thiết kế hệ thống phanh ô tô dẫn động phanh bằng khí nén ,cơ cấu phanh tang trống cả ở cầu trước và sau

LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển của nghành ô tô thế giới có những chuyển mình mạnh mẽvào
những thập kỷ cuối của thế kỷ XX.
Trong giai đoạn hiện nay nghành công nghiệp ô tô ngày một hoàn thiện
nó cải tạo hệ thống truyền thống, tìm nguồn năng lượng mới,tăng cường cải tiến
kết cấu ,khả năng tự động hoá nhờ sử dụng các phần mềm vi sử lý và hệ thống
chẩn đoán kỹ thuật giúp con người sử dụng khai thác ô tô giảm sức lao động tiện
lợi trong sử dụng và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Hoà chung với sự phát triển của nghành ô tô thế giới , ở nước ta nghành ô
tô cũng có những chuyển biến vượt bậc.Từ chỗ chúng ta chỉ tập chung bảo
dưỡng sửa chữa ô tô đến nay chúng ta đã chế tạo vầ lắp ráp đóng mới thành công
nhiều loại ô tô để phục vụ thị trường trong nước.Trong đó chúng ta đã đi sâu
nghiên cứu cải tiến các kết cấu ô tôcho phù hợp với điều kiện sự dụng và nhu
cầu của thị trường trong nước .
Việc sản xuất và lắp ráp ô tô ở trong nước đã đem lại những lợi ích rất lớn
- Hạ giá thành sản phẩm.
- Tận dụng nguồn năng lực trong nước.
- Tận dụng được các tổng thành của các xe ô tô đời cũ hiện đang
tồn đọng rất nhiều trên thị trường.
Vì trình độ và thời gian có hạn nên bài thiết kế này không tránh khỏi
những sai sót.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS.Trương Mạnh Hùng đã giúp em hoàn
thành bài thiết kế môn học: Kết cấu và tính toán ô tô này!.
Hà Nội,ngày tháng 6 Năm 2011
SVTH: Nguyễn Đình Hoạt

1


CHƯƠNG I: KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG PHANH
I.Công dụng của hệ thống phanh:

Hệ thống phanh trên ô tô dùng để giảm tốc độ hoặc dừng xe tức thì khi
gặp sự cố hoặc khi cần thiết.Ngoài ra hệ thống phanh ô tô còn giúp xe đứng yên
trên dốc.
Hệ thống phanh ô tô là một trong những cụm cơ cấu quan trọng trong an
toàn chuyển động.Nó giúp cho ô tô chuyển động an toàn ở tốc độ cao và nâng
cao được năng suất vận chuyển,nâng cao được vận tốc trung bình.
II. Yêu cầu của hệ thống phanh:
Hệ thống phanh dùng để nâng cao khả năng chuyển động an toàn cho ôtô.
Để thực hiện chức năng này, hệ thống phanh phải thoả mãn những yêu cầu sau
đây:
+Đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất ở bất kỳ chế độ chuyển động nào, ngay cả
khi dừng xe tại chỗ.
+Có độ tin cậy làm việc cao để đảm bảo cho ôtô chuyển động an toàn.
+Phanh êm dịu trong bất kỳ mọi trường hợp để đảm bảo tính ổn định của ôtô.
+Gia tốc phanh phải lớn.
+Điều khiển nhẹ nhàng, nghĩa là lực tác dụng lên bàn đạp phải nhỏ.
+Quãng đường phanh nhỏ nhất.
+Thời gian phanh nhỏ nhất.
+Độ lệch tâm dọc phải nhỏ hơn 80 sau khi phanh.
+Không bị mất tính dẫn hướng khi phanh.
+Mômen phanh trên các bánh xe phải tuân theo quan hệ sử dụng hoàn toàn trọng
lượng bám khi phanh với bất kỳ cường độ nào.
+Ôtô có thể đỗ tại mặt đường có độ dốc dọc.

