Thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén cho xe tải

§å ¸n m«n häc
: ThiÕt kÕ c¬ cÊu phanh Lª Minh Kh«i - ¤t«-B K48
Môc lôc
1
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Lời nói đầu
Trong học kỳ này em đợc bộ môn giao đồ án môn học với đề tài Thiết
kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén cho xe tải. Em đã nghiên cứu yêu
cầu đề tài cùng với sự giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn và đa ra phơng án thiết kế
cùng với các bớc tính toán các thông số cho cơ cấu. Đồ án gồm các nội dung
sau:
Phần I: Chọn phơng án thiết kế cơ cấu phanh. Trong phần này trình bày
một cách sơ lợc về hệ thống phanh trên ô tô, các kết cấu của cơ cấu phanh khí
nén. Sau khi có những phân tích đa ra đợc kết cấu cụ thể sẽ tính toán, lựa chọn
sơ đồ dẫn động phanh.
Phần II: Tính toán thiết kế cơ cấu phanh. Phần này gồm các công việc
sau:
1. Phân chia mô men phanh lên các cầu. Nhằm mục đích tính đợc mô
men phanh yêu cầu cho từng cầu xe. Em đã lựa chọn cách tính thoả mãn tiêu
chuẩn ECE đối với chế độ tải trọng lớn nhất. Đây là bộ tiêu chuẩn tiên tiến về
yêu cầu của hệ thống phanh ô tô khi tiến hành thiết kế.
2. Tính toán cơ cấu phanh. Chọn các thông số cơ bản dựa theo tham
khảo và một số chỉ tiêu của cơ cấu sau đó kiểm nghiệm lại xem có thoả mãn
yêu cầu. Trong phần tính lực tác dụng lên cơ cấu em dùng cách tính của ECE
mà không dùng cách tính truyền thống là dùng hoạ đồ lực. Cách tính này đơn
giản hơn, không mất nhiều công sức nhng vẫn đảm bảo đợc độ tin cậy.
3. Hớng dẫn tháo lắp và điều chỉnh cơ cấu phanh.
Do những hạn chế về kiến thức và thời gian cho nên không thể không có
những thiếu sót, rất mong nhận đợc những góp ý của các thầy. Chân thành cảm
ơn thầy giáo PGS . TS .Nguyễn Khắc Trai đã hớng dẫn em hoàn thành đồ án.

Hà Nội, Ngày 24 tháng 11 năm 2007
Sinh viên thực hiện
Lê Minh Khôi
2
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Phần I: Chọn phơng án thiết kế cơ cấu phanh
Hệ thống phanh có nhiệm vụ giảm tốc độ, dừng hẳn ô tô hoặc giữ cho xe
đứng yên trên dốc. Hệ thống phanh gồm hai thành phần chính: dẫn động phanh
và cơ cấu phanh. Dẫn động phanh có tác dụng truyền lực (từ ngời điều khiển)
hoặc sinh lực và điều khiển dòng truyền lực đến cơ cấu phanh theo yêu cầu ngời
điều khiển. Cơ cấu phanh có vai trò tiếp nhận lực điều khiển này để thực hiện
quá trình phanh bằng cách sinh ra lực cản lại chuyển động của ô tô hoặc giữ
cho ô tô đứng yên.
1. Yêu cầu của cơ cấu phanh
Cơ cấu phanh rất đa dạng, cơ cấu phanh có nhiệm vụ sinh ra lực cản nhằm
cản lại chuyển động của bánh xe. Tuỳ thuộc vào hệ dẫn động phanh mà mỗi
kiểu cơ cấu phanh có kết cấu khác nhau. Trong khuôn khổ đề tài là thiết kế cơ
cấu phanh của hệ thống phanh khí nén, ta chỉ đề cập đến cơ cấu phanh của hệ
thống phanh này. Yêu cầu của cơ cấu phanh khí nén:
Mô men phanh sinh ra tại cơ cấu phanh đủ lớn, ổn định trong nhiều
điều kiện vận hành khác nhau: phanh gấp, phanh liên lục trong thời gian dài,
trên nhiều địa hình khác nhau.
Thoát nhiệt tốt, nhiệt sinh ra trong quá trình phanh không làm ảnh h-
ởng đến chi tiết hay các cụm chi tiết lân cận.
Không xảy ra hiện tợng tự xiết.
Kết hợp với hệ thống phanh đảm nhận tốt các chức năng khác: phanh
dừng, phanh khẩn cấp.
Độ tin cậy cao, dễ dàng bảo dỡng sửa chữa, giá thành thấp.
2. Một số loại cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén

Các cơ cấu phanh loại này đều là dạng tang trống, dùng bầu phanh biến áp
lực khí nén thành lực đẩy các hệ đòn để tạo lực ép lên má phanh (là tấm ma sát
đợc tán lên guốc phanh), ép má phanh vào trống phanh để sinh ra lực phanh
3
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
chính là lực ma sát cản lại chuyển động của trống phanh. Trống phanh đợc bắt
chặt với bánh xe do đó cản lại chuyển động quay của bánh xe làm xe giảm tốc
độ hoặc dừng hẳn. Sự khác nhau của các cơ cấu phanh loại này là phơng thức
tác dụng lực đẩy lên guốc phanh.
a. Dùng cam ép:
Lực sinh ra từ bầu phanh qua tay đòn làm quay cam ép, đẩy guốc phanh ép
má phanh vào trống phanh.
Cơ cấu này đơn giản, đợc dùng phổ biến trên xe tải, xe buýt cỡ vừa và lớn,
bán moóc và rơmoóc. Có hai loại cam thờng dùng:
Cam biên dạng Acsimet: Hình 1.1
Hình 1.1: Cơ cấu phanh có cam biên dạng Acsimet
1 - Guốc phanh; 2 - Lò xo phanh; 3 - Bầu phanh; 4 - Giá đỡ bầu phanh;
5 - Đòn trục cam; 6 - Cam ép biên dạng Acsimet; 7 - Lò xo lá; 8 - Má phanh;
9 - Trống phanh; 10 - Chốt guốc phanh.
4
Cam Xicloit
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Cam biên dạng Cicloit: Hình 1.2
Hình 1.2: Cơ cấu phanh có cam biên dạng Cicloit
b. Cơ cấu ren đai ốc: Hình 1.3
Cơ cấu biến chuyển động quay của đai ốc thành chuyển động tịnh tiến
của các gối, đẩy guốc phanh chuyển động ép má phanh vào trống phanh. Kết
cấu này không phổ biến, xuất hiện trên một số xe chuyên dùng.

Hình 1.3: Cơ cấu phanh dùng cơ cấu ren đai ốc
3. Chọn kết cấu cơ cấu phanh
Cơ cấu phanh lựa chọn thiết kế có kết cấu nh hình 1.4.
5
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Với yêu cầu của đề tài là cơ cấu phanh cho xe tải có khối lợng toàn bộ 15
100 kg, hệ dẫn động 4x2, ta chọn cơ cấu phanh tang trống dùng cam ép có biên
dạng Acsimet vì nó thoả mãn đợc những yêu cầu sau:
Cơ cấu phanh đối xứng trục nên mô men phanh sinh ra ổn định cả khi
chuyển động tiến và lùi đảm bảo đợc an toàn vì xe có tải tọng lớn.
Cơ cấu phanh này phù hợp với dẫn động phanh bằng khí nén.
Kết cấu khá phổ biến, dễ dàng trong việc bảo dỡng, sửa chữa.
Hình 1.4: Kết cấu cơ cấu phanh lựa chọn thiết kế
4. Lựa chọn sơ đồ dẫn động phanh
Lựa chọn sơ đồ dẫn động phanh hai dòng, một cho cầu trớc và một cho cầu
sau. Phơng án dẫn động này đảm bảo đợc sự an toàn cho xe.
Sơ đồ có nguyên lý hoạt động nh sau: (Hình 1.5)
Máy nén khí nén khí qua bầu lọc ẩm 9 đến bình chứa khí đồng thời đến
cụm van chia bốn ngả 17, tại đây khí đợc cấp đến 3 bình chứa còn lại. từ 2 bình
chứa khí đợc cấp thành 2 dòng riêng biệt đến van phân phối hai dòng 1. Khi ng-
ời lái thực hiện quá trình phanh, tác động lên van phân phối 1 mở cho 2 dòng
khí đến van xả nhanh 3 và 14 cấp khí tới cơ cấu phanh của cầu sau và cầu trớc
6
Bầu phanh
Cơ cấu phanh
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
thực hiện quá trình phanh. Ngoài ra cầu sau dùng bầu phanh tích năng để đảm
nhận chức năng phanh dừng, có đờng cấp khí đến van phanh động cơ 8 thực

