Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô giữ vị trí trọng điểm trong nền sản xuất công nghiệp toàn cầu kể từ thế kỷ 19. Tại Việt Nam, quá trình hình thành và phát triển của ngành bắt đầu từ năm 1992, dần trở thành ngành kinh tế kỹ thuật quan trọng nhận được sự định hướng và chính sách ưu đãi của Nhà nước. Cùng với sự gia tăng mật độ phương tiện và yêu cầu nâng cao tốc độ vận chuyển trung bình trên các tuyến giao thông, an toàn chuyển động trở thành tiêu chí kỹ thuật mang tính sống còn đối với phương tiện cơ giới đường bộ. Trong các hệ thống an toàn chủ động, hệ thống phanh giữ vai trò quyết định trong việc giảm tốc độ hoặc dừng hẳn phương tiện một cách nhanh chóng, êm dịu và duy trì tính ổn định quỹ đạo của xe trong mọi tình huống vận hành.

Đối với dòng xe khách cỡ nhỏ (minibus), đặc thù hoạt động chuyên chở hành khách với tần suất dừng/đỗ lớn và điều kiện tải trọng biến đổi liên tục đòi hỏi hệ thống phanh phải có độ tin cậy cơ học cao, khả năng phân phối lực phanh tối ưu giữa các cầu và khả năng giải nhiệt bề mặt ma sát hữu hiệu. Hiện tượng quá nhiệt ma sát tại các cơ cấu phanh khi làm việc ở chế độ khắc nghiệt là nguyên nhân chính gây suy giảm hệ số ma sát, gia tăng quãng đường phanh và gây nguy cơ mất an toàn. Do đó, việc nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống phanh kết hợp ứng dụng công cụ mô phỏng số để khảo sát trường nhiệt độ ma sát là một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Ô tô và xe chuyên dụng tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội của sinh viên Nguyễn Ngọc Thức, dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Thăng Bình, tập trung giải quyết bài toán tính toán thiết kế hệ thống phanh cho xe minibus 12 chỗ ngồi dựa trên cơ sở tham khảo dòng xe thương mại Ford Transit phiên bản 2011, đồng thời ứng dụng công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm SOLIDWORKS để phân tích nhiệt độ đĩa phanh.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định cụ thể qua các nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về công dụng, yêu cầu kỹ thuật, phân loại và kết cấu các hệ thống phanh điển hình trên ô tô.
  2. Phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp kết cấu cơ cấu phanh và hệ thống dẫn động, từ đó lựa chọn phương án thiết kế phù hợp cho đối tượng xe minibus 12 chỗ.
  3. Thực hiện tính toán thiết kế cơ cấu phanh (xác định mômen phanh yêu cầu, kích thước đĩa phanh, má phanh, xilanh bánh xe cầu trước và cầu sau) cùng hệ thống dẫn động thủy lực trợ lực chân không và kiểm tra hành trình bàn đạp.
  4. Tính toán nhiệt năng ma sát lý thuyết và xây dựng mô hình mô phỏng truyền nhiệt quá độ trên đĩa phanh bằng công cụ phần tử hữu hạn trong môi trường SOLIDWORKS/Cosmos.
  5. Thiết lập hệ thống bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh gồm 05 bản vẽ khổ A0: bản vẽ phương án thiết kế, bản vẽ lắp 2D kết cấu hệ thống phanh, bản vẽ hệ thống dẫn động phanh, hình ảnh mô hình 3D kèm kết quả tính toán nhiệt trên SOLIDWORKS, và bản vẽ quy trình công nghệ gia công xilanh chính.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh chính trên xe minibus 12 chỗ ngồi, lấy các thông số hình học và động lực học của xe Ford Transit phiên bản 2011 làm dữ liệu chuẩn để tính toán.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi tính toán động học, động lực học phanh ngặt, kết cấu cơ cấu phanh đĩa cho 4 bánh xe, dẫn động phanh thủy lực hai dòng trợ lực chân không, và mô phỏng số bài toán truyền nhiệt phi định triệt tại đĩa phanh trong thời gian một chu trình phanh dừng xe. Đồ án được triển khai từ tháng 02/2012 đến tháng 05/2012.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết động lực học phanh ô tô truyền thống kết hợp phương pháp kỹ thuật số hiện đại:

  • Khung lý thuyết động lực học ô tô: Dựa trên giáo trình "Lý thuyết ôtô máy kéo" của PGS. Nguyễn Hữu Cẩn. Tác giả sử dụng các phương trình cân bằng lực dọc, sự phân bố lại tải trọng động lên các cầu khi phanh có gia tốc chậm dần cực đại, mối quan hệ giữa lực bám của bánh xe với mặt đường ($\varphi$) và điều kiện sinh mômen phanh cực đại để bánh xe không bị trượt lết.
  • Lý thuyết truyền nhiệt và cân bằng năng lượng ma sát: Sử dụng định luật bảo toàn năng lượng trong quá trình phanh khẩn cấp, xem toàn bộ động năng của ô tô chuyển hóa thành công ma sát tại bề mặt tiếp xúc giữa má phanh và đĩa phanh. Từ đó, xác định thông lượng nhiệt và mức gia tăng nhiệt độ thể tích của đĩa phanh thông qua các phương trình nhiệt dung và truyền nhiệt dẫn xuất.
  • Phương pháp tính toán giải tích thiết kế cơ khí: Tính toán tuần tự kích thước hình học đĩa phanh, kích thước tấm ma sát, xác định áp suất chất lỏng công tác ($p_0$), đường kính piston xilanh công tác cầu trước và cầu sau, kích thước xilanh chính và kiểm nghiệm hành trình làm việc của bàn đạp theo các giới hạn tiêu chuẩn cho phép đối với dòng xe chở khách.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method): Ứng dụng mô-đun mô phỏng Cosmos (SolidWorks Simulation) tích hợp trong môi trường CAD 3D SOLIDWORKS để phân tích bài toán nhiệt độ quá độ (Transient Thermal Analysis). Đĩa phanh được rời rạc hóa thành lưới phần tử hữu hạn để giải phương trình vi phân truyền nhiệt có điều kiện biên đối lưu không khí và công suất phát nhiệt bề mặt.
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Thông số kỹ thuật chính thức của mẫu xe Ford Transit 12 chỗ phiên bản 2011 do hãng Ford công bố; các hằng số vật liệu cơ khí và nhiệt học tra cứu từ sổ tay kỹ thuật (thép hợp kim Alloy Steel, vật liệu ma sát amiăng).

Thiết kế kỹ thuật và quy trình mô phỏng

Căn cứ vào đặc tính kỹ thuật của xe khách cỡ nhỏ hoạt động ở vận tốc cao, tác giả đã phân tích và lựa chọn cấu hình hệ thống:

  1. Lựa chọn cơ cấu phanh: Áp dụng cơ cấu phanh đĩa cho cả 4 bánh (cầu trước và cầu sau). Phanh đĩa sở hữu ưu điểm vượt trội về độ ổn định mômen khi hệ số ma sát thay đổi theo nhiệt độ, khả năng tản nhiệt đối lưu tốt ra môi trường, tự làm sạch nước bám nhờ lực ly tâm, kết cấu nhỏ gọn và trọng lượng các chi tiết nhẹ. Cơ cấu tự động điều chỉnh khe hở má phanh sử dụng phớt vành khăn cao su có rãnh tiết diện hình thang đặt giữa piston và xilanh công tác.
  2. Lựa chọn hệ thống dẫn động phanh: Sử dụng hệ thống dẫn động thủy lực hai dòng độc lập (phân tách dòng dẫn động cầu trước và cầu sau qua bộ chia dòng và xilanh chính hai buồng nối tiếp). Giải pháp này đảm bảo khi một dòng bị rò rỉ hoặc mất áp suất thì dòng còn lại vẫn duy trì khả năng phanh xe. Do áp suất làm việc tính toán đòi hỏi lực tác dụng lên bàn đạp vượt ngưỡng chịu đựng sinh lý của người lái, hệ thống được trang bị thêm bộ cường hóa chân không (lấy áp suất chân không từ động cơ) và bộ điều hòa lực phanh.
Thông số xe cơ sở (Ford Transit 2011) Giá trị danh định Đơn vị
Loại động cơ Turbo Diesel 2.4L - TDCI (4 xilanh thẳng hàng) -
Dung tích công tác xilanh 2402 $\text{cm}^3$
Công suất cực đại 138 / 3500 $\text{HP / rpm}$
Mômen xoắn cực đại 375 / 2000 $\text{Nm / rpm}$
Kích thước tổng thể (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao) $5680 \times 2374 \times 2360$ $\text{mm}$
Chiều dài cơ sở ($L$) 3750 $\text{mm}$
Vệt bánh xe trước / sau 1740 / 1704 $\text{mm}$
Khoảng sáng gầm xe 165 $\text{mm}$
Trọng lượng toàn tải ($G$) 35000 $\text{N}$
Tự trọng xe 23340 $\text{N}$
Phân phối tải tĩnh lên cầu trước ($G_1$) / cầu sau ($G_2$) 15000 / 20000 $\text{N}$
Ký hiệu lốp xe 215/75 R16C -
Bán kính lắp vành ($r$) 203,2 $\text{mm}$
Hệ số biến dạng lốp ($\lambda$) 0,935 -
Chiều cao trọng tâm xe đầy tải ($h_g$) 0,9 $\text{m}$

