ từ vận tốc của ôtô hoặc
dừng ôtô ở một vị trí đã định tr ớc.
ã Phanh tại chỗ - quá trình phanh khi ôtô đang đứng tại chỗ nhằm mục
đích không cho ôtô dịch chuyển ngoài ý muốn ca ng ời lái hoặc khi không có
ng ời lái.
Hệ thống phanh không những chỉ đảm bảo tính an toàn trong quá trình vận
hành xe mà còn nâng cao hiệu quả khai thác ph ơng tiện thông qua việc nâng cao
vận tốc trung bình của xe. Do yêu cầu tính an toàn ngày càng cao và vận tốc của ôtô
cũng có xu h ớng tăng nên hệ thống phanh là một trong những hệ thống chức năng
đ ợc quan tâm và đầu t nghiên cứu nhiều.
1.2. lực và momen tác dụng trong quá trình phanh

T - Trng tõm ca xe;
a
- Gúc nghiờng dc; G - Trng lc;
G - Trng lng bỏm; Z
1
, Z
2
- Lc ; F
f1
, F
f2

- Lc cn ln;
Fg - Lc cn dc; Fw - Lc cn giú; F
p1
, F
p2
- Lc phanh;
Fj -Lc quỏn tớnh; Fm - Lc kộo rmooc; M
p1
, M
p2
- Momen phanh;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 5 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
M
f1
, M
f2
- Momen cn ln; hg -To trng tõm ca ụ tụ;
L- Chiu di c s; V- Vn tc.

1.2.1. trọng l ợng
(G) là lực hút của trái đất tác dụng lên khối l ợng của xe.
Trọng l ợng có ph ơng vuông góc với mặt đất, chiều thẳng đứng, điểm đặt tại trọng
tâm của xe.
Trong đó : G - Trọng l ợng, [N] ; m - Khối l ợng của xe, [kg] ; g - Gia tốc
trọng tr ờng, [m/s
2

]. g = 9,81 m/s
2
.
T
a
G
F
g
G
2
G
1


T
G
j
G
Y''
Y'
Z''
Z'
b
G
y

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 6 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

G
1 2
G
j
g y
1.2.2. phản lực của mặt đ ờng
Trong thực tế, cả mặt đ ờng và bánh xe đều không phải là những vật cứng
tuyệt đối nên chúng đều biến dạng d ới tác dụng của trọng l ợng của ôtô. Mặt
đ ờng và bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên . Tại mỗi
điểm tiếp xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đ ờng.
Tổng của tất cả các lực thành phần đó đ ợc gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đ ờng
hay gọi tắt là . Phản lực của mặt đ ờng có điểm đặt tại tâm
vùng tiếp xúc.

ZZ
G
b
G
b
a)c)
F
Y
Y
Z
G
b
b)
1
2
1

2
1
2


PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 7 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

Để tiện trong nghiên cứu, ng ời ta th ờng phân tích phản lực của mặt đ ờng
thành 3 thành phần : Z, X và Y.
ã Phản lực vuông góc (Z) - còn gọi là - là thành phần có ph ơng
vuông góc với mặt đ ờng.
Z
1
- Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe tr ớc,
Z
2
- Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe sau,
Z
1
= G
b1
. cos a = G
j
1
(1.2a)
Z
2

= G
b2
. cos a = G
j
2
(1.2b)
ã Phản lực tiếp tuyến (X) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng song
song với mặt đ ờng và có ph ơng cùng ph ơng chuyển động của ôtô.
ã Phản lực ngang (Y) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng song song
với mặt đ ờng và theo ph ơng ngang.
G
b1
G
b1
F
x
F
y
X
1
Y
1
Z
1
X
1
Y
1
G
b1

F
x
X
1
Z
1
Z
1
a
1
ww
M
f1
a)b)c)

G
x
F
y 1 1
Y
1 1

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 8 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
Khi bánh xe lăn trên mặt đ ờng, vùng tiếp xúc không đối xứng qua các mặt
phẳng tâm của bánh xe (H. 1-3b, 1-3c) và điểm đặt của phản lực lệch so với đ ờng
tâm bánh xe một đoạn a
1

(H. 1-4a). Để thuận tiện trong nghiên cứu, có thể thay phản
lực vuông góc Z có điểm đặt tại tâm tiếp xúc (H. 1-4a) bằng lực Z có điểm tại đ ờng
tâm bánh xe và (M
f1
).
+ Momen cản lăn ở bánh xe phía tr ớc : M
f1
= Z
1
. a
1
(1.2c)
+ Momen cản lăn ở bánh xe phía sau : M
f2
= Z
2
. a
2
(1.2d)
1.2.3. Lực cản lăn
Lực cản lăn (F
f
) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đ ờng và do
biến dạng của bánh xe và của mặt đ ờng. Lực cản lăn có ph ơng song song với
chiều chuyển động của xe, chiều ng ợc chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm
vùng tiếp xúc.
Trị số của lực cản lăn đ ợc xác định bằng biểu thức :
F
f
= F

f1
+ F
f2
= f
1
. Z
1
+ f
2
. Z
2
(1.3a)
trong đó : F
f
- tổng lực cản lăn ; F
f1
, F
f2
- lực cản lăn ở các bánh xe tr ớc và sau ; f
1

