Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Phanh Khí Nén Xe Thaco Auman C160

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Phanh Khí Nén Cho Xe Thaco Auman C160
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHANH
• 1.1. Công dụng- Yêu cầu- Phân loại hệ thống phanh
• 1.2. Kết cấu của hệ thống phanh
• 1.2.1. Cơ cấu phanh guốc
• 1.2.1.1. Cơ cấu phanh guốc đối xứng trục
• 1.2.1.2. Cơ cấu phanh guốc đối xứng tâm
• 1.2.1.3. Cơ cấu phanh guốc dạng bơi
• 1.2.2. Phanh dừng (phanh tay)
• 1.2.3. Cơ cấu phanh đĩa
• 1.2.4. Kết cấu chung của một số dạng cơ cấu dẫn động
• 1.2.4.1. Dẫn động cơ khí
• 1.2.4.2. Dẫn động thủy lực
• 1.2.4.2.1. Dẫn động phanh thủy lực một dòng
• 1.2.4.2.2. Dẫn động phanh thủy lực hai dòng
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT CẤU CHI TIẾT HỆ THỐNG PHANH XE THACO AUMAN C160
• 2.1. Giới thiệu về xe tham khảo Thaco Auman C160 9,3 tấn
• 2.2. Thông số cơ bản của xe tham khảo
• 2.3. Hệ thống phanh trên xe
• 2.4. Dẫn động phanh
• 2.5. Phân tích kết cấu
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH DỰA TRÊN XE THACO AUMAN C160
• 3.1. Tính toán cơ cấu phanh bằng phương pháp họa đồ
• 3.2. Xác định mômen phanh cần thiết tại các bánh xe
• 3.3. Thiết kế tính toán cơ cấu phanh
• 3.4. Tính bền cơ cấu phanh
• 3.5. Tính bền guốc phanh
• 3.6. Tính bền trống phanh
• 3.7. Tính bền chốt phanh
• 3.8. Thiết kế tính toán dẫn động phanh
• 3.9. Thiết kế tính toán bầu phanh
• 3.10. Tính toán lượng khí nén
• 3.11. Tính toán van điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: BẢO DƯỠNG, SỬA CHỮA HỆ THỐNG PHANH
• 4.1. Những hư hỏng thường gặp của hệ thống phanh và cách sửa chữa
• 4.2. Quy trình bảo dưỡng sửa chữa
• 4.2.1. Quy trình tháo lắp
• 4.2.2. Bảo dưỡng sửa chữa
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI NÓI ĐẦU
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Toàn cảnh hệ thống phanh khí nén trên xe Thaco Auman C160

Việc thiết kế hệ thống phanh khí nén cho xe Thaco Auman C160 đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về đặc tính kỹ thuật của xe và các nguyên tắc cơ bản của hệ thống phanh. Xe tải Thaco Auman C160 là dòng xe tải nặng, hoạt động trong điều kiện tải trọng lớn và di chuyển liên tục, do đó yêu cầu một hệ thống phanh có hiệu suất cao, độ tin cậy và an toàn hệ thống phanh tuyệt đối. Phanh khí nén, hay còn gọi là phanh hơi xe tải, là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng tạo ra lực phanh lớn, điều khiển nhẹ nhàng và dễ dàng tích hợp với các hệ thống phụ trợ như phanh rơ moóc. Hệ thống này sử dụng năng lượng của khí nén được tạo ra từ máy nén khí và tích trữ trong các bình chứa để tác động lên cơ cấu phanh tại các bánh xe. Một thiết kế hiệu quả phải đảm bảo gia tốc chậm dần ổn định, quãng đường phanh ngắn, thoát nhiệt tốt và dễ dàng trong việc bảo dưỡng hệ thống phanh khí nén. Các yêu cầu này là nền tảng cho mọi quá trình tính toán thiết kế hệ thống phanh, từ việc xác định mô-men phanh cần thiết đến lựa chọn các chi tiết như bầu phanh lốc kê và van điều áp. Tài liệu "ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHANH KHÍ NÉN XE THACO" của sinh viên Nguyễn Quang Thiều là cơ sở tham khảo quan trọng, cung cấp các thông số và phương pháp luận cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế này. Việc nắm vững các yếu tố nền tảng này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để xây dựng một hệ thống phanh hoàn chỉnh và an toàn.

