Đồ án Cơ điện tử 2: Tính toán và thiết kế hệ thống phanh trên xe Honda Civic 2016

Đồ án tính toán thiết kế hệ thống phanh Honda Civic 2016. Phân tích chi tiết kết cấu, nguyên lý hoạt động, thông số kỹ thuật và mô phỏng hệ thống.

• Tác giả: Đặng Văn Thiên
• Người hướng dẫn: Bùi Hải Triều
• Đề tài: Tính toán thiết kế phanh Honda Civic 2016 chi tiết
• Loại tài liệu: Đồ án
• Chuyên ngành: Cơ điện tử

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phanh Honda Civic 2016

Hệ thống phanh là một trong những thành phần quan trọng nhất trên xe Honda Civic 2016, đóng vai trò bảo vệ tính mạn và an toàn cho người lái. Thiết kế phanh trên xe Honda Civic 2016 được phát triển với công nghệ hiện đại, kết hợp giữa cơ điện tử và các cảm biến thông minh để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu. Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần phức tạp như cơ cấu phanh, bộ trợ lực phanh, ECU ABS và các cảm biến tốc độ. Mục đích của đồ án tính toán thiết kế phanh là phân tích chi tiết các thông số kỹ thuật, xác định mô men phanh thực tế và kiểm nghiệm hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống trên xe Honda Civic 2016.

1.1. Công dụng và yêu cầu của hệ thống phanh

Công dụng hệ thống phanh chính là giảm tốc độ và dừng xe an toàn trong mọi điều kiện. Hệ thống phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt như: tạo lực phanh đủ mạnh, phân bố lực phanh đều trên các bánh xe, hoạt động ổn định không gây khóa bánh, và có độ tin cậy cao trong thời gian dài. Honda Civic 2016 sử dụng hệ thống phanh đĩa kép với trợ lực chân không để đạt được các yêu cầu này.

1.2. Cấu trúc chung của hệ thống phanh

Cấu tạo hệ thống phanh bao gồm: bộ phát tín hiệu (bàn đạp phanh), bộ trợ lực phanh công tác chân không, master cylinder (xi lanh chính), ống dẫn hydraulic, và cơ cấu chấp hành ở các bánh xe. Nguyên lý hoạt động dựa trên áp lực hydraulic được tạo ra khi người lái nhấn bàn đạp, sau đó truyền đến má phanh đĩa để tạo ra lực cắn, giảm tốc độ quay bánh xe và dừng xe.

II. Phân tích kết cấu cơ cấu phanh và bộ trợ lực

Cơ cấu phanh đĩa trên Honda Civic 2016 được thiết kế để chịu áp lực cao và tạo ra mô men phanh đủ lớn. Bộ trợ lực phanh sử dụng nguyên lý chân không để giảm lực tác dụng trên bàn đạp, làm cho việc phanh trở nên nhẹ nhàng và dễ điều khiển. Quá trình tính toán thiết kế cần xác định chính xác lực ma sát, áp lực lên má phanh, và mô men phanh thực tế sinh ra. Công ma sát riêng, nhiệt độ phát sinh trong quá trình phanh, và độ bền của vật liệu là những yếu tố quan trọng cần được kiểm nghiệm. Thiết kế phanh hiệu quả đảm bảo xe dừng lại trong khoảng cách an toàn mà không gây hư hỏng linh kiện.

2.1. Kết cấu và nguyên lý làm việc của cơ cấu phanh

Cơ cấu phanh đĩa gồm đĩa phanh quay cùng bánh xe, má phanh (pad phanh) được giữ trong kẹp phanh. Khi áp lực hydraulic được truyền đến kẹp, nó ép má phanh vào đĩa, tạo lực ma sát làm chậm chuyển động. Nguyên lý hoạt động tuân theo định luật Newton về lực và động lượng, đảm bảo giảm tốc độ đều và an toàn.

2.2. Cấu tạo và nguyên lý của bộ trợ lực chân không

Bộ trợ lực phanh chân không bao gồm hai buồng được ngăn cách bởi膜 mỏng, một bên nối với động cơ (chân không), bên kia nối với bàn đạp phanh. Khi người lái nhấn bàn đạp, chênh lệch áp suất tạo lực trợ lực, giảm lực tác dụng cần thiết. Hệ thống này tối ưu hóa hiệu suất phanh và giảm mệt mỏi cho người lái.

III. Các thành phần điện tử và cảm biến hệ thống phanh

Hệ thống phanh hiện đại trên Honda Civic 2016 tích hợp nhiều cảm biến và mô đun điều khiển để nâng cao tính năng an toàn. Cảm biến tốc độ bánh xe (ABS sensor) liên tục giám sát tốc độ quay của mỗi bánh xe, gửi dữ liệu đến ECU ABS. Bộ điều khiển ABS xử lý thông tin để ngăn chặn khóa bánh trong trường hợp phanh khẩn cấp. Các cơ cấu chấp hành bao gồm van ABS điều chỉnh áp lực hydraulic tới từng bánh xe một cách độc lập. Những thành phần điện tử này hoạt động phối hợp để đảm bảo tính ổn định của xe và khả năng điều khiển trong các tình huống nguy hiểm.

3.1. Cảm biến tốc độ và nguyên lý hoạt động

Cảm biến tốc độ ABS được lắp tại mỗi bánh xe, sử dụng nguyên lý cảm ứng từ để phát hiện chuyển động bánh xe. Cảm biến gồm một cuộn dây cảm ứng và một nam châm vĩnh cửu. Khi bánh xe quay, nam châm di chuyển qua cuộn dây, tạo ra tín hiệu xung điện tỷ lệ với tốc độ quay. ECU ABS nhận tín hiệu này để tính toán tốc độ chính xác của từng bánh.

3.2. ECU ABS và cơ cấu chấp hành

ECU ABS là bộ vi xử lý tiên tiến so sánh tốc độ từng bánh xe. Nếu phát hiện bánh xe sắp khóa, nó tự động điều chỉnh áp lực hydraulic thông qua van ABS. Cơ cấu chấp hành bao gồm pump hydraulic tái tuần hoàn dầu phanh. Hệ thống này hoạt động độc lập, bảo vệ khả năng lái xe trong điều kiện đường ướt hoặc trơn trượt.

IV. Tính toán và kiểm nghiệm hiệu suất hệ thống phanh

Tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh Honda Civic 2016 là phần quan trọng nhất của đồ án, bao gồm việc xác định các thông số ban đầu từ nhà sản xuất như khối lượng xe, bán kính bánh xe, và tính toán lực tác dụng lên các linh kiện. Bước tiếp theo là xác định mô men phanh thực tế mà cơ cấu phanh sinh ra so với mô men phanh yêu cầu theo tiêu chuẩn an toàn. Công ma sát riêng được tính toán dựa trên vật liệu má phanh và áp lực lên má phanh. Tính toán nhiệt trong quá trình phanh là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến độ bền vật liệu và hiệu suất phanh dài hạn. Cuối cùng, các kết quả được kiểm nghiệm xem có đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật không.

4.1. Sơ đồ và thông số ban đầu tính toán

Sơ đồ tính toán kiểm nghiệm bắt đầu từ thông số kỹ thuật xe Honda Civic 2016: khối lượng toàn xe 1.280 kg, bán kính bánh xe, và tỉ số truyền phanh. Các thông số ban đầu bao gồm hệ số ma sát giữa má phanh và đĩa, diện tích tiếp xúc của pad phanh, và áp lực tối đa của hệ thống hydraulic. Những dữ liệu này là nền tảng cho tất cả các bước tính toán thiết kế tiếp theo.

4.2. Xác định mô men phanh và tính toán nhiệt

Mô men phanh thực tế được tính bằng công thức: M = Lực ma sát × Bán kính bánh xe. Mô men phanh yêu cầu được xác định dựa trên tiêu chuẩn an toàn quốc tế: xe phải dừng trong 45 mét khi phanh từ 100 km/h. Công ma sát riêng và áp lực lên má phanh phải được tối ưu hóa. Tính toán nhiệt xác định năng lượng tỏa nhiệt sinh ra, để đảm bảo vật liệu phanh không bị quá tải hoặc mất hiệu suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ 1.Khái niệm cơ điện tử 1.Định nghĩa Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy có thiết bị điều khiển đã được lập trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt. Ứng dụng trong sinh hoạt, trong công nghiệp, trong lĩnh vực nghiên cứu như; máy lạnh, tủ lạnh, máy giặt, máy chụp hình, modul sản xuất linh hoạt, tự động hóa quá trình sản xuất hoặc các thiết bị hổ trợ nghiên cứu như các thiết bị đo các hệ thống kiễm tra … Một số nhà khoa học nhà nghiên cứu đã định nghĩa cơ điện tử như sau: Khái niệm của cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric: “thuật ngữ Mechantronics (Cơ điện tử) được tạo bởi (Mecha) trong Mechanism (trong Cơ Cấu) và tronics trong electronics (Điện Tử). Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm ngày càng được phát triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng. Một định nghĩa khác về cơ điện tử thường hay nói tới do Harashima, Tomizukava và Fuduka đưa ra năm 1996: “ Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp.” Cùng năm đó Auslander và Kempf cũng đưa ra một định nghĩa khác như sau: “ Cơ điện tử là sự áp dụng tổng hợp các quyết định tạo nên hoạt động của các hệ vật lý.” Năm 1997, Shetty lại quan niệm: “ Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế Tối Ưu Hóa các sản phẩm cơ điện.” Và gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa: “ Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển, nó là sự tích hợp đầy đủ của tất cả các hệ trên.” Tất cả những định nghĩa và phát biểu trên về Cơ điện tử đều xác đáng và giàu thông tin, tuy nhiên bản thân chúng, nếu đứng riêng lẻ lại không định nghĩa được đầy đủ thuật ngữ Cơ điện tử.” SVTH: Đặng Văn Thiên 4 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều Hình 1.1 Cơ điện tử kết hợp giữa robot và tin học Cơ điện tử là sự “liên kết cộng năng của nhiều lĩnh vực để tạo ra những sản phẩm mới có những tính năng vượt trội”.

