Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, hệ thống phanh giữ vai trò quyết định đối với an toàn chủ động của phương tiện khi tham gia giao thông. Dòng xe Mazda CX-5 Premium 2022 thuộc phân khúc SUV thể thao đa dụng cao cấp, được trang bị động cơ xăng 2.5L SKYACTIV-G công suất 187 mã lực, hộp số tự động 6 cấp và hệ thống dẫn động 4 bánh toàn thời gian i-Activ AWD. Do đặc điểm vận hành ở dải tốc độ cao cùng khối lượng bản thân lớn, hệ thống phanh của xe phải chịu tải trọng và ứng suất nhiệt rất cao, đòi hỏi sự kết hợp chính xác giữa độ bền cơ học của cơ cấu phanh với các hệ thống điều khiển điện tử như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) và hệ thống cân bằng điện tử (ESC). Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu, tính toán kiểm nghiệm độ bền và xây dựng quy trình bảo dưỡng kỹ thuật cho hệ thống phanh trên mẫu xe này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định qua 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Làm rõ tầm quan trọng và vai trò an toàn của hệ thống phanh trên dòng xe Mazda CX-5 Premium 2022.
  2. Thực hiện tổng quan lý thuyết về các hệ thống phanh ô tô, tập trung vào các công nghệ đang ứng dụng trên các dòng xe Mazda hiện nay.
  3. Xác định các bộ phận cấu tạo và thông số kỹ thuật cốt lõi của hệ thống phanh trên xe Mazda CX-5 Premium 2022.
  4. Đưa ra các giải pháp và thông số tính toán phù hợp cho hệ thống phanh trong điều kiện vận hành thực tế.
  5. Nghiên cứu các dạng hư hỏng thường gặp và xây dựng quy trình bảo dưỡng, chẩn đoán và khắc phục sự cố.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu phanh đĩa (trước và sau), hệ thống dẫn động phanh thủy lực trợ lực chân không và các cụm điều khiển an toàn trên xe Mazda CX-5 Premium 2022.
  • Không gian nghiên cứu: Xưởng thực hành và phòng thí nghiệm thuộc Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Thời gian nghiên cứu: Dữ liệu và quá trình nghiên cứu thực hiện từ ngày 09/09/2021 đến ngày 04/01/2025 (tiến độ thực hiện đồ án chính thức từ ngày 15/09/2024 đến ngày 02/01/2025).
  • Giới hạn nội dung: Tập trung vào kiểm nghiệm tính toán động lực học cụm phanh đĩa (lực ép, mô-men phanh, công ma sát, áp suất tiếp xúc, nhiệt phát sinh) và xây dựng quy trình bảo dưỡng, sửa chữa cơ cấu phanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đồ án ứng dụng khung lý thuyết động lực học phanh và ma sát học cơ khí để phân tích quá trình chuyển hóa động năng của xe thành nhiệt năng thông qua ma sát tiếp xúc. Cơ cấu phanh ô tô được phân loại theo phương thức điều khiển (phanh chính - phanh chân, phanh dừng - phanh tay, phanh phụ trợ - phanh bằng động cơ/bộ làm chậm), theo kết cấu cơ cấu phanh (phanh guốc tang trống và phanh đĩa), và theo hệ thống dẫn động (dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực, dẫn động khí nén, dẫn động trợ lực khí nén - thủy lực, dẫn động trợ lực chân không - thủy lực). Đối với cơ cấu phanh đĩa, lý thuyết tiếp xúc bề mặt và cơ chế tự điều chỉnh khe hở làm việc thông qua biến dạng đàn hồi của gioăng cao su được sử dụng làm nền tảng tính toán.