, f
2
- hệ số cản lăn ở bánh xe tr ớc và ở bánh xe sau ; Z
1
, Z
2
- phản lực vuông góc
tại các bánh xe tr ớc và sau.
Nếu f

1
= f
2
, ta có :
F
f
= f. ( Z
1
+ Z
2
) = f. G. cosa (1.3b)

1.2.4. Lực cản dốc
Lực cản dốc (F
g
) là lực xuất hiện khi xe chuyển động trên đ ờng dốc. Lực
cản dốc có ph ơng song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc chiều chuyển động của
xe khi xe lên dốc và cùng chiều khi xe xuống dốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
F
g
= G. sina (1.4a)
trong đó : dấu (+) ứng với tr ờng hợp xe xuống dốc ; dấu (-) khi xe lên dốc.
Để thuận tiện trong trình bày và phân tích động lực học ôtô, ng ời ta th ờng
kết hợp và thành một lực có tên gọi là
(Fy) nh sau :
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 9 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
F

y
= F
f
F
g
= G. ( f . cosa sina ) = G. y (1.4b)
trong đó : y là .
y = f . cosa sina (1.4c)

1.2.5. Lực cản gió
Lực cản gió (F
w
) là lực của không khí tác dụng lên xe khi chuyển động. Lực
cản gió có ph ơng song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc hoặc cùng chiều chuyển
động của xe, tuỳ thuộc vào h ớng gió và tốc độ của xe, điểm đặt tại tâm chắn gió.
Trị số của lực cản gió th ờng đ ợc xác định bằng các công thức thực nghiệm.
Theo [5], lực cản gió đ ợc xác định nh sau :
F
w
= 0.5 r
o
. c
w
. A. (v v
o
)
2
(1.5)
trong đó : r
o

- mật độ của không khí quanh xe, [kg/m
3
] ; c
w
- hệ số cản gió ; A - tiết
diện ngang chắn gió của xe, [m
2
] ; v - vận tốc của xe, [m/s] ; v
o
- vận tốc chính diện
của gió, [m/s].
Trị số của tiết diện ngang chắn gió :
A = 0.9 L.H - xe con,
A = 0.5 - 0.6 m
2
- xe môtô 2 bánh không có chắn gió,
A đ 1.2 m
2
- xe môtô 3 bánh có chắn gió.

1.2.6. Lực quán tính
Lực quán tính (F
j
) là lực cần thiết để gia tốc các khối l ợng chuyển động của
xe. Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của xe thay đổi. Lực quán tính có ph ơng
song song với mặt đ ờng, chiều ng ợc với chiều của gia tốc, điểm đặt tại trọng tâm
của xe.
F
j
= F

j'
+ F
j''


j
g
G
F
j
ì=
'
;
j
g
G
FF
jjjj
ìì=ì=
dd
''''


j
g
G
FF
jjjj
ìì=ì=
dd

'
(1.6a)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 10 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

maxmax.
j
g
G
F
jj
ìì=
d
(1.6b)
trong đó : F
j
- tổng lực quán tính quy về trọng tâm của xe ; F
j
- lực quán tính của
các khối l ợng chuyển động tịnh tiến ; F
j
- lực quán tính của các khối l ợng
chuyển động quay (bánh đà, trục khuỷu, trục cardan , ), j - gia tốc của xe ; d
j
- hệ
số quán tính quay.
1.2.7. Lực kéo Remoorque
Lực kéo remorque (F

m
) là lực mà xe tác dụng lên remorque để kéo nó theo
với cùng tốc độ của xe. Ph ơng của lực kéo remorque đ ợc qui ớc là song song với
mặt đ ờng, chiều ng ợc chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại điểm liên kết xe với
remorque. F
m
= y. SG
m.i
(1.7)
trong đó : y - hệ số cản của đ ờng ; G
m.i
- trọng l ợng của các remorque.
1.1.8. momen phanh và lực phanh
Momen phanh (M
p
) là momen do hệ thống phanh sinh ra nhằm cản chuyển
động quay của các bánh xe.
Đa số hệ thống phanh thông dụng hiện nay tạo ra momen phanh bằng cách ép
các má phanh vào bộ phận nào đó trên các bánh xe, trong đó má phanh đ ợc lắp trên
bộ đ ợc cố định với khung xe.
Lực phanh (F
p
) là tổng của các phản lực của mặt đ ờng tác dụng lên bánh
xe đ ợc hình thành khi xuất hiện momen phanh.

