Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khi mật độ phương tiện tại các đô thị lớn ngày càng tăng, yêu cầu về an toàn và tính tiện nghi của hệ thống phanh đỗ xe được đặt ra cấp thiết hơn bao giờ hết. Hệ thống phanh tay cơ khí trên Toyota Vios 2017 — vốn là loại phanh đỗ truyền thống phổ biến ở phân khúc xe phổ thông — mang một số nhược điểm cố hữu: cơ cấu truyền động dễ bị rơ lỏng hoặc kẹt, người lái tốn lực khi thao tác, và tiềm ẩn nguy cơ tai nạn do quên nhả phanh khi xe di chuyển hoặc quên kéo phanh khi đỗ xe. Từ thực trạng đó, nhóm tác giả gồm Hoàng Văn Tâm (MSSV: 20145601) và Nguyễn Thành Trọng (MSSV: 20145642), sinh viên Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài Nghiên cứu và thi công mô hình chuyển đổi từ phanh tay cơ khí sang phanh tay điện tử trên xe Toyota Vios 2017 dưới sự hướng dẫn của Th.S Dương Nguyễn Hắc Lân, hoàn thành vào tháng 5 năm 2024.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định gồm bốn nhiệm vụ:

  1. Nắm vững cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống phanh tay cơ khí và phanh tay điện tử (EPB).
  2. Thể hiện các tính năng vượt trội của phanh tay điện tử so với phanh tay cơ khí.
  3. Thiết kế và mô phỏng hệ thống phanh tay điện tử chuyển đổi từ phanh tay cơ khí trên xe.
  4. Thi công mô hình phanh tay điện tử hoàn chỉnh.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phanh tay cơ khí trên xe Toyota Vios 2017.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm: cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh tay Toyota Vios 2017; tài liệu kỹ thuật từ internet, tạp chí và giáo trình của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; vi điều khiển Arduino; và phần mềm mô phỏng mạch điện Proteus. Đồ án không đặt ra phạm vi khảo sát thị trường rộng hay phạm vi thời gian dài hạn, mà tập trung vào nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình vật lý thu nhỏ trong khoảng thời gian từ ngày 9/1/2024 đến 20/5/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Đồ án xây dựng nền tảng lý luận từ các kiến thức kỹ thuật về hệ thống phanh ô tô, bao gồm: phân loại phanh theo công dụng (phanh công tác, phanh tay, phanh bằng động cơ), theo kết cấu (tang trống, đĩa, đai), và theo truyền động (cơ khí, thủy lực, khí nén). Các tiêu chí đánh giá hệ thống phanh được sử dụng xuyên suốt gồm thời gian phanh, gia tốc chậm dần khi phanh ($j_{pmax} = \varphi \cdot g / \delta_i$), quãng đường phanh nhỏ nhất ($S_{pmin} = \delta_i(v_1^2 - v_2^2) / 2\varphi g$), và lực phanh ($F_{pm} = M_p / r_b$).

Các hệ thống điện tử trên ô tô được khảo sát gồm: ABS (Anti-lock Braking System, ra đời 1978), EBD (Electronic Brake-force Distribution), BAS (Brake Assist System), ESP (Electronic Stability Program), TCS (Traction Control System), và EPB (Electronic Parking Brake). Hệ thống EPB được phân tích theo cấu trúc gồm bộ điều khiển điện tử, motor phanh đỗ, cơ cấu trục vít – đai ốc, cảm biến Hall (3 cảm biến tích hợp trong cảm biến vị trí bàn đạp ly hợp), và cơ cấu phanh đĩa chấp hành. Vi điều khiển Arduino được chọn làm bộ xử lý trung tâm cho mô hình; phần mềm Proteus được sử dụng để thiết kế và kiểm tra sơ đồ mạch điện trước khi thi công.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp hai phương pháp song song:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: đọc, phân tích sách giáo khoa, bài báo nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật về hệ thống phanh tay điện tử và cơ khí; tính toán các thông số kỹ thuật; lập lưu đồ giải thuật; mô phỏng mạch điện trên Proteus.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: khảo sát thực tế tại doanh nghiệp trong thời gian thực tập; khảo sát các mẫu phanh tay điện tử trên các dòng xe thị trường; thiết kế, lựa chọn vật liệu và thi công mô hình vật lý thu nhỏ.