2


+Tuổi thọ làm việc cao.
Tiêu chuẩn về hiệu quả của hệ thống phanh là chỉ số gia tốc phanh và
quãng đường phanh. Hiệu quả phanh được đảm bảo bằng cách lựa chọn hợp lý

kết cấu, cơ cấu phanh, tăng độ cứng của dẫn động phanh, áp dụng trợ lực chân
không hoặc hệ thống phanh khí nén.
Độ tin cậy của hệ thống phanh được đảm bảo nhờ sự có mặt của một số hệ
thống phanh độc lập, và nhờ độ tin cậy của từng hệ thống độc lập đó.
Vì vậy trên ôtô hiện nay, nhất thiết phải có 4 hệ thống phanh sau:
1.

Hệ thống phanh công tác.

2.

Hệ thống phanh dự trữ.

3.

Hệ thống phanh dừng.

4.

Hệ thống phanh bổ trợ.

Thực tế các yêu cầu đối với hệ thống phanh ôtô hiện nay phải được xác
định theo tiêu chuẩn ngành (tiêu chuẩn quốc gia). Đồng thời cần kể đến các tiêu
chuẩn của các nước, khi mà có ý định suất xe sang các nước đó.
III.Lựa chọn cơ cấu phanh:
Căn cứ vào nhiệm vụ thiết kế môn học được giao.Ta thiết kế hệ thống phanh
ô tô dẫn động phanh bằng khí nén ,cơ cấu phanh tang trống cả ở cầu trước và
sau.
a) Nguyên lý hoạt động.
Máy nén khí cung cấp khí nén được dẫn động từ động cơ sẽ bơm khí nén

qua bình lắng (2) đến bình chứa khí nén (3). Áp suất được khống chế qua đồng
hồ (8). Khi phanh, người lái đạp bàn đạp phanh đồng thời mở đường khí nén từ
van phanh (4), khí nén từ bình chứa (3) qua van phân phối (4) đến các bầu phanh
(5,6). Màng bầu phanh bị ép qua cơ cấu dẫn động phanh làm cam phanh (9)

3


quay. Vấu cam tỳ vào đầu guốc phanh, ép guốc phanh sát vào trống phanh thực
hiện quá trình phanh.
b) Ưu, nhược điểm.
Lực tác dụng lên bàn đạp rất nhỏ.
Có ưu điểm đặc biệt khi bố trí trên đoàn xe.
Dễ dàng cơ khí hóa trong điều khiển và dễ dàng cung cấp cho các bộ phận
khác có sử dụng khí nén
Độ nhạy thấp.
Khối lượng chi tiết nhiều, kích thước lớn, giá thành cao.
c) Phạm vi ứng dụng.
Hệ thống phanh khí nén đa số được bố trí trên xe tải, xe buýt có tải trọng từ trung
bình đến lớn. Cơ cấu phanh thường sử dụng là loại tang trống
IV.Sơ đồ của hệ thồng phanh:

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống phanh khí nén
1. Máy nén khí; 2. Bình nắng nước và dầu; 3. Bình nén khí;
4. Van phanh;5,6. Bầu phanh trước, sau;7. Bàn đạp;
8. Đồng hồ đo áp suất; 9. Cam quay; 10. Guốc phanh; 11. Tang trống

4

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH
I.THÔNG SỐ XE TÍNH TOÁN
Phương Loại

Ga1

Ga2

L

hg

Bánh

Loại

án

(KG)

(KG)

mm

mm

xe

cấu phanh

ô tô

cơ Loại
dẫn
động

12

Đầu

2465

5960

3300

1200 260-20

kéo

Trước

phanh
Khí

tang

nén

trống ,sau

tang trống

II.XÁC DỊNH MÔ MEN PHANH CẦN THIẾT
1.Bán kính bánh xe 260-20.
+ Bán kích thiết kế : r0
r0 = B +

d
20
* 25.4 = 260 +
* 25.4 = 514(mm)
2
2

+ Bán kính làm việc trung bình của bánh xe:
rbx = λ * r0
Trong đó λ = 0.94 là hệ số kể đến sự biến dạng của lốp.
⇒ rbx = 0.94 * 514 = 483.16 (mm ) .
2.Khoảng cách từ tâm cầu trước và sau đến trọng tâm của ô tô:

5


O

Z

hg

Z1

2

G

a

a=

Ga 2 .L
G

;

b=

b

Ga1.L
G

+Trong đó:
L:chiều dài cơ sở của ô tô, L = 3300 (mm).
Ga1 :trọng lượng phân bố lên cầu trước của ô tô. Ga1 = 2465 (kG).
Ga 2 : trọng lượng phân bố lên cầu sau của ô tô. Ga 2 = 5960 (kG).

G :là trọng lượng bản thân của ô tô.
G = Ga1 + Ga 2 = 2465 + 5690 = 8155 (kG).
+Vậy:
a=

5690 * 3300
= 2302.5 (mm).
8155

;

b=

2456 * 3300
= 993.8 (mm).
8155

3.Mô men phanh cần thiết ở cầu trước và cầu sau:
M pct1 và M pct 2 được xác định từ hệ phương trình sau:

6


 M pct1 + M pct 2 = ϕ .G.rbx

 M pct1 b + ϕ .hg
=
M
 pct 2 a − ϕ .hg

+Trong đó:
ϕ : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường đá dăm.chọn ϕ = 0.55.

+Vậy:

M pct1 + M pct 2 = 0.55 * 8155 * 0.48316 = 2167.09
M pct1
M pct 2

=

b + ϕ .hg
a − ϕ .hg

=

0.9938 + 0.55 * 1.2
=A
2.3025 − 0.55 * 1.2

Mpct1=1087.29 KG.m
Mpct2=1079.8 KG.m
+Ta có tỉ số A = 1.007.
→ Như vậy đạt yêu cầu thiết kế : A = 0.5 ÷ 1 với ô tô đầu kéo.

-Vậy mô men phanh cần thiết của từng cơ cấu phanh ở cầu trước và cầu sau :

M1 =
M2 =

M pct1
2
M pct 2
2

=

1087.29
= 543.645 kG.m = 543.645*9.8=5327.7N.m .
2

=

1079.8
= 539.88 kG.m = 539.88*9.8=5290.8 N.m .
2

III.XÁC ĐỊNH BÁN KÍNH TANG TRỐNG VÀ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ
BẢN CỦA CƠ CẤU PHANH
1.Bán kính của tang trống:
Rt =

d
20
− 2.5 * 10 −3 =
* 0.0254 − 2.5 * 10 −3 = 0.2515 (m).
2
2

2.Các kích thước cơ bản của cơ cấu phanh:
-Khoảng cách từ tâm trống đến tâm cốt guốc phanh:
7


a = b = 0.8.*Rt = 0.8*0.2515 = 0.2012(m).

-Khoảng cách từ mặt má phanh đến tâm chốt guốc phanh:
e = 0.85* Rt = 0.85*0.2515 = 0.2138 (m).
-Hệ số ma sát : µ chọn = 0.3.

3.Xác định chiều rộng tấm ma sát C của cơ cấu phanh:
C≥

M1
µ .Rt2 .β .[ q ]

0
0
-Trong đó: β -là góc ôm. β = ( 90 ÷ 100 ) .chọn β = 1000 = 1,744 (rad)..

[ q ] -áp suất trên bề mặt má phanh [ q ] = ( 1,5 ÷ 2 ) .106 N / m 2 .
Chọn [ q ] = 2.106 N / m2 .
-Vậy:
C≥

5327.7
= 0.08 (m) .
0.3 * 0.2515 2 * 1.744 * 2 * 10 6

-Chọn C = 0,08(m) = 80 mm.

8


IV.TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN GUỐC PHANH P :
-Để xác định lực tác dụng lên guốc phanh,ta đi giải các phương trình sau:

M 1 = M pcc1 = P1. ( a + b ) .µ.Rt .