T
r
b
F
p

M
p
v
P

M
p p
b

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 11 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

b
p
P
r
M
F=
(1.8a)

b
p
p
r
M
F
max.
'

max.
=
(1.8b)
Trong công thức (1.8b), M
p.max
là momen phanh cực đại mà hệ thống phanh
có thể tạo ra. Trị số của M
p.max
phụ thuộc vào lực ép má phanh (P), diện tích bề mặt
ma sát của má phanh, tính chất vật liệu chế tạo má phanh, v.v.
Lực phanh lớn nhất có thể hình thành tại vùng tiếp xúc giữa các bánh xe và
mặt đ ờng không chỉ phụ thuộc vào momen phanh mà còn phụ thuộc vào hệ số bám
(j) và trọng l ợng bám (G
j
). Trị số của lực phanh cực đại (F
p.max
) đ ợc giới hạn bởi
điều kiện bám nh sau :
F
p.max
Ê F
j
= j . G
j
(1.8c)
trong đó : F
j
- Lực bám, j - Hệ số bám, G
j
- Trọng l ợng bám.

Nếu xe chạy trên đ ờng bằng thì G = G
j
và F
p.max
= j. G
Lực F'
p.max
đ ợc gọi là lực phanh tiềm năng - lực phanh cực đại mà hệ thống
phanh có thể tạo ra. Nếu F'
p.max
> F
p.max
thì bánh xe sẽ bị tr ợt lê, tức là bám xe
chuyển động tịnh tiến nh ng không quay. Để tránh hiện t ợng tr ợt lê, lực phanh
thực tế đ ợc hình thành tại vùng tiếp xúc chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng lực bám.
Tuyệt đại đa số xe cơ giới đ ợc trang bị cơ cấu phanh trên tất cả các bánh xe.
Chúng ta ký hiệu tổng momen phanh và tổng lực lực phanh tác dụng lên các bánh xe
phía tr ớc và phía sau t ơng ứng là : M
p1
, M
p2
, F
p1
và F
p2
.
M
p
= M
p1

+ M
p2

F
p
= F
p1
+ F
p2

Ngoài các loại lực và moment đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực
và moment khác tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động, nh :
ã Lực ma sát (F
ms
) - lực ma sát giữa các bề mặt chuyển động t ơng đối với
nhau trong các bộ phận của xe.
ã Moment quán tính của các bánh xe (M
J.b1
, M
J.b2
) - Moment xuất hiện khi
tốc độ quay của các bánh xe thay đổi.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 12 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
ã Moment kéo (M
k
) - moment tại các bánh xe chủ động đ ợc truyền đến từ
động cơ của ôtô.

ã Lực kéo (F
k
) - phản lực của mặt đ ờng tác dụng lên các bánh xe chủ
động đ ợc sinh ra bởi momen kéo.
Trừ một số tr ờng hợp đặc biệt, lái xe th ờng cắt nguồn động lực từ động cơ
khi phanh nên moment kéo và lực kéo đ ợc coi là bằng không trong quá trình
phanh. Lực ma sát (F
ms
) và moment quán tính của các bánh xe (M
j.b
) th ờng đ ợc bỏ
qua trong các ph ơng trình động lực học ôtô vì chúng có trị số rất nhỏ so với các
loại lực và momen khác.

1.2.9. ph ơng trình cân bằng lực phanh
Ph ơng trình cân bằng lực tác dụng lên ôtô trong quá trình phanh trong tr ờng hợp
tổng quát có thể biểu diễn nh sau :
F
f1
+ F
f2
+ F
g
+ F
w
+ F
m
+ F
ms
+ F

p1
+ F
p2
- F
j
= 0 (1.9a)
hoặc
F
y
+ F
w
+ F
m
+ F
ms
+ F
p
- F
j
= 0 (1.9b)
Trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp, để đảm bảo hiệu quả phanh cao, hệ thống
phanh phải tạo ra đ ợc lực phanh lớn nhất có thể. Trong tr ờng hợp đó, các lực cản
tự nhiên (F
y
, F
w
, F
ms
) th ờng rất nhỏ so với lực phanh (F
p

). Để thuận tiện khi phân
tích các yếu tố ảnh h ởng và các biện pháp nâng cao tính năng phanh, chúng ta xét
tr ờng hợp phanh khi ôtô chạy trên đ ờng bằng (F
g
=0), không kéo remorque (F
m
=
0). Với những giả định nêu trên, ph ơng trình cân bằng lực phanh trong tr ờng hợp
phanh khẩn cấp có dạng :
F
p.max
- F
j.max
= 0 (1.9c)
Thay giá trị của F
j.max
và F
p.max
từ các công thức (1.6b) và (1.8c) vào (1.9c) ta
có :

max.pj
j
g
G
G ìì=ì
dj
(1.9d)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 13 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
và
j
p
g
j
d
j
ì
=
max.
(1.9e)