Quy trình mô phỏng trường nhiệt độ đĩa phanh trong phần mềm SOLIDWORKS/Cosmos được tiến hành qua 6 bước kỹ thuật:

  • Bước 1: Xây dựng mô hình hình học 3D của đĩa phanh trong môi trường Part và chuyển sang môi trường Assembly; kích hoạt mô-đun Add-In SolidWorks Simulation và khởi tạo một nghiên cứu mới dạng phân tích nhiệt (Thermal Study).
  • Bước 2: Gán đặc tính vật liệu chế tạo đĩa phanh là thép hợp kim (Alloy Steel) từ thư viện vật liệu với nhiệt dung riêng $c = 500\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$.
  • Bước 3: Thiết lập thông số và điều kiện biên nhiệt học: Chọn chế độ tính toán nhiệt độ quá độ theo thời gian (Transient), thiết lập tổng thời gian quá trình phanh dừng $t = 1,2\text{ s}$; đặt nhiệt độ môi trường ban đầu cho toàn bộ chi tiết là $25^\circ\text{C}$; gán điều kiện tỏa nhiệt đối lưu bề mặt (Heat Flux) cho các mặt tiếp xúc không khí với hệ số tản nhiệt đối lưu của thép $K = 15\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$; áp đặt tải nhiệt công suất phát nhiệt (Heat Power) phân bố đều lên hai dải bề mặt ma sát tiếp xúc với má phanh.
  • Bước 4: Tạo lưới phần tử hữu hạn (Meshing) cho toàn bộ thể tích đĩa phanh.
  • Bước 5: Thực thi chương trình giải số hệ phương trình phần tử hữu hạn.
  • Bước 6: Trích xuất kết quả phân bố trường nhiệt độ và đồ thị biến thiên nhiệt độ theo thời gian phanh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phanh trên ô tô

Chương này hệ thống hóa toàn diện cơ sở kỹ thuật của hệ thống phanh phương tiện cơ giới:

  • Nêu rõ công dụng là giảm tốc độ, dừng hẳn xe hoặc giữ xe đứng yên trên dốc; phân tích các yêu cầu kỹ thuật khắt khe như quãng đường phanh ngắn nhất, gia tốc phanh lớn nhưng phải đảm bảo chuyển động êm dịu, lực điều khiển nhẹ, độ nhạy cao, thoát nhiệt tốt và có tối thiểu hai hệ thống phanh độc lập (phanh chính và phanh dừng).
  • Phân loại kết cấu cơ cấu phanh tang trống (guốc phanh) gồm các biến thể: đối xứng qua trục, đối xứng qua tâm, dạng bơi và dạng tự cường hóa. Tác giả chỉ ra nhược điểm lớn của phanh tang trống là hiện tượng giảm lực hãm do khí sinh ra từ vật liệu ma sát bị nung nóng không thoát được và tang trống giãn nở nhiệt làm tăng hành trình bàn đạp.
  • Phân tích cơ cấu phanh đĩa (loại giá xilanh cố định và giá xilanh di động), nhấn mạnh tính ưu việt của đĩa phanh thông gió và cơ chế tự điều chỉnh khe hở má phanh.
  • Khảo sát các dạng dẫn động phanh: cơ khí (chỉ dùng cho phanh đỗ), thủy lực (dẫn động một dòng, hai dòng, nguyên lý xilanh chính hai buồng và bộ chia dòng), khí nén, liên hợp khí nén - thủy lực, bộ cường hóa lực phanh chân không và hệ thống điều khiển chống bó cứng phanh (ABS).

Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế

Nội dung chương tập trung xác lập cơ sở lựa chọn phương án tối ưu cho xe minibus:

  • Về cơ cấu phanh: Quyết định lựa chọn cơ cấu phanh đĩa cho cả cầu trước và cầu sau. Luận cứ đưa ra dựa trên việc phanh đĩa có mômen phanh ổn định khi hệ số ma sát thay đổi dưới tác động của nhiệt độ cao, tản nhiệt nhanh, khối lượng nhỏ gọn, các má phanh mòn đều và khả năng tự phục hồi tính năng ma sát nhanh sau khi bị ngập nước nhờ lực ly tâm văng nước ra ngoài.
  • Giải pháp điều chỉnh khe hở má phanh: Chọn cơ cấu điều chỉnh tự động nhờ sự biến dạng đàn hồi của phớt vành khăn làm kín đặt trong rãnh có tiết diện hình thang. Khi xả phanh, sự đàn hồi của phớt kéo piston lùi lại một khoảng bằng khe hở làm việc quy định; khi má phanh mòn quá mức, piston trượt tịnh tiến qua phớt để tự định vị vị trí làm việc mới.
  • Về hệ thống dẫn động: Chọn hệ thống dẫn động thủy lực hai dòng kết hợp bộ trợ lực chân không và bộ điều hòa lực phanh nhằm đảm bảo độ nhạy, hiệu suất truyền động cao và bảo toàn một phần lực phanh khi có sự cố rò rỉ tại một nhánh ống dầu.

Chương 3: Tính toán cơ cấu phanh

Chương này thực hiện toàn bộ khối lượng tính toán giải tích cốt lõi của đồ án:

  • Xác định mômen phanh tính toán cần sinh ra trên mỗi bánh xe ở cầu trước và cầu sau dựa trên tải trọng toàn tải ($G = 35000\text{ N}$), sự phân bố tải trọng tĩnh ($G_1 = 15000\text{ N}$, $G_2 = 20000\text{ N}$), chiều cao trọng tâm ($h_g = 0,9\text{ m}$), chiều dài cơ sở ($L = 3,75\text{ m}$), gia tốc chậm dần cực đại và hệ số bám bánh xe với mặt đường.
  • Thiết kế cơ cấu phanh trước:
    • Chọn bán kính ngoài đĩa phanh $R_{ng} = 155\text{ mm}$, bán kính trong $R_{tr} = 85\text{ mm}$ (phù hợp với bán kính lắp vành $r = 203,2\text{ mm}$).
    • Chọn bán kính ngoài má phanh $R_2 = 150\text{ mm}$, bán kính trong $R_1 = 90\text{ mm}$, góc ôm má phanh $\beta = 70^\circ$.
    • Với áp suất thủy lực danh định chọn trước $p_0 = 7\text{ MPa}$ ($7 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$), xác định đường kính xilanh công tác bánh trước và quy chuẩn chọn $d_1 = 52\text{ mm}$.
  • Thiết kế cơ cấu phanh sau:
    • Chọn bán kính ngoài đĩa phanh $R_{ng} = 155\text{ mm}$, bán kính trong $R_{tr} = 80\text{ mm}$.
    • Chọn má phanh có bán kính ngoài $R_2 = 150\text{ mm}$, bán kính trong $R_1 = 90\text{ mm}$.
    • Với áp suất làm việc $p_0 = 7\text{ MPa}$, xác định và lựa chọn đường kính xilanh công tác bánh sau $d_2 = 49\text{ mm}$.
  • Tính toán dẫn động thủy lực và bàn đạp phanh:
    • Chọn đường kính xilanh chính $D = 30\text{ mm}$.
    • Tính lực tác dụng lên bàn đạp phanh người lái cần sản sinh để đạt áp suất $7\text{ MPa}$; so sánh với tiêu chuẩn lực đạp cho phép đối với người lái xe khách ($[Q] = 750 \div 800\text{ N}$) và đưa ra kết luận bắt buộc phải trang bị cụm trợ lực phanh.
    • Tính toán và kiểm tra hành trình bàn đạp phanh khi dịch chuyển piston bánh trước và sau ($x_1 = 0,5\text{ mm}$, $x_2 = 0,5\text{ mm}$); kết quả thỏa mãn điều kiện hành trình bàn đạp cho phép của xe khách ($\le 180\text{ mm}$).
    • Xác định hành trình dịch chuyển của piston trong xilanh chính: piston sơ cấp dịch chuyển đoạn $S_1 = 3,15\text{ mm}$, piston thứ cấp dịch chuyển đoạn $S_2 = 2,8\text{ mm}$.
  • Tính toán nhiệt lý thuyết:
    • Xét trường hợp phanh ô tô đầy tải từ vận tốc $V_1 = 30\text{ km/h}$ đến khi dừng hẳn ($V = 0$). Toàn bộ động năng chuyển hóa thành công ma sát.
    • Với khối lượng đĩa phanh tham khảo $m_d = 10\text{ kg}$, vật liệu thép hợp kim có nhiệt dung riêng $c = 500\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ và má phanh amiăng có hệ số dẫn nhiệt kém ($k_t = 0,12 \div 0,15\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$), tính được mức tăng nhiệt độ lý thuyết của đĩa phanh nằm trong ngưỡng an toàn cho phép.
    • Áp dụng công thức IX-18 của PGS. Nguyễn Hữu Cẩn để tính thời gian phanh nhỏ nhất; từ đó xác định công suất tỏa nhiệt của đĩa phanh ra môi trường và công suất tỏa nhiệt trên mỗi mặt ma sát làm thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng.

Chương 4: Tính toán nhiệt trong SolidWorks

Chương 4 mô tả phương pháp thực hiện mô phỏng số nhiệt học:

  • Giới thiệu tổng quan tính năng mô hình hóa 3D trực quan, độ chính xác cao của phần mềm SOLIDWORKS và mô-đun phân tích kỹ thuật chuyên sâu Cosmos (SolidWorks Simulation do Dassault Systèmes phát triển).
  • Trình bày chi tiết từng thao tác thiết lập bài toán trong Cosmos: mở chi tiết đĩa phanh dưới dạng Assembly, thiết lập New Study dạng Thermal, chọn giải bài toán phi định triệt (Transient) với thời gian phanh $t = 1,2$ giây.
  • Gán vật liệu Alloy Steel cho đĩa phanh; thiết lập các điều kiện biên nhiệt bao gồm nhiệt độ ban đầu $25^\circ\text{C}$, hệ số tản nhiệt đối lưu ra môi trường xung quanh $K = 15\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$ và gán thông số công suất nhiệt phân bố (Heat Power) trực tiếp lên diện tích tiếp xúc của đĩa với hai má phanh.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế kỹ thuật đặt ra với các kết quả cụ thể:

Hạng mục thông số Ký hiệu Kết quả tính toán thiết kế Đơn vị
Bán kính ngoài / trong đĩa phanh trước $R_{ng} / R_{tr}$ 155 / 85 $\text{mm}$
Bán kính ngoài / trong đĩa phanh sau $R_{ng} / R_{tr}$ 155 / 80 $\text{mm}$
Bán kính ngoài / trong má phanh (trước & sau) $R_2 / R_1$ 150 / 90 $\text{mm}$
Góc ôm má phanh trước $\beta$ 70 độ
Áp suất dầu công tác hệ thống phanh $p_0$ 7 $\text{MPa}$
Đường kính xilanh công tác cầu trước $d_1$ 52 $\text{mm}$
Đường kính xilanh công tác cầu sau $d_2$ 49 $\text{mm}$
Đường kính xilanh chính (tổng phanh) $D$ 30 $\text{mm}$
Hành trình dịch chuyển piston thứ cấp xilanh chính $S_2$ 2,8 $\text{mm}$
Hành trình dịch chuyển piston sơ cấp xilanh chính $S_1$ 3,15 $\text{mm}$
Khối lượng đĩa phanh tham khảo $m_d$ 10 $\text{kg}$
Nhiệt dung riêng thép hợp kim đĩa phanh $c$ 500 $\text{J/(kg}\cdot\text{K)}$
Thời gian quá trình phanh khảo sát mô phỏng $t$ 1,2 giây
Nhiệt độ môi trường thiết lập ban đầu $T_0$ 25 $^\circ\text{C}$
Hệ số tản nhiệt đối lưu bề mặt đĩa phanh $K$ 15 $\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}$

