Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống giao thông đường bộ tại Việt Nam, ô tô là phương tiện vận tải chủ lực nhờ tính cơ động và hiệu quả kinh tế trên nhiều loại địa hình. Sự phát triển đô thị hóa nhanh chóng làm gia tăng nhu cầu xây dựng hạ tầng lưới điện, kéo theo đòi hỏi vận chuyển các loại cột điện bê tông cỡ lớn có chiều dài lên tới 10 m từ các nhà máy sản xuất tập trung (chủ yếu ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh) đến các công trình trên toàn quốc, đặc biệt là các tuyến liên tỉnh đi miền Trung.

Theo quy định của Luật Đường bộ Việt Nam, kích thước hàng hóa chuyên chở không được vượt quá kích thước bao ngoài của phương tiện. Đối với bài toán vận chuyển hàng siêu trường dạng cột dài, tác giả phân tích ba phương án:

  1. Nối thêm rơ-moóc;
  2. Gác vật dài lên đầu xe (chỉ áp dụng với vật không dài hơn chiều dài xe);
  3. Kéo dài thân xe để đảm bảo hàng nằm hoàn toàn trong kích thước bao ngoài.

Phương án kéo dài thân xe được lựa chọn nhằm tạo ra xe tải chuyên dùng vận chuyển cột điện 10 m. Xe cơ sở được chọn là xe tải sát-xi HINO FF3H (công thức bánh xe 4x2) đã lắp ráp tại Việt Nam. Để đáp ứng kích thước hàng hóa, thân xe được cải tạo kéo dài thêm 1,2 m, nâng chiều dài cơ sở từ 5.050 mm lên 6.250 mm. Việc thay đổi kích thước hình học và phân bố tải trọng làm dịch chuyển trọng tâm xe, dẫn đến sự thay đổi căn bản về động lực học phanh, khiến hệ thống phanh nguyên bản không còn đáp ứng được các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật quốc tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm ba nội dung:

  1. Tìm hiểu kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh trên ô tô HINO FF3H nguyên bản;
  2. Nghiên cứu tiêu chuẩn ECE R13, xác lập cơ sở lý luận và phương pháp tính toán phân bố lực phanh;
  3. Kiểm nghiệm bền cơ cấu phanh, tính toán xác định tỉ số phân chia lực phanh mới và đề xuất phương án cải tạo hệ thống phanh.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phanh dầu điều khiển bằng khí nén (phanh thủy lực trợ lực khí nén 2 dòng độc lập) của xe tải HINO FF3H. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán động lực học phanh và kiểm nghiệm cơ khí cho xe sau khi kéo dài cơ sở chở cột điện 10 m, thực hiện tại Bộ môn Ô tô – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (tháng 5/2004).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết, mô hình và phương pháp kỹ thuật sau:

  • Tiêu chuẩn an toàn ECE R13 (Châu Âu): Sử dụng Mục 2 của Phụ lục 10 quy định về phân chia lực phanh cho xe 2 cầu không trang bị hệ thống chống bó cứng phanh (ABS). Tiêu chuẩn quy định trong dải hệ số bám $\varphi = 0,2 \div 0,8$, đường đặc tính phanh phải thỏa mãn điều kiện gia tốc phanh đơn vị $z \ge 0,10 + 0,85(\varphi - 0,2)$. Đồng thời, hệ số tận dụng bám ở cầu trước phải lớn hơn cầu sau ($f_1 > f_2$) để đảm bảo bánh trước bị bó cứng trước bánh sau, ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định hướng hoặc trượt quay đuôi xe.
  • Mô hình động lực học phanh ô tô: Khảo sát quan hệ giữa tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các cầu ($Z_1, Z_2$), vị trí tọa độ trọng tâm tĩnh ($a, b, h_g$), lực bám cực đại và vòng ma sát bám ($X^2 + Y^2 \le R_{max}^2$). Mô hình chứng minh rằng khi bánh sau bị bó cứng hoàn toàn ($X \to X_{max}$), khả năng tiếp nhận lực ngang triệt tiêu ($Y \to 0$), làm tăng góc lệch hướng $\alpha$ và gây mất ổn định nguy hiểm.
  • Phương pháp tính toán và tối ưu hóa số: Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng, lập đồ thị kiểm tra các đường giới hạn ECE và giải bài toán tìm tỉ số phân chia lực phanh tối ưu ($i$).
  • Phương pháp họa đồ lực: Dùng để xác định góc tác dụng $\delta$, bán kính hợp lực $\rho$ và các lực thành phần tác dụng lên guốc phanh, làm cơ sở kiểm nghiệm mô men phanh và độ bền chi tiết.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật xe cơ sở do Hino Motors công bố, số liệu đo đạc thực nghiệm lực phanh trên xe nguyên bản ($F_{p1} = 14.790\text{ N}, F_{p2} = 10.830\text{ N}$), và các thông số kích thước, khối lượng thực tế của kết cấu thùng hàng cùng cột điện 10 m.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Những vấn đề chung và hệ thống phanh cho ô tô