1.3. động học quá trình phanh ôtô
Thời gian phanh (t
p
), quãng đ ờng phanh (S
p
) và gia tốc phanh (j
p
) là các
thông số động học cơ bản của quá trình phanh.
(t
p
) là khoảng thời gian tính từ thời điểm lái xe bắt đầu tác
động vào cơ cấu phanh đến thời điểm điểm lực phanh giảm xuống bằng không trong
tr ờng hợp phanh chậm dần hoặc thời điểm vận tốc của xe giảm xuống bằng không
trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp. Nói cách khác, thời gian phanh là khoảng thời

gian diễn ra quá trình phanh.
Trong tr ờng hợp tổng quát, có thể xác định thời gian phanh nh sau :

p
j
dv
dt =
(1.10a)

ũ
=
2
1
v
v
p
j
dv
t
(1.10b)
Trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp :

dv
gj
dv
dt
j
p
ì
ì

==
j
d
max.
(1.11a)

1
0
min.
1
v
g
dv
g
t
j
v
j
p
ì
ì
=ì
ì
=
ũ
j
d
j
d
(1.11b)

Trong các công thức trên : j
p
- gia tốc phanh; v
1
- vận tốc của xe tại thời điểm
bắt đầu phanh; v
2
- vận tốc tại thời điểm kết thúc phanh.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 14 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
Công thức (1.11b) cho thấy, thời gian phanh sẽ dài khi vận tốc bắt đầu phanh
lớn, thời gian phanh sẽ ngắn khi hệ số bám lớn. Thời gian phanh trong tr ờng hợp ly
hợp vẫn đóng (d
j
> 1) sẽ dài hơn so với tr ờng hợp mở ly hợp khi phanh.
ã (t
0
) - khoảng thời gian tính từ thời điểm lái
xe quyết định phanh đến thời điểm chạm đến cơ cấu điều khiển phanh.
Thời gian phản ứng (t
0
) phụ thuộc vào khả năng và kỹ năng của lái xe và th ờng
nằm trong khoảng 0,4 - 1,0 s [4].
ã (t
1
) - khoảng thời gian tính từ
thời điểm cơ cấu điều khiển phanh bắt đầu đ ợc tác động đến thời điểm xuất hiện
gia tốc phanh. t

1
phụ thuộc vào kiểu dẫn động phanh và tình trạng kỹ thuật của nó.
t
1
= 0,2 - 0,4 s - dẫn động phanh thuỷ lực.
t
1
= 0,6 - 0,8 s - dẫn động phanh khí nén [4].
ã (t
2
) - khoảng thời gian tính từ thời điểm
lực phanh bắt đầu có tác dụng hãm xe đến thời điểm lực phanh đạt đến một trị số
xác định. Trong nhiều tài liệu giáo khoa, để dễ hiểu, thời điểm cuối của giai đoạn
phát triển lực phanh đ ợc quy ớc là thời điểm lực phanh đạt trị số cực đại.
ã (t
3
) - Trong thời gian phanh chính, lực phanh
đ ợc duy trì ở trị số cực đại.
ã (t
p
) - trong thời gian tính từ thời điểm cơ cấu điều khiển
phanh bắt đầu đ ợc tác động đến thời điểm lực phanh đ ợc loại bỏ. Nếu vận tốc của
xe giảm xuống bằng không tr ớc thời điểm lực phanh đ ợc loại bỏ thì thời điểm
cuối để tính thời gian phanh là thời điểm xe bắt đầu dừng hẳn.
(j
p
) là đại l ợng đánh giá mức độ giảm vận tốc của ôtô trong
quá trình phanh.
ã Gia tốc phanh tức thời :

dt
dv
j
p
=
(1.12a)
ã Gia tốc phanh trung bình trong quá trình phanh :
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 15 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

p
mp
t
vv
j
21
.
-
=
(1.12b)
ã Gia phanh trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp :

j
p
g
j
d
j

ì
=
max.
(1.12c)
(S
p
) là đoạn đ ờng mà xe đi qua trong thời gian phanh.
Trong tr ờng hợp phanh khẩn cấp có thể xác định quãng đ ờng phanh nh
sau :

j
p
g
dt
dv
j
d
j
ì
==
max.
(1.13a)
Nhân cả 2 vế ph ơng trình trên với dS
p
:

p
j
p
dS

g
dS
dt
dv
ì
ì
=ì
d
j
(1.13b)

p
j
dS
g
dvv ì
ì
=ì
d
j
(1.13c)

dvv
g
dS
j
p
ìì
ì
=

j
d
(1.13d)

2
1
0
min.
1
v
g
dvv
g
S
j
v
j
p
ì
ì
=ìì
ì
=
ũ
j
d
j
d
(1.13e)

F
p
, j
p
, V
V
1

V

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 16 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
F
pmax

a
j
pmax

F
p
j
p


0 1 2 3 4 5 t

t

0
t
1
t
2
t
3
t
4


Giản đồ phanh nhận đ ợc bằng thực nghiệm và qua giản đồ phanh có thể
phân tích và thấy đ ợc bản chất của quá trình phanh.
Giản đồ phanh là quan hệ của lực phanh (F
p
) với thời gian phanh (t), hay
cũng là quan hệ của gia tốc phanh (j
p
) với thời gian phanh (t).

