Đồ án thiết kế cơ khí trong công nghệ ô tô đồ án thiết kế hệ thống phanh trên xe ô tô

Đồ án nghiên cứu thiết kế cơ khí trong công nghệ ô tô đồ án thiết kế hệ thống phanh trên xe ô tô, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Trần Đoàn Anh Kiện
• Người hướng dẫn: Th.S Lê Hoài
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết kế Hệ thống Phanh trên Xe Ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Hệ Thống Phanh Ô Tô

Hệ thống phanh ô tô là một trong những hệ thống an toàn quan trọng nhất trên xe. Nó chịu trách nhiệm chính trong việc làm giảm tốc độ và dừng xe an toàn. Trong đồ án thiết kế cơ khí ô tô, việc nghiên cứu hệ thống phanh đòi hỏi hiểu biết sâu về các nguyên lý vật lý, các thành phần cơ khí và quy trình thiết kế kỹ thuật. Thiết kế hệ thống phanh cần đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế, đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy trong mọi điều kiện lái xe. Bài đồ án này tập trung vào phân tích chi tiết các thành phần, nguyên lý hoạt động và quy trình thiết kế toàn diện cho một hệ thống phanh hiện đại trên xe ô tô.

1.1. Định Nghĩa và Chức Năng Chính

Hệ thống phanh là tập hợp các bộ phận điều khiển lực phanh và chuyển động của xe. Chức năng chính bao gồm giảm tốc độ xe an toàn, dừng xe hoàn toàn trong trường hợp khẩn cấp, và duy trì xe ở trạng thái dừng trên các địa hình khác nhau. Thiết kế cơ khí phải đảm bảo phân bố lực phanh hợp lý giữa các bánh xe, tránh khóa bánh và trượt lốp không mong muốn.

1.2. Tầm Quan Trọng trong Thiết Kế Cơ Khí

Trong đồ án cơ khí ô tô, hệ thống phanh được coi là yếu tố thiết kế ưu tiên hàng đầu vì liên quan trực tiếp đến an toàn người lái và hành khách. Thiết kế hệ thống phanh phải cân bằng giữa hiệu suất phanh, độ bền, trọng lượng và chi phí sản xuất. Các yêu cầu kỹ thuật khắt khe đòi hỏi kỹ sư phải sử dụng các công cụ mô phỏng và tính toán nâng cao.

II. Các Loại Hệ Thống Phanh Phổ Biến

Có hai loại hệ thống phanh chính được sử dụng trên các xe ô tô hiện đại: phanh đĩa và phanh tang trống. Thiết kế hệ thống phanh hiện tại phổ biến nhất là kết hợp cả hai loại để tối ưu hóa hiệu suất. Phanh đĩa thường được lắp trên các bánh trước vì chúng cần chịu lực phanh lớn hơn, trong khi phanh tang trống có thể lắp ở bánh sau. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng, và đồ án thiết kế cơ khí cần phải phân tích chi tiết các yếu tố này để lựa chọn phương án tối ưu cho từng loại xe.

2.1. Phanh Đĩa Ưu Điểm và Ứng Dụng

Phanh đĩa có khả năng tản nhiệt tốt hơn nhờ diện tích tiếp xúc lớn với không khí. Thiết kế hệ thống phanh loại này cho phép lực phanh ổn định ngay cả khi nhiệt độ cao. Nó hoạt động hiệu quả trên các xe hiệu suất cao và có tốc độ cao. Độ chính xác điều khiển cao, phù hợp với các yêu cầu an toàn hiện đại.

2.2. Phanh Tang Trống Đặc Điểm và Lựa Chọn

Phanh tang trống có cấu trúc đơn giản hơn và chi phí sản xuất thấp hơn. Thiết kế loại này thích hợp cho các xe hạng thấp và trung bình. Tuy nhiên, khả năng tản nhiệt kém hơn phanh đĩa, do đó thường được dùng ở bánh sau nơi lực phanh ít hơn.

III. Quy Trình Thiết Kế Và Mô Phỏng

Thiết kế hệ thống phanh bắt đầu từ giai đoạn phân tích yêu cầu kỹ thuật dựa trên thông số xe. Kỹ sư phải xác định lực phanh cần thiết, phân bố lực giữa các bánh, và chọn loại chất lỏng phanh phù hợp. Giai đoạn tiếp theo là mô phỏng hệ thống phanh sử dụng phần mềm CAD và các công cụ tính toán để kiểm tra độ chính xác của thiết kế. Đồ án cơ khí ô tô này sử dụng AutoCAD để vẽ chi tiết các thành phần, lập bản vẽ lắp ráp và bản vẽ kỹ thuật. Mô phỏng cho phép phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi sản xuất thực tế.

3.1. Phân Tích Yêu Cầu Kỹ Thuật

Đồ án thiết kế cần xác định rõ các thông số: khối lượng xe, tỷ lệ phân bố lực phanh, thời gian dừng khẩn cấp tối đa. Yêu cầu an toàn bao gồm không được khóa bánh, đảm bảo cân bằng xe khi phanh gấp. Thiết kế hệ thống phanh phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như ISO, FMVSS để đảm bảo chất lượng.

3.2. Ứng Dụng Phần Mềm CAD và Mô Phỏng

AutoCAD là công cụ chính trong đồ án cơ khí ô tô để vẽ bản vẽ kỹ thuật chi tiết. Các bản vẽ bao gồm ba hình chiếu tiêu chuẩn, kích thước và yêu cầu chất lượng. Mô phỏng hệ thống phanh giúp kiểm tra các ứng xử động học, nhiệt độ, và độ bền của các thành phần.

IV. Các Thành Phần Chính của Hệ Thống Phanh

Hệ thống phanh ô tô bao gồm nhiều thành phần phức tạp hoạt động phối hợp với nhau. Bơm phanh là trái tim của hệ thống, chuyển đổi lực từ chân người lái thành áp suất chất lỏng. Các ống dẫn, van phân phối, và phanh thực hiện tại bánh xe là các thành phần thiết yếu. Thiết kế hệ thống phanh đòi hỏi lựa chọn vật liệu thích hợp có độ bền cao, chống oxi hóa, và khả năng chịu nhiệt tốt. Mỗi thành phần đều phải được thiết kế tính toán kỹ lưỡng để đạt hiệu suất tối ưu và tuổi thọ dài.

4.1. Bơm Phanh và Hệ Thống Dẫn Chất Lỏng

Bơm phanh chịu trách nhiệm phát sinh và điều chỉnh áp suất chất lỏng phanh. Thiết kế phải đảm bảo phản ứng nhanh, không rò rỉ, và độ bền cao. Hệ thống ống dẫn cần được thiết kế để giảm thiểu rung động và đảm bảo chất lỏng phanh lưu thông đều trên toàn bộ hệ thống.

4.2. Bộ Phanh Bánh Xe và Lựa Chọn Vật Liệu

Bộ phanh bao gồm đĩa hoặc tang trống, má phanh, và piston. Thiết kế hệ thống phanh cần chọn vật liệu như gang chứng lạnh, composite có khả năng chịu lực và nhiệt độ cao. Các bộ phận này phải được tính toán để tránh cong vênh và mài mòn quá nhanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : Giới thiệu về đề tài. CHƯƠNG 2 :Tổng quan về hệ thống phanh. CHƯƠNG 3 : Cấu tạo và hoạt động của một số chi tiết chính của hệ thống phanh. CHƯƠNG 4 : Thiết kế hệ thống phanh.

CHƯƠNG 5 : Nhận xét và kết luận.4 Phương pháp nghiên cứu - Để đề tài được hoàn thành, chúng em đã dùng phương pháp tổng hợp từ nhiều nguồn sách vở, thầy cô, Internet và các phần mềm hỗ trợ như Word Office, Auto CAD,. 2 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH 2.1 CÔNG DỤNG VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHANH 2.1 Công dụng của hệ thống phanh : - Hệ thống phanh của ô tô dùng để giảm nhanh tốc độ của xe hoặc dừng xe khẩn cấp. Hệ thống phanh còn giữ cho xe đỗ an toàn, không bị trôi trên đường, cả kể trên dốc. Như vậy, nhờ có hệ thống phanh mà người lái có thể chạy xe an toàn ở tốc độ cao, do đó tăng năng suất vận chuyển và hiệu quả xe.

- Trên xe thường bố trí hai hệ thống phanh hoạt động độc lập là phanh chân (điều khiển bàn đạp phanh băng chân) và phanh tay (điều khiển cần kéo phanh bằng tay). Phanh tay thường có cơ cấu hãm cần kéo phanh cho phép duy trì sự hãm xe mà không cần phải dữ cần phanh khi kéo, phanh chân chỉ hoạt động khi đạp chân lên bàn đạp phanh, nhả chân khỏi bàn đạp là nhả phanh. Phanh chân thương dùng cơ cấu hãm bánh xe, phanh tay thường dùng cơ cấu hãm trục truyền động. Yêu cầu của hệ thống phanh : - Làm việc bền vững, tin cậy.

- Có hiệu quả phanh cao khi phanh đột ngột với cường độ lớn trong trường hợp nguy hiểm. - Phanh êm dịu trong những trường hợp khác, để đảm bảo tiện nghi và an toàn cho hành khách và hàng hóa. - Giữ cho ô tô máy kéo đứng yên khi cần thiết trong thời gian không hạn chế. - Ðảm bảo tính ổn định và điều khiển của ô tô và máy kéo khi phanh.

- Không có hiện tượng tự siết phanh khi bánh xe dịch chuyển thẳng đứng và khi quay vòng. - Hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong mọi điều kiện sử dụng. 3 - Có khả năng thoát nhiệt tốt. - Ðiều khiển nhẹ nhàng thuận tiện, lực cần thiết tác dụng trên bàn đạp hay đòn điều khiển phải nhỏ.

Để có hiệu quả phanh cao thì phải yêu cầu dẫn động phanh phải có độ nhạy lớn - Phân phối mô men phanh trên các bánh xe phải đảm bảo tận dụng được toàn bộ trọng lượng bám để tạo lực phanh; - Trong trường hợp cần thiết, có thể dùng bộ phận trợ lực hay dùng dẫn động khí nén hoặc bơm thủy lực để tăng hiệu quả phanh đối với các xe có trọng lượng toàn bộ lớn. Ðể quá trình phanh được êm dịu và để người lái cảm giác điều khiển được đúng cường độ phanh, dẫn động phanh phải có cơ cấu đảm bảo tỷ lệ thuận giữa lực tác dụng lên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh tạo ra ở bánh xe, đồng thời không có hiện tượng tự siết khi phanh. Ðể đảm bảo tính ổn định và điều khiển của ô tô - máy kéo khi phanh, sự phân bố lực phanh giữa các bánh xe phải hợp lý, cụ thể phải thỏa mãn các điều kiện sau: Lực phanh trên các bánh xe phải tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên chúng: - Lực phanh tác dụng lên bánh xe phải và trái của cùng một cầu phải bằng nhau. Sai lệch cho phép không được vượt quá 15% giá trị lực phanh lớn nhất; - Không xảy ra hiện tượng tự khóa cứng, trượt các bánh xe khi phanh.

