Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu & thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ô tô

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chi tiết hệ thống phanh cơ điện (EWB) trên ô tô, trình bày nguyên lý hoạt động và quá trình thi công mô hình thực tế.

• Tác giả: Võ Văn Thanh
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Văn Toàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ôtô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phanh cơ điện EWB

Hệ thống phanh cơ điện EWB (Electronic Wedge Brake) là công nghệ phanh tiên tiến được phát triển bởi Siemens, đại diện cho bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực an toàn ô tô. Khác với các hệ thống phanh truyền thống sử dụng thủy lực hoặc khí nén, phanh nêm điện tử chỉ cần dòng điện 12V nhưng vẫn đạt được lực phanh cực lớn. Đây là kết quả của quá trình nghiên cứu và phát triển kỹ lưỡng nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn ngặt khắc của ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Phanh cơ điện mở ra triển vọng mới cho việc giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu quả hoạt động của phương tiện. Sự ra đời của công nghệ này được coi là bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển hệ thống phanh ô tô, hứa hẹn sẽ thay thế dần các hệ thống phanh hiện tại.

1.1. Khái niệm và định nghĩa phanh nêm điện tử

Phanh nêm điện tử EWB là hệ thống dùng động cơ điện để điều khiển cơ cấu nêm, tạo ra lực phanh mà không cần trợ lực thủy lực. Nguyên lý hoạt động dựa trên cơ cấu nêm tự khóa, cho phép chuyển đổi hiệu quả lực điện thành lực phanh lớn. Hệ thống này loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng chất lỏng phanh truyền thống, giảm độ phức tạp và tăng độ an toàn.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng

Công nghệ phanh cơ điện được Siemens phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về an toàn và hiệu suất ô tô. Qua các cuộc cách mạng công nghiệp, hệ thống phanh EWB đã được kiểm chứng qua nhiều thử nghiệm lâm phẩm, chứng tỏ khả năng ưu việt so với công nghệ truyền thống, mở đường cho ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

II. Nguyên lý hoạt động và cấu trúc kỹ thuật

Hệ thống phanh EWB hoạt động dựa trên cơ chế nêm điện tử được điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử. Khi tín hiệu phanh được kích hoạt, động cơ điện sẽ chuyển động để đẩy cơ cấu nêm, tạo ra áp lực phanh trên bánh xe. Cấu trúc của phanh cơ điện bao gồm động cơ DC, hộp số, cơ cấu nêm tự khóa và bàn phanh. Sự kết hợp giữa các thành phần này đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu với độ an toàn cao. Lợi thế nổi bật của phanh nêm điện tử là tính chuyên nghiệp, độ chính xác cao trong điều khiển lực phanh, và khả năng phục hồi nhanh chóng.

2.1. Cơ cấu nêm tự khóa và nguyên lý chuyển đổi lực

Cơ cấu nêm là trái tim của phanh cơ điện EWB, hoạt động theo nguyên lý tự khóa. Khi động cơ điện quay, nó đẩy nêm theo hướng tăng góc, làm tăng áp lực bánh xe exponentially. Tính tự khóa của nêm đảm bảo rằng lực phanh được duy trì ổn định và an toàn ngay cả khi mất điện.

2.2. Hệ thống điều khiển điện tử và cảm biến

Bộ điều khiển điện tử của hệ thống phanh nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí, cảm biến áp lực và cảm biến gia tốc để tối ưu hóa lực phanh. Điều khiển PID tinh chỉnh lực phanh đạt độ chính xác ±5%, đảm bảo hiệu suất phanh ổn định và an toàn trong mọi điều kiện.

III. Ưu điểm và khả năng ứng dụng của phanh EWB

Phanh cơ điện EWB mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống phanh truyền thống. Thứ nhất, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu dùng chất lỏng phanh, giảm chi phí bảo dưỡng và phát thải chất độc hại. Thứ hai, hệ thống phanh điện có khả năng giảm tiêu thụ năng lượng tối đa 25% nhờ tối ưu hóa độ chính xác. Thứ ba, độ phức tạp giảm đáng kể, tăng độ tin cậy và giảm khối lượng xe. Phanh nêm điện tử có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống an toàn hiện đại như ABS, ESP và hệ thống lái tự động. Khả năng ứng dụng của phanh EWB mở rộng từ xe hành khách thông thường đến xe tải nặng và phương tiện tự lái.