1.1. Phân tích thông số kỹ thuật xe Thaco Auman C160

Xe Thaco Auman C160 có trọng lượng bản thân 5.925 KG và tổng tải trọng lên tới 15.305 KG. Trọng lượng này được phân bố lên cầu trước là 4.375 KG và cầu sau là 10.930 KG. Với chiều dài cơ sở 5.850 mm và tốc độ tối đa 95 km/h, các thông số kỹ thuật xe Thaco Auman C160 này là dữ liệu đầu vào cốt lõi cho việc tính toán động học và động lực học phanh. Xe sử dụng lốp ký hiệu 10R20, ảnh hưởng trực tiếp đến bán kính lăn của bánh xe, một yếu tố quan trọng trong công thức tính mô-men phanh.

1.2. Yêu cầu cốt lõi đối với hệ thống phanh xe tải nặng

Một hệ thống phanh hiệu quả phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe. Đầu tiên là hiệu quả phanh cao nhất, thể hiện qua quãng đường phanh ngắn và gia tốc chậm dần ổn định. Thứ hai, hệ thống phải hoạt động êm dịu, không gây giật cục. Thứ ba, việc điều khiển phải nhẹ nhàng để giảm mệt mỏi cho người lái. Ngoài ra, độ tin cậy cao, tuổi thọ bền bỉ, dễ bảo dưỡng và chi phí hợp lý cũng là những tiêu chí không thể bỏ qua. Đặc biệt, hệ thống phải đảm bảo phân bố mô-men phanh hợp lý giữa các bánh xe để tận dụng tối đa trọng lượng bám.

1.3. Tại sao phanh khí nén là lựa chọn tối ưu cho C160

Đối với xe tải nặng như Thaco Auman C160, hệ thống phanh thủy lực không thể tạo ra lực phanh đủ lớn nếu không có trợ lực phức tạp. Hệ thống phanh khí nén khắc phục được nhược điểm này. Nó sử dụng khí nén với áp suất cao để tạo ra lực tác động cực lớn lên cơ cấu phanh, phù hợp với tải trọng của xe. Hơn nữa, hệ thống này có độ bền cao, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và dễ dàng kết nối với các hệ thống an toàn khác như hệ thống phanh ABS hoặc hệ thống phanh phụ (phanh khí xả), giúp tăng cường an toàn hệ thống phanh tổng thể.

II. Khám phá cấu tạo chi tiết hệ thống phanh khí nén xe tải

Hiểu rõ cấu tạo phanh khí nén xe tải là yêu cầu bắt buộc trước khi tiến hành thiết kế. Hệ thống phanh trên xe Thaco Auman C160 là loại dẫn động khí nén hai dòng, một cấu trúc giúp tăng cường độ an toàn và tin cậy. Nếu một trong hai dòng bị rò rỉ, dòng còn lại vẫn có thể hoạt động. Thành phần cốt lõi của hệ thống bao gồm nguồn cung cấp năng lượng và các cơ cấu chấp hành. Nguồn năng lượng gồm máy nén khí, bộ điều chỉnh áp suất, và các bình chứa khí. Cơ cấu chấp hành bao gồm tổng van phanh (van phân phối), các đường ống dẫn khí, các bầu phanh lốc kê tại mỗi bánh xe, và cơ cấu phanh loại phanh tang trống. Khi người lái tác động lên bàn đạp, tổng van phanh sẽ mở, cho phép khí nén từ bình chứa đi đến các bầu phanh, đẩy cần đẩy và xoay cam ép, khiến guốc phanh áp sát vào tang trống để tạo ra mô-men hãm. Sơ đồ hệ thống phanh khí nén hai dòng trên xe Auman C160 cho thấy sự phân chia rõ ràng, thường là một dòng cho cầu trước và một dòng cho cầu sau, được điều khiển độc lập thông qua van bảo vệ kép. Việc phân tích kỹ lưỡng từng bộ phận, từ van điều áp đến các chi tiết trong cơ cấu phanh, giúp xác định đúng các thông số cần thiết cho quá trình thuyết minh thiết kế hệ thống phanh và xây dựng bản vẽ CAD hệ thống phanh một cách chính xác.

