Đồ án: Nghiên cứu chuyển đổi phanh tay cơ thành phanh điện tử trên Hyundai Grand i10

Tài liệu nghiên cứu, thiết kế chi tiết giải pháp chuyển đổi phanh tay cơ khí sang phanh tay điện tử cho xe ô tô Hyundai Grand i10.

• Tác giả: Phan Văn Nguyên
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Nhật Trường
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Chuyển Đổi Phanh Tay Cơ Khí Thành Phanh Tay Điện Tử Trên Hyundai Grand I10
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống phanh tay điện tử Grand i10

Hệ thống phanh tay điện tử là công nghệ hiện đại thay thế phanh tay cơ khí truyền thống trên các dòng xe ô tô hiện nay. Trên Grand i10, việc chuyển đổi từ phanh tay cơ khí sang phanh tay điện tử mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển bằng tín hiệu điện từ bộ vi xử lý, thay vì sự tác động trực tiếp của người lái. Phanh tay điện tử trên Grand i10 được tích hợp công nghệ Auto Hold, giúp xe tự động giữ phanh khi dừng, đảm bảo an toàn tuyệt đối. Sự chuyển đổi này không chỉ nâng cao tiện nghi mà còn cải thiện đáng kể tính năng an toàn của phương tiện. Bài viết này sẽ hướng dẫn chi tiết quá trình chuyển phanh tay cơ sang điện tử cho Grand i10 từ các khía cạnh kỹ thuật và ứng dụng thực tế.

1.1. Khái niệm phanh tay cơ khí truyền thống

Phanh tay cơ khí là hệ thống phanh truyền thống sử dụng cơ chế kéo cáp, truyền lực trực tiếp qua các chi tiết cơ học. Trên Grand i10 cũ, phanh tay cơ khí hoạt động bằng tay cầm, kéo cáp kích hoạt phanh bánh xe. Hệ thống này có độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi sức khoẻ người lái, chiếm nhiều không gian bên trong xe. Những hạn chế này tạo động lực để các nhà sản xuất phát triển giải pháp phanh tay điện tử hiện đại hơn.

1.2. Ưu điểm của phanh tay điện tử

Phanh tay điện tử mang đến nhiều cải tiến so với phanh tay cơ khí. Trước tiên, nó tiết kiệm không gian bên trong xe, cấp phát lại diện tích cho các tính năng khác. Thứ hai, hệ thống này dễ sử dụng hơn, chỉ cần nhấn nút để kích hoạt. Thứ ba, phanh tay điện tử tích hợp công nghệ Auto Hold, cho phép xe tự giữ phanh khi dừng, nâng cao an toàn. Ngoài ra, độ chính xác điều khiển cao hơn, giảm nguy hiểm mất phanh.

II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động phanh tay điện tử

Phanh tay điện tử trên Grand i10 bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển điện tử, motor điện, bộ cảm biến, hệ thống truyền lực, và công tắc điều khiển. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc nhận tín hiệu từ công tắc nút nhấn, xử lý thông qua bộ vi xử lý, sau đó điều khiển motor để kích hoạt cơ cấu phanh tại bánh xe. Hệ thống này tích hợp encoder để phát hiện tốc độ bánh xe, từ đó tối ưu hóa lực phanh cần thiết. Trên Grand i10, phanh tay điện tử được thiết kế để hoạt động với mạng CAN, cho phép liên kết với các hệ thống khác như ABS, ESP, tạo nên hệ thống phanh thông minh và an toàn hơn.

2.1. Motor điện trong hệ thống phanh tay điện tử

Motor điện là trái tim của phanh tay điện tử trên Grand i10. Nó được thiết kế để có công suất thích hợp, cung cấp lực đủ để phanh bánh xe mà không gây quá tải. Motor này hoạt động với điện áp DC từ bộ pin, được điều khiển bằng IC L298N qua mạch cầu H. Tốc độ quay và hướng quay của motor được kiểm soát chính xác bởi tín hiệu PWM từ bộ điều khiển.