Nguồn dữ liệu: tài liệu kỹ thuật từ internet và tạp chí chuyên ngành, giáo trình ô tô của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, tài liệu kỹ thuật xe Toyota Vios 2017, và kết quả khảo sát mô hình thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu nâng cao an toàn giao thông và tính tiện nghi của phương tiện đô thị. Nhóm tác giả xác định bốn mục tiêu, năm nội dung nghiên cứu cụ thể (cấu tạo-nguyên lý; hướng thiết kế mô hình; code Arduino; mô phỏng Proteus; thiết kế và thi công chuyển đổi), đối tượng nghiên cứu và phạm vi triển khai. Hai phương pháp nghiên cứu chính (lý thuyết và thực nghiệm) được phân định rõ ràng. Kết cấu bốn chương của đồ án cũng được công bố tại đây.

Chương 2: Tổng quan về hệ thống phanh trên ô tô

Đây là chương lý thuyết nền tảng, chiếm phần lớn dung lượng khảo sát và phân tích. Các nội dung chính gồm:

  • Thực trạng và phân loại hệ thống phanh: từ phanh thủy lực đơn giản, qua phanh trợ lực chân không, đến các hệ thống điện tử ABS, EBD, BAS, ESP. Phân loại theo công dụng, kết cấu, truyền động, và mức độ hoàn thiện chất lượng phanh.
  • Cơ cấu phanh tang trống: phân tích 7 bộ phận cấu tạo chính (xi lanh bánh xe, guốc phanh, má phanh, lò xo hồi vị, trống phanh, pittong, cúppen pittong) và nguyên lý hoạt động theo áp suất dầu. Lưu ý nhược điểm tản nhiệt kém do trống bao quanh guốc phanh.
  • Cơ cấu phanh đĩa: phân tích ưu điểm về tản nhiệt, trọng lượng nhẹ, diện tích tiếp xúc lớn, dễ bảo dưỡng so với phanh tang trống.
  • Tiêu chí đánh giá: thời gian phanh, gia tốc chậm dần, quãng đường phanh (với các công thức toán học cụ thể), và lực phanh.
  • Phanh tay cơ khí trên Toyota Vios 2017: cấu tạo gồm tay cầm, nút nhấn, dây cáp, guốc phanh – tang trống, vít điều chỉnh, chốt khóa, lò xo hồi vị; yêu cầu giữ xe trên dốc ít nhất 18% (tương đương 16–20 độ).
  • Phanh tay điện tử (EPB): cấu tạo và nguyên lý các thành phần gồm bộ điều khiển, motor phanh đỗ, trục vít – đai ốc, ba loại cảm biến Hall, các tín hiệu điều khiển từ bàn đạp ly hợp/công tắc P/N, nút nhấn, bàn đạp phanh, cảm biến chân ga, cảm biến đóng cửa xe.

Bảng tổng hợp so sánh (Bảng 2.1) đối chiếu ưu và nhược điểm của hai hệ thống:

Tiêu chí Phanh tay cơ khí Phanh tay điện tử (EPB)
Chi phí sửa chữa Thấp Cao hơn do yêu cầu kỹ thuật viên chuyên môn
Tuổi thọ chi tiết Cao Thấp hơn với một số linh kiện điện tử
Không gian cabin Chiếm diện tích lớn Tiết kiệm không gian, nội thất hiện đại hơn
An toàn khi quên nhả phanh Tiềm ẩn rủi ro cao Có cơ chế tự động nhả khi xe lăn bánh
Tính năng tích hợp Không Kết hợp được ABS, TCS, Auto Hold
Thao tác Cần lực kéo tay Chỉ cần bấm nút
Phụ thuộc nguồn điện Không Có (hỏng ắc-quy thì EPB không dùng được)

Chương 3: Tính toán và thiết kế mô hình

Chương trọng tâm trình bày toàn bộ quá trình từ phương án thiết kế đến thi công mô hình vật lý. Nhóm đề xuất và đánh giá hai phương án thiết kế, sau đó lựa chọn phương án tối ưu. Các bộ phận, chi tiết được lựa chọn gồm:

  • Khung mô hình làm từ tấm nhựa PVC và bánh xe đẩy
  • Xi lanh điện (thay thế motor phanh đỗ)
  • Module Relay 4 Kênh (điều khiển chiều quay xi lanh điện)
  • Ổ khóa điện 3 chân (mô phỏng tín hiệu khởi động)
  • Nút chuyển trạng thái phanh tay điện tử và nút Auto Hold
  • Bàn đạp phanh điện 12V
  • Bàn đạp chân ga loại tuyến tính (cảm biến vị trí)
  • Màn hình LCD 16×2 (hiển thị trạng thái hệ thống)
  • Cầu chì và rờ-le (bảo vệ mạch điện)
  • Cơ cấu phanh tay dạng phanh đĩa

Trong chương này, nhóm trình bày sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển, bản vẽ thiết kế sơ đồ bố trí hệ thống, lưu đồ giải thuật cho hai chế độ vận hành (chế độ phanh tay điện tử thông thường và chế độ Auto Hold), sơ đồ mạch điện vẽ trên phần mềm Proteus, và hình ảnh quá trình thi công thực tế theo từng bước lắp ráp. Giai đoạn khảo sát mô hình được thực hiện để xác nhận hoạt động đúng theo lưu đồ giải thuật đã lập.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương tóm tắt kết quả đạt được, đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ đề tài, và nêu các định hướng phát triển tiếp theo của mô hình. Nhóm cũng thừa nhận các hạn chế còn tồn tại để định hướng cho các nghiên cứu kế tiếp.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Mô hình được xây dựng theo kiến trúc điều khiển điện tử với vi điều khiển Arduino làm bộ xử lý trung tâm. Luồng tín hiệu đi từ các ngõ vào (nút nhấn EPB, nút Auto Hold, bàn đạp phanh điện 12V, cảm biến bàn đạp chân ga tuyến tính, ổ khóa điện) → Arduino xử lý theo lưu đồ giải thuật → ngõ ra qua Module Relay 4 Kênh điều khiển xi lanh điện thực hiện kéo/nhả cơ cấu phanh đĩa. Màn hình LCD 16×2 hiển thị trạng thái hệ thống theo thời gian thực.

Công nghệ và linh kiện

Thành phần Chức năng trong mô hình
Arduino (vi điều khiển) Xử lý tín hiệu, thực thi lưu đồ giải thuật
Xi lanh điện Mô phỏng motor phanh đỗ, tạo lực tuyến tính kéo/nhả phanh
Module Relay 4 Kênh Đảo chiều xi lanh điện (kéo phanh / nhả phanh)
Cảm biến bàn đạp ga tuyến tính Phát hiện tín hiệu tăng tốc để tự động nhả phanh (Auto Hold)
Bàn đạp phanh điện 12V Cung cấp tín hiệu điều kiện cho phép kéo/nhả EPB
LCD 16×2 Hiển thị trạng thái phanh tay và chế độ Auto Hold
Phần mềm Proteus Mô phỏng và kiểm tra sơ đồ mạch điện trước khi thi công

Lưu đồ giải thuật

Hai lưu đồ giải thuật được lập cho hai chế độ hoạt động:

  • Chế độ phanh tay điện tử: khi người lái nhấn nút EPB kết hợp đạp bàn đạp phanh, Arduino gửi tín hiệu qua relay điều khiển xi lanh điện ép má phanh vào đĩa phanh; khi nhấn nút nhả và đạp phanh, xi lanh rút lại nhả phanh.
  • Chế độ Auto Hold: hệ thống tự động giữ phanh khi xe dừng (phát hiện qua cảm biến bàn đạp phanh) và tự động nhả phanh khi phát hiện tín hiệu chân ga (cảm biến vị trí tuyến tính), mô phỏng tính năng không trôi xe khi dừng trên dốc hoặc chờ đèn đỏ.

Kiểm thử mô hình

Sau khi thi công, nhóm tiến hành khảo sát mô hình vật lý theo hai kịch bản:

  • Kéo phanh tay và nhả phanh tay khi chế độ Auto Hold tắt (kiểm tra chức năng EPB cơ bản).
  • Bật chế độ Auto Hold và kiểm tra tính năng tự động giữ/nhả phanh theo tín hiệu bàn đạp phanh và chân ga.