Vì khi phanh: Các bánh xe trước trượt trước thì xe sẽ bị trượt ngang, mất tính điều khiển. Các bánh xe sau trượt trước xe sẽ bị quay đầu, mất tính ổn định. Ngoài ra các bánh xe bị trượt sẽ gây mòn lốp, giảm hiệu quả phanh do giảm hệ số bám. Ðể đảm bảo các yêu cầu này, trên các xe hiện đại, người ta dùng các bộ điều chỉnh lực phanh hay hệ thống chống hãm cứng bánh xe (Antilock Braking System - ABS).

4 Yêu cầu về điều khiển nhẹ nhàng và thuận tiện được đánh giá bằng lực lớn nhất cần thiết tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển và hành trình tương ứng của chúng. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG PHANH 2.1 Phân loại theo chức năng : ● Hệ thống phanh công tác (phanh chân hoặc phanh chính): thường điều khiển bằng chân được sử dụng để giảm tốc độ hoặc dừng hẳn xe trong khi đang chuyển động.Hệ thống phanh chính có cơ cấu phanh được bố trí và điều khiển độc lập cho từng xe; ● Hệ thống phanh dừng (phanh tay): thường được điều khiển bằng tay nhờ đòn kéo hoặc các đòn dẫn động để giữ cho xe đứng yên trong thời gian dài và đứng yên trên dốc. Hệ thống phanh dừng yêu cầu phải có hệ thống dẫn động và cơ cấu phanh độc lập hoặc có thể cùng trong 1 cơ cấu phanh với cơ cấu phanh chính nhưng hệ thống dẫn động phải độc lập; ● Hệ thống phanh dự phòng: là hệ thống phanh được dùng để dự phòng khi hệ thống phanh chính bị hư hỏng có hệ thống dẫn độc lập. Hiện nay hệ thống phanh tay đảm nhận luôn chức năng của hệ thống này; ● Hệ thống phanh bổ trợ: trên các loại xe có trọng lượng lớn, hoạt động trên đường dốc, đèo núi, được trang bị them hệ thống phanh bổ trợ được gọi là hệ thống phanh chậm dần nhằm mục đích giảm tốc độ của ô tô khi đang đi trên đường dốc dài.

Phân loại theo cách bố trí : ● Phanh ở bánh xe. ● Phanh ở trục hệ thống truyền lực.3 Phân loại theo bộ phận tiến hành phanh của cơ cấu phanh ● Phanh guốc (Hay còn gọi là phanh tang trống): là một bộ phận an toàn không thể thiếu trên các phương tiện giao thông. Đây cũng là loại phanh dùng má phanh áp vào mặt của guốc phanh mà khi tác động sẽ ép vào mặt trong của trống phanh, bộ phận thanh được liên kết với bánh xe. Chi tiết này được chế tạo từ nhôm đúc, có trọng lượng nhẹ và tản nhiệt tốt.

Guốc phanh có nhiều hình dáng khác nhau, các kiểu đa dạng của guốc phanh được nhân dạng bằng số hiệu guốc được chỉ định bởi viện Tiêu chuẩn vật liệu ma sát (FMSI: Fricho n Materials 6 Standards Institute). Thông thường guốc phanh được đặt hàng theo sự chế tạo, kiểu xe, năm sản xuất đối với từng loại xe riêng để đạt được sự chuẩn xác.1 Sơ đồ cấu tạo phanh tang trống (phanh guốc) ● Phanh đai : Là loại phanh được sử dụng khá nhiều bởi cấu tạo rất đơn giản. Nhưng thường chỉ dùng cho cơ cấu di chuyển quay vì tính an toàn không cao do chúng chịu rất kém lực ma sát sinh ra từ phanh đai và bánh phanh.2 : Hình ảnh phanh đai ● Phanh đĩa: Là một thiết bị cơ học dùng để dừng tốc độ của xe hoặc tốc độ của các thiết bị di chuyển khác. Còn biết đến với tên gọi là thắng, hãm hay bộ giảm 7 tốc, phanh sử dụng lực ma sát để chuyển động năng thành nhiệt năng mặc dù có những phương pháp chuyển đổi năng lượng khác cũng được dùng.3 Sơ đồ cấu tạo phanh đĩa 2.