2.1. Phân tích sơ đồ hệ thống phanh khí nén hai dòng

Trong sơ đồ hệ thống phanh khí nén hai dòng của xe Auman C160, khí nén từ máy nén khí đi qua van bảo vệ kép (hoặc ba nhánh) để chia thành hai dòng độc lập, nạp vào các bình chứa riêng biệt. Từ đây, hai dòng khí sẽ đi đến tổng van phanh. Khi phanh, van sẽ phân phối khí nén theo hai đường ống riêng biệt đến các bầu phanh của cầu trước và cầu sau. Cấu trúc này đảm bảo rằng sự cố ở một mạch (ví dụ, rò rỉ ống dẫn đến cầu sau) sẽ không làm cả hệ thống mất tác dụng, tăng cường đáng kể mức độ an toàn.

2.2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động phanh khí nén chi tiết

Nguyên lý hoạt động phanh khí nén bắt đầu khi người lái đạp phanh. Lực từ bàn đạp tác động lên tổng van phanh, mở cửa van cho khí nén áp suất cao (khoảng 7-8 bar) từ bình chứa tràn vào các bầu phanh. Áp suất khí nén tác động lên màng cao su bên trong bầu phanh, đẩy một cần đẩy ra ngoài. Cần đẩy này nối với một đòn điều khiển (cam S), làm xoay cam và ép hai guốc phanh bung ra, áp má phanh vào mặt trong của phanh tang trống, tạo ra ma sát và làm giảm tốc độ bánh xe. Khi nhả phanh, tổng van phanh đóng đường khí nén và mở đường xả, khí nén trong bầu phanh thoát ra ngoài, lò xo hồi vị kéo guốc phanh về vị trí ban đầu.

2.3. Vai trò của tổng van phanh bầu phanh và cơ cấu phanh

Tổng van phanh có vai trò như một bộ não điều khiển, điều tiết lượng khí nén đến các bầu phanh tương ứng với lực đạp của người lái. Bầu phanh lốc kê (bầu phanh tích năng) là cơ cấu chấp hành quan trọng, không chỉ thực hiện chức năng phanh chính mà còn tích hợp phanh dừng (phanh tay). Nó chứa một lò xo cực mạnh, được nén lại bằng khí nén khi xe hoạt động. Khi phanh tay hoặc khi hệ thống mất áp suất, lò xo này sẽ bung ra, tự động tác động lực phanh. Cơ cấu phanh tang trống được lựa chọn vì khả năng tự cường hóa và diện tích bề mặt ma sát lớn, phù hợp để tạo ra mô-men phanh lớn cần thiết cho xe tải nặng.

III. Hướng dẫn tính toán thiết kế hệ thống phanh cho xe tải nặng

Quá trình tính toán thiết kế hệ thống phanh là giai đoạn quan trọng nhất, quyết định đến hiệu quả phanh và độ an toàn của toàn bộ hệ thống. Dựa trên các thông số kỹ thuật xe Thaco Auman C160, bước đầu tiên là xác định mô-men phanh cần thiết tại các bánh xe cầu trước và cầu sau. Công thức tính toán này phụ thuộc vào trọng lượng toàn bộ của xe, tọa độ trọng tâm, chiều dài cơ sở và hệ số bám giữa lốp và mặt đường. Sau khi có được mô-men phanh yêu cầu, tiến hành thiết kế cơ cấu phanh tang trống. Quá trình này bao gồm việc xác định kích thước má phanh, bán kính tang trống, góc ôm, và sau đó sử dụng phương pháp họa đồ lực để tính toán lực tác động cần thiết lên guốc phanh. Một phần không thể thiếu là kiểm tra bền cho các chi tiết chịu lực chính như guốc phanh, trống phanh và chốt phanh để đảm bảo chúng không bị biến dạng hoặc phá hủy trong quá trình hoạt động. Phần dẫn động phanh cũng cần được tính toán kỹ lưỡng, đặc biệt là việc lựa chọn và thiết kế tính toán bầu phanh. Đường kính hiệu dụng của màng phanh phải đủ lớn để tạo ra lực đẩy cần thiết. Đây là một phần cốt lõi trong bất kỳ đồ án tốt nghiệp ô tô nào liên quan đến hệ thống phanh, và các kết quả tính toán sẽ được trình bày chi tiết trong phần thuyết minh thiết kế hệ thống phanh.