Các giải pháp và đóng góp chuyên môn của đề tài:

  • Đề xuất và luận chứng việc áp dụng đồng bộ cơ cấu phanh đĩa cho cả 4 bánh xe trên dòng xe minibus 12 chỗ thay cho kết cấu hỗn hợp đĩa - tang trống truyền thống, gia tăng độ ổn định lực phanh khi xe hoạt động liên tục.
  • Chứng minh bằng tính toán định lượng sự cần thiết của bầu trợ lực chân không để đưa lực đạp phanh về giới hạn điều khiển cho phép ($750 \div 800\text{ N}$).
  • Kết hợp quy trình tính toán động lực học kinh điển với công nghệ mô phỏng phần tử hữu hạn 3D (CAD/CAE) trên SOLIDWORKS/Cosmos để khảo sát nhiệt độ đĩa phanh, giúp rút ngắn chu trình nghiên cứu so với phương pháp thử nghiệm truyền thống.
  • Cung cấp đầy đủ hồ sơ thiết kế kỹ thuật phục vụ chế tạo và lắp ráp, bao gồm 05 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 thể hiện sơ đồ nguyên lý, kết cấu lắp 2D, sơ đồ dẫn động, mô hình 3D trường nhiệt và quy trình công nghệ gia công xilanh chính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Bài toán tính toán nhiệt lý thuyết và mô phỏng số mới chỉ khảo sát tại một chế độ phanh ngặt duy nhất từ dải tốc độ thấp ($V_1 = 30\text{ km/h}$) về $0\text{ km/h}$, chưa đánh giá chế độ phanh ngặt ở tốc độ cao trên đường cao tốc hoặc chế độ rà phanh kéo dài khi xe xuống dốc liên tục.
  • Quá trình tính toán giả định toàn bộ công ma sát chuyển hóa thành nhiệt nung nóng đĩa phanh do má phanh amiăng dẫn nhiệt kém, bỏ qua phần nhiệt lượng truyền vào piston xilanh bánh xe và dầu phanh.
  • Chưa có điều kiện đo đạc thực nghiệm nhiệt độ thực tế trên bệ thử chuyên dụng hoặc trên xe thật để kiểm chứng chéo (validation) với kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn trong SOLIDWORKS.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng bài toán phân tích liên kết nhiệt - cơ (Thermo-mechanical analysis) để đánh giá đồng thời ứng suất nhiệt, biến dạng nhiệt và hiện tượng nứt vi mô trên bề mặt đĩa phanh dưới tải trọng phanh chu kỳ.
  • Khảo sát mô phỏng nhiệt ở các dải vận tốc khởi đầu cao hơn ($60\text{ km/h}, 80\text{ km/h}, 100\text{ km/h}$) và các điều kiện môi trường bất lợi.
  • Nghiên cứu mô hình hóa tích hợp sâu hơn hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và phân phối lực phanh điện tử (EBD) trong tính toán điều khiển lực phanh.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tài liệu cung cấp trình tự mẫu mực về tính toán động lực học hệ thống phanh, phương pháp chọn kích thước hình học chi tiết, tính toán thủy lực dẫn động và kiểm tra hành trình bàn đạp.
  • Người làm đề tài nghiên cứu hoặc đồ án tốt nghiệp về hệ thống gầm: Các bước thiết lập mô-đun Cosmos/SolidWorks Simulation (tạo study nhiệt quá độ, đặt điều kiện biên đối lưu, thông lượng nhiệt, chia lưới phần tử hữu hạn) là hướng dẫn thực hành hữu ích để áp dụng cho các cơ cấu ma sát khác trên ô tô như ly hợp ma sát hay phanh đỗ.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí ô tô: Phần quy trình công nghệ gia công xilanh chính (trong hệ thống bản vẽ A0) cung cấp cơ sở tham khảo cho việc lập quy trình chế tạo các chi tiết dạng ống - xilanh thủy lực áp lực cao.