Kết quả khảo sát ghi nhận mô hình hoạt động đúng theo lưu đồ giải thuật đã thiết kế, với các trạng thái được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD 16×2.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Nhóm tác giả hoàn thành hai sản phẩm như đề ra trong nhiệm vụ đồ án: một quyển thuyết minh đề tài và một mô hình phanh tay điện tử vật lý. Mô hình thể hiện đầy đủ hai chế độ vận hành: chế độ EPB thông thường (kéo/nhả phanh qua nút bấm) và chế độ Auto Hold (tự động giữ và nhả phanh). Lưu đồ giải thuật được lập và kiểm chứng qua thực nghiệm trên mô hình. Sơ đồ mạch điện được hoàn thiện trên phần mềm Proteus trước khi triển khai thực tế.

Giải pháp và kiến nghị

Nhóm chứng minh tính khả thi của việc chuyển đổi cơ cấu phanh tay cơ khí trên Toyota Vios 2017 sang EPB thông qua mô hình thu nhỏ. Phương án sử dụng xi lanh điện kết hợp Module Relay 4 Kênh và vi điều khiển Arduino được xác nhận là phương án có thể triển khai ở quy mô mô hình học tập. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc nâng cấp mô hình lên hệ thống thực tế hoặc tích hợp thêm các tính năng điện tử khác như kết nối ABS và TCS.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Đồ án cung cấp một mô hình vật lý thu nhỏ cụ thể mô tả quá trình chuyển đổi từ phanh tay cơ khí sang EPB trên nền tảng xe Toyota Vios 2017 — một dòng xe phổ thông phổ biến tại thị trường Việt Nam. Mô hình kết hợp cả phần lý thuyết phân tích hệ thống, lưu đồ giải thuật có thể lập trình, sơ đồ mạch điện mô phỏng trên Proteus, và sản phẩm thực tế có thể trực quan hóa nguyên lý vận hành EPB phục vụ mục đích giảng dạy và học tập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đề cập hướng phát triển nhưng không liệt kê hạn chế một cách hệ thống. Dựa trên phạm vi nghiên cứu đã công bố, có thể nhận thấy các giới hạn sau:

  • Mô hình là mô hình thu nhỏ vật lý (không phải lắp đặt trực tiếp trên xe thật), nên chưa kiểm chứng hiệu suất phanh theo các tiêu chí đo lường thực tế (quãng đường phanh, lực phanh đạt yêu cầu kỹ thuật).
  • Xi lanh điện được dùng thay thế motor phanh đỗ chuyên dụng, nên đặc tính lực và tốc độ chưa hoàn toàn phản ánh hệ thống EPB thương mại.
  • Đồ án chưa tích hợp các giao tiếp với ECU xe hoặc hệ thống ABS, TCS thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp mà nhóm tác giả đề xuất: nâng cấp mô hình lên hệ thống tích hợp với xe thực tế; bổ sung tính năng kết hợp với ABS và TCS; mở rộng khả năng ứng dụng EPB trên các dòng xe phổ thông khác tại thị trường Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án này phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô ở năm thứ 3–4 đang học về hệ thống phanh, cụ thể là phần phanh đỗ điện tử và tích hợp điện – điện tử trên ô tô. Chương 2 cung cấp nền lý thuyết hệ thống về phân loại, cấu tạo và nguyên lý so sánh giữa phanh cơ khí và EPB, có thể dùng làm tài liệu ôn tập.
  • Sinh viên làm đồ án tốt nghiệp về mô hình hóa hệ thống ô tô: cách nhóm lựa chọn linh kiện thay thế (xi lanh điện thay motor phanh đỗ, Module Relay thay bộ điều khiển EPB chuyên dụng) là ví dụ thực tiễn về thiết kế mô hình học tập với chi phí hợp lý.
  • Sinh viên tìm hiểu về Arduino và Proteus: lưu đồ giải thuật điều khiển EPB và sơ đồ mạch điện trên Proteus có thể tham khảo như ví dụ ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống ô tô.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên: Bảng 2.1 so sánh hệ thống và phần phân tích tín hiệu điều khiển EPB (cảm biến Hall, tín hiệu P/N, tín hiệu cảm biến ga) là phần có giá trị tra cứu nhanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình sử dụng linh kiện nào để thay thế cho motor phanh đỗ thực tế, và tại sao? Nhóm tác giả sử dụng xi lanh điện thay cho motor phanh đỗ chuyên dụng. Lý do là xi lanh điện có thể tạo chuyển động tịnh tiến tương tự cơ cấu trục vít – đai ốc của EPB thực tế, đồng thời dễ tìm kiếm, phù hợp chi phí thi công mô hình học tập và có thể điều khiển chiều chuyển động thông qua Module Relay 4 Kênh.

2. Chế độ Auto Hold trong mô hình hoạt động như thế nào? Khi chế độ Auto Hold được bật, hệ thống tự động duy trì trạng thái phanh khi xe dừng (nhận biết qua tín hiệu bàn đạp phanh điện 12V). Khi phát hiện tín hiệu từ cảm biến bàn đạp chân ga tuyến tính — mô phỏng việc người lái đạp ga để di chuyển — Arduino xử lý tín hiệu và điều khiển relay nhả xi lanh điện, giải phóng phanh. Điều này mô phỏng tính năng tự động nhả phanh khi xe chuẩn bị lăn bánh trên EPB thực tế.

3. Phanh tay cơ khí trên Toyota Vios 2017 sử dụng cơ cấu phanh dạng nào và yêu cầu kỹ thuật giữ dốc là bao nhiêu? Hệ thống phanh tay của Toyota Vios 2017 là phanh tay cơ khí truyền thống, với cơ cấu phanh bố trí ở bánh sau và tay nắm phanh tay đặt giữa hai ghế trước. Theo yêu cầu kỹ thuật được nêu trong đồ án, phanh tay phải có khả năng giữ xe trên dốc ít nhất 18% (tương đương 16 đến 20 độ).

4. Phần mềm Proteus được sử dụng với mục đích gì trong đồ án này? Proteus được sử dụng để thiết kế và mô phỏng sơ đồ mạch điện của hệ thống phanh tay điện tử trên mô hình. Việc mô phỏng trên Proteus cho phép nhóm kiểm tra tính đúng đắn của sơ đồ đấu dây, phát hiện lỗi kết nối trước khi triển khai thực tế, từ đó giảm rủi ro hỏng linh kiện trong quá trình thi công.

5. Điểm khác biệt chính giữa cách EPB thực tế nhận tín hiệu điều khiển và cách mô hình thu nhỏ xử lý tín hiệu là gì? Trên xe thực tế, EPB nhận tín hiệu từ nhiều nguồn phức tạp: ba cảm biến Hall tích hợp trong cảm biến vị trí bàn đạp ly hợp (Hall 1 dạng số, Hall 2 dạng analog theo phần trăm độ rộng xung, Hall 3 dạng số kiểm soát khởi động động cơ), công tắc vị trí P/N, cảm biến bàn đạp phanh, cảm biến chân ga và cảm biến đóng cửa xe — tất cả xử lý qua ECU chuyên dụng. Trên mô hình thu nhỏ, các tín hiệu này được đơn giản hóa thành: nút nhấn EPB, nút Auto Hold, bàn đạp phanh điện 12V, cảm biến bàn đạp ga tuyến tính và ổ khóa điện 3 chân, xử lý bởi vi điều khiển Arduino theo lưu đồ giải thuật đã lập trình sẵn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của Hoàng Văn Tâm và Nguyễn Thành Trọng trình bày có hệ thống lý thuyết về hệ thống phanh ô tô và cơ sở so sánh giữa phanh tay cơ khí với EPB, đồng thời thiết kế và thi công thành công mô hình vật lý thu nhỏ mô phỏng quá trình chuyển đổi từ phanh tay cơ khí sang phanh tay điện tử trên nền tảng Toyota Vios 2017. Mô hình hoàn chỉnh gồm cơ cấu phanh đĩa, xi lanh điện, vi điều khiển Arduino, Module Relay 4 Kênh và màn hình LCD 16×2, vận hành theo hai chế độ EPB và Auto Hold với lưu đồ giải thuật và sơ đồ mạch điện trên Proteus được kiểm chứng thực nghiệm. Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô muốn tìm hiểu về EPB và ứng dụng vi điều khiển Arduino trong hệ thống điều khiển phanh.