Chương này tổng quan về nhu cầu vận tải hàng dài, phân tích ưu nhược điểm của các phương án hoán cải và giới thiệu chi tiết cấu tạo kỹ thuật của dòng xe cơ sở HINO FF3H. Xe có tải trọng tối đa 14,2 tấn, tự trọng 4.300 kg, trang bị động cơ Diesel HO7D (6 xi lanh thẳng hàng, công suất cực đại 195 mã lực tại 2.900 vòng/phút, mô men xoắn cực đại 500 N.m, dung tích 7.412 cc).

Hệ thống phanh nguyên bản của xe là loại dẫn động thủy lực điều khiển bằng khí nén với 2 dòng độc lập, chia thành 3 cụm chính:

  • Cụm cung cấp khí nén (máy nén khí, bộ sấy khô khí nén, bộ điều chỉnh áp suất, bình chứa khí);
  • Cụm điều khiển bằng khí nén (van phanh khí nén điều khiển bằng bàn đạp, van an toàn, các đường ống dẫn);
  • Cụm dẫn động thủy lực (xi lanh chính/van điều khiển thủy lực nhận áp lực khí nén để sinh áp suất dầu phanh cấp tới các xi lanh công tác bánh xe).

Cơ cấu phanh ở cả bánh trước và bánh sau đều là loại phanh tang trống đối xứng qua tâm, guốc phanh điều khiển bằng xi lanh thủy lực. Cơ cấu có tính năng tự lựa nhờ đầu tựa cong, trang bị vít điều chỉnh khe hở má phanh hình hoa khế và công tắc cảnh báo mòn má phanh tự động.

Thông số kỹ thuật xe cơ sở Giá trị nguyên bản
Chiều dài cơ sở ($L$) 5.050 mm
Tổng trọng tải 14.200 kg
Tự trọng sát-xi 4.300 kg
Động cơ Diesel HO7D, 6 xi lanh thẳng hàng
Công suất cực đại 195 HP tại 2.900 v/ph
Mô men xoắn cực đại 500 N.m
Dung tích xi lanh 7.412 cc
Vận tốc cực đại 112 km/h
Khả năng vượt dốc ($\tan\theta$) 27,3%
Dung tích thùng nhiên liệu 115 lít

Chương II: Tiêu chuẩn ECE, cơ sở lý luận và phương pháp tính

Chương II tính toán lại các thông số hình học và phân bố khối lượng sau khi kéo dài chiều dài cơ sở thêm 1,2 m và lắp đặt thùng hàng chuyên dùng dài 7,7 m. Khối lượng cột điện chuyên chở là 75.000 N (đường kính đầu nhỏ 440 mm, đầu to 690 mm, dài 10 m).

Tọa độ trọng tâm được xác định lại cho hai trạng thái:

  • Không tải: Trọng lượng $G_0 = 6.720\text{ kG}$, khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước $a_0 = 3,4325\text{ m}$, chiều cao trọng tâm $h_{g0} = 0,9793\text{ m}$;
  • Đầy tải: Trọng lượng $G_{tt} = 14.220\text{ kG}$, khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước $a_{tt} = 4,4333\text{ m}$, chiều cao trọng tâm $h_{gtt} = 1,5978\text{ m}$.