Câu hỏi thường gặp

Mẫu xe nào được tác giả lựa chọn làm cơ sở dữ liệu để tính toán thiết kế hệ thống phanh? Tác giả lựa chọn mẫu xe thương mại Ford Transit 12 chỗ phiên bản 2011, sử dụng động cơ Turbo Diesel 2.4L TDCI, trọng lượng toàn tải $35000\text{ N}$ (tải tĩnh cầu trước $15000\text{ N}$, cầu sau $20000\text{ N}$), chiều dài cơ sở $3750\text{ mm}$ và cỡ lốp 215/75 R16C.

Vì sao đồ án lựa chọn phương án phanh đĩa cho cả 4 bánh thay vì sử dụng phanh tang trống ở cầu sau? Phanh đĩa được chọn cho cả 4 bánh nhờ các ưu điểm: mômen phanh ổn định hơn phanh tang trống khi hệ số ma sát biến thiên theo nhiệt độ; thoát nhiệt tốt ra môi trường; khối lượng nhỏ và kết cấu gọn; má phanh mòn đều; khả năng thoát nước bám nhanh chóng dưới tác dụng của lực ly tâm khi đĩa quay, giúp tính năng phanh hồi phục nhanh sau khi đi qua vùng ngập nước.

Đường kính xilanh công tác tại các bánh xe và xilanh chính được tính toán là bao nhiêu? Đường kính xilanh công tác cầu trước được chọn là $d_1 = 52\text{ mm}$, cầu sau là $d_2 = 49\text{ mm}$, và đường kính xilanh chính (tổng phanh) là $D = 30\text{ mm}$, làm việc dưới áp suất thủy lực danh định $p_0 = 7\text{ MPa}$.

Tại sao hệ thống phanh thiết kế bắt buộc phải tích hợp cụm trợ lực phanh? Khi tính toán dẫn động thủy lực với áp suất yêu cầu $p_0 = 7\text{ MPa}$ và đường kính xilanh chính $D = 30\text{ mm}$, lực đạp chân cần thiết vượt quá giới hạn lực tác dụng cho phép đối với người lái xe khách ($[Q] = 750 \div 800\text{ N}$). Do đó, việc lắp đặt bộ trợ lực chân không là bắt buộc nhằm giảm cường độ làm việc cho người lái.

Các thông số điều kiện biên chính được thiết lập trong mô-đun SolidWorks/Cosmos để tính toán nhiệt là gì? Các thông số thiết lập gồm: phân tích nhiệt quá độ (Transient Thermal) với thời gian phanh $t = 1,2$ giây; nhiệt độ ban đầu toàn chi tiết là $25^\circ\text{C}$; vật liệu đĩa phanh là thép hợp kim (Alloy Steel); hệ số tản nhiệt đối lưu bề mặt của thép $K = 15\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$; và công suất nhiệt (Heat Power) áp đặt trực tiếp lên dải bề mặt ma sát tiếp xúc giữa đĩa phanh và má phanh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Ngọc Thức đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ tính toán thiết kế hệ thống phanh đĩa 4 bánh dẫn động thủy lực hai dòng có trợ lực cho xe minibus 12 chỗ ngồi dựa trên cơ sở tham khảo xe Ford Transit 2011. Nghiên cứu giải quyết thành công bài toán xác định các thông số hình học, thủy lực và cơ học chính xác cho toàn bộ hệ thống phanh, đồng thời kiểm nghiệm an toàn hành trình bàn đạp và lực phanh theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. Điểm nổi bật của đề tài là việc kết hợp phương pháp giải tích kinh điển với công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn số trong môi trường SOLIDWORKS/Cosmos để phân tích trường nhiệt độ đĩa phanh, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho đào tạo và thiết kế cơ khí ô tô.