hiện chức năng phanh chậm dần.
áp suất khí nén tại cơ cấu phanh là 6 ữ 7 MPa.
Hình 1.5: Sơ đồ dẫn động phanh
1.Van phân phối 2 dòng 6.Bầu phanh bánh xe 12.Đồng hồ áp suất
2.Van phanh tay 7.Bầu phanh tích năng 14.Van xả nhanh
3.Van tự động (R12) 8.Van phanh bằng động cơ 17.Van chia 4 ngả
4.Van đổi chiều va xả nhanh 9.Bộ lọc ẩm 24.Bình chứa khí nén
5.Van điện tử 3 ngả 11.Van an toàn bình chứa
7
1
2
12
6
11
9
17
24
7
7
3
4
5
8
14
6
24
24
24
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48

Thông số kỹ thuật ban đầu của xe
Khối lợng đầy tải: m = 15 100 kg
Khối lợng đặt lên cầu trớc: m
1
= 6 550 kg
Khối lợng đặt lên cầu sau: m
2
= 8 550 kg
Chiều dài cơ sở: L = 5,1 m
Chiều rộng cơ sở: 1,84 m
Khoảng sáng gầm xe: 0,25 m
Chiều cao trọng tâm khi đầy tải: h
g
= 1,15 m
Công suất động cơ lớn nhất: Ne = 215 kW tại ne = 2 700 vòng/phút
Mô men động cơ lớn nhất: Me = 620 Nm tại ne = 1 600 vòng/phút
Hộp số có tỷ số truyền tại các tay số:
Số 1: i
1
= 6,444
Số 2: i
2
= 3,892
Số 3: i
3
= 2,426
Số 4: i
4
= 1,395
Số 5: i

5
= 1
Số lùi: i
l
= 5,692
Lốp xe loại 10.00-20, ta tính đợc bán kính động bánh xe: R
bx
= 0,495 m
Vận tốc cực đại: V
max
= 90 km/h
Dựa vào các thông số ban đầu

này ta tính toán đợc các thông số kết cấu khác
của xe:
Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trớc:
m89,2
m
L.m
a
2
==
Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau:
m21,2
m
L.m
b
1
==
8

Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Phần II: Tính toán thiết kế cơ cấu phanh
1. Phân chia môn men phanh lên các cầu:
Với toạ độ đơn vị:
L
a
x
=
;
x1
L
b
=
;
L
h
y
g
=
Khi phanh với gia tốc phanh j, tải trọng bám phân bố lại trên các cầu:
)jyx1(GZ
1
+=
)jyx(GZ
2
=
Z
1
, Z

2
: Tải trọng bám trên cầu trớc và cầu sau khi phanh.
G: Trọng lợng của xe.
Lực phanh tính theo điều kiện bám:
+==
)jyx1(G.ZF
11pi
==
)jyx(G.ZF
22pi
: Hệ số bám.
Với yêu cầu của đề tài là thiết kế cơ cấu phanh của hệ thống phanh khí nén
không dùng bộ điều hoà lực phanh do đó ta thực hiện việc phân chia mô men
phanh trong trờng hợp không có bộ điều hoà lực phanh:
Đặt tỷ lệ:
i
G
F
2p
=


i1
G
F
1p
=

Với là gia tốc đơn vị: = j/g
Khi đó:

=
.G)i1(F
1p
;
=
.G.iF
2p
Hệ số tận dụng trọng lợng bám
1
,
2
:
yx1
)y1(
)yx1(G
F
Z
F
1p
1
1p
1
+

=
+
==
yx
i
)yx(G

F
Z
F
2p
2
2p
2


=

==
9
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Các đờng
1
,
2
phải thoả mãn tiêu chuẩn ECE, với i = 0,408 ta có đồ thị
thoả mãn yêu cầu của tiêu chuẩn: Hình 2.1
Trong khoảng 0,15 0,30 thoả mãn
1
>
2
và hai đờng cong
này nằm giữa hai đờng thẳng = 0,08
Trong khoảng 0,3 thì 0,3 + 0,74( - 0,38) hay thoả mãn
điều kiện
1