2.2. Bộ cảm biến và công tắc điều khiển

Bộ cảm biến trên phanh tay điện tử bao gồm encoder đo tốc độ bánh xe và cảm biến áp suất. Những cảm biến này cung cấp phản hồi thời gian thực cho bộ điều khiển, giúp tối ưu hóa lực phanh. Công tắc điều khiển là giao diện giữa người lái và hệ thống, cho phép kích hoạt, hủy, hoặc bật chế độ Auto Hold một cách dễ dàng trên Grand i10.

III. Quá trình thiết kế và tính toán phanh tay điện tử

Thiết kế phanh tay điện tử cho Grand i10 đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật. Bước đầu tiên là xác định lực phanh tối thiểu cần thiết để dừng xe mà không bị trượt, dựa trên khối lượng xe, hệ số ma sát lốp, và độ dốc của đường. Tiếp theo, tính toán mô men quay của motor cần cung cấp, đảm bảo có đủ công suất để vận hành hệ thống. Các linh kiện điện tử như IC L298N, Transistor BC557, Arduino Uno được lựa chọn dựa trên khả năng xử lý và độ tin cậy. Mạch điện được thiết kế trên phần mềm Proteus, mô phỏng các chế độ hoạt động như chế độ P (đỗ), chế độ nhả phanh, và chế độ Auto Hold.

3.1. Tính toán lực phanh và mô men motor

Lực phanh được tính dựa trên công thức F = m × g × sin(θ) + μ × m × g × cos(θ), trong đó m là khối lượng Grand i10, g là gia tốc trọng trường, θ là độ dốc, μ là hệ số ma sát. Mô men motor được xác định từ lực phanh này, đảm bảo motor có công suất đủ. Tính toán chính xác này đảm bảo phanh tay điện tử hoạt động an toàn và hiệu quả.

3.2. Mô phỏng mạch điện trên Proteus

Phần mềm Proteus được sử dụng để thiết kế và mô phỏng toàn bộ sơ đồ mạch điện của phanh tay điện tử. Mô phỏng bao gồm các chế độ hoạt động khác nhau, kiểm tra tín hiệu đầu vào/ra, và xác minh tính chính xác của logic điều khiển. Qua mô phỏng, có thể phát hiện và khắc phục các vấn đề thiết kế trước khi thực hiện phần cứng thực tế.

IV. Hướng dẫn lắp đặt và kiểm thử phanh tay điện tử

Lắp đặt phanh tay điện tử cho Grand i10 là công việc đòi hỏi kỹ năng kỹ thuật cao. Bước đầu tiên là tháo dỡ hệ thống phanh tay cơ khí cũ, bao gồm tay cầm, cáp, và các chi tiết liên quan. Tiếp theo, chuẩn bị vị trí lắp đặt bộ chấp hành và bộ điều khiển phanh tay điện tử. Lắp đặt motor, hệ thống truyền lực, và các cảm biến theo sơ đồ kỹ thuật. Sau đó, kết nối toàn bộ hệ thống điện, kiểm tra các kết nối, và lập trình bộ điều khiển. Cuối cùng, tiến hành kiểm thử hệ thống ở các chế độ khác nhau để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn trước khi đưa xe vào sử dụng.

4.1. Tháo dỡ phanh tay cơ khí cũ

Để tháo dỡ phanh tay cơ khí, trước tiên phải tháo tay cầm khỏi bộ tì tay xe. Tiếp theo, tháo cáp phanh khỏi các điểm kết nối dọc theo phần hạ thấp xe. Lưu ý cần áp dụng lực nhẹ nhàng để tránh làm hỏng các chi tiết lân cận. Sau khi tháo hoàn toàn, làm sạch các mặt kết nối để chuẩn bị cho lắp đặt phanh tay điện tử.