2.b
b − ( µ.e )

M 2 = M pcc 2 = P2 . ( a + b ) .µ.Rt .

2

2

2.b
b 2 − ( µ.e )

2

-Vậy

b 2 − ( µ .e )
0.2012 2 − ( 0.3 * 0.2138)
= 543.64 *
( a + b ) * µ * Rt * 2 * b
( 0.2012 + 0.2012) * 0.3 * 0.2515 * 2 * 0.2012
2

P1 = M 1 *

2

=1618.2 kG

b 2 − ( µ .e )
0.2012 2 − ( 0.3 * 0.2138)
P2 = M 2 *
= 539.88 *
( a + b ) * µ * Rt * 2 * b
( 0.2012 + 0.2012) * 0.3 * 0.2515 * 2 * 0.2012
2

2

=1607.07 kG
V.KIỂM TRA CƠ CẤU PHANH.
1.Kiểm tra công trượt riêng l:
-Công trượt riêng:
9


G.V02
l = g.2.F (N/m).
∑

+Trong đó: V0 = 16,6 (m/s).

F∑ -tổng diện tích tấm ma sát .

F∑ =

2.π

m

∑ 360 .β .R .C
i =1

i

t

i

Với: m – số lượng má phanh ở tất cả cơ cấu phanh.m = 8.

β i - góc ôm của tấm ma sát má phanh thứ i. βi = 1000
Rt - bán kính trống phanh, Rt = 0,2515 (m).
Ci - chiều rộng tấm ma sát của cơ cấu phanh thứ i.
Ci = 0.08(m) với tất cả tấm ma sát.
2 *π
*100 * 0.2515 * 0.08 = 0,28 m 2 .
360

→

F∑ = 8.

l=

8155 * 16.6 2
= 4.09*106 (N/m).
9.8 * 2 * 0.28

-Vậy :

6
-Ta thấy : l ≤ [ l ] = ( 4 ÷ 10 ) .10 (N/m). → Thỏa mãn.

2.Kiểm tra khối lượng riêng:
-Ta có khối lượng riêng:
mr =

G
8155
=
= 2971.9
g * Fz 9.8 * 0.28

-Ta thấy : mr ≤ [ mr ] = (2.5 ÷ 3.5) *10 4 kG / m 2 (với xe tải) .
3.Kiểm tra sự tăng nhiệt của tang trống:
Trong quá trình phanh động năng của ôtô chuyển thành nhiệt năng ở trống
phanh và một phần thoát ra ngoài không khí. Sự tăng nhiệt ở trống phanh là:
∆t =

G * V0
≤ [∆t ]
2 * g * mt * C

10


-Trong đó:

[ ∆t ] ≤ 150 K
C = 482 (J/kg.K)
mt -khối lượng của tang trống.chọn mt = 10 kg.
V0 = 8.3 (m/s).

G -Trọng lượng toàn bộ của ô tô, G=8155(kG).
-Vậy:
8155 * 8.3 2
∆t =
=5.95 ≤ [ ∆t ] .
2 * 9.8 * 10 * 482

Như vậy sự tăng nhiệt độ của trống phanh trong quá trình làm việc đạt yêu
cầu kỹ thuật.
VI.TÍNH TOÁN DẪN ĐỘNG PHANH.
1. Xác định lực dẫn động phanh cần thiết trên mỗi cầu
Số liệu cho trước :
+Moomen phanh cần thiết cho một cơ cấu phanh.
+Thông số hình học của cơ cấu phanh.
P1 =

P2 =

M p1 (0.5 * h − f * Rt )
2 * Rt * f * h
M p 2 ( 0.5 * h + f * Rt )
2 * Rt * f * h

=

5327.7( 0.5 * 1.2 − 0.3 * 0.2515)
= 15433.2( N )
2 * 0.2515 * 0.3 * 1.2

=

5290.8 * (0.5 * 1.2 + 0.3 * 0.2515)
= 19735.3( N )
2 * 0.2515 * 0.3 *1.2

2. Tính bầu phanh bánh xe
Dựa vào điều kiện cân bằng của màng phanh trong bầu phanh bánh xe.
P = [ p]

πd 2
η1η 2
4

Trong đó : + P : Lực tác dụng nên guốc phanh.