Phân loại theo bộ phận quay của cơ cấu phanh : ● Phanh loại trống: Phần quay là tang trống ở bên ngoài, phần đứng yên là cơ cấu xylanh thủy lực, lò xo và má phanh(guốc phanh). Khi đạp phanh, thông qua các cơ cấu dẫn động, xylanh thủy lực sẽ đẩy hai phần má phanh bung ra ngoài và ép sát vào mặt trong của tang trống để tạo ma sát và giảm tốc độ của xe. Thường xuất hiện trên các mẫu xe tải, xe khách, xe bán tải do đặc thù vận hành trên những địa hình có phần phức tạp hơn. ● Phanh loại đĩa: Đối với phanh đĩa, phần quay là một đĩa kim loại (thép, gốm carbon, …) gắn với bánh xe.

Phần chứa má phanh là kẹp phanh (heo phanh). Kẹp phanh cũng chứa các piston phanh để khi đạp phanh, thông qua cơ cấu dẫn động là dầu phanh, các piston này sẽ đẩy má phanh ép sát vào đĩa phanh giúp giảm tốc độ xe. Hiện nay, những mẫu xe thể thao và cao cấp chủ yếu sử dụng hệ thống phanh đĩa nhờ ưu điểm về hiệu suất tốt và tính thẩm mỹ cao.5 Phân loại theo cơ cấu phanh : 8 ● Phanh loại cân bằng : - Hệ thống cân bằng điện tử ESP được viết tắt từ cụm từ Electronic Stability Program, bao gồm nhiều hệ thống con như hệ thống chống bó cứng phanh ABS, chống trượt bánh ASR, EBR… Hệ thống ESP được đánh giá là công nghệ an toàn hiện đại nhất hiện nay, là tiêu chuẩn đánh giá độ an toàn của xe đối với nhiều nước chân Âu. - Hệ thống cân bằng điện tử ESP cũng có mặt hạn chế như đường quá trơn trượt, độ mòn của lốp xe không còn đủ tiêu chuẩn cũng sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống mang lại.Xe được trang bị hệ thống cân bằng điện tử ESP giúp người lái xe kiểm soát được xe tránh được các tình huống lệch góc lái, trượt bánh, văng đầu xe, trượt đuôi xe khi vào cua hay di chuyển xe ở tốc độ cao, di chuyển ở đoạn đường trơn trượt, sỏi đá, nhiều ổ gà …; Hình 2.4 Hệ thống cân bằng điện tử ESP - Không chỉ với trường hợp phanh khẩn cấp hay hạn chế trường hợp xe bị trượt bánh, hệ thống cân bằng điện tử còn có tác dụng giúp người lái xe không bị mất lái do tăng tốc đột ngột, tăng khả năng bám đường hơn.

Nhờ vậy mà xe ô tô giữ Hình 2.4 : Hệ thống 9cân bằng điện tử ESP được cân bằng không bị nghiêng, trượt bánh hay bị lật xe, giúp xe ô tô về lại trạng thái hoạt động ổn định; [2] ● Phân loại không cân bằng 2.6 Phân loại theo dẫn động phanh ● Phanh cơ khí : Hệ thống phanh dẫn động cơ khí (hay còn gọi là dẫn động bằng dây cáp) thường được sử dụng trên các dòng xe đời cũ. Hiện nay, kiểu dẫn động phanh này chỉ được sử dụng cho hệ thống phanh dừng, đây là yêu cầu bắt buộc đối với hệ thống phanh dừng để đảm bảo độ tin cậy và độ an toàn của hệ thống phanh dừng. Có hai loại như : - Loại Cần : Chủ yếu sử dụng ở xe du lịch và xe thương mại(là loại phổ biến nhất hiện nay); - Loại thanh kéo : Dùng ở một số xe thương mại.