4.2. Lắp đặt và kiểm thử hệ thống mới

Lắp đặt bộ chấp hành phanh tay điện tử tại bánh xe, đảm bảo kết nối chắc chắn. Lắp đặt bộ điều khiển và motor tại vị trí thích hợp bên trong xe. Kết nối toàn bộ hệ thống điện theo sơ đồ, kiểm tra mỗi kết nối. Sau lắp đặt, tiến hành kiểm thử chức năng phanh, chế độ Auto Hold, và độ an toàn của hệ thống phanh tay điện tử trước khi sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về đề tài 3 - Chương 2: Tổng quan giải pháp - Chương 3: Phương pháp giải quyết - Chương 4: Quy trình thiết kế - Chương 5: Thi công và thực nghiệm - Chương 6: Kết luận, hướng phát triển 4 Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG PHANH TAY TRÊN Ô TÔ Phanh tay ô tô gồm có 2 kiểu gồm: phanh tay điện tử và phanh tay cơ khí nó có tác dụng giúp xe giảm tốc độ, đứng yên đỗ xe trên những con đường dốc đứng hay sử dụng trong các trường hợp cần thiết. Phanh tay phổ biến là dạng tay nắm, nó thường đặt ở vị trí ghế lái và phụ. Dưới đây là hình ảnh của phanh tay cơ khí: Hình 2.1: Cơ cấu phanh tay cơ khí. [3] Phanh tay cơ khí gồm sợi dây cáp kết nối với 2 bánh sau.

Khi người lái kéo phanh,dây cáp tác dụng vào đòn quay biến lực kéo thành lực ép guốc phanh vào tang trống, hạn chế chuyển động quay của bánh xe giúp xe dừng lại. Nếu bánh sau sử dụng phanh đĩa, phanh tay cơ khí sẽ tận dụng cơ cấu này để dừng xe. Vị trí hãm của tay điều khiển được khóa chặt nhờ cơ cấu con cóc chèn vào vành răng của bộ khóa. 5 Muốn nhả phanh tay chỉ cần ấn ngón tay vào nút trên cần phanh để nhả cơ cấu con cóc rồi đẩy tay điều khiển về phía trước.

Lò xo sẽ kéo guốc phanh trở lại vị trí ban đầu.2: Sơ đồ kết cấu phanh tay cơ khí. [3] Ưu và nhược điểm của phanh tay cơ khí: Ưu điểm: - Phanh tay cơ khí có ưu điểm là đơn giản, nhỏ gọn, - Phanh tay cơ khí còn có ưu điểm là giá thành rẻ nên sẽ đi đôi với việc bảo dưỡng sửa chữa cũng sẽ trở nên rẻ hơn rất nhiều - Tuổi thọ chi tiết cao Nhược điểm: - Vì là sử dụng bằng cơ khí nên sau một thời gian sử dụng các chi tiết sẽ bị hao mòn - Gây hư hỏng hệ thống phanh nếu người lái quên hạ phanh tay khi di chuyển - Chiếm nhiều diện tích trong buồng lái - Cần bảo dưỡng định kì để đảm bảo không bĩ bó cứng phanh 6 2.2 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG PHANH TAY ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ Hình 2.3: Cơ cấu phanh tay điện tử. [4] Phanh tay điện tử là một thiết bị thông minh được trang bị trên xe ô tô. Với mục đích ra đời là giúp đảm bảo tính mạng cũng như tài sản cho người dùng xe trong trường hợp mà người lái quên hạ hoặc kéo phanh tay.

Phanh điện tử thường được bố trí trên các dòng xe cao cấp hạng sang. Người lái không cần phải dùng lực để kéo phanh nữa mà chỉ cần ấn nút phanh điện tử trên xe. Nó ngay lập tức can thiệp vào hệ thống phanh của xe rất tiện lợi và an toàn. Loại bảo tình trạng như quên không kéo phanh hay phanh tay không ăn do kéo chưa tới tầm.

Khi muốn dừng/đỗ xe, tài xế chỉ cần gạt cần nhấn nút, lúc này hệ thống sẽ tự động hãm phanh (chuyển về chế độ Lock) thì vì phải kéo phanh lên như phanh tay cơ thông thường. Phanh điện tử cũng có chức năng tương tự như phanh tay cơ, chỉ khác một bên sử dụng cơ khí, còn một bên được điều khiển bằng điện. Nguyên lí hoạt động: 7 Phanh tay điện tử là sử dụng mô-tô điện để hỗ trợ việc hãm và nhả phanh thông qua lẫy được ký hiệu chữ P. Khi đỗ xe, tay số chuyển về vị trí P và phanh tay điện tử sẽ tự động chuyển qua chế độ Lock khi tắt máy.