Hệ thống tài liệu tham khảo chính được kế thừa bao gồm:

  • Giáo trình và tài liệu trong nước: "Hướng dẫn sử dụng và bảo trì xe ô tô đời mới" (Nguyễn Thành Trí, Châu Ngọc Thạch, 2009); "Giáo trình lí thuyết ô tô" (Đặng Quý, 2020); "Kết cấu ô tô" (Nguyễn Khắc Trai và cộng sự, 2020).
  • Tài liệu chuyên khảo quốc tế: "Vehicle Dynamics and Control" (Rajesh Rajamani, 2012); "Modern Automotive Technology" (Duffy); "Design and Control of Hybrid Brake-by-Wire System for Autonomous Vehicle" (Donghai Hu, 2022); "Road and Off-Road Vehicle System Dynamics Handbook" (Manfred Ploechl).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập các tài liệu kỹ thuật, sổ tay sửa chữa của nhà sản xuất Mazda và các tiêu chuẩn kiểm nghiệm ô tô.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Xây dựng sơ đồ phân tích lực phanh, lập phương trình cân bằng mô-men phanh yêu cầu, tính toán công ma sát, áp suất tiếp xúc phân bố trên bề mặt má phanh và nhiệt năng sinh ra trong quá trình phanh khẩn cấp.
  • Phương pháp tham vấn chuyên gia: Trao đổi chuyên môn trực tiếp với giảng viên hướng dẫn (TS. Nguyễn Mạnh Cường) và các giảng viên bộ môn kỹ thuật ô tô.
  • Phương pháp thực nghiệm và xây dựng quy trình: Khảo sát quy trình chẩn đoán lỗi bằng thiết bị quét cổng OBD-II, thiết bị đo áp suất dầu phanh, máy kiểm tra chất lượng dầu phanh, thiết bị xả khí hệ thống phanh bằng khí nén và các dụng cụ tháo lắp chuyên dùng (SST).

Thiết kế kỹ thuật và quy trình thực hiện

Hệ thống phanh trên Mazda CX-5 Premium 2022 kết hợp giữa hệ thống phanh thủy lực trợ lực chân không hai dòng chéo với các công nghệ hỗ trợ điện tử hiện đại.

Hạng mục Đặc tính kỹ thuật trên Mazda CX-5 Premium 2022
Động cơ và dẫn động 2.5L SKYACTIV-G (187 mã lực), Hộp số tự động 6 cấp, Hệ dẫn động 4 bánh toàn thời gian i-Activ AWD
Cơ cấu phanh trước Phanh đĩa thông gió (Ventilated disc brake), ngàm phanh dạng bơi (Floating caliper)
Cơ cấu phanh sau Phanh đĩa đặc (Solid disc brake), tích hợp phanh tay điện tử (EPB)
Hệ thống an toàn chủ động Chống bó cứng phanh (ABS), Phân phối lực phanh điện tử (EBD), Hỗ trợ phanh khẩn cấp (BA), Cân bằng điện tử (ESC)
Hệ thống hỗ trợ lái nâng cao Gói an toàn i-Activsense (Lane-Keep Assist, Lane Departure Warning, Smart Braking Support)
Kết cấu má phanh đĩa Lớp vật liệu ma sát dày 8–10 mm, tấm đế thép chịu lực dày 3–5 mm
Cơ chế hồi vị tự điều chỉnh Gioăng cao su đàn hồi (tiết diện chữ nhật/vuông cho độ hở 0.6 mm; tiết diện hình thang vát 5–10° cho độ dịch chuyển đến 1.0 mm)
Yêu cầu phanh đỗ Giữ xe đứng yên trên độ dốc 18% (tương đương góc dốc 18° đến 20°)

Quy trình kỹ thuật bảo dưỡng và kiểm định đòi hỏi sử dụng đồng bộ các trang thiết bị xưởng bao gồm: cầu nâng thủy lực (hydraulic lift), máy chẩn đoán mã lỗi OBD-II, dụng cụ kiểm tra chất lượng dầu phanh (brake fluid tester), bình xả khí dầu phanh nén khí (pneumatic brake fluid bleeder), áp kế đo áp suất đường ống phanh và hóa chất tẩy rửa chuyên dụng cho cụm phanh (brake and parts cleaner).

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài gắn liền với xu hướng phát triển hệ thống an toàn trên xe SUV thế hệ mới. Tác giả phân tích lý do lựa chọn Mazda CX-5 Premium 2022 – dòng xe có mật độ sử dụng cao và đòi hỏi yêu cầu khắt khe về tính ổn định phanh khi di chuyển trên nhiều địa hình nhờ chế độ lái Mi-Drive (Normal, Sport, Off-Road). Nội dung chương xác định cụ thể 5 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi thời gian (2021 - 2025), địa điểm nghiên cứu tại HCMUTE, tổng quan các công trình nghiên cứu tiêu biểu trong và ngoài nước, cùng kế hoạch phân công công việc chi tiết giữa hai thành viên Kiều Tiến Anh và Nguyễn Hữu Tuấn Minh từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2024.