Sự liên kết cộng năng này mang lại nhiều cơ hội và không ít thách thức cho sự phát triển của chính cơ điện tử. Hay có thể hiểu một cách giản đơn: Cơ điện tử về cơ bản là sự kết hợp phức hợp của các ngành cơ khí, điện tử, và tin học. Sản phẩm cơ điện tử có những đặc trưng riêng và ưu thế so với các hệ thống công nghệ độc lập khác.3 Kết cấu cơ điện tử Sản phẩm Cơ điện tử là các sản phẩm cho người sử dụng cuối cùng như các đồ dùng, thiết bị gia dụng được chế tạo hàng loạt, hoặc các sản phẩm chất lượng cao như điện thoại thông minh, ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, thiết bị y tế, các bộ phận cơ thể SVTH: Đặng Văn Thiên 5 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều nhân tạo thay thế cho con người vv… Các sản phẩm này được thiết kế và chế tạo một cách tiện ích nhất, phù hợp với các yêu cầu riêng cho người sử dụng và người sử dụng không quan tâm đến các công nghệ được dùng trong nó mà họ mua và dùng các sản phẩm này vì nó tốt hơn, kinh tế hơn, tiện dụng hơn phù hợp với những yêu cầu riêng của mình. Cơ điện tử có thể được định nghĩa như sau: “Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học và công nghệ được hình thành từ sự cộng năng của nhiều ngành khoa học công nghệ nhằm hoàn thiện, thông minh hoá tạo nên linh hồn và cảm xúc cho các sản phẩm và công cụ phục vụ cho con người”.

Các thành phần của hệ thống cơ điện tử Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống cơ điện tử. Thiết bị công nghệ cơ khí: Đây chính là cơ cấu máy công tác, thực hiện các thao tác của quá trình công nghệ. Là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này qua dạng khác được dùng để xác định giá trị các đại lượng vật lý. Ví dụ như cảm biến vận tốc, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng.

Cơ cấu chấp hành ( actuator). Đây là thiết bị nhận nguồn năng lượng từ bên ngoài và tác động vào thiết bị công nghệ trên cơ sở tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Trong hệ thống cơ điện tử thường gặp 3 loại cơ cấu chấp hành là công tắc, động cơ ( điện ) tịnh tiến và động cơ ( điện ) quay. Bộ vi xử lý ( microprocessor).

SVTH: Đặng Văn Thiên 6 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều Dùng làm lõ cho bộ điều khiển. Cấu trúc của nó gồm 4 thành phần chính: bộ tính toán số học và logic, bộ điều khiển, các thanh ghi và casc bus truyền thông. Phần mềm điều khiển. Phần mềm điều khiển thể hiện thuật toán điều khiển có tác dụng chỉ ra các cách thức hệ thống hoạt động.Hệ thống cơ điện tử trên ô tô Hình 1.5 Hệ thống cơ điện tử trên ô tô.

Hệ thống cơ điện tử là hệ thống thực hiện các việc điều khiển toàn bộ động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống phanh và các hệ thống khác với độ chính xác cao bằng ECU ( bộ xử lý). Đây là hệ thống điều khiển tôrng hợp các hệ thống điều khiển bởi các ECU khác nhau đảm bảo tính năng cơ bản của ô tô. Trong đó: EFI: Hệ thống phun xăng điện tử. ESA: Hệ thống đánh lửa sớm điện tử.

ISC: Hệ thống điều khiển tốc độ không tải. ECT: Hộp số tự động điều khiển điện tử. ABS: Hệ thống phanh chống bó cứng. TEMS: Hệ thống treo điều khiển điện tử.

TRC: Hệ thống chống trượt bánh xe. SVTH: Đặng Văn Thiên 7 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều A/C: Hệ thống điều hòa không khí.Các hệ thống điều khiển động cơ a) Hệ thống phun xăng điện tử EFI Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống EFI Một bơm nhiên liệu cung cấp đủ nhên liệu cung cấp đủ nhiên liệu dưới áp suất không đổi đến các vòi phun. Các vòi phun sẽ phun 1 lượng nhiên liệu định trước vào đường ống nạp theo các tín hiệu từ ECU động cơ. ECU nhận các tín hiệu từ nhiều cảm biến thông báo về sự thay đổi các chế độ hoạt động như sau: Áp suất đường ống nạp hay khí nạp.