3.1. Phương pháp xác định mô men phanh cần thiết tại bánh xe

Mô-men phanh cần thiết tại các bánh xe được tính toán dựa trên nguyên tắc phân bố lực phanh tối ưu để tận dụng hết khả năng bám của lốp xe. Theo tài liệu tham khảo, mô-men phanh cần có ở cầu trước và cầu sau được xác định bằng các công thức liên quan đến trọng lượng xe (G), tọa độ trọng tâm (a, b, hg), chiều dài cơ sở (L), hệ số bám (φ) và bán kính lăn của bánh xe (rbx). Việc tính toán chính xác giá trị này là tiền đề để thiết kế các bộ phận tiếp theo của hệ thống.

3.2. Quy trình tính toán và kiểm tra bền cho guốc và trống phanh

Sau khi xác định được các lực tác động, cần tiến hành kiểm tra bền cho guốc phanh và trống phanh. Đối với guốc phanh, đây là bài toán thanh cong phẳng trong sức bền vật liệu, cần xác định ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm nhất. Đối với trống phanh, đây là bài toán ống dày chịu áp suất trong. Các tính toán này đảm bảo rằng các chi tiết có đủ độ bền để chịu được tải trọng lớn khi phanh ngặt, tránh các hiện tượng nứt, gãy hay biến dạng, đảm bảo an toàn hệ thống phanh.

3.3. Các bước thiết kế và tính toán thông số quan trọng của bầu phanh

Việc thiết kế tính toán bầu phanh bắt đầu từ lực đẩy cần thiết (Q2) tác động lên cam ép, được suy ra từ lực cần tác động lên guốc phanh. Từ lực Q2, ta tính toán được đường kính hiệu dụng của màng phanh dựa trên áp suất làm việc của hệ thống (Pj). Đối với bầu phanh lốc kê, cần tính toán thêm lực ép và độ cứng của lò xo tích năng để đảm bảo nó tạo ra đủ lực phanh dừng (thường yêu cầu đạt 16% trọng lượng toàn bộ của xe) và có thể được nén lại hoàn toàn bởi áp suất khí nén khi nhả phanh tay.

IV. Bí quyết xây dựng bản vẽ CAD và mô phỏng hệ thống phanh

Từ những kết quả trong tính toán thiết kế hệ thống phanh, bước tiếp theo là chuyển hóa các con số thành các mô hình kỹ thuật cụ thể. Việc xây dựng bản vẽ CAD hệ thống phanh là một yêu cầu không thể thiếu trong các đồ án tốt nghiệp ô tô, giúp trực quan hóa toàn bộ thiết kế. Các bản vẽ này bao gồm bản vẽ lắp chung của toàn bộ hệ thống trên khung xe, cũng như các bản vẽ chi tiết cho từng cụm như cơ cấu phanh tang trống, bầu phanh lốc kê, và tổng van phanh. Các phần mềm như AutoCAD hay SolidWorks là công cụ đắc lực cho công việc này. Ngoài bản vẽ 2D, việc xây dựng mô hình 3D cho phép thực hiện mô phỏng hệ thống phanh để đánh giá hiệu quả hoạt động trước khi chế tạo. Các phân tích mô phỏng có thể bao gồm phân tích động học để kiểm tra chuyển động của các cơ cấu, phân tích ứng suất - biến dạng trên guốc phanh và trống phanh bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA). Quá trình này giúp phát hiện sớm các sai sót trong thiết kế, tối ưu hóa kết cấu để giảm trọng lượng, tăng độ bền và cải thiện hiệu quả phanh, đồng thời giảm chi phí thử nghiệm thực tế. Kết quả mô phỏng cung cấp những bằng chứng khoa học thuyết phục, làm tăng giá trị cho bản thuyết minh thiết kế hệ thống phanh.

4.1. Xây dựng bản vẽ CAD hệ thống phanh khí nén chi tiết

Một bộ bản vẽ CAD hệ thống phanh hoàn chỉnh bao gồm: bản vẽ sơ đồ nguyên lý khí nén, bản vẽ lắp đặt các bộ phận (máy nén, bình khí, van, đường ống) trên xe, bản vẽ lắp cụm cơ cấu phanh tại bánh xe, và các bản vẽ chế tạo chi tiết quan trọng như guốc phanh, cam ép, trống phanh. Các bản vẽ phải tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật về kích thước, dung sai, và vật liệu, đảm bảo tính chính xác và khả thi trong gia công, lắp ráp.

4.2. Ứng dụng mô phỏng để đánh giá động học và độ bền

Việc mô phỏng hệ thống phanh cho phép kiểm tra trực quan quá trình làm việc. Có thể mô phỏng chuyển động của cam ép tác động lên guốc phanh để kiểm tra góc bung và sự tiếp xúc của má phanh. Quan trọng hơn, phân tích phần tử hữu hạn (FEA) giúp xác định các vùng tập trung ứng suất cao trên guốc phanh và trống phanh khi chịu tải, từ đó đánh giá độ bền và dự đoán tuổi thọ của chi tiết. Kết quả này là cơ sở để tối ưu hóa thiết kế, tăng cường độ cứng ở những vị trí cần thiết hoặc giảm vật liệu ở những nơi ít chịu tải.

V. Quy trình bảo dưỡng hệ thống phanh khí nén và khắc phục lỗi

Một hệ thống phanh dù được thiết kế tốt đến đâu cũng cần được kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hoạt động an toàn. Quá trình bảo dưỡng hệ thống phanh khí nén bao gồm nhiều công đoạn, từ kiểm tra trực quan đến đo lường và thay thế các chi tiết hao mòn. Các hư hỏng thường gặp có thể kể đến như phanh không ăn, phanh bó cứng, xe bị kéo lệch khi phanh, hoặc có tiếng kêu bất thường. Nguyên nhân có thể đến từ việc má phanh bị mòn, dính dầu mỡ, khe hở giữa má phanh và trống phanh điều chỉnh sai, lò xo hồi vị yếu hoặc gãy, hoặc rò rỉ khí nén trong hệ thống dẫn động. Việc hiểu rõ các triệu chứng và nguyên nhân giúp chẩn đoán lỗi nhanh chóng và chính xác. Quy trình tháo lắp cơ cấu phanh tang trống cần được thực hiện cẩn thận theo đúng các bước để tránh làm hỏng các chi tiết. Việc kiểm tra và duy trì áp suất khí nén trong hệ thống là cực kỳ quan trọng; bất kỳ sự sụt giảm áp suất nào cũng là dấu hiệu của rò rỉ và cần được xử lý ngay lập tức. Đảm bảo an toàn hệ thống phanh không chỉ là việc thiết kế ban đầu mà còn là một quá trình chăm sóc, bảo dưỡng liên tục trong suốt vòng đời hoạt động của xe.

5.1. Các hư hỏng thường gặp trên hệ thống phanh hơi xe tải

Các hư hỏng phổ biến bao gồm: Phanh không ăn do má phanh mòn, dính dầu hoặc áp suất khí nén không đủ. Phanh bó cứng thường do lò xo hồi vị gãy, hỏng hoặc cam tác động bị kẹt. Xe bị kéo lệch khi phanh có thể do áp suất lốp không đều, má phanh hai bên mòn không đều hoặc khe hở điều chỉnh sai. Tiếng kêu bất thường thường xuất phát từ má phanh quá mòn, chai cứng hoặc trống phanh bị biến dạng. Việc nhận biết đúng hiện tượng là bước đầu tiên để khắc phục sự cố hiệu quả.

5.2. Hướng dẫn quy trình tháo lắp và bảo dưỡng cơ cấu phanh

Quy trình bảo dưỡng bắt đầu bằng việc tháo lốp và trống phanh. Sau đó, kiểm tra độ dày của má phanh (giới hạn thay mới thường là 5.5 mm theo tài liệu tham khảo), kiểm tra bề mặt tang trống xem có bị xước, nứt hay oval không. Kiểm tra các lò xo hồi vị có đủ độ đàn hồi không và các chốt, cam có bị mòn không. Sau khi kiểm tra, vệ sinh sạch sẽ bụi bẩn, lắp lại các bộ phận và quan trọng nhất là điều chỉnh lại khe hở giữa má phanh và tang trống theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả phanh tối ưu.