Cơ cấu được điều khiển bằng một bộ chấp hành gắn với motor điều khiển và được liên kết với 2 bánh sau. Sau khi nhận tiến hiệu từ người lái bộ chấp hành sẽ xử lý dữ liệu và truyền tín hiệu xuống motor điện để hoạt động. Nếu muốn phanh lại ta cần đạp bàn đạp phanh chân, rồi kéo nút điều khiển phanh tay điện tử. Khi muốn nhả phanh ta cũng cần đạp bàn đạp phanh chân rồi nhấn nút điều khiển phanh tay điện tử, khi đó phanh sẽ được nhả ra.

Và phanh tay điện tử còn có cơ cấu Unlock nếu người lái quên nhả phanh tay, hoặc khi về D và số R thì phanh cũng tự nhả để ta có thể di chuyển và đi lùi. Ưu và nhược điểm của phanh tay điện tử Ưu điểm: - Thao tác đơn giản hơn chỉ với một nút bấm. - Tối ưu được diện tích trong xe. - Sang trọng hơn vì hầu hết được sử dụng trên các mẫu xe hiện đại.

- Xe có hệ thống phanh tay điện tử mượt mà và đáng tin cậy hơn. Xe được thắng chuẩn xác hơn và không có độ chễ. Nhược điểm: - Chi phí sản xuất khá cao - Cần để ý ắc quy vì đây là hệ thống sử dụng bằng điện nên bình ắc quy là rất quan trọng để phanh này có thể hoạt động.3 PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHANH TAY CƠ KHÍ VÀ PHANH TAY ĐIỆN TỬ Bảng 2.1: So sánh phanh tay cơ khí và phanh tay điện tử So sánh Phanh tay cơ khí Phanh tay điện tử o Hạn chế được các nhược điểm của o Thiết kế đơn giản, dễ sửa chữa phanh tay cơ khí như bó phanh, kẹt và lắp đặt. o Chi phí sửa chữa thay thế thấp Ưu điểm o Tiết kiệm diện tích cho xe.

o Hiện đại và sang trọng hơn. o Tuổi thọ các chi tiết cao hơn. o Tránh được các tai nạn không đáng có o Cách thức phanh đơn giản. khi quên nhả phanh tay.

o Chiếm diện tích lớn hơn trên xe do cấu tạo cồng kềnh. o Nhiều chi tiết, thao tác khiến tài xế khó sử dụng hơn. o Chi phí sửa sữa khi gặp trục trặc hay Nhược o Cần được bảo dưỡng định kỳ để hư hỏng thường đắt hơn thông thường. điểm tránh hiện tượng bó phanh.

o Khi ắc quy chết thì phanh tay điện tử o Thường xảy ra tình trạng kéo cũng sẽ không hoạt động. phanh nhưng không ăn. o Nếu để quên phanh tay sẽ gây hỏng bộ phận cơ khí trên xe. Hầu hết trên những chiếc xe hiện đại và sang trọng ngày nay các nhà sản xuất sử dụng hầu hết là phanh tay điện thay vì phanh cơ khí vì không chỉ mang tính thẩm mỹ mà còn mang tính an toàn và hiện đại nó phù hợp với nền công nghiệp 4.0 ngày nay của chúng ta.