3.1. Lợi ích về an toàn và hiệu suất

Hệ thống phanh cơ điện cung cấp độ chính xác cao trong điều khiển lực phanh từng bánh xe. Phanh EWB cho phép điều khiển độc lập lực phanh trái-phải, cải thiện khả năng kiểm soát vehicle dynamics. Thời gian đáp ứng của phanh điện chỉ 50ms, nhanh hơn phanh thủy lực 30%, tăng độ an toàn trong tình huống khẩn cấp.

3.2. Tiềm năng thay thế hệ thống phanh hiện tại

Phanh cơ điện EWB có khả năng thay thế hoàn toàn hệ thống phanh truyền thống trên các xe mới. Với sự phát triển của công nghệ pin và động cơ điện, hệ thống phanh điện sẽ trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô tương lai, đặc biệt là xe điện và xe hybrid.

IV. Thách thức hạn chế và hướng phát triển tương lai

Mặc dù hệ thống phanh cơ điện EWB có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Thứ nhất, phanh nêm điện tử yêu cầu nguồn điện ổn định và độ tin cậy cao, đặc biệt trong tình huống mất điện. Thứ hai, chi phí sản xuất ban đầu của hệ thống phanh điện còn cao hơn phanh thủy lực. Thứ ba, cần phải phát triển thêm các công nghệ hỗ trợ như hệ thống sao lưu an toàn (failsafe) và giáo dục người dùng. Hướng phát triển tương lai của phanh EWB tập trung vào giảm chi phí, tăng độ tin cậy, tích hợp trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quá trình phanh, và phát triển các ứng dụng cho xe tự lái. Nghiên cứu tiếp tục sẽ giúp phanh cơ điện trở thành giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp ô tô.

4.1. Những hạn chế hiện tại của phanh điện

Phanh EWB còn gặp vấn đề về độ tin cậy hệ thống sao lưu và khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cực đoan. Hệ thống phanh cơ điện cần cải thiện khả năng tản nhiệt từ động cơ điện để đảm bảo hiệu suất ổn định trong các cuộc phanh liên tục. Chi phí phát triển và kiểm chứng phanh điện vẫn là rào cản lớn cho các nhà sản xuất nhỏ.

4.2. Các hướng nghiên cứu và cải tiến trong tương lai

Tương lai của hệ thống phanh EWB hướng tới tích hợp công nghệ học máy để tối ưu hóa lực phanh dựa trên điều kiện đường bộ. Phát triển phanh cơ điện hybrid kết hợp năng lượng regenerative sẽ tăng hiệu suất pin. Nghiên cứu vật liệu mới cho cơ cấu nêm nhằm giảm trọng lượng và tăng độ bền của phanh nêm điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Kể từ khi ô tô được phát minh ra, phanh đã là một bộ phận không thể thiếu của nó. Hệ thống phanh mà chúng ta đang sử dụng trong những chiếc xe hơi hiện đại bây giờ đã trải qua rất nhiều cải tiến kể từ khi phát minh. Trong thời gian đầu, phanh được làm từ các khối gỗ được sử dụng trên xe ngựa để giảm tốc độ, các khối gỗ được gắn vào vành bánh xe và người lái xe chỉ việc gạt đòn bẩy, các khối gỗ sẽ hạn chế tốc độ quay của bánh xe. Cơ chế đơn giản này được sử dụng trong rất nhiều năm về sau, thậm chí ở giai đoạn phát triển đầu tiên của xe hơi.

Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng về tốc độ của xe, việc sử dụng gỗ để làm phanh không còn hiệu quả nữa và nó cũng gây ra tiếng ồn khó chịu.1: Hệ thống phanh bằng khối gỗ trên các mẫu xe ngày xưa Hệ thống phanh bằng gỗ được thay thế bằng thép và da trong quá trình phát triển tiếp theo. Bàn đạp chân được thay thế cho đòn bẩy, tuy nhiên vẫn còn những vấn đề hạn chế với hệ thống mới này: tiếng ồn gây ra khi đạp phanh vẫn lớn và hiệu quả khi sử dụng chưa cao. 1 Với sự phát triển liên tục và không ngừng nghỉ, ô tô ngày nay không chỉ là phương tiện giao thông quan trọng, mà nó còn mang đến sự thoải mái, an toàn cho người sử dụng. Hệ thống phanh cũng được phát triển từ một hệ thống phanh thô sơ, người ta đã nghiên cứu ra hệ thống phanh thủy lực và khí nén để phanh tốt hơn.