1.4. tính năng phanh
hay chất l ợng quá trình phanh là khả năng và hiệu quả của
việc thực hiện chức năng của hệ thống phanh. Tính năng phanh đ ợc định l ợng
bằng hai nhóm chỉ tiêu là: Hiệu quả phanh và tính ổn định phanh.
ã - là khả năng của hệ thống phanh xét về ph ơng diện
giảm tốc độ của ôtô khi ng ời lái tác động lên cơ cấu điều khiển phanh trong tr ờng
hợp phanh khẩn cấp.
Hiệu quả phanh đ ợc đánh giá thông qua một trong các chỉ tiêu d ới đây:
- Gia tốc phanh (j
p

)
- Thời gian phanh (t
p
)
- Quãng đ ờng phanh (s
p
)
- Lực phanh riêng (h
p
)
h
p
=
j
G
F
p

ã - là khả năng đảm bảo quỹ đạo của ôtô theo ý muốn
của ng ời lái trong quá trình phanh.
Tính ổn định phanh đ ợc đánh giá bằng hai nhóm chỉ tiêu:
- Góc quay vòng khi phanh (b
p
)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 17 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
- Hành lang phanh (B
p

)

1.5. các biện pháp nâng cao tính năng phanh
Nh chúng ta đã biết, nhờ có hệ thống phanh mà có thể nâng cao vận tốc
trung bình của ôtô và độ an toàn khi giao thông. Xu h ớng chung là vận tốc của ôtô
ngày càng đ ợc nâng cao, bởi vậy việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao tính năng
phanh luôn là một vấn đề đ ợc các nhà nghiên cứu,thiết kế, chế tạo ôtô quan tâm.
Để nâng cao tính năng phanh, có thể áp dụng các biện pháp sau đây:
- Bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe để tận dụng trọng l ợng bám của
ôtô.
- Điều hòa lực phanh ở các bánh xe phía tr ớc và phía sau để tận dụng trọng
l ợng bám của ôtô trong những điều kiện vận hành khác nhau.
- Chống hãm cứng bánh xe khi phanh để ngăn chặn hiện t ợng tr ợt lết.

ã
Từ công thức (1.8c) ta có: F
p.max
Ê F
j
= j . G
j

trong đó : F
j
- Lực bám, j - Hệ số bám, G
j
- Trọng l ợng bám.
Nếu xe chạy trên đ ờng bằng thì G = G
j
và F

p.max
= j. G
Trong tr ờng hợp ôtô chỉ bố trí cơ cấu phanh ở các bánh phía sau ta có:
F j
2
j
2
(1.14a)
Tr ờng hợp cơ cấu phanh đ ợc bố trí ở tất cả các bánh xe ta có:
F j
1
j
1
j
2
j
2

(1.14b)
Từ hai công thức (1.14a) và (1.14b) ta thấy rằng: Lực phanh ở tr ờng hợp cơ
cấu phanh đ ợc bố trí ở tất cả các bánh xe lớn hơn tr ờng hợp cơ cấu phanh chỉ bố
trí ở các bánh xe sau.
ã
Nh vậy; với việc bố trí cơ cấu phanh ở tất cả các bánh xe sẽ tăng lực phanh
cực đại ( F
p.max
) do tận dụng đ ợc trọng l ợng bám (G
j
).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

- 18 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
Nh ng biện pháp này không chống đ ợc hiện t ợng tr ợt lết khi phanh.

ã
Theo công thức (1.9c): F
p.max
- F
j.max
= 0. Vậy ta có
F
pmax
= j. G = F
jmax
(1.15)

Xét tr ờng hợp khi phanh xe trên đ ờng bằng không kéo remorque. Bằng
cách lập các ph ơng trình moment của các lực tác dụng lên ôtô khi phanh đối với
các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đ ờng A và B, ta có thể xác định phản lực
thẳng góc Z
1
và Z
2
khi phanh nh sau:

L
hFbG
Z
gj

p

1
+
=
(1.16a)

L
hFaG
Z
gj
p

2
-
= (1.16b)
Trong đó: a,b,h
g
- Tọa độ trọng tâm cua xe; L- Chiều dài cơ sở của xe.

