Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong nền kinh tế quốc dân, ngành vận tải đường bộ đóng vai trò then chốt trong việc luân chuyển khối lượng lớn hàng hóa và hành khách. Xe tải hạng nặng, với tính cơ động và khả năng việt dã cao, là phương tiện vận chuyển chủ lực phục vụ nhiều điều kiện địa hình phức tạp. Đi cùng với yêu cầu nâng cao tốc độ và tải trọng chuyên chở, vấn đề đảm bảo an toàn chuyển động trở thành yêu cầu kỹ thuật hàng đầu trong thiết kế và khai thác ô tô. Trong đó, hệ thống phanh là cơ cấu an toàn chủ động quan trọng nhất, quyết định trực tiếp đến khả năng giảm tốc, dừng đỗ và duy trì tính ổn định của phương tiện.
Đối với sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, học phần Kết cấu Ô tô và đồ án/bài tập lớn chuyên ngành là nội dung đào tạo bắt buộc nhằm củng cố kiến thức lý thuyết cơ bản, rèn luyện kỹ năng khảo sát, tính toán và phân tích kết cấu thực tế dưới góc độ của một kỹ sư kỹ thuật.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung chính sau:
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về hệ thống phanh ô tô, các yêu cầu kỹ thuật, chỉ tiêu an toàn và tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả phanh.
- Khảo sát, phân tích chi tiết kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh dẫn động khí nén trên dòng xe tải hạng nặng Renault V.I (Renault Kerax).
- Tìm hiểu cấu tạo các cụm chi tiết chính trong hệ thống khí nén như máy nén khí, bộ lắng lọc tách ẩm, tổng van phân phối, van cấp xả nhanh, bộ điều hòa lực phanh và cơ cấu phanh bánh xe.
- Tổng hợp các hiện tượng hư hỏng điển hình và xây dựng quy trình bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống phanh khí nén trên dòng xe nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phanh khí nén trang bị trên dòng xe tải tự đổ Renault V.I (Renault Kerax 6x4) do Pháp sản xuất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đặc tính kết cấu cơ khí, sơ đồ nguyên lý mạch dẫn động khí nén hai dòng và quy trình kỹ thuật sửa chữa, thực hiện tại Bộ môn Động lực - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội vào tháng 04/2021.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng
Nghiên cứu dựa trên hệ thống lý thuyết kết cấu ô tô và động lực học quá trình phanh. Hiệu quả của hệ thống phanh được đánh giá thông qua các chỉ tiêu động học và động lực học: gia tốc chậm dần ổn định ($J_p$), quãng đường phanh ($S_p$), thời gian phanh và lực tác dụng lên cơ cấu điều khiển ($P_{bđ}$).
Tài liệu sử dụng hai hệ thống tiêu chuẩn kiểm định an toàn kỹ thuật:
- Tiêu chuẩn Việt Nam (Bộ Giao thông Vận tải quy định năm 1995): Đánh giá hiệu quả của hệ thống phanh chính ở vận tốc bắt đầu phanh $V_0 = 30\text{ km/h}$ trên đường nhựa khô, phẳng, nằm ngang ở chế độ không tải.
- Tiêu chuẩn Liên Xô (cũ): Quy định chi tiết các chỉ tiêu thử nghiệm phanh chính, phanh dự trữ, phanh dừng và phanh chậm dần qua các chế độ thử nguội (Thử "O"), thử nóng (Thử "I") và thử phanh khi xuống dốc dài (Thử "II").
| Chủng loại phương tiện |
Vận tốc thử $V_0$ (km/h) |
Quãng đường phanh $S_p$ (m) |
Gia tốc chậm dần ổn định $J_p$ ($\text{m/s}^2$) |
| Ô tô du lịch và xe thiết kế trên cơ sở xe du lịch |
30 |
$\le 7,2$ |
$\ge 5,8$ |
| Ô tô tải có trọng lượng toàn bộ $\le 8\text{ tấn}$, xe khách dài $\le 7,5\text{ m}$ |
30 |
$\le 9,5$ |
$\ge 5,0$ |
| Ô tô tải/đoàn ô tô có trọng lượng toàn bộ $> 8\text{ tấn}$, xe khách dài $> 7,5\text{ m}$ |
30 |
$\le 11,0$ |
$\ge 4,2$ |
Tiêu chuẩn hiệu quả phanh chính của Bộ Giao thông Vận tải Việt Nam (1995)
Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn về lực điều khiển cực đại tác dụng lên bàn đạp chân ($P_{bđ} \le 700\text{ N}$, hành trình $S_{bđ} \le 180\text{ mm}$ đối với xe tải) và lực kéo tay đòn phanh dừng ($P_{ct} \le 600\text{ N}$, hành trình $S_{ct} \le 220\text{ mm}$) được áp dụng làm căn cứ tính toán, đánh giá.
Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu
- Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo sát tài liệu chuyên ngành về động lực học phanh, cơ chế tự siết - tự tách của cơ cấu phanh tang trống, nguyên lý khí động học trong hệ thống dẫn động khí nén áp suất thấp ($p < 0,8\text{ MN/m}^2$) và áp suất cao ($p \le 1,3\text{ MN/m}^2$).
- Phương pháp phân tích sơ đồ kết cấu kỹ thuật: Đọc, bóc tách và phân tích các bản vẽ nguyên lý hệ thống khí nén đa dòng, sơ đồ mạch van điều khiển kép, bộ điều hòa lực phanh theo tải trọng và kết cấu cơ cấu phanh cam chữ S.
- Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật của dòng xe tải tự đổ Renault V.I, giáo trình Kết cấu Ô tô, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn phương tiện giao thông đường bộ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về hệ thống phanh trên ô tô
Chương này tập trung trình bày toàn diện chức năng, phân loại và các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của hệ thống phanh trên phương tiện giao thông đường bộ:
- Yêu cầu kỹ thuật và phân loại chức năng: Hệ thống phanh trên ô tô phải đảm bảo tối thiểu ba chức năng độc lập: phanh làm việc (phanh chính - phanh chân), phanh dự trữ (sử dụng khi phanh chính hỏng), phanh dừng (phanh đỗ - phanh tay) và bổ sung hệ thống phanh chậm dần (phanh bằng động cơ/khí xả) đối với xe tải có khối lượng toàn bộ trên 12 tấn hoặc xe khách trên 5 tấn hoạt động ở vùng đồi núi. Phanh chậm dần phải duy trì tốc độ xe không vượt quá $30 \pm 2\text{ km/h}$ khi xuống dốc dài 6 km, độ dốc 7%.
- Cơ cấu phanh ma sát: Phân tích cơ chế làm việc của phanh đĩa và phanh tang trống (loại trống - guốc). Phân tích chi tiết hiện tượng tự siết và tự tách của guốc phanh: guốc trước có lực ma sát cùng chiều ép tăng cường vào trống phanh (guốc tự siết), guốc sau có lực ma sát làm giảm lực ép (guốc tự tách). Đối với cơ cấu phanh ép bằng cam đối xứng, chuyển vị của hai guốc bằng nhau, dẫn đến áp lực pháp tuyến $N_1 = N_2$ và mô-men phanh $M_{p1} = M_{p2}$, tạo nên cơ cấu vừa có tính thuận nghịch (mô-men phanh không đổi khi đổi chiều quay) vừa có tính cân bằng lực tác dụng lên ổ trục bánh xe.
- Dẫn động phanh: So sánh đặc tính của dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực và dẫn động khí nén. Dẫn động thủy lực có ưu điểm độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn nhưng yêu cầu độ kín khít tuyệt đối và lực bàn đạp lớn. Dẫn động khí nén sử dụng áp suất không khí nén để sinh lực phanh, lực bàn đạp của người lái chỉ đóng vai trò điều khiển mở các van phân phối, giúp giảm nhẹ thao tác, làm việc an toàn trên xe tải nặng và dễ dàng kết hợp dẫn động phanh rơ-moóc.
- Phân dòng dẫn động: Khảo sát các phương án phân chia mạch độc lập (phân dòng theo cầu, phân dòng chéo, phân dòng kết hợp) nhằm đảm bảo khi một dòng bị rò rỉ hoặc hư hỏng, hệ thống còn lại vẫn duy trì tối thiểu 50% hiệu quả phanh quy định.
Chương 2. Giới thiệu về hệ thống phanh khí nén trên xe tải Renault V.I
Chương 2 đi sâu vào cấu tạo thực tế và các thông số kỹ thuật của dòng xe tải Renault V.I (Renault Kerax 6x4):
Thông số kỹ thuật cơ bản của xe tải Renault Kerax
- Công thức bánh xe: $6 \times 4$ (cầu trước dẫn hướng tải trọng 8.000 kg, hai cầu sau chủ động tải trọng 26.800 kg).