Góc quay trục khuỷu G, tốc độ động cơ NE, tăng tốc, giảm tốc VTA, nhiệt độ nước làm mát THW, nhiệt độ khí nạp. ECU sử dụng casc tín hiệu này để xác định khoảng thời gian phun cần thiết nhằm đạt được hòa khí với tỉ lệ tối ưu phù hợp từng điều kiện hoạt động của động cơ. b) Đánh lửa sớm điện tử ESA SVTH: Đặng Văn Thiên 8 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều Hình 1.7 Hệ thống ESA ECU được lập trình với số liệu đảm bảo thời điểm đánh lửa tối ưu của mọi chế độ hoạt động của động cơ. Dựa vào các số liệu do các các biến theo dõi hoạt động của động cơ gửi về, ECU sẽ gửi tín hiệu điều khiển IGT( thời điểm đánh lửa ) đến IC đánh lửa để đánh lửa tại thời điểm chính xác.

Các tín hiệu như sau: tốc độ động cơ NE, góc quay trục khuỷu G, áp suất đường ống nạp PIM, lưu lượng khí nạp ( VS, KS và VG). Nhiệt độ nước làm mát THW. SVTH: Đặng Văn Thiên 9 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều c) Điều khiển tốc độ không tải ISC Hình 1.8 Hệ thống ISE ECU được lập trình với các giá trị tốc độ động cơ tiêu chuẩn tương ứng với các điều kiện sau: nhiệt độ nước làm mát THW, điều hòa không bật hay tắt A/C. Các cảm biến truyền dẫn tín hiệu đến ECU, nó sẽ điều khiển dòng khí bằng van ISC, qua đường khí phụ điều chỉnh tốc độ không tải đến tiêu chuẩn.

d) Hệ thống chẩn đoán ECU động cơ có một hệ thống chẩn đoán. ECU luôn luôn giám sát các tín hiệu đang được chuyển vào từ các cảm biến khác nhau. Nếu nó phát hiện một sự cố với một tín hiệu vào, ECU sẽ ghi sự cố đó dưới dạng của những DTC (Mã chẩn đoán hư hỏng) và làm sáng MIL (Đèn báo hư hỏng). Nếu cần ECU có thể truyền tín hiệu của các DTC này bằng cách nhấp nháy đèn MIL hoặc hiển thị các DTC hoặc các dữ liệu khác trên màn hình của máy chẩn đoán cầm tay.

Các chức năng chẩn đoán phát ra các DTC và các dữ liệu về một sự cố trên một máy chẩn đoán có dạng tiên tiến và hoàn chỉnh cao của hệ thống điện tử e) Phanh ABS SVTH: Đặng Văn Thiên 10 Đồ án cơ điện tử 2 GVHD: Bùi Hải Triều Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống ABS Thành phần chính đó là cảm biến tốc độ, cảm biến hồi chuyển Bộ điều khiển (ECU) là bộ điều khiển bằng điện tử, bộ não của Abs. Nhiệm vụ chính là tiếp nhận, phân tích, so sánh những thông tin mà bộ phận cảm biến gửi về. Trường hợp nhận thấy xe rơi vào trạng thái an toàn, Ecu sẽ ra lệnh cho các bộ phận khác kích hoạt Bơm thủy lực và các van điều chỉnh: bơm thủy lực cũng như bất cứ một hệ thống phanh nữa nào khác với xilanh hay piston thì đều có tác dụng điều chỉnh lực đẩy lượng dầu tác động lên má phanh. Khi lực bóp phanh quá lớn với mức an toàn sẽ cần đến van điều chỉnh trợ giúp.

Khi khả năng trượt bánh không còn thì các van sẽ di chuyển đến vị trí khác giúp phục hồi tác động mạnh nhất giúp xe dừng một cách nhanh. Quá trình này chỉ trong 1 phần nhỏ của một giây và được lặp đi lặp lại cho đến khi xe đạt trạng thái cân bằng ổn định nhất. Nguyên lý hoạt động của phanh ABS Nếu như đường bình thường thì sự có mặt của phanh ABS sẽ rất khó nhận diện chỉ khi xe khó phanh, đường trơn, ướt và cần phanh bất ngờ thì khi đó phanh ABS mới phát huy tác dụng của nó. Phanh ABS sẽ đảm nhiệm vai trò phát hiện ra tình huống phanh xấu và hệ thống sẽ duy trì mức độ trượt và tốc độ quay bánh ở một giới hạn cho phép.