Ta có:
)

.(.
1max1
L
hFbG
ZF
gj
pp

+
==
jj
(1.17a)
)

.(.
2max2
L
hFaG
ZF
gj
pp
-
==
jj
(1.17b)
Từ công thức (1.17a) và (1.17b) ta thấy lực phanh cực đại phụ thuộc vào các
yếu tô sau: Trọng l ợng ôtô (G), tọa độ trọng tâm (a, b, h
g
) và lực quán tính (F
j
).
Đối với ôtô cụ thể thì G, a, b, h
g
là những hằng số chỉ có F
j
thay đổi.
Vậy ta có:

21max
GGGF
p
jjj
+==
(1.17c)
Sự phanh có hiệu quả nhất là khi lực phanh sinh ra ở các bánh xe tỷ lệ thuận
với tải trọng tác dụng lên chúng, mà tải trọng tác dụng lên các bánh xe lại thay đổi
trong quá trình phanh do có lực quán tính (F
j
) tác dụng.
Trong tr ờng hợp phanh có hiệu quả nhất thì tỷ số giữa các lực phanh ở các
bánh xe tr ớc và lực phanh ở các bánh xe sau sẽ là:
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 19 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

2
1
2
1
2
1
.
.
Z
Z
Z
Z

F
F
p
p
==
j
j
(1.17d)
Lắp các biểu thức (1.16a) và (1.16b) vào (1.17d) ta đ ợc:

gj
gj
p
p
hFaG
hFbG
F
F


2
1
-
+
= (1.17e)
Trong quá trình phanh thì lực cản lăn (F
f1
) và (F
f2
) không đáng kể, có thể bỏ

qua, do đó có thể viết:
F
j
= F
p1
+F
p2

và F
jmax
= F
pmax
= j.G (1.17f)
Lắp giá trị F
jmax
từ biểu thức (1.17f) vào (1.17e) ta có:

g
g
p
p
ha
hb
F
F
.
.
2
1
j

j
-
+
= (1.17g)
Biểu thức (1.17g) chính là điều kiện để đảm bảo sự phanh có hiệu quả nhất,
nghĩa là muốn phanh đạt hiệu quả nhất (quãng đ ờng phanh ngắn nhất, hoặc gia tốc
phanh chậm dần lớn nhất, hoặc thời gian phanh nhỏ nhất) thì trong quá trình phanh
quan hệ giữa lực phanh ở các bánh xe tr ớc (F
p1
) và lực phanh ở các bánh xe sau
(F
p2
) phải luôn thỏa mãn biểu thức (1.17g).
-
Là moment cần đ ợc tạo ra để có đ ợc hiệu quả phanh cao nhất .

111
.
pbp
FrM = (1.18a)

222
.
pbp
FrM = (1.18b)
Trong đó: r
b1
, r
b2
- Bán kính của bánh xe tr ớc và sau.

Thay các giá trị của F
p1max
và F
p2max
từ biểu thức (1.17a) và (1.17b) vào biểu
thức (1.18a) và (1.18b) ta có:

).(

.
1
111 g
b
pbp
hb
L
rG
FrM
j
j
+==
(1.18c)
).(

.
2
222 g
b
pbp
ha

L
rG
FrM
j
j
-== (1.18d)
Đối với ôtô đã chất tải nhất định, ta có a, b, h
g
, cố định. Bằng cách thay đổi
giá trị j, dựa trên biểu thức (1.18c) và (1.18d) ta có thể vẽ đồ thị M
p1
= f
1
(j) và
M
p2
= f
2
(j).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 20 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

j
Trên ( H.1-7) thì đ ờng đậm nét ứng với ôtô đầy tải và đ ờng đứt nét ứng với
ôtô không tải.
Từ đồ thị ( H.1-7) có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa moment phanh ở bánh sau
M
p2

và moment phanh ở bánh tr ớc M
p1
.

Đối với ôtô hiện nay th ờng dùng dẫn động phanh thủy lực hoặc dẫn động
phanh bằng khí nén. Quan hệ giữa moment phanh sinh ra ở bánh xe và áp suất trong
dẫn động phanh biểu thị nh sau:
M
p1
= k
1
. p
1
(1.18e)
M
p2
= k
2
. p
2
(1.18f)
Trong đó:
j


PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 21 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
p

1
, p
2
- áp suất trong dẫn động phanh của cơ cấu phanh tr ớc và cơ cấu phanh
sau;
k
1
,k
2
- hệ số tỷ lệ t ơng ứng với phanh tr ớc và phanh sau.
Từ các biểu thức (1.18e) và (1.18f) có thể xác định quan hệ giữa áp suất trong
dẫn động phanh tr ớc và phanh sau:

12
21
1
2
.
.
p
p
Mk
Mk
p
p
=
(1.18g)
Dựa vào biểu thức (1.18g) có thể vẽ đồ thị quan hệ giữa áp suất p
1
và p

2
khi
quan hệ giữa các moment phanh M
p1
và M
p2
tuân theo đ ờng đặc tính lý t ởng.