- Khối lượng toàn bộ: 34.800 kg; Tải trọng có ích: 25.000 kg.
- Động cơ: Diesel 4 kỳ, 6 xi lanh thẳng hàng, dung tích 11,1 lít, công suất cực đại 225 kW ở 1.800 vg/ph, mô-men xoắn cực đại 1.750 Nm ở 1.300 vg/ph; thứ tự công tác 1-5-3-6-2-4.
- Hệ thống truyền lực: Ly hợp 1 đĩa ma sát khô ($\varnothing 250 \times 430\text{ mm}$), trợ lực khí nén; hộp số 8 số tiến, 1 số lùi; tỷ số truyền cầu giảm tốc kép $17/37$.
- Hệ thống treo: Cầu trước sử dụng 8 lá nhíp elip; cầu sau sử dụng 9 lá nhíp elip.
- Bánh xe và lốp: Ký hiệu lốp $12.00\text{ R }20$, áp suất tiêu chuẩn bánh trước $8,5\text{ kg/cm}^2$, bánh sau $8,4\text{ kg/cm}^2$.
Đặc tính kỹ thuật của hệ thống phanh khí nén Renault V.I
| Hạng mục thông số |
Ký hiệu |
Giá trị |
Đơn vị |
| Đường kính tang trống phanh |
$d_t$ |
414 |
mm |
| Bề rộng má phanh trước / sau |
$b$ |
165 / 175 |
mm |
| Chiều dài đòn dẫn động trước / sau |
$l_k$ |
140 / 145 |
mm |
| Góc ôm má phanh |
$\alpha$ |
116 |
Độ |
| Góc đặt tấm ma sát |
$\beta_0 - \beta_1$ |
29 - 145 |
Độ |
| Khoảng cách từ chốt lệch tâm đến tâm trục bánh |
$s$ |
160 |
mm |
| Đường kính vòng tròn cơ sở của cam |
$d_k$ |
38 |
mm |
| Đường kính làm việc màng bầu phanh trước ($D_1$) / sau ($D_2$) |
$D_1 / D_2$ |
185 / 175 |
mm |
| Kiểu máy nén khí |
- |
Piston, 2 xi lanh thẳng hàng |
- |
| Số lượng và tổng dung tích bình chứa khí nén |
- |
04 bình / 130 |
Lít |
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết chính
- Máy nén khí: Loại 2 xi lanh thẳng hàng, piston nhôm lắp chốt bơi, dẫn động bằng bánh răng từ trục khuỷu/trục cam động cơ. Khối xi lanh và nắp máy được làm mát bằng nước trích từ hệ thống làm mát động cơ; hệ thống bôi trơn kết hợp cưỡng bức và vung tóe.
- Bộ lắng lọc và tách ẩm: Khí nén từ máy nén đi qua thiết bị lọc vành và bộ sấy khô để tách hơi nước, bụi bẩn và cặn dầu bôi trơn. Tách ẩm và xả cặn tự động qua van xả đáy nhờ piston làm sạch, cung cấp khí nén khô sạch đến bình chứa, ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn và đọng nước làm kẹt các van.
- Tổng van phân phối khí nén: Loại tổng van hai tầng (hai ngăn nối tiếp) điều khiển hai dòng độc lập cho cầu trước và các cầu sau. Khi phanh cục bộ, chuyển vị bàn đạp đẩy piston nén lò xo cao su tỷ lệ, mở các đế van cấp khí để duy trì áp suất phanh tương ứng với lực đạp. Khi phanh khẩn cấp, các van xả đóng hoàn toàn, van cấp mở cực đại đưa áp suất khí nén trong bình chứa trực tiếp vào các bầu phanh. Trong trường hợp một dòng phanh bị hỏng, tầng van còn lại vẫn hoạt động độc lập với áp suất phanh đầy đủ.
- Bộ điều hòa lực phanh theo tải trọng: Lắp ở dòng phanh cầu sau, điều chỉnh áp suất cấp đến các bầu phanh sau dựa trên độ võng của hệ thống treo (tải trọng xe). Hệ số truyền áp suất tuân theo quan hệ:
$$K_a = \frac{P_2}{P_1} = \frac{S_1}{S_2}$$
Trong đó $S_1$ là diện tích piston điều khiển, $S_2$ là diện tích hiệu dụng biến thiên của màng cao su. Khi tải trọng giảm, cần điều khiển dịch chuyển làm tăng diện tích hiệu dụng $S_2$, dẫn đến áp suất phanh $P_2$ cấp tới bầu phanh sau giảm xuống, ngăn ngừa hiện tượng khóa cứng bánh sau gây mất ổn định hướng lái.
