Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống phanh đóng vai trò là hệ thống an toàn chủ động thiết yếu nhất trên ô tô, chịu trách nhiệm trực tiếp trong việc giảm tốc độ di chuyển, dừng phương tiện theo ý muốn của người lái và duy trì trạng thái đứng yên ổn định khi đỗ trên các mặt đường nằm ngang hoặc đường dốc. Trong quá trình vận hành, đây cũng là cụm cơ cấu có tần suất làm việc cao và chịu tải trọng nhiệt ma sát liên tục. Sự phát triển mạnh mẽ của thị trường ô tô tại Việt Nam với nhiều chủng loại xe nhập khẩu nguyên chiếc và lắp ráp nội địa đòi hỏi công tác đánh giá, kiểm nghiệm kỹ thuật và tối ưu hóa quy trình khai thác bảo dưỡng phải được tiến hành chặt chẽ nhằm đảm bảo độ tin cậy, an toàn giao thông.

Đề tài "Khai thác kỹ thuật hệ thống phanh xe Getz" được thực hiện với mục tiêu phân tích toàn diện đặc tính kết cấu, nguyên lý thủy lực, hệ thống điều khiển điện tử và thực hiện tính toán kiểm nghiệm các thông số động lực học phanh trên dòng xe du lịch cỡ nhỏ.

Căn cứ theo văn bản đồ án, các nhiệm vụ nghiên cứu chính được xác lập bao gồm:

  1. Tổng quan lý thuyết về công dụng, phân loại, yêu cầu kỹ thuật của hệ thống phanh và các giải pháp nâng cao tính an toàn khi phanh trên ô tô.
  2. Khảo sát, phân tích chi tiết kết cấu hệ thống phanh trên xe khảo sát (cơ cấu phanh đĩa trước, phanh tang trống/đĩa sau, xi lanh phanh chính kiểu tandem, bộ trợ lực chân không và hệ thống chống bó cứng phanh ABS).
  3. Thiết lập sơ đồ và tiến hành tính toán kiểm nghiệm cơ cấu phanh (tính lực bàn đạp, áp suất thủy lực, lực ép má phanh, mô-men phanh thực tế và mô-men phanh yêu cầu).
  4. Xác lập cơ sở kỹ thuật phục vụ công tác khai thác, kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống phanh.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phanh chính dẫn động thủy lực hai dòng trợ lực chân không tích hợp ABS và hệ thống phanh dừng cơ khí trên dòng xe du lịch Getz (có đối chiếu hệ thống thông số kỹ thuật xe Kia Soluto 2019 trong tài liệu). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian kết cấu của hệ thống phanh trên xe du lịch phân khúc phổ thông và phạm vi tính toán giải tích động lực học phanh ở trạng thái đầy tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết nền tảng của ngành Kỹ thuật Ô tô và Động lực học chuyển động:

  • Lý thuyết truyền động thủy tĩnh: Quy luật phân bố áp suất chất lỏng đồng đều theo định luật Pascal trong hệ thống dẫn động phanh dầu, sự tỷ lệ giữa lực đạp của người lái và áp lực ép má phanh.
  • Động lực học quá trình phanh: Mối quan hệ giữa hệ số trượt của bánh xe với mặt đường và lực phanh. Lực phanh cực đại và tính ổn định dẫn hướng đạt tối ưu khi duy trì hệ số trượt trong khoảng $10% - 30%$.
  • Lý thuyết ma sát và nhiệt học cơ cấu phanh: Quy luật tiếp xúc ma sát giữa má phanh và đĩa phanh/trống phanh, sự hình thành mô-men ma sát cản trở chuyển động quay của bánh xe.
  • Nguyên lý chênh lệch áp suất khí nén - chân không: Cơ chế khuếch đại lực phanh của bộ trợ lực chân không dựa vào độ chân không họng hút động cơ (khoảng $0{,}5\text{ kg/cm}^2$) và áp suất khí quyển ($1\text{ kg/cm}^2$).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai cụ thể:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Mô tả cấu tạo, liên kết cơ khí và chu trình thủy lực của các cụm chi tiết chính từ tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.
  • Phương pháp tính toán giải tích động lực học ô tô: Áp dụng các công thức giải tích cơ học để xác định lực tác dụng lên bàn đạp, lực đẩy của bộ trợ lực, áp suất dầu công tác, lực ép lên tấm ma sát, mô-men phanh thực tế và mô-men phanh yêu cầu dựa trên hệ số bám mặt đường ($\varphi = 0{,}7$).
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Thông số hình học, tải trọng và động cơ của phương tiện khảo sát; các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành tính toán ô tô; bản vẽ kết cấu chi tiết xi lanh chính, cụm chấp hành ABS và cơ cấu phanh đĩa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phanh

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết tổng quát về hệ thống phanh trên ô tô:

  • Công dụng, phân loại và yêu cầu: Hệ thống phanh được phân loại theo công dụng (phanh chính, phanh dừng); theo vị trí đặt (ở bánh xe, ở trục thứ cấp hộp số); theo kết cấu ma sát (phanh guốc tang trống, phanh đĩa, phanh đai); theo phương thức dẫn động (cơ khí, thủy lực, khí nén, liên hợp khí nén - thủy lực, có trợ lực); theo mức độ tối ưu hóa (hệ thống có van điều hòa, hệ thống ABS, BA, EBD). Yêu cầu kỹ thuật đặt ra là phải đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất, phanh êm dịu, lực điều khiển nhẹ, độ nhạy cao, thoát nhiệt tốt và phân bố mô-men phanh phù hợp trọng lượng bám.
  • Phân tích các dạng cơ cấu phanh tang trống: Khảo sát 5 sơ đồ kết cấu guốc phanh bao gồm: guốc phanh có điểm đặt cố định riêng rẽ về một phía có lực dẫn động bằng nhau (loại không cân bằng, má trước mòn nhanh hơn má sau); guốc phanh có dịch chuyển góc như nhau dùng cam quay đối xứng (loại cân bằng); guốc phanh có điểm đặt cố định về hai phía (cân bằng khi tiến, hiệu quả giảm khi lùi); cơ cấu phanh loại bơi (dùng 2 xi lanh tác dụng hai đầu, hiệu quả tiến và lùi như nhau); cơ cấu phanh tự cường hóa (guốc trước truyền lực đẩy sang guốc sau qua chốt tỳ trung gian).
  • Phân tích cơ cấu phanh đĩa và hệ thống dẫn động: So sánh hai dạng càng phanh cố định (hai xi lanh đặt đối xứng) và càng phanh di động (một xi lanh đẩy má trong, phản lực kéo càng phanh ép má ngoài). Khảo sát ưu nhược điểm của dẫn động cơ khí, dẫn động thủy lực 1 dòng và 2 dòng, dẫn động khí nén và liên hợp.
  • Phân tích các bộ trợ lực phanh: Cấu tạo và nguyên lý của bộ trợ lực khí nén, trợ lực chân không (sử dụng độ chân không đường ống nạp $0{,}5\text{ kg/cm}^2$) và trợ lực chân không kết hợp thủy lực.
  • Các hệ thống an toàn chủ động nâng cao:
    • Van điều hòa lực phanh theo tải trọng cầu sau (van P): Điều chỉnh phân phối lực phanh tiệm cận đường cong phân bố lý tưởng, tránh hiện tượng hãm cứng bánh sau gây mất lái.
    • Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS): Giữ hệ số trượt ở mức $10% - 30%$ để duy trì đồng thời lực phanh lớn nhất và lực quay vòng dẫn hướng.
    • Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp (BA): Tự động nhận diện thao tác đạp phanh gấp qua cảm biến pê-đan để kích hoạt van điện cấp khí nén tạo lực phanh tối đa.
    • Hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD): Điều khiển độc lập lực phanh cầu trước/sau và các bánh xe bên trong/ngoài khi xe quay vòng.

Chương 2: Kết cấu hệ thống phanh Getz

Chương 2 đi sâu vào cấu tạo chi tiết các cụm tổng thành trên phương tiện nghiên cứu:

  • Thông số kỹ thuật cơ bản của xe khảo sát: Động cơ 1.3L I4, công suất cực đại 94 Ps tại 6000 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 132 Nm tại 4000 vòng/phút; mức tiêu thụ nhiên liệu 6,5 lít/100km (đô thị) và 5,6 lít/100km (xa lộ); kích thước bao $4300 \times 1700 \times 1460\text{ mm}$, chiều dài cơ sở $2570\text{ mm}$, khoảng sáng gầm $150\text{ mm}$, hệ thống truyền động cầu trước FWD, thông số lốp 175/70 R14.
  • Kết cấu hệ thống phanh chính: Dẫn động thủy lực hai dòng độc lập bố trí theo mạch chéo/so le nhằm đảm bảo khi một dòng rò rỉ thì dòng còn lại vẫn duy trì lực phanh ở hai bánh đối xứng. Cơ cấu phanh bánh trước sử dụng phanh đĩa có giá đỡ di động, má phanh có chiều dày $9 - 12\text{ mm}$, có rãnh hướng tâm tản nhiệt và lá thép báo mòn. Cơ chế tự điều chỉnh khe hở má phanh ($0{,}05 - 0{,}1\text{ mm}$) hoạt động nhờ sự biến dạng đàn hồi của vòng bít cao su làm kín piston.
  • Kết cấu cơ cấu phanh bánh sau và phanh dừng: Phanh dừng sử dụng cơ cấu phanh guốc tang trống tích hợp, lấy bề mặt trụ trong của đĩa phanh sau làm trống phanh. Dẫn động phanh dừng bằng đòn quay và dây cáp kéo cơ khí từ cần phanh tay trên buồng lái.
  • Xi lanh phanh chính kiểu tandem (loại kép): Gồm piston sơ cấp (số 1) và piston thứ cấp (số 2) đặt thẳng hàng, được cấp dầu từ bình chứa chung. Cấu tạo này đảm bảo áp suất thủy lực được tạo ra độc lập cho hai mạch dầu.
  • Bộ trợ lực chân không: Khảo sát chi tiết cấu tạo gồm màng cường hóa, thân van, van khí, van điều khiển, lò xo hồi vị và cần đẩy. Phân tích rõ nguyên lý hoạt động qua các trạng thái: khi không đạp phanh (buồng A và buồng B đều thông với chân không), khi đạp phanh (van khí mở cho không khí vào buồng B tạo chênh áp đẩy màng sang trái), khi giữ chân phanh (áp suất buồng B ổn định), khi trợ lực cực đại (buồng B nạp đầy khí trời) và khi mất nguồn chân không (người lái tác dụng lực cơ học trực tiếp).
  • Cụm hệ thống ABS: Gồm cảm biến tốc độ bánh xe (nam châm vĩnh cửu và cuộn dây phát xung điện từ qua rôto răng), bộ điều khiển điện tử ABS-ECU và bộ chấp hành thủy lực loại 3 kênh với 4 van điện từ hoạt động qua các chế độ:
    • Phanh bình thường (ABS không kích hoạt): Cửa "A" mở, cửa "B" đóng, mô tơ bơm không hoạt động.
    • Chế độ giảm áp (dòng điện 5A): Cửa "A" đóng, cửa "B" mở, mô tơ bơm hoạt động hút dầu trả về xi lanh chính để giảm áp suất xi lanh bánh xe.
    • Chế độ giữ (dòng điện 2A): Cửa "A" đóng, cửa "B" đóng, áp suất trong xi lanh bánh xe được duy trì không đổi.
    • Chế độ tăng áp (ngắt dòng điện): Cửa "A" mở, cửa "B" đóng, mô tơ bơm tiếp tục cấp dầu có áp suất từ xi lanh chính đến bánh xe.

Chương 3: Tính toán kiểm nghiệm cơ cấu phanh xe Getz

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán động lực học và kiểm nghiệm các thông số làm việc của hệ thống phanh dựa trên các thông số ban đầu của xe:

Thông số hình học và tải trọng Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở $L$ 2570 mm
Khoảng cách trọng tâm đến cầu trước $a$ 1217 mm
Khoảng cách trọng tâm đến cầu sau $b$ 1343 mm
Chiều cao trọng tâm $h_g$ 720 mm
Trọng lượng toàn bộ xe $G$ 1500 kG
Trọng lượng phân bố lên cầu trước $G_1$ 948,45 kG
Trọng lượng phân bố lên cầu sau $G_2$ 551,55 kG
Lực tác dụng lên bàn đạp của người lái $Q$ 300 N
Khoảng cách từ bàn đạp đến khớp quay $l_1$ 240 mm
Khoảng cách từ khớp quay đến cần đẩy $l_2$ 88 mm
Đường kính xi lanh phanh chính $D$ 25,4 mm
Đường kính xi lanh công tác trước $d_1$ $35 \times 2$ mm
Đường kính xi lanh công tác sau $d_2$ 50 mm
Đường kính ngoài / trong đĩa phanh trước $D_{n1} / D_{t1}$ 300 / 170 mm
Đường kính trung bình đĩa phanh trước $D_{tb1}$ 241 mm
Đường kính ngoài / trong đĩa phanh sau $D_{n2} / D_{t2}$ 300 / 160 mm
Đường kính trung bình đĩa phanh sau $D_{tb2}$ 237 mm
Bán kính ngoài / trong tấm ma sát $R / r$ 145 / 85 mm
Bán kính trung bình tấm ma sát $R_{tb}$ 120,5 mm
Góc ôm của má phanh trước và sau $\beta_1, \beta_2$ $60^\circ$ (1,04) rad
Hệ số ma sát giữa má phanh và đĩa phanh $\mu$ 0,42 -
Hệ số bám giữa lốp và mặt đường $\varphi$ 0,7 -

Kết quả tính toán cụ thể:

  1. Tính lực ép và áp suất thủy lực:
    • Diện tích làm việc của màng trợ lực chân không (đường kính ngoài $D_{tl} = 300\text{ mm}$, đường kính trong van điều khiển $d_{tl} = 30\text{ mm}$): $S_m = 699{,}79\text{ cm}^2$.
    • Lực sinh ra từ bộ trợ lực chân không: $Q' = 4119{,}1\text{ N}$.
    • Áp suất dầu trong xi lanh chính và đường ống dẫn: $p_i = 921{,}02\text{ N/cm}^2$.
    • Lực ép tác dụng lên tấm ma sát cơ cấu phanh trước: $Q_{ct1} = 35445\text{ N}$.
    • Lực ép tác dụng lên tấm ma sát cơ cấu phanh sau: $Q_{ct2} = 18075{,}02\text{ N}$.
  2. Xác định mô-men phanh thực tế:
    • Mô-men phanh thực tế ở cơ cấu phanh bánh trước: $M_1 = 1829{,}54\text{ Nm}$.
    • Mô-men phanh thực tế ở cơ cấu phanh bánh sau: $M_2 = 1799{,}2\text{ Nm}$.
    • Tổng mô-men phanh thực tế do toàn bộ hệ thống phanh sinh ra: $M = 3628{,}74\text{ Nm}$.
  3. Xác định mô-men phanh yêu cầu:
    • Tính toán lực phanh cực đại yêu cầu tại các bánh xe cầu trước và cầu sau theo điều kiện bám lý thuyết ($\varphi = 0{,}7$) kết hợp sự phân bố lại tải trọng cầu khi phanh gấp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã lượng hóa và tính toán kiểm nghiệm đầy đủ chuỗi thông số lực, áp suất và mô-men phanh trên hệ thống phanh xe Getz:

Đại lượng kiểm nghiệm Kết quả tính toán Đơn vị
Lực trợ lực chân không ($Q'$) 4119,10 N
Áp suất dầu công tác hệ thống ($p_i$) 921,02 $\text{N/cm}^2$
Lực ép má phanh trước ($Q_{ct1}$) 35445,00 N
Lực ép má phanh sau ($Q_{ct2}$) 18075,02 N
Mô-men phanh thực tế bánh trước ($M_1$) 1829,54 Nm
Mô-men phanh thực tế bánh sau ($M_2$) 1799,20 Nm
Tổng mô-men phanh thực tế toàn xe ($M$) 3628,74 Nm

Đóng góp và giải pháp kỹ thuật do tác giả tổng hợp:

  • Làm rõ tính ưu việt của sơ đồ dẫn động thủy lực 2 dòng chéo kết hợp xi lanh chính tandem, giúp duy trì khả năng phanh an toàn khi có sự cố rò rỉ trên một mạch dầu.
  • Phân tích cơ chế tự động bù mòn và duy trì khe hở má phanh ($0{,}05 - 0{,}1\text{ mm}$) thông qua vành đệm cao su đàn hồi mà không cần hiệu chỉnh thủ công.
  • Mô tả mạch điều khiển thủy lực - điện từ 3 kênh của cụm ABS với 3 trạng thái dòng điện cụ thể (5A, 2A, 0A), làm cơ sở cho việc chẩn đoán hư hỏng điện tử.
  • Thiết lập hệ thống công thức giải tích chuẩn xác để kiểm nghiệm mô-men phanh của xe du lịch hạng nhỏ dựa trên kích thước thực tế của đĩa phanh và xi lanh bánh xe.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tính toán giải tích lý thuyết và kiểm nghiệm tĩnh, chưa đối chiếu với kết quả đo đạc thực nghiệm trên bệ thử phanh chuyên dụng (băng thử con lăn).
  • Các giả định tính toán nhiệt phanh và công ma sát riêng mới dừng lại ở mô hình lý thuyết tổng quát, chưa mô phỏng trường nhiệt độ 3D của đĩa phanh trong các điều kiện phanh ngặt liên tục trên đường đèo dốc.
  • Chưa đi sâu vào thuật toán điều khiển bên trong bộ vi xử lý ABS-ECU.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tiến hành thực nghiệm kiểm tra lực phanh trên thiết bị kiểm định chuyên dụng để hiệu chỉnh các hệ số ma sát thực tế.
  • Ứng dụng phần mềm mô phỏng (như Matlab/Simulink hoặc ANSYS) để mô phỏng động lực học quá trình phanh có ABS và khảo sát trường nhiệt độ đĩa phanh theo thời gian.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Công nghệ Kỹ thuật Giao thông làm đồ án môn học "Kết cấu và tính toán ô tô", đồ án tốt nghiệp hoặc các chuyên đề về hệ thống an toàn chủ động.
  • Phần đáng tham khảo nhất là Chương 2 (với các sơ đồ chi tiết về nguyên lý 6 trạng thái của bộ trợ lực chân không và sơ đồ 3 chế độ của van ABS) và Chương 3 (phương pháp giải bài toán động lực học dẫn động thủy lực và tính toán mô-men phanh thực tế).
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên tại các xưởng dịch vụ và trạm đăng kiểm ô tô trong việc tra cứu thông số kỹ thuật, cấu tạo xi lanh chính tandem và nguyên lý làm việc của hệ thống phanh dẫn động thủy lực trên xe du lịch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Trọng lượng toàn bộ xe và sự phân bố tải trọng lên các cầu được tác giả xác định như thế nào trong bài toán tính toán? Trong sơ đồ tính toán ban đầu ở Chương 3, trọng lượng toàn bộ xe là $G = 1500\text{ kG}$, trong đó trọng lượng phân bố lên cầu trước là $G_1 = 948{,}45\text{ kG}$ và cầu sau là $G_2 = 551{,}55\text{ kG}$ (khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước $a = 1217\text{ mm}$, đến cầu sau $b = 1343\text{ mm}$).

  2. Lực ép tác dụng lên tấm ma sát của cơ cấu phanh trước và sau đạt giá trị bao nhiêu khi người lái đạp phanh một lực 300 N? Với lực bàn đạp $Q = 300\text{ N}$ kết hợp trợ lực chân không $Q' = 4119{,}1\text{ N}$, áp suất dầu hệ thống đạt $p_i = 921{,}02\text{ N/cm}^2$. Lực ép sinh ra trên tấm ma sát phanh đĩa trước là $Q_{ct1} = 35445\text{ N}$ và phanh sau là $Q_{ct2} = 18075{,}02\text{ N}$.

  3. Cụm chấp hành ABS điều khiển van điện từ ba vị trí thông qua các mức dòng điện nào? Ở chế độ giảm áp (ngăn bó cứng), ABS-ECU cấp dòng điện $5\text{A}$ để kéo van mở cửa hồi dầu; ở chế độ giữ áp suất, ECU hạ dòng điện xuống $2\text{A}$ để đóng kín các cửa van; ở chế độ tăng áp hoặc phanh bình thường, dòng điện bị ngắt ($0\text{A}$) để van mở cửa thông dầu từ xi lanh chính.

  4. Tổng mô-men phanh thực tế sinh ra trên toàn bộ các bánh xe là bao nhiêu? Tổng mô-men phanh thực tế do toàn bộ hệ thống phanh sinh ra là $M = 3628{,}74\text{ Nm}$ (trong đó mô-men phanh tại cầu trước là $M_1 = 1829{,}54\text{ Nm}$ và tại cầu sau là $M_2 = 1799{,}2\text{ Nm}$).

  5. Cơ chế tự điều chỉnh khe hở má phanh đĩa trên xe hoạt động theo nguyên lý nào? Khe hở má phanh ($0{,}05 - 0{,}1\text{ mm}$) được tự động duy trì nhờ sự biến dạng đàn hồi của vòng bít cao su làm kín piston. Khi đạp phanh, áp suất đẩy piston trượt đi làm vòng bít bị vặn; khi nhả phanh, tính đàn hồi của vòng bít kéo piston lùi lại đúng một khoảng cố định, không phụ thuộc vào độ mòn của má phanh.

Kết luận

Đồ án "Khai thác kỹ thuật hệ thống phanh xe Getz" của tác giả Nguyễn Đình Đại đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh ô tô và các công nghệ an toàn hiện đại như ABS, EBD, BA. Công trình phân tích sâu sắc cấu tạo của hệ thống phanh dẫn động thủy lực hai dòng mạch chéo trợ lực chân không và cụm chấp hành ABS 3 kênh. Kết quả tính toán kiểm nghiệm ở Chương 3 đã xác lập được các thông số định lượng chính xác về áp suất dầu ($921{,}02\text{ N/cm}^2$), lực ép má phanh và tổng mô-men phanh thực tế ($3628{,}74\text{ Nm}$), đáp ứng tốt yêu cầu an toàn chuyển động của phương tiện.