Chapter 2: Theoretical Basis

Chương 2 thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết toàn diện về hệ thống phanh ô tô. Tác giả phân loại chi tiết các dạng cơ cấu phanh tang trống dựa trên cách bố trí guốc phanh: guốc phanh đối xứng qua trục, guốc phanh đối xứng qua chốt tựa, cơ cấu guốc phanh bơi (floating shoes) và cơ cấu guốc phanh tự cường hóa (self-energizing đơn hướng và hai hướng).

Đối với cơ cấu phanh đĩa, chương phân tích chuyên sâu sự khác biệt giữa cụm ngàm phanh cố định (fixed caliper) và cụm ngàm phanh bơi (floating caliper), đặc tính đĩa phanh thông gió và kết cấu má phanh (lớp ma sát dày 8–10 mm, tấm đế dày 3–5 mm). Cơ chế tự động điều chỉnh khe hở làm việc nhờ biến dạng đàn hồi của gioăng làm kín piston được mô tả cụ thể về góc vát tiết diện (5–10 độ) và hành trình dịch chuyển (0.6 mm đến 1.0 mm). Bên cạnh đó, các hệ thống dẫn động cơ khí, thủy lực, khí nén, chân không và các trang bị thực tế trên xe Mazda CX-5 Premium 2022 (ABS, EBD, BA, EPB, hệ thống hỗ trợ phanh thông minh Smart Braking Support) được thuyết minh rõ ràng về sơ đồ nguyên lý.

Chapter 3: Calculation of the Brake System Test for the 2022 Mazda CX-5 Premium

Chương 3 là phần tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án, bao gồm việc xây dựng sơ đồ phân tích lực tác dụng lên xe khi phanh và sơ đồ kiểm nghiệm cụm phanh đĩa. Các nội dung tính toán bao gồm:

  • Xác định các thông số ban đầu của xe và tải trọng phân bố lên các cầu khi phanh.
  • Tính toán lực ép tác dụng lên tấm ma sát của cụm phanh trước.
  • Xác định mô-men phanh yêu cầu và mô-men phanh thực tế do cơ cấu phanh sinh ra.
  • Đo đạc và kiểm nghiệm mô-men phanh của đĩa phanh trước trong quá trình thử nghiệm phanh so với giá trị tiêu chuẩn quy định.
  • Tính toán công ma sát sinh ra trong suốt quá trình phanh dừng xe.
  • Xác định áp suất tiếp xúc phân bố trên bề mặt má phanh đĩa nhằm đánh giá giới hạn mài mòn và độ bền tiếp xúc.
  • Tính toán nhiệt năng sinh ra do ma sát và lượng nhiệt truyền vào đĩa phanh để kiểm tra khả năng tản nhiệt của cụm phanh đĩa thông gió.

Chapter 4: Brake System Maintenance and Repair Guide for the Mazda CX-5 Premium 2022

Chương 4 cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật thực hành hoàn chỉnh phục vụ bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống phanh Mazda CX-5 Premium 2022. Chương chia thành các nội dung chính:

  • Bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ: Kiểm tra mức dầu phanh trong bình chứa giữa hai vạch MIN và MAX; kiểm tra độ ẩm và độ sôi của dầu phanh bằng máy đo cầm tay; quy trình vệ sinh bề mặt cụm phanh bằng dung dịch chuyên dụng.
  • Quy trình xả khí (Brake fluid air bleeding): Các bước xả gió đường ống thủy lực sử dụng thiết bị hút nén khí chuyên dùng.
  • Quy trình tháo rã, kiểm tra và bảo dưỡng chi tiết: Tháo rã xi-lanh chính (Master cylinder), tháo ngàm phanh, ép piston phanh bằng dụng cụ chuyên dụng, thay thế má phanh mới, tháo và thay thế đĩa phanh trước và đĩa phanh sau.
  • Chẩn đoán hư hỏng thông qua mã lỗi (DTCs): Đọc và xử lý các mã lỗi hệ thống phanh bằng máy quét chuẩn OBD-II.
  • Phân tích và khắc phục 5 hiện tượng sự cố phổ biến:
    1. Chìm bàn đạp phanh (Brake pedal sink): Xử lý hiện tượng tụt bàn đạp do lọt khí trong đường ống hoặc hỏng cuppen xi-lanh chính.
    2. Xe bị lệch hướng khi phanh (Vehicle skidding off course when braking): Khắc phục lực phanh không đều giữa các bánh xe hoặc kẹt ắc trượt ngàm phanh.
    3. Tiếng ồn trong hệ thống phanh (Noise in the brake system): Xử lý má phanh mòn trơ đế kim loại, dị vật kẹt trong rãnh đĩa hoặc thiếu mỡ bôi trơn chốt trượt.
    4. Xe bị chúi đầu quá mức khi phanh (Car nose dive): Kiểm tra phân phối lực phanh cầu trước/cầu sau và tình trạng hoạt động của giảm chấn.
    5. Xe bị trượt lết khi phanh (Car skidding when braking): Kiểm tra độ bám lốp, đĩa phanh bị biến dạng hoặc sự cố tín hiệu cảm biến tốc độ bánh xe của hệ thống ABS.

Chapter 5: Conclusion and Recommendations

Chương kết luận tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu lý thuyết, kết quả tính toán kiểm nghiệm động lực học phanh và quy trình bảo dưỡng thực hành đã thiết lập. Tác giả khẳng định đồ án đã hoàn thành các nhiệm vụ đề ra, đồng thời đưa ra các kiến nghị kỹ thuật nhằm nâng cao độ tin cậy và tối ưu hóa hệ thống phanh cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Thiết lập hoàn chỉnh quy trình tính toán kiểm nghiệm độ bền cụm phanh đĩa cho Mazda CX-5 Premium 2022, bao gồm chuỗi công thức xác định lực ép tấm ma sát, mô-men phanh thực tế, mô-men phanh yêu cầu, công ma sát, áp suất tiếp xúc mặt má phanh và nhiệt năng phát sinh khi phanh.
  • Xác định các thông số hình học và vận hành tiêu chuẩn: lớp vật liệu ma sát má phanh mới dày 8–10 mm, đế thép dày 3–5 mm; khả năng hồi vị tự điều chỉnh khe hở của gioăng phanh đĩa đạt mức 0.6 mm đối với tiết diện chữ nhật và lên tới 1.0 mm đối với tiết diện hình thang có góc vát 5–10°; yêu cầu góc dốc giữ xe của phanh tay điện tử đạt 18% đến 20°.
  • Xây dựng hướng dẫn bảo dưỡng từng bước cho các cụm chi tiết: xi-lanh chính, ngàm phanh trước/sau, má phanh và đĩa phanh; quy trình xả khí dầu phanh bằng máy chuyên dụng; bảng tổng hợp mã lỗi chẩn đoán (DTCs) qua cổng OBD-II.
  • Đề xuất quy trình phân loại nguyên nhân và biện pháp khắc phục kỹ thuật cho 5 hư hỏng điển hình của hệ thống phanh trong thực tế vận hành.
  • Đóng góp khoa học và thực tiễn: Kết nối lý thuyết động lực học ô tô với thực tiễn bảo dưỡng dòng xe SUV hiện đại, cung cấp bộ tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cho công tác sửa chữa xe Mazda CX-5 Premium 2022.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đề tài chủ yếu tập trung vào cơ cấu phanh đĩa cơ khí - thủy lực và tính toán nhiệt học, áp suất tiếp xúc dựa trên các công thức giải tích; chưa can thiệp sâu vào cấu trúc phần mềm điều khiển ECU hoặc giải mã các gói dữ liệu trên mạng giao tiếp CAN bus của các hệ thống an toàn chủ động (ABS, EBD, ESC).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Ứng dụng các công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA/CFD) để phân tích trường nhiệt độ và trường ứng suất biến dạng chi tiết trên bề mặt đĩa phanh thông gió trong điều kiện phanh khẩn cấp liên tục.
    2. Nghiên cứu tích hợp và điều khiển hệ thống phanh điều khiển điện tử hoàn toàn (Brake-by-Wire) trên các dòng xe thông minh và xe tự hành theo các định hướng phát triển công nghệ mới.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực tham khảo phương pháp tính toán kiểm nghiệm cơ cấu phanh và phân tích động lực học ô tô. Nội dung đồ án cũng mang giá trị thực hành thiết thực đối với kỹ thuật viên tại các trung tâm dịch vụ, xưởng sửa chữa ô tô:

  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 với hệ thống công thức tính toán kiểm nghiệm lực phanh, mô-men và nhiệt ma sát; cùng Chương 4 với quy trình tháo lắp chi tiết cụm phanh trước/sau, bảng mã lỗi DTCs và các bước xử lý 5 hiện tượng hư hỏng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống phanh trên xe Mazda CX-5 Premium 2022 được trang bị các cơ cấu và công nghệ an toàn nào?
    Xe được trang bị phanh đĩa thông gió ở bánh trước và phanh đĩa đặc ở bánh sau, dẫn động thủy lực trợ lực chân không hai dòng. Hệ thống tích hợp phanh tay điện tử (EPB), hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD), hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp (BA) và hệ thống hỗ trợ phanh thông minh (Smart Braking Support) thuộc gói i-Activsense.

  2. Cấu tạo của má phanh đĩa và cơ chế tự động điều chỉnh khe hở làm việc được tài liệu mô tả như thế nào?
    Má phanh gồm lớp vật liệu ma sát dày 8–10 mm gắn trên tấm đế thép dày 3–5 mm. Cơ chế tự điều chỉnh khe hở sử dụng gioăng cao su đàn hồi: khi phanh, gioăng bị biến dạng kéo theo piston dịch chuyển; khi nhả phanh, lực đàn hồi của gioăng kéo piston lùi lại. Gioăng tiết diện vuông/chữ nhật cho khe hở hồi vị khoảng 0.6 mm, trong khi tiết diện hình thang vát góc 5–10 độ cho phép độ dịch chuyển lên đến 1.0 mm.

  3. Chương 3 của đồ án thực hiện những nội dung tính toán kiểm nghiệm nào?
    Chương 3 tính toán lực ép lên tấm ma sát, xác định mô-men phanh yêu cầu và mô-men phanh thực tế, đo đạc mô-men phanh của đĩa phanh trước so với tiêu chuẩn, tính toán công ma sát, xác định áp suất tiếp xúc phân bố trên má phanh và tính toán nhiệt năng phát sinh trong quá trình phanh.

  4. Năm hiện tượng hư hỏng phổ biến của hệ thống phanh được phân tích trong đồ án là gì?
    Năm hiện tượng bao gồm: chìm bàn đạp phanh (Brake pedal sink), xe bị lệch hướng khi phanh (Vehicle skidding off course when braking), tiếng ồn trong hệ thống phanh (Noise in the brake system), xe bị chúi đầu khi phanh (Car nose dive), và xe bị trượt lết khi phanh (Car skidding when braking).

  5. Các trang thiết bị và dụng cụ chuyên dụng nào được sử dụng trong quy trình bảo dưỡng hệ thống phanh của đề tài?
    Quy trình sử dụng cầu nâng thủy lực, máy chẩn đoán mã lỗi OBD-II, thiết bị đo áp suất dầu phanh, máy kiểm tra chất lượng dầu phanh (brake fluid tester), bình xả khí dầu phanh nén khí (pneumatic brake fluid bleeder), dụng cụ chuyên dùng (SST) và dung dịch vệ sinh phanh chuyên dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Durability testing and maintenance of the brake system on Mazda CX-5 Premium 2022" của hai sinh viên Kiều Tiến Anh và Nguyễn Hữu Tuấn Minh đã hoàn thành toàn diện việc khảo sát lý thuyết, tính toán kiểm nghiệm động lực học và xây dựng quy trình bảo dưỡng thực hành cho hệ thống phanh xe Mazda CX-5 Premium 2022. Công trình cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết về lực phanh, mô-men phanh, áp suất tiếp xúc và nhiệt ma sát, kết hợp với các bước tháo lắp chuẩn mực cho cụm phanh trước và sau. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật có tính hệ thống cao, phục vụ thiết thực cho học tập chuyên ngành kỹ thuật ô tô và công tác dịch vụ sửa chữa cơ khí ô tô thực tế.