- Cơ cấu phanh bánh xe: Cơ cấu tang trống kiểu cam quay chữ S, các guốc phanh tựa trên chốt lệch tâm điều chỉnh được. Giữa đầu guốc phanh và cam phanh có gắn con lăn giảm ma sát, giúp quá trình ép má phanh diễn ra êm dịu và giảm hao mòn cơ học.
Chương 3. Quy trình bảo dưỡng sửa chữa chính trên hệ thống phanh khí nén xe tải Renault V.I
Chương 3 tổng kết các dạng sai hỏng kỹ thuật thường gặp trong quá trình vận hành hệ thống phanh khí nén và biện pháp xử lý:
- Khí nén nạp chậm hoặc không nạp vào các bình chứa: Nguyên nhân do rò rỉ đường ống nạp, dây đai/bánh răng dẫn động máy nén khí trượt mòn, bộ lắng lọc tách ẩm bị tắc nghẽn hoặc van điều chỉnh áp suất bị kẹt mở xả ra ngoài. Khắc phục bằng cách vệ sinh, thay thế lõi lọc, siết chặt các đầu nối ống và hiệu chỉnh lại bộ điều áp.
- Bộ điều chỉnh áp suất không làm việc: Nguyên nhân do lò xo điều chỉnh bị gãy/yếu, màng van hoặc đế van cao su bị mòn, rách làm kẹt van xả không ngắt được áp suất nạp cực đại. Cần tháo rã kiểm tra, thay màng van và căn chỉnh lại áp suất làm việc tiêu chuẩn.
- Hở các van của máy nén khí: Các lá van nạp, van xả trên nắp xi lanh máy nén khí bị bám muội than dầu, nứt gãy hoặc không kín khít làm giảm lưu lượng và áp suất khí nén. Biện pháp xử lý là tháo nắp xi lanh, rà phẳng mặt van hoặc thay thế lá van mới.
- Bầu phanh không kín: Màng cao su bầu phanh bị rách, xốp hoặc đệm làm kín bị lão hóa gây rò rỉ khí nén khi đạp phanh, làm sụt áp toàn hệ thống. Cần tiến hành thay màng bầu phanh định kỳ và kiểm tra siết chặt đai kẹp vỏ bầu phanh.
- Hiện tượng phanh bị ăn đột ngột (phanh giật): Do cơ cấu điều hòa lực phanh bị kẹt, lò xo hồi vị guốc phanh bị gãy/yếu, má phanh dính dầu mỡ hoặc bề mặt trống phanh bị biến dạng oval. Cần vệ sinh bề mặt ma sát, thay thế lò xo hồi vị và láng lại bề mặt trống phanh trên máy tiện chuyên dùng.
Kết quả và đóng góp
- Khảo sát hệ thống hóa kết cấu phanh xe tải hạng nặng: Đề tài đã xây dựng hệ thống tài liệu kỹ thuật chi tiết về hệ thống phanh khí nén hai dòng trên dòng xe tải 3 cầu Renault Kerax $6 \times 4$, làm rõ mối liên kết giữa hệ thống phanh chính, phanh dừng tích năng lò xo (lốc-kê) và phanh phụ trợ bằng khí xả động cơ.
- Làm rõ nguyên lý điều khiển khí nén tự động theo tải trọng: Phân tích định lượng nguyên lý làm việc của bộ điều hòa lực phanh dạng tia thông qua tương quan tỷ lệ diện tích $S_1/S_2$, chứng minh cơ chế phân phối lực phanh linh hoạt giúp chống trượt lết bánh sau khi xe không tải.
- Xây dựng quy trình xử lý sự cố thực tế: Cung cấp các bước kiểm tra, phân tích nguyên nhân và phương pháp phục hồi các cụm chi tiết như tổng van phân phối, máy nén khí, bộ tách ẩm và bầu phanh tích năng, phục vụ trực tiếp cho công tác chẩn đoán kỹ thuật tại xưởng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Tài liệu dừng lại ở mức độ thuyết minh khảo sát kết cấu và phân tích nguyên lý làm việc theo bài tập lớn học phần; chưa có điều kiện thực hiện các thử nghiệm đo đạc lực phanh thực tế trên bệ thử con lăn chuyên dùng hoặc mô phỏng động lực học khí nén trên các phần mềm kỹ thuật (như Matlab/Simulink, AMESim).
- Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu sang hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống phanh điều khiển điện tử (EBS) tích hợp trên các dòng xe tải thế hệ mới; xây dựng mô hình tính toán tối ưu hóa phân bố mô-men phanh giữa các cầu theo đường đặc tính bám lý thuyết.
Giá trị tham khảo
Báo cáo thuyết minh là tài liệu học tập và tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các học phần Kết cấu Ô tô, Tính toán Thiết kế Ô tô, Đồ án Tốt nghiệp chuyên ngành động lực.
- Giảng viên và kỹ thuật viên: Tham khảo cấu tạo cụ thể và thông số hình học của hệ thống phanh khí nén dòng xe Renault Kerax phục vụ công tác giảng dạy thực hành, kiểm định kỹ thuật và bảo dưỡng sửa chữa phương tiện vận tải thương mại.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống phanh chính trên xe tải Renault V.I sử dụng loại dẫn động gì và có cơ chế an toàn như thế nào?
Hệ thống phanh chính sử dụng dẫn động khí nén hai dòng độc lập (phân dòng cho cầu trước và hai cầu sau) với nguồn cấp từ 4 bình chứa khí nén có tổng dung tích 130 lít. Khi một dòng phanh bị rò rỉ hoặc mất áp suất, tầng van còn lại trong tổng van phân phối kép vẫn duy trì áp suất cung cấp cho dòng còn lại, đảm bảo phương tiện duy trì hiệu quả phanh không dưới 50%.
2. Cơ cấu phanh bánh xe của Renault Kerax có đặc điểm gì nổi bật?
Cơ cấu phanh thuộc loại tang trống một bậc tự do, sử dụng cơ cấu ép bằng trục cam hình chữ S đối xứng. Tang trống có đường kính 414 mm, má phanh có góc ôm $116^\circ$ với bề rộng 165 mm (cầu trước) và 175 mm (cầu sau). Điểm tỳ giữa cam phanh và guốc phanh được trang bị con lăn để giảm ma sát trượt và mài mòn cơ học.
3. Bộ điều hòa lực phanh trên xe tải Renault hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
Bộ điều hòa lực phanh được lắp đặt tại dòng phanh cầu sau, hoạt động theo mức độ biến dạng (độ võng) của hệ thống treo nhíp sau. Tùy thuộc vào tải trọng chở hàng, cơ cấu đòn bẩy sẽ làm dịch chuyển piston, thay đổi diện tích làm việc hiệu dụng $S_2$ của màng cao su. Khi xe giảm tải, diện tích $S_2$ tăng lên, làm giảm áp suất khí nén $P_2$ cấp vào các bầu phanh sau, tránh hiện tượng bó cứng bánh xe sau gây trượt ngang.
4. Phanh dừng và phanh dự phòng trên xe được thiết kế tích hợp như thế nào?
Phanh dừng được tích hợp chung với phanh dự phòng thông qua cụm bầu phanh tích năng lò xo. Ở trạng thái vận hành bình thường, khí nén nén lò xo tích năng lại để nhả phanh. Khi thực hiện phanh tay hoặc khi hệ thống bị mất áp suất khí nén hoàn toàn, khí nén trong bầu phanh được xả ra ngoài, lực nén của lò xo bung ra tác dụng lên cần phanh để hãm cứng các bánh xe. Ngoài ra, trên mỗi bầu phanh còn bố trí bu-lông nhả phanh cơ khí phục vụ cứu hộ khi xe gặp sự cố mất áp suất hoàn toàn.
Kết luận
Thuyết minh bài tập lớn "Nghiên cứu hệ thống phanh dẫn động khí nén trên xe tải Renault V.I" của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu khảo sát lý thuyết và phân tích kết cấu kỹ thuật. Đề tài đã trình bày chi tiết các thông số hình học, sơ đồ nguyên lý mạch khí nén hai dòng và cấu tạo cụ thể của các cụm van điều khiển hiện đại trên dòng xe tải hạng nặng Renault Kerax 6x4. Các nội dung phân tích hư hỏng và quy trình bảo dưỡng mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng tốt yêu cầu chuyên môn của học phần Kết cấu Ô tô.