11


Ở cầu trước P1=15433.2(N)
Ở cầu sau P2=19735.3(N)
+[p] :Áp suất cho phép trong đường ống và bầu phanh bằng thép
(0.7-0.8)*106 N/m2
+d : Đường kính của màng bầu phanh.
+η1 :Tính đến hệ số nạp khí nén vào bầu phanh η1 =1
+ η 2 :Hiếu suất cơ học của bầu phanh η 2 =0.95

Vậy đường kính màng bầu phanh:
+Ở cầu trước d1 = 2
+Ở cầu sau d 2 = 2

P1
15433.2
=2
= 0.16 (m)
π * [ p ] *η1 *η 2
π * 0.8 * 10 6 * 1 * 0.95

P2
19735.3
=2
= 0.18 (m)
π * [ p ] *η 1 * η 2
π * 0.8 * 10 6 * 1 * 0.95

3. Máy nén khí.
Năng suất của máy nén khí xác định theo công thức.
Q=

i * π * d 2 * s * n *η v
(lit / phút )
4000

Trong đó : + i .Số lượng xy lanh của máy nén khí : 2
+ d. Đường kính của xylanh (cm) : 52 cm
+ S. Hành trình pitston (cm) : 38 cm
+ n. Số vòng quay của trục máy nén (v/ph) :1250 v/p

+ η v . Hiệu suất truyền khí của máy nén (0.5 - 0.75) :0.6
Ta có :

Q=

2 * π * 52 2 * 38 *1250 * 0.6
= 120(lit / phút )
4000

4. Van phân phối khí.
Van phân phối khí đảm bảo cho áp suất không khí trong dẫn động tỷ lệ thuận
với lực tác dụng lên bàn đạp.
Sơ đồ tính van phân phối đơn :

12


§Õn xi lanh

§¹p phanh

KhÝ trêi

B×nh chøa khÝ nÐn

Dưới tác dụng của lực Q được tạo ra từ người lái tác dụng lên lò xo tới cơ cấu
tuỳ động làm ngăn cách sự lưu thông giữa buồng I và buồng II sau đó nhờ cơ
cấu cần đẩy
sẽ mở van làm cho buồng III thông với buồng II nhờ sự chênh lệch áp suất
P3>P2

Khí từ buồng III tới buồng II đi tới bầu trợ lực phanh .
Để van mở nhiều hay ít tuỳ thuộc vào lực bàn đạp .
Thôi phanh : Từ thế van như khi không phanh , khi thôi phanh (Q = 0) dưới tác
dụng của áp suất P3 làm cho đế van đóng lại ngăn buồng II với buồng III lúc này
P2 > P 1
⇒ áp suất khí trong buồng II sễ đẩy màng về phía trái làm thông buồng II và
buồng I
⇒ Khí từ trong bầu trợ lực và hệ thống dẫn động đi ra ngoài
⇒ Ph =P2 =P1 .

13


Điều kiện cân bằng của màng 3 (cơ cấu tuỳ động ) như sau :( bỏ qua ma sát
giữa màng vào thành xi lanh của thân van ).
Q= Qbđ * Lbđ =S* C = Fm (P2 – P1) + Fv (P3 – P2 )
Trong đó
Q: Lực tác dụng vào cần đẩy van
S: Dịch chuyển của lò xo 2
C: Độ cứng của lò xo 2
Qbđ : Lực tác dụng của người lái vào bàn đạp
Qbđ *a =Q*b ⇒ Q=Qbđ *a/b =Qbđ *ibđ
Ibđ : tỷ số truyền từ bàn đạp tới thanh đẩy van
S= Sbđ/ibđ ⇒ Qbđ =S*C/ibđ =Sbđ*C/ i2bđ
P1 : áp suất ở trong khoang I
P2 : áp suất ở trong khoang II
P3 : áp suất ở trong khoang III
⇒ Qbđ.ibđ =Fm *Ph + Fv (P3 –P3 )
Ph =P2 –P1 : áp suất tới hệ thống
P3 –P1 =Pb : là áp suất trong bình chứa