,
2
< = ( - 0,0188)/74.
Hình 2.1: Các đờng
1
,
2
thoả mãn tiêu chuẩn ECE
Thay vào các công thức trên có lực phanh tại các cầu:
F
P1
= 62 534 N, F
P2
= 43 166 N
Mômen phanh tại các cơ cấu phanh:
bx
1p
1
R
2
F
M
=
;
bx
2p
2
R
2
F

M
=
R
BX
= 0,495 m, thay vào có mômen phanh yêu cầu tại cơ cấu phanh của cầu
trớc và cầu sau là:
M
1
= 15 477 Nm; M
2
= 10 648 Nm.
10
= ( 0,0188)/74
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Theo tiêu chuẩn ECE, với mọi giá trị tải trọng thì các đờng hiệu quả phanh t-
ơng ứng
1
,
2
đều phải thoả mãn nằm trong vùng cho phép của tiều chuẩn. Tuy
nhiên trong khuôn khổ của đề tài là thiết kế cơ cấu phanh nên ta chỉ tính với giá
trị tải trọng lớn nhất để lấy đợc các giá trị mômen phanh yêu cầu cho cơ cấu
phanh.
2. Tính toán cơ cấu phanh:
2.1. Tính chọn các thông số cơ bản:
Do yêu cầu đảm bảo thoát nhiệt tốt khi phanh, đối với xe tải bán kính
tang trống lấy nhỏ hơn bán kính lắp vành 55 mm ữ 70 mm. Xe dùng lốp 10.00-
20 có đờng kính lắp vành D
v

= 508 cm.
Ta lấy bán kính tang trống r
t
= 200 mm = 0,2 m.
Góc ôm tấm ma sát lấy theo xe tham khảo:
0
= 120
o
.
Bề rộng của má phanh của cơ cấu phanh trên từng cầu ta tính sơ bộ dựa
vào khối lợng phân bố trên cầu đó thông qua thời hạn làm việc của má phanh,
đợc tính bằng tỉ số:
[ ]
( )
24
m/kg10.5,35,2p
F
m
p
ữ==

Trong đó:
m: Khối lợng của xe trên một cầu
F

: Tổng diện tích các má phanh của các cơ cấu phanh trên cầu
tơng ứng.

b.r.
180

.4F
t







=

Với b: bề rộng má phanh

]p[
b.r
180
..4
m
p
t



=

]p.[r.
180
..4
m
b

t



11
Đồ án môn học
: Thiết kế cơ cấu phanh Lê Minh Khôi - Ôtô-B K48
Đối với cơ cấu phanh cầu trớc có tải trọng đặt lên m
1
= 6 550 kg, thay
vào có:
b
1
0,107 ữ 0,134 m
Đối với cơ cấu phanh của cầu sau có tải trọng đặt lên m
2
= 8 550 kg, thay
vào có:
b
2
0,125 ữ 0,150 m
Do khi phanh xuất hiện gia tốc phanh j khiến khối lợng đợc phân bố lại
trên các cầu theo hớng tăng khối lợng lên cầu trớc và giảm ở cầu sau. Do đó ta
chọn b
1
có giá trị lớn còn b
2
chọn giá trị nhỏ. Ta chọn b
1
= 140 mm, b

2
= 120
mm.
Ta tính đợc diện tích cơ cấu phanh cầu trớc và cầu sau:
F
1
= 58 643 mm
2
, F
2
= 50 265 mm
2
2.2. Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu phanh
Ta coi lực tác dụng từ trống phanh lên má phanh là một lực tập trung đặt tại
vị trí chính giữa má phanh, lực này gồm hai thành phần:
Lực pháp tuyến (hớng vào tâm) F
N
Lực tiếp tuyến có độ lớn àF
N
(với à là hệ số ma sát giữa trống
phanh và má phanh), lực này có chiều cùng với chiều quay của
trống phanh.
Tại vị trí chốt phanh ta phân tích lực đặt lên guốc phanh thành 2 thành phần
vuông góc nhau là: F
Z
và F
X
nh hình vẽ.
Lực tác dụng của cam F
P

. Hình 2.2
12