Vì ngày nay máy móc sẽ giúp con người chúng ta trong hầu hết mọi việc trong đời 9 sống cũng như trong hệ thống phanh tay điện tử này máy móc sẽ can thiệp vào mọi quá trình phanh chỉ với 1 nút nhấn và điều chỉnh Unlock phanh nếu người tài xế quên nhả phanh tay. Nó khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại trên một chiếc xe vẫn còn dùng phanh tay cơ khí thông thường. Nhưng vì hiện đại, sang trọng nó sẽ đi đôi với giá thành rất cao và nếu khách hàng muốn tiếp cận với phanh tay điện tử thông thường sẽ phải mua 1 chiếc xe có phanh tay điện tử, nhưng thông thường những chiếc xe hiện đại và trang bị phanh bị phanh này sẽ rất đắt đỏ. Ngoài thị trường ngày nay vẫn có những nơi bán và lắp riêng hệ thống này cho khách hàng với chi phí cũng không hề rẻ, nhận thấy còn nhiều hạn chế trong vấn đề này chúng em quyết định cải tiến bộ phanh tay cơ khí thành phanh tay điện tử để khắc phục không chỉ về nhược điểm của phanh tay cơ khí mà còn giúp giảm bớt chi phí lắp đặt hệ thống này để nhiều người có thể tiếp cận với công nghệ hiện đại trên 1 chiếc xe sang trong nhưng giá thành vẫn rất hợp lí.4 KHẢO SÁT CÁC BIỆN PHÁP CHUYỂN ĐỔI PHANH TAY CƠ KHÍ THÀNH PHANH TAY ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ 2.1 Phân tích hệ thống phanh tay điện tử ngày nay Tính năng tự động hóa: - Khi sử dụng phanh tay điện tử, tài xế không cần phải thực hiện động tác kéo cần phanh, chỉ cần đưa cần số tới vị trí ký hiệu P, hộp điều khiển phanh trên xe sẽ xử lý các tín hiệu từ người lái xe, sau đó sẽ truyền tới mô tơ điều khiển.

- Nếu bạn quên nhả phanh trong khi vẫn đạp ga, hệ thống phanh sẽ tự động kích hoạt chức năng “Unlock” để xe không bị bó phanh hay cháy phanh. - Trường hợp tài xế muốn hãm phanh lại, chỉ cần đạp phanh chân, đồng thời kéo lẫy điều khiển của phanh tay, hệ thống phanh sẽ tự động thực hiện chức năng hãm phanh. - Ngoài ra, hệ thống phanh điện tử của xe ô tô còn được tích hợp tính năng ngừng kích hoạt xe chạy một cách tự động cũng như tính năng “brake hold” để giữ phanh tự động, tăng tính an toàn khi chạy xe. 10 Cấu tạo chung của phanh tay điện tử: Hình 2.4: Cấu tạo của phanh tay điện tử.

[5] Hệ thống phanh tay điện tử bao gồm các bộ phận sau: Bộ điều khiển hệ thống phanh tay điện tử, cơ cấu chấp hành phanh tay điện tử (bao gồm cả motor), công tắc phanh tay, đèn hiển thị trên bảng đồng hồ. Cơ cấu chấp hành phanh: Cơ cấu hành phanh là bộ phận dẫn động giúp ép má phanh vào đĩa phanh. Nó bao gồm các chi tiết như cùm phanh, đĩa phanh, má phanh, motor phanh đỗ. Khi xe đang di chuyển cơ cấu phanh đĩa đoạt động bằng dầu phanh để ép piston phanh đến má phanh.

Giúp xe phanh khi đang di chuyển. Nhưng khi xe được dừng đỗ thì motor phanh xe hoạt động và giúp xe đứng yên trên đường.5: Bộ chấp hành phanh tại bánh xe. [5] Motor phanh: Hình 2. [5] Motor phanh đỗ được cấu tạo là một cơ cấu trục vít – đai ốc chuyển động tịnh tiến được điều khiển thông qua hệ thống bánh răng giảm tốc biến đổi chuyển động quay của motor điện thẳng chuyển động tịnh tiến.

Trục vít – đai ốc đẩy là chi tiết chính để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Trục vít sẽ được dẫn động trực tiếp từ trục đầu ra của hệ thống bánh răng đĩa cuốn. Tuỳ thuộc vào chiều quay của trục vít đai ốc đẩy sẽ di chuyển tiến tới hay lùi lại và được theo dõi, điều khiển bởi hộp điều khiển phanh tay điện tử.7: Trục vít – đai ốc đẩy. [5] Đai ốc đẩy bị hạn chế chuyển động dọc trục khi được lắp dọc theo piston phanh và nhờ cấu tạo đặc biệt của đai ốc và thành piston phanh giúp hạn chế chuyển động xoắn của đai ốc khi trục vít quay.