Nhưng nó vẫn còn rất nhiều khuyết điểm như khi phanh lực phanh quá lớn, làm xe mất ổn định, quãng đường phanh dài. Hệ thống phanh tiếp tục được nghiên cứu và sửa đổi liên tục để tăng cường tính năng an toàn cho xe. Để khắc phục những nhược điểm trên người ta đã nghiên cứu ra một hệ thống phanh hiện đại hơn đó là hệ thống ABS (Anti-lock Braking system) phanh ABS hoạt động theo nguyên lý nhấp nhã với 3 chế độ tăng áp, giữa áp, giảm áp nhằm không cho bánh xe bị bó cứng để khỏi bị trượt và vẫn đánh lái được khi phanh. Hệ thống phanh ABS có thành phần như cảm biến tốc độ, bộ điều khiển, bơm thủy lực (phanh thủy lực) hay máy nén (phanh khí nén) và các van điện từ.

Với sự phát triển khoa học và kỹ thuật con người đã nghiên cứu ra nhiều hệ thống hỗ trợ phanh như : ESP, EBD, ASR… Những chiếc xe hơi hiện đại ngày nay được trang bị hệ thống phanh đĩa thủy lực hay phanh khí kết hợp với các hệ thống ABS với các hệ thống hỗ trợ phanh như ESP, EBD, ASR… Tuy nhiên, với xu hướng công nghệ điện tử hiện đại, hệ thống phanh bằng thủy lực và khí nén chưa được xem là tối ưu. Vì nó chiếm nhiều không gian trong khoang động cơ, hệ thống phanh còn cồng kềnh và thời gian trễ khi phanh còn lớn. Con người tiếp tục nghiên cứu ra một hệ thống phanh mới - phanh cơ điện sẽ là giải pháp cho tương lai. Chúng em nhận thấy tìm năng lớn từ hệ thống phanh cơ điện trong đó điển hình là hệ thống phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang nghiên cứu.

Nên chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ôtô“ để nghiên cứu và hiểu thêm hệ thống phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang nghiên cứu .2 Mục đích nghiên cứu  Tìm hiểu tổng quan về hệ thống,mô tả hoạt động, những ưu điểm để có cái nhìn sâu sắc hơn, qua đó thiết lập mô hình đơn giản để mô phỏng hệ thống phanh cơ điện “ hệ thống phanh điện tử EWB” trên ôtô.  Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trong và ngoài trường.3 Nội dung nghiên cứu  Tổng quát về hệ thống phanh điện  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động  Hư hỏng  Thi công mô hình mô phỏng sơ bộ hệ thống 1.4 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nhiều phương pháp trong đó có phương pháp chính như sau:  Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh  Nghiên cứu và biên dịch tài liệu nước ngoài.  Tham khảo các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động lực.  Chọn lọc thông tin, học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè.

3 Chương 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHANH ĐIỆN 2.1 Chức năng của hệ thống phanh Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động của xe tới vận tốc chuyển động nào đó, dừng hẳn hoặc giữ xe đỗ ở một vị trí nhất định. Đối với ôtô hệ thống phanh là một trong những cụm quan trọng nhất, bởi vì nó bảo đảm cho ôtô giảm tốc nhanh chóng để khỏi gây tai nạn thiệt hại về người và của, an toàn cho người lái xe. Do đó để nâng cao được hiệu quả khi phanh người ta luôn tìm kiếm và cải thiện hệ thống phanh sao cho tốt nhất, nhỏ gọn để giảm khối lượng xe và không gian xe. Hệ thống phanh gồm có cơ cấu phanh để hãm trực tiếp tốc độ góc của các bánh xe hoặc một trục nào đấy của hệ thống truyền lực và truyền động phanh để dẫn động cơ cấu phanh.

Trên ôtô sự phanh xe được tiến hành bằng cách tạo ma sát giữa phần quay và phần đứng yên của các cụm liên kết với bánh xe: giữa tang trống với má phanh hoặc đĩa phanh với má phanh. Quá trình ma sát trong các cơ cấu phanh dẫn tới mài mòn và nung nóng các chi tiết ma sát, nếu không xác định kịp thời và tiến hành hiệu chỉnh thì có thể dẫn tới làm giảm hiệu quả phanh. Hư hỏng trong hệ thống phanh thường kèm theo hậu quả nghiêm trọng, làm mất tính an toàn chuyển động của ôtô.2 Yêu cầu của hệ thống phanh  Phanh êm dịu trong bất kỳ mọi trường hợp để đảm bảo sự ổn định của ô tô khi phanh.  Điều khiển nhẹ nhàng, nghĩa là lực tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển không lớn.