Nếu áp suất trong dẫn động phanh sau và dẫn động phanh tr ớc phu thuộc
vào nhau theo đ ờng 1 và 2 thì lực phanh ở các bánh xe là lớn nhất.
Trong thực tế bộ điều hòa có kết cấu đơn giản do chế tạo bằng cơ khí, nên nó
không thể điều hòa theo đ ờng cong mà chỉ theo đ ờng tuyến tính. Nghĩa là gần sát
với đ ờng lý t ởng.
Trên (h.1-10) trình bày đ ờng đặc tính của bộ điều hòa lực phanh loại piston
bậc.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 22 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT


Tr ớc hết chúng ta xét tr ờng hợp khi xe đầy tải.
Giai đoạn đầu áp suất p
1
và p
2
bằng nhau, đ ờng đặc tính đi theo đ ờng thẳng

OA nghiêng với trục hoành một góc 45
0
, lúc đó bộ điều hòa lực phanh ch a làm
việc. Khi áp suất trong xi lanh chính đạt giá trị p
dch
( áp suất điều chỉnh ) thì lúc đó
bộ điều hòa lực phanh bắt đầu làm việc. Từ thời điểm đó áp suất p
2
nhỏ hơn áp suất
p
1
và đ ờng đặc tính điều chỉnh đi theo đ ờng thẳng AB gần sát với đ ờng cong lý
t ởng.
Nếu xét ở trạng thái xe không tải thì ở giai đoạn đầu đ ờng đặc tính đi theo
đ ờng thẳng OC nghĩa là lúc đó bộ điều hòa lực phanh ch a làm việc. p suất p

d.ch

ứng với điểm C là áp suất ở dẫn động phanh tr ớc ở thời điểm mà bộ điều hòa bắt
đầu làm việc. Tiếp đó đ ờng đặc tính đi theo đ ờng thẳng CD. Đ ờng CD là đ ờng
đặc tính của bộ điều hòa lực phanh khi xe không tải.
Từ đồ thị (h.1-10) thấy rằng áp suất trong dẫn động phanh sau p
2
khi đã có bộ
điều hòa lực phanh sẽ diễn biến theo đ ờng gấp khúc OAB. Đ ờng gấp kghúc này
nằm d ới đ ờng cong lý t ởng 1 nghĩa là áp suất p
2
có giá trị gần với áp suất lý
t ởng nh ng luôn nhỏ hơn áp suất lý t ởng yêu cầu, cho nên không xảy ra hiện
t ợng bó cứng bánh xe sau khi phanh.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 23 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
Nh vậy ứng với mỗi tải trọng khác nhau ta có đ ờng đặc tính lý t ởng khác
nhau (các đ ờng cong khác nhau) và đ ờng đặc tính của bộ điều hòa lực phanh ở
các tải trọng khác nhau sẽ là một chùm đ ờng nghiêng (h.1-11).


ã
Tóm lại bộ điều hòa lực phanh đảm bảo cho áp suất p
2
ở dẫn động phanh sau
gần với áp suất lý t ởng yêu cầu và có giá trị nhỏ hơn áp suất lý t ởng để tránh bó
cứng bánh xe sau.

ã

Trong tính toán động lực học của quá trình phanh ôtô th ờng sử dụng giá trị
hệ số bám cho trong các bảng. Hệ số bám này đ ợc xác định bằng thực nghiệm
bánh xe đang chuyển động bị hãm cứng hoàn toàn, nghĩa là khi bánh xe bị tr ợt lê
100%.
Thực tế ra, hệ số bám của bánh xe ôtô với mặt đ ờng ngoài việc phụ thuộc
vào tình trạng đ ờng xá và mặt đ ờng còn phụ thuộc khá nhiều bởi độ tr ợt của
bánh xe t ơng đối với mặt đ ờng trong quá trình phanh.
Độ tr ợt t ơng đối đ ợc xác định theo biểu thức:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 24 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

v
rwv
bb
ì
-
=
l
(1.19)
Trong đó:
v- vận tốc của ôtô ;
w
b
- vận tốc góc của bánh xe đang phanh ;
r
b
- bán kính làm việc của bánh xe.
Hệ số bám dọc đ ợc hiểu là tỷ số của lực phanh F
p
trên tải trọng G
b
tác dụng
lên bánh xe :

b
p
x
G

F
=
j

Với khái niệm nh trên thì hệ số bám dọc bằng không khi lực phanh tiếp
tuyến bằng không, nghĩa là lúc ch a phanh.
Trên (hình 1-12) trình bày đồ thị chỉ sự thay đổi hệ số bám dọc j
x
và hệ số
bám ngang j
y
của bánh xe với mặt đ ờng theo độ tr ợt t ơng đối l giữa bánh xe và
mặt đ ờng.