Fm: Diện tích màng van điều khiển
Fv : Diện tích đế van điều khiển
Vì Fv nhỏ nên có thể coi gần đúng :
Ph =Qbđ*ibđ/ Fm
Đặt Kt = ibđ/Fm ⇒ Ph =Kt *Qbđ
Vậy
Ph =Qbđ * Kt gọi là hệ số tuỳ động
Phmax =Kt* Qbđmax xảy ra khi bàn đạp kịch van
Chọn
Qbđmax =24 kG

14


Chọn cánh tay đòn của bàn đạp phanh a và b lần lượt là 380mm ; 65 mm
⇒ ibđ = a/b = 380/65 =5.846
Chọn
Fm = 21 cm2
⇒ Kt = ibđ / Fm =5.846/21 =0.2783
⇒ Phmax =Kt *Qbđmax =0.2783* 24 =6.7 kG/cm2
Ta có áp suất cực đại trong bình chứa Phmax = 7 (kG/ cm2 )
Chọn hành trình bàn đạp bao gồm cả hành trình tự do là : 180 m m =18 cm
⇒ Độ cứng của lò xo :
C =Qbđmax *ibđ/S = 24* 5.846/18 =7.794(kg/cm)
5 . Bầu phanh .
Lực tác dụng lên thanh đẩy của bầu phanh tính theo công thức sau:
Pthđ = pi *

π * D2
*η1 *η 2 = pi * Fm *η1 *η 2

4

Ở đây :
+ pi : áp suất trong bầu phanh ( pi max = 7kG / cm 2 )
+ D : đường kính làm việc của màng.
+ Fm : diện tích của màng
+ η1 : hệ số tính đến độ nạp không khí vào bầu phanh η1 =1
+ η 2 :hiệu suất cơ học của bầu phanh η 2 =0.95
Pthđ

π *18 2
= 7*
* 1 * 0.95 = 1692.2(kG )
4

Vỏ của bầu phanh chế tạo bằng cách dập thép lá có thành phần cacbon thấp
hoặc đúc bằng xilumin.
Bầu phanh được thử độ bền và độ kín với áp suất 7:8 kG/cm2 khi thanh
đẩy nằm ở vị trí tận cùng.
Lò xo của bầu phanh thường có độ cứng khoảng 1.5 : 3.5 KN/m

15


Lực ép của lò xo thường vào khoảng 80 : 150 N
Lực Pthđ tác dụng lên thanh đẩy phải đủ để tạo lên cam quay của cơ cấu
phanh các lực . P1 và P2 theo yêu cầu để có thể ép guốc phanh vào trống và sinh
ra moomen phanh cần thiết.
6. Tính bền cho đường ống dẫn động phanh.
Khi đó, có thể coi đường ống là loại vỏ bịt kín hai đầu và có chiều dài khá

lớn. ứng suất tiếp tuyến tính theo công thức sau:
σt =

P.R
S

Trong đó:
P - áp suất bên trong đường ống, P = 70KG/cm2
S - Bề dầy của đường ống, S = 0.5mm = 0.05cm
R - Bán kính bên trong của đường ống dẫn, R = 5mm = 0.5cm
70.0,5

2
⇒ σ t = 0,05 = 700 KG / cm

+ ứng suất pháp tuyến:
σn =

P.R 70.0,5
=
= 350 KG / cm 2
2.S 2.0,05

+ ứng suất tổng hợp:
σ = σ n2 + σ t2 = 700 2 + 350 2 = 782,62 KG / cm 2

Chọn vật liệu làm đường ống dẫn bằng hợp kim đồng có
[σ] = 2600KG/cm2
⇒ Đảm bảo đủ độ bền cho đường ống.

16