 Dẫn động phanh có độ nhạy cảm lớn.  Đảm bảo việc phân bố mômen phanh trên các bánh xe phải theo quan hệ thế nào để sử dụng hoàn toàn trọng lượng bám khi phanh với bất kì cường độ nào.  Không có hiện tượng tự siết phanh.  Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt.

 Có hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong điều kiện sử dụng.  Giữ tỉ lệ thuận giữa lực trên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh trên bánh xe.  Có khả năng phanh khi sử dụng trong thời gian dài.  Phải đảm bảo nhanh chóng dừng xe trong bất kì tình huống nào.

Khi phanh đột ngột xe phải dừng sau quãng đường ngắn nhất, tức có gia tốc cực đại. Theo tiêu chuẩn Châu Âu xe con phải đạt hiệu quả cao nhất trong tất cả các trường hợp thử xe. 4  Hệ thống phanh cần có độ nhạy cảm cao, hiệu quả phanh không thay đổi nhiều lần giữa các lần phanh.  Đảm bảo tránh hiện tượng trượt lết trên đường.

 Phanh chân và phanh tay làm việc độc lập không ảnh hưởng đến nhau. Phanh tay có thể thay thế phanh chân khi phanh chân gặp sự cố, đảm bảo chức năng dự phòng.  Phanh tay dùng để giữ nguyên vị trí xe, phải giữ nguyên trên dốc tối thiểu là 18% (tức là 16-20 độ).  Các cơ cấu phanh phải thoát nhiệt tốt, không truyền nhiệt ra các khu vực làm ảnh hưởng tới cơ cấu làm việc của các cơ cấu xung quanh (lốp xe, moay ơ …) phải dễ dàng điều chỉnh thay thế các chi tiết hư hỏng.

 Ngoài ra còn phải đảm bảo các yêu cầu như chiếm ít không gian, trọng lượng nhỏ, độ bền cao, và các yêu cầu chung của cấu trúc cơ khí.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh  Khi người lái tác dụng vào bàn đạp phanh thì cơ cấu phanh sẽ tạo ra mômen ma sát còn gọi là mômen phanh nhằm hãm bánh xe lại. Lúc đó ở bánh xe suất hiện phản lực tiếp tuyến:  Chiều ngược chiều chuyển động  Phương song song với mặt phẳng nằm ngang  Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường  Xét tại một bánh xe như hình vẽ [2] 5 Hình 2.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh. Trong đó : M p : Mômen phanh tác dụng lên bánh xe Fp : Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường M jb : Mômen quán tính của bánh xe M f : Mômen cản lăn Ff : Lực cản lăn Z b : Phản lực của bánh xe rb : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe  Khi đó lực phanh Pp được xác định theo công thức: Mp Fp  (2.1) rb  Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường Fp max  F  Zb .2) 6 Trong đó: Fp max : Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường F : Lực bám giữa bánh xe với mặt đường Zb : Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe  : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường  Khi phanh thì bánh xe chuyển động với gia tốc chậm dần, do đó trên bánh xe sẽ có mômen quán tính M jb tác dụng, mômen này cùng chiều chuyển động của bánh xe. Ngoài ra còn có mômen cản lăn M f tác dụng, mômen này ngược chiều chuyển động và có tác dụng hãm bánh xe lại.

Như vậy trong khi phanh bánh xe thì lực hãm tổng cộng là: M p  M f  M jb M f  M jb Fpo   Fp  (2.3) rb rb  Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lên, đến một lúc nào đấy sẽ dẫn đến sự trượt lê bánh xe. Khi bánh xe bị trượt lê hoàn toàn thì hệ số bám có giá trị thấp nhất thì lực phanh sinh ra giữa bánh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn tới hiệu quả phanh thấp nhất. Không những thế, nếu các bánh xe bị trượt sẽ làm mất tính năng dẫn hướng khi phanh, còn nếu bánh sau bị trượt khi phanh làm mất tính ổn định khi phanh. Vì vậy để tránh hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe (tức là không để bánh xe bị bó cứng khi phanh) trên ôtô hiện đại có hệ thống ABS chống bó cứng bánh xe khi phanh.