j
x
j
y

l

Theo đồ thị ta thấy hệ số bám dọc có giá trị cực đại j
x.max
ở giá trị độ tr ợt tối
u l
0
. Thực nghiệm chứng tỏ rằng giá trị l
0
th ờng nằm trong giới hạn từ 15 á 25%.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 25 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT
giá trị độ tr ợt tối u l
0
không những đảm bảo hệ số bám dọc có giá trị cực đại
mà hệ số bám ngang j
y
cũng có giá trị khá cao.
Nh vậy nếu giữ cho quá trình phanh xảy ra ở độ tr ợt của bánh xe là l
0
thì
sẽ đạt đ ợc lực phanh cực đại : F
p.max
= j
x.max
. G
b
nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất
và đảm bảo tính ổn định tốt khi phanh.
để độ tr ợt nằm trong giới hạn hẹp quanh giá trị l
0
thì hệ thống phanh
tr ờng đ ợc gắn thêm hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (ABS), nhờ vậy
sẽ đảm bảo hiệu quả phanh , tính ổn định, tính dẫn h ớng khi phanh nhờ có giá trị
j
x.max
, j

y
đạt giá trị cao. Theo đồ thị thấy rằng nếu phanh mà các bánh xe bị bó cứng
ngay từ đầu thì hiệu quả phanh, tính ổn định phanh, tính dẫn h ớng sẽ giảm đột ngột
do j
x
giảm gần một nửa và j
y
giảm đi vài lần.
Hệ thống phanh ABS dựa vào nguyên lý điều chỉnh sau :
- Theo gia tốc chậm dần của bánh xe đ ợc phanh ;
- Theo giá trị độ tr ợt cho tr ớc ;
- Theo giá trị của tỷ số vận tốc góc của bánh xe với gia tốc chậm dần
của nó.

Trong quá trình hãm bánh xe, sự ma sát của bố phanh và trống phanh ( đĩa
phanh) sẽ làm chậm dần tốc độ quay của bánh xe, sau đó sự ma sát giữa mặt đ ờng
và lốp xe làm xe dừng lại. Khi hãm phanh thật nhanh, nếu các bánh xe bị khóa cứng,
lực quán tính của xe đang chuyển động sẽ làm cho các bánh xe bị tr ợt lê trên mặt
đ ờng.
Khi bánh xe bị tr ợt lê hoàn toàn thì ma sát giữa lốp xe với mặt đ ờng là ma
sát động. Ng ợc lại, nếu hệ thống phanh giảm tốc độ của các bánh xe không quá đột
ngột thì các bánh xe vẫn tiếp tục quay chậm dần trên mặt đ ờng thì ma sát giữa
bánh xe với mặt đ ờng lúc này là ma sát tĩnh. Do ma sát tĩnh giữa lốp xe với mặt
đ ờng hãm bánh xe dừng lại nhanh hơn ma sát động giữa bánh xe với mặt đ ờng
nên tr ợt lê sẽ làm giảm chất l ợng phanh, làm mất tính dẫn h ớng cũng nh làm
mất tính ổn định khi phanh.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 26 -

Mai Văn Thanh - CK43-OT

Ngoài ra khi các bánh xe bị hãm cứng hoàn toàn thì công ma sát giữa trống
phanh và bố phanh cũng nh sự cản lăn hoàn toàn không còn nữa, tất cả năng l ợng
hầu nh biến thành nhiệt ở khu vực tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đ ờng. Sự tr ợt lê
ngoài việc làm giảm hiệu quả phanh còn làm tăng thêm độ mòn lốp , tăng độ tr ợt
dọc và ảnh h ởng xấu tới tính ổn định ngang của xe khi phanh.

Để khắc phục hiện t ợng tr ợt lết bánh xe khi phanh nhằm làm tăng hiệu quả
và tính ổn định của quá trình phanh, trên ôtô hiện đại th ờng lắp hệ thống chống
hãm cứng bánh xe gọi tắt là ABS ( anti-lock brake system).
Hệ thống phanh ABS gồm các phần tử chính sau :
+ Cảm biến tốc độ bánh xe
Đ ợc đặt tại các bánh xe, thu nhận và gởi các tín hiệu về tình trạng của các
bánh xe đến bộ điều khiển trung tâm. Ngoài ra còn có một số thiết bị cảm biến khác
nh : cảm biến gia tốc,cảm biến trọng lực,

Tiếp nhận, xử lý các thông tin từ các thiết bị cảm biến và ra lệnh tăng hoặc
giảm áp lực phanh ( Bộ điều khiển này ngày nay là điện tử )
Thực hiện các lệnh do bộ điều khiển trung tâm gởi đến ( bộ thực hiện th ờng
là loại thủy lực, loại khí hoặc loại hỗn hợp thủy khí)





PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com