Tác giả tiến hành kiểm tra tỉ số phân chia lực phanh cũ ($i = 0,42$). Kết quả trên đồ thị cho thấy các đường quan hệ vượt ra ngoài giới hạn cho phép của tiêu chuẩn ECE R13, có nguy cơ cao gây bó cứng cầu sau trước cầu trước khi phanh đầy tải. Sử dụng công cụ tính toán MATLAB, tác giả xác định tỉ số phân chia lực phanh mới tối ưu là $i = 0,54$. Với hệ số bám tính toán $\varphi = z = 0,65$, tổng lực phanh yêu cầu đạt $9.243\text{ kG}$, phân bổ thành:

  • Lực phanh cầu trước: $F_{p1} = 4.251,78\text{ kG}$;
  • Lực phanh cầu sau: $F_{p2} = 4.991,22\text{ kG}$;
  • Bán kính làm việc tính toán của bánh xe: $r_{bx} = 0,4483\text{ m}$ (với hệ số biến dạng lốp $\lambda = 0,93$);
  • Mô men phanh yêu cầu mỗi bên cơ cấu phanh trước: $M_{p1} = 953,04\text{ kG}\cdot\text{m}$.

Chương III: Kiểm nghiệm hệ thống phanh

Chương III xây dựng phương pháp họa đồ lực để kiểm tra khả năng đáp ứng mô men và độ bền cơ học của cơ cấu phanh bánh trước và phanh bánh sau ở chế độ đầy tải. Áp suất dầu làm việc danh định của hệ thống được cho bởi tài liệu kỹ thuật Hino là $p_i = 185\text{ kG/cm}^2$, hệ số ma sát giữa trống phanh bằng gang và tấm ma sát ferôđô là $\mu = 0,3$. Kết quả kiểm nghiệm khẳng định toàn bộ kết cấu cơ cấu phanh tang trống nguyên bản của xe HINO FF3H đều đảm bảo độ bền và đủ khả năng tạo ra mô men phanh theo yêu cầu mới.

Chương IV: Cơ sở cho việc cải tiến

Từ kết luận cơ cấu phanh cũ đủ bền, tác giả đề xuất giữ nguyên toàn bộ cơ cấu phanh tại các bánh xe để duy trì độ tin cậy và tiết kiệm chi phí hoán cải. Để thay đổi tỉ số phân chia lực phanh từ $i = 0,42$ lên $i = 0,54$ (tăng mô men phanh cầu sau $M_{p2}$), tác giả phân tích ba giải pháp kỹ thuật:

  1. Thay đổi kết cấu cơ cấu phanh bánh xe;
  2. Thay đổi đường kính xi lanh thủy lực chính;
  3. Thay đổi kích thước buồng xi lanh khí nén trong bộ trợ lực.

Do áp suất khí nén bị khống chế không vượt quá $8,5\text{ kG/cm}^2$, tác giả chọn phương án tối ưu là thiết kế lại van điều khiển thủy lực (cụm tổng phanh khí nén - dầu), cụ thể là tăng đường kính xi lanh khí nén điều khiển dòng phanh sau nhằm tăng áp suất dầu phanh ra cầu sau mà không làm thay đổi kết cấu cơ khí tại các cụm bánh xe.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp cải tạo

Giải pháp kỹ thuật trung tâm của đồ án là điều chỉnh cụm trợ lực khí nén - thủy lực (van điều khiển thủy lực). Cụm này gồm hai khoang chức năng:

  • Xi lanh khí nén: Nhận khí nén từ van phanh chính điều khiển bởi bàn đạp chân phanh.
  • Xi lanh thủy lực: Nhận lực đẩy từ piston khí nén qua đòn đẩy để nén dầu phanh từ bình chứa cung cấp trực tiếp đến các xi lanh công tác bánh xe.
Hạng mục so sánh Trước cải tạo (Xe nguyên bản) Sau cải tạo (Xe chở cột điện)
Chiều dài cơ sở ($L$) 5.050 mm 6.250 mm (kéo dài thêm 1,2 m)
Chiều dài thùng hàng Tiêu chuẩn sát-xi 7.700 mm (chở cột điện 10 m)
Trọng lượng không tải ($G_0$) 4.300 kg (sát-xi) 6.720 kg (đã có thùng xe)
Tọa độ trọng tâm đầy tải ($a_{tt}, h_{gtt}$) Theo thiết kế Hino FF3H $a_{tt} = 4,4333\text{ m}; h_{gtt} = 1,5978\text{ m}$
Tỉ số phân chia lực phanh ($i$) 0,42 0,54 (xác định qua MATLAB)
Lực phanh cầu trước đầy tải ($F_{p1}$) 14.790 N 4.251,78 kG (~41.710 N)
Lực phanh cầu sau đầy tải ($F_{p2}$) 10.830 N 4.991,22 kG (~48.964 N)
Giải pháp kết cấu phanh Cụm van trợ lực nguyên bản Giữ nguyên tang trống, thay đổi kích thước xi lanh khí nén ở van điều khiển thủy lực

Phương án cải tạo này tận dụng tối đa các cụm chi tiết sẵn có trên thị trường trong nước, giảm khối lượng gia công mới, hạ giá thành hoán cải và đảm bảo các yêu cầu nghiệm thu kỹ thuật theo tiêu chuẩn an toàn ECE R13.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Xác lập đầy đủ hệ thống thông số hình học, khối lượng và tọa độ trọng tâm mới của xe HINO FF3H sau khi kéo dài sát-xi thêm 1,2 m để chở cột điện dài 10 m (trọng lượng chở 75.000 N, tổng trọng tải đầy tải $14.220\text{ kG}$).
  • Chứng minh bằng đồ thị và số liệu việc hệ thống phanh cũ với tỉ số $i = 0,42$ không đáp ứng tiêu chuẩn an toàn ECE R13 khi kéo dài xe.
  • Ứng dụng thành công phần mềm MATLAB để tính toán xác định tỉ số phân chia lực phanh tối ưu $i = 0,54$, đảm bảo bánh trước luôn có xu hướng khóa cứng trước bánh sau ($f_1 > f_2$) trong toàn bộ dải làm việc của hệ số bám $\varphi = 0,2 \div 0,8$.
  • Tính toán đầy đủ lực phanh yêu cầu ($F_{p1} = 4.251,78\text{ kG}, F_{p2} = 4.991,22\text{ kG}$) và mô men phanh yêu cầu ($M_{p1} = 953,04\text{ kG}\cdot\text{m}$).
  • Kiểm nghiệm khẳng định độ bền cơ cấu phanh tang trống đối xứng tâm của Hino FF3H và đề xuất phương án cải tạo khả thi trong điều kiện công nghệ Việt Nam bằng cách thiết kế lại xi lanh khí nén của van điều khiển thủy lực dòng phanh sau.

Về mặt học thuật và ứng dụng, đồ án đóng góp quy trình tính toán kiểm tra và cải tạo hệ thống phanh dựa trên tiêu chuẩn quốc tế ECE R13 cho phương tiện cơ giới đường bộ hoán cải tại Việt Nam, thay thế cho các phương pháp ước lượng bán thực nghiệm trước đây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán động lực học phanh trong đồ án được xây dựng dựa trên giả định ô tô chuyển động phanh thẳng trên đường bằng phẳng có hệ số bám đồng nhất, chưa xét đến các chế độ phanh phức tạp khi quay vòng hoặc trên đường mấp mô, nghiêng ngang. Xe chưa được trang bị hệ thống điều khiển điện tử như ABS hay bộ điều hòa lực phanh theo tải trọng biến thiên liên tục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Xây dựng bản vẽ chế tạo chi tiết van điều khiển thủy lực cải tiến; chế tạo thử nghiệm và tiến hành đo đạc thực nghiệm các thông số áp suất dầu, quãng đường phanh và gia tốc phanh trên bệ thử con lăn kiểm định và thử nghiệm thực tế trên đường.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu về tính toán động lực học phanh, hoán cải ô tô tải và ứng dụng tiêu chuẩn ECE R13.
  • Các kỹ sư thiết kế, cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở hoán cải phương tiện cơ giới đường bộ, trung tâm đăng kiểm xe cơ giới trong việc lập hồ sơ thiết kế cải tạo và thẩm định an toàn hệ thống phanh xe chuyên dùng.
  • Phần đáng tham khảo nhất là phương pháp sử dụng MATLAB để khảo sát đường cong phân bố lực phanh lý thuyết so với các đường biên tiêu chuẩn ECE R13 (Phụ lục 10) và phương pháp họa đồ xác định lực tác dụng lên guốc phanh tang trống.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải cải tạo lại hệ thống phanh khi xe HINO FF3H chỉ kéo dài thêm 1,2 m sát-xi? Khi kéo dài cơ sở thêm 1,2 m và bố trí thùng hàng chở cột điện 10 m, chiều dài cơ sở tăng lên 6.250 mm, phân bố tải trọng tĩnh và động thay đổi hoàn toàn (khoảng cách từ trọng tâm đầy tải đến cầu trước chuyển thành $4,4333\text{ m}$, chiều cao trọng tâm tăng lên $1,5978\text{ m}$). Hệ thống phanh cũ có tỉ số phân chia $i = 0,42$ khiến bánh sau dễ bị bó cứng trước bánh trước khi phanh đầy tải, vi phạm tiêu chuẩn ECE R13 và gây nguy cơ quay trượt xe.

2. Tiêu chuẩn ECE R13 Phụ lục 10 quy định nguyên tắc an toàn cốt lõi nào đối với xe không có ABS? Tiêu chuẩn quy định trong dải hệ số bám $\varphi = 0,2 \div 0,8$, hệ số tận dụng bám của cầu trước phải lớn hơn cầu sau ($f_1 > f_2$) ở mọi chế độ tải trọng, và quan hệ gia tốc phanh đơn vị phải thỏa mãn $z \ge 0,10 + 0,85(\varphi - 0,2)$ nhằm đảm bảo bánh trước luôn bó cứng trước bánh sau, duy trì tính ổn định hướng của xe.

3. Tỉ số phân chia lực phanh tối ưu sau cải tạo là bao nhiêu và được xác định bằng công cụ gì? Tỉ số phân chia lực phanh tối ưu sau cải tạo là $i = 0,54$ (tăng tỉ lệ lực phanh phân bố cho cầu sau), được xác định thông qua việc giải và tối ưu hóa hệ phương trình động lực học phanh bằng phần mềm MATLAB.

4. Tại sao tác giả không chọn phương án thay mới cơ cấu phanh đĩa hoặc tăng áp suất khí nén của hệ thống? Cơ cấu phanh tang trống nguyên bản của xe HINO qua kiểm nghiệm họa đồ lực và kiểm tra bền vẫn đáp ứng đầy đủ mô men phanh yêu cầu ($M_{p1} = 953,04\text{ kG}\cdot\text{m}$). Đồng thời, áp suất làm việc của hệ thống máy nén khí trên xe bị giới hạn không vượt quá $8,5\text{ kG/cm}^2$. Do đó, phương án tối ưu về kỹ thuật và kinh tế là giữ nguyên cơ cấu phanh tang trống và thay đổi kích thước xi lanh khí nén trong cụm van điều khiển thủy lực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tiến Vũ Linh đã giải quyết bài toán thiết kế cải tạo hệ thống phanh cho xe tải HINO FF3H kéo dài cơ sở 1,2 m phục vụ vận chuyển cột điện 10 m. Bằng việc ứng dụng tiêu chuẩn an toàn ECE R13 và công cụ mô phỏng MATLAB, nghiên cứu đã chứng minh sự không phù hợp của tỉ số phân chia lực phanh cũ ($i = 0,42$) và xác lập tỉ số mới tối ưu ($i = 0,54$). Giải pháp cải tiến cụm xi lanh khí nén của van điều khiển thủy lực vừa đảm bảo các chỉ tiêu ổn định chuyển động khi phanh, vừa mang tính khả thi cao trong điều kiện sản xuất và hoán cải xe cơ giới tại Việt Nam.