Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghệ ô tô toàn cầu và tại Việt Nam đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ với xu hướng tự động hóa, xe điện hóa, kết nối thông minh và cải tiến hiệu suất động cơ. Cùng với sự gia tăng về mật độ giao thông và tốc độ di chuyển của phương tiện, yêu cầu về an toàn chuyển động trở thành tiêu chí cốt lõi trong thiết kế phương tiện giao thông cơ giới đường bộ. Trong các cơ cấu an toàn chủ động trên ô tô, hệ thống phanh giữ vai trò quyết định trong việc giảm tốc độ, dừng hẳn hoặc giữ phương tiện đứng yên trên dốc, đảm bảo an toàn ở dải tốc độ cao và nâng cao năng suất vận chuyển.

Tại thị trường Việt Nam, Kia Seltos 2020 là mẫu xe SUV/Crossover đô thị được Tập đoàn THACO sản xuất và lắp ráp, trang bị động cơ tăng áp Kappa 1.4 T-GDi kết hợp hộp số ly hợp kép 7 cấp (7-DCT). Việc nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống phanh trên dòng xe này có ý nghĩa kỹ thuật thực tiễn nhằm tối ưu hóa hiệu quả phanh, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn khắt khe và nâng cao tính ổn định chuyển động của xe.

Theo văn bản khóa luận, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

  1. Tính toán lực phanh cần thiết: Xác định mô-men và lực phanh yêu cầu tại các bánh xe nhằm đảm bảo quãng đường phanh ngắn nhất và kiểm soát ổn định chuyển động khi phanh ngặt.
  2. Lựa chọn phương án thiết kế phù hợp: Phân tích, đánh giá và lựa chọn cơ cấu phanh (phanh đĩa), dẫn động phanh (thủy lực hai dòng trợ lực chân không) và hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS).
  3. Tính toán chi tiết các cụm chi tiết: Tính toán kích thước đĩa phanh, má phanh; đường kính và hành trình piston xilanh công tác, xilanh phanh chính; kiểm tra bền đường ống dẫn dầu và thiết kế bộ trợ lực phanh chân không (màng cường hóa, lò xo màng, lò xo van khí).
  4. Xây dựng quy trình bảo dưỡng, sửa chữa: Thiết lập các bước bảo dưỡng hàng ngày, bảo dưỡng định kỳ và quy trình xử lý sự cố kỹ thuật của hệ thống phanh xe Kia Seltos 2020.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh trên xe Kia Seltos 2020 (phiên bản động cơ Kappa 1.4 T-GDi, dẫn động cầu trước FWD).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế tính toán động lực học phanh cơ học - thủy lực, phân tích cấu tạo nguyên lý hệ thống trợ lực và hệ thống ABS; xây dựng nội dung bảo dưỡng kỹ thuật. Đề tài được thực hiện trong thời gian 3 tháng và hoàn thành vào tháng 07/2024 tại Khoa Cơ Điện và Công Trình, Trường Đại học Lâm Nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Tác giả vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô:

  • Lý thuyết động lực học phanh ô tô: Phân tích sự phân bố tải trọng tĩnh và động lên các cầu xe khi phanh; quan hệ giữa lực bám, hệ số bám ($\varphi$) và hệ số trượt ($s$) của bánh xe với mặt đường; mô hình xác định mô-men phanh cần thiết nhằm khai thác tối đa khả năng bám của lốp xe kích thước 215/60R17.
  • Lý thuyết truyền dẫn thủy lực ô tô: Nguyên lý truyền áp suất tĩnh học chất lỏng trong mạch dẫn động hai dòng phân nhánh; tính toán tỷ số truyền thủy lực giữa xilanh chính (tổng phanh) và xilanh con tại bánh xe (caliper).
  • Nguyên lý trợ lực chân không: Cơ sở chênh lệch áp suất giữa áp suất khí quyển và độ chân không trong đường ống nạp động cơ để tạo lực cường hóa tỉ lệ thuận với lực đạp của người lái.
  • Hệ thống điều khiển chống bó cứng ABS: Nguyên lý điều khiển vòng kín thông qua khối xử lý trung tâm HECU (Hydraulic & Electronic Control Unit), tín hiệu cảm biến tốc độ góc bánh xe và cơ cấu chấp hành van điện từ 3 vị trí.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát, thu thập tài liệu cấu tạo và thông số kỹ thuật thực tế của xe Kia Seltos 2020; phân loại, đánh giá ưu nhược điểm của các dạng cơ cấu phanh (tang trống, phanh đĩa) và các sơ đồ dẫn động (cơ khí, thủy lực, khí nén, thủy khí kết hợp).
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Áp dụng công thức giải tích chuyên ngành tính toán động lực học, áp suất thủy lực, kích thước hình học má phanh, ứng suất và độ biến dạng của các chi tiết đàn hồi (lò xo màng, lò xo van khí).
  • Phương pháp phân tích dữ liệu và mô phỏng trạng thái: Phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống ở các chế độ phanh bình thường, phanh ngặt, giữ phanh, phanh khi mất nguồn chân không và 3 trạng thái của bộ chấp hành ABS (giảm áp, giữ áp, tăng áp).

Nguồn dữ liệu

  • Thông số kỹ thuật chính thức của mẫu xe Kia Seltos 2020 do THACO sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam.
  • Giáo trình và tài liệu tính toán thiết kế ô tô của Trường Đại học Lâm Nghiệp và các tiêu chuẩn kiểm định an toàn kỹ thuật phương tiện cơ giới đường bộ.

Thiết kế kỹ thuật và thông số hệ thống

Dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán thiết kế hệ thống phanh xe Kia Seltos 2020 được trích xuất từ văn bản khóa luận như sau:

Thông số đặc tính kỹ thuật Giá trị / Mô tả
Kích thước tổng thể (Dài x Rộng x Cao) 4315 x 1800 x 1645 mm
Chiều dài cơ sở ($L$) 2610 mm
Khoảng sáng gầm xe 190 mm
Bán kính quay vòng tối thiểu 5300 mm
Khối lượng không tải 1290 kg
Khối lượng toàn tải 1740 kg
Động cơ & Hộp số Kappa 1.4 T-GDi (138 mã lực, 242 Nm) / Ly hợp kép 7 cấp (DCT)
Hệ thống dẫn động Cầu trước (FWD)
Kích thước lốp 215/60R17
Hệ thống treo trước / sau MacPherson & Thanh cân bằng
Trang bị an toàn chủ động ABS, EBD, ESP, BA, VMS, HAC

Từ phân tích yêu cầu kỹ thuật và phân bổ tải trọng, tác giả lựa chọn phương án thiết kế tổng thể cho hệ thống phanh:

  • Cơ cấu phanh cầu trước: Phanh đĩa kiểu càng phanh di động (caliper trượt), sử dụng đĩa phanh thông gió (ventilated disc) nhằm tối ưu hóa khả năng tản nhiệt khi cầu trước chịu tải trọng phanh lớn.
  • Cơ cấu phanh cầu sau: Phanh đĩa kiểu càng phanh di động, sử dụng đĩa phanh đặc (solid disc) nhằm tiết kiệm chi phí do tải trọng phân bổ ở cầu sau nhỏ hơn.
  • Sơ đồ mạch thủy lực: Dẫn động thủy lực hai dòng bố trí dạng mạch chéo (diagonal split: buồng 1 xilanh chính điều khiển bánh trước phải và bánh sau trái; buồng 2 điều khiển bánh trước trái và bánh sau phải), đảm bảo duy trì tối thiểu 50% hiệu quả phanh khi xảy ra rò rỉ một nhánh.
  • Bộ trợ lực phanh: Bầu trợ lực chân không đơn màng đàn hồi, lấy áp suất chân không từ đường ống nạp động cơ.
  • Hệ thống an toàn: Tích hợp bộ chấp hành thủy lực điện tử ABS điều khiển độc lập 4 bánh xe.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 khái quát lịch sử phát triển ô tô thế giới từ năm 1860 và hiện trạng ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam. Tác giả đi sâu phân tích lý thuyết hệ thống phanh ô tô:

  • Công dụng, yêu cầu kỹ thuật: Giảm tốc, dừng và đỗ xe; yêu cầu quãng đường phanh ngắn, phanh êm dịu, không tự xiết, độ nhạy cao và giữ tỉ lệ thuận giữa lực bàn đạp với lực phanh.
  • Phân loại kết cấu: Phân tích chi tiết 4 dạng phanh tang trống (guốc đối xứng qua trục, đối xứng qua tâm, guốc dạng bơi, guốc tự cường hóa tác dụng đơn/kép) và phanh đĩa (giá đỡ cố định, giá đỡ di động). Khẳng định ưu thế vượt trội của phanh đĩa về tản nhiệt, tự thoát nước và độ ổn định mô-men ma sát.
  • Phân loại dẫn động: Đánh giá ưu nhược điểm của dẫn động cơ khí (dùng cho phanh dừng), dẫn động thủy lực 1 dòng và 2 dòng, dẫn động khí nén và hệ thống thủy - khí kết hợp.
  • Cơ cấu trợ lực và ABS: Khái quát cấu tạo bộ trợ lực chân không và đồ thị quan hệ hệ số bám - độ trượt nhằm giải thích vai trò của ABS trong việc chống trượt lết bánh xe.

Chương 2: Kết cấu chi tiết hệ thống phanh xe Kia Seltos

Chương 2 trình bày cụ thể kiến trúc hệ thống phanh của xe Kia Seltos 2020:

  • Tổng quan phương tiện: Giới thiệu mẫu Crossover đô thị Kia Seltos 2020 trang bị 3 chế độ lái (Eco - Normal - Sport), 3 chế độ kiểm soát lực kéo và hệ thống khung gầm thép cường lực.
  • Kết cấu cơ cấu phanh đĩa: Cấu tạo cụm ngàm phanh gồm khung đỡ, piston lực, cúp-pen cao su định vị tự hồi vị, miếng đệm chống ồn, má phanh ma sát có chiều dày tấm ma sát 9–10 mm và xương thép 2–3 mm tích hợp chốt báo mòn cơ khí (báo động khi mòn còn 1–4 mm).
  • Xilanh phanh chính (Tandem): Cấu tạo gồm hai piston (piston số 1 và piston số 2) cùng các lò xo hồi vị, cửa nạp, cửa bù và bình dầu. Trình bày rõ nguyên lý làm việc khi phanh bình thường, khi nhả phanh và khi xảy ra sự cố rò rỉ dầu ở khoang trước hoặc khoang sau.
  • Bộ trợ lực chân không: Phân tích chi tiết 5 trạng thái làm việc (không đạp phanh, đạp phanh, giữ phanh, phanh tối đa và trạng thái phanh khi mất chân không động cơ).
  • Nguyên lý điều khiển ABS: Cấu tạo bộ chấp hành gồm van nạp (IV), van xả (OV) và bơm hồi dầu (RP). Tác giả mô tả chi tiết dòng điện điều khiển từ HECU qua cuộn dây solenoid ở 3 chế độ:
    • Chế độ giảm áp: Cấp dòng 5A mở van xả OV, đóng van nạp IV, kích hoạt bơm RP bơm dầu ngược về xilanh chính.
    • Chế độ giữ áp: Hạ dòng điện xuống 2A đóng kín cả van nạp IV và van xả OV, giữ áp suất xilanh bánh xe ổn định.
    • Chế độ tăng áp: Ngắt dòng điện (0A), van nạp IV mở tự nhiên để dầu áp suất cao từ xilanh chính đi vào cơ cấu phanh.

Chương 3: Thiết kế hệ thống phanh trên xe Kia Seltos

Chương 3 tập trung vào toàn bộ nội dung tính toán kỹ thuật:

  • Tính toán động lực học: Xác định mô-men phanh cần thiết phân bố trên các bánh xe cầu trước và cầu sau dựa trên tải trọng toàn tải 1740 kg và hệ số bám mặt đường.
  • Tính toán cơ cấu phanh đĩa: Xác định bán kính làm việc trung bình của đĩa phanh, diện tích bề mặt ma sát má phanh và lực ép của piston lên đĩa phanh.
  • Tính toán dẫn động thủy lực:
    • Tính đường kính và hành trình dịch chuyển của piston xilanh công tác bánh trước và bánh sau.
    • Xác định đường kính và hành trình làm việc của piston xilanh phanh chính.
    • Tính toán tỷ số truyền bàn đạp phanh và hành trình tổng cộng của bàn đạp phanh.
    • Kiểm nghiệm độ bền chịu áp lực cao của đường ống dẫn dầu phanh.
  • Tính toán thiết kế bộ trợ lực chân không:
    • Xác định hệ số cường hóa của bộ trợ lực.
    • Tính toán diện tích làm việc và đường kính màng cường hóa.
    • Tính toán lò xo màng cường hóa: đường kính dây lò xo, số vòng làm việc, độ biến dạng cực đại và ứng suất lò xo.
    • Tính toán lò xo van không khí: đường kính dây, số vòng làm việc và độ biến dạng cực đại.

Chương 4: Bảo dưỡng hệ thống phanh xe Kia Seltos

Chương 4 xây dựng cẩm nang thực hành bảo dưỡng kỹ thuật:

  • Nội dung kiểm tra: Quy định các bước kiểm tra hàng ngày (mức dầu phanh, độ rơ bàn đạp, hiệu quả phanh thử nghiệm) và bảo dưỡng định kỳ (vệ sinh ngàm phanh, kiểm tra độ dày má phanh và đĩa phanh).
  • Chẩn đoán hư hỏng: Phân tích các hiện tượng hư hỏng phổ biến (bàn đạp phanh bị xốp/chìm do lọt khí, lực phanh yếu, phanh bị lệch hướng, bó phanh, phanh phát ra tiếng kêu) và phương pháp xử lý.
  • Quy trình công nghệ bảo dưỡng: Hướng dẫn chi tiết thao tác tháo lắp bình dầu, kiểm tra xilanh chính, đo độ đảo đĩa phanh và quy trình xả khí (xả air) hệ thống thủy lực theo trình tự từ bánh xe xa xilanh chính nhất đến bánh xe gần nhất.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật

  • Hoàn thành hệ thống tính toán thiết kế: Xác lập bộ thông số động lực học, kích thước hình học và độ bền cho toàn bộ hệ thống phanh xe Kia Seltos 2020, bao gồm cơ cấu phanh đĩa 4 bánh, xilanh chính 2 buồng, dẫn động thủy lực 2 dòng mạch chéo và bầu trợ lực chân không.
  • Hệ thống hóa nguyên lý ABS: Trình bày chi tiết mạch thủy lực và thông số dòng điện điều khiển van điện từ của HECU (chế độ giảm áp 5A, giữ áp 2A, tăng áp 0A), làm rõ cơ chế ngăn ngừa hiện tượng trượt lết bánh xe.
  • Xây dựng quy trình kỹ thuật: Hoàn thiện bảng quy trình kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ và bảng chẩn đoán nguyên nhân - biện pháp khắc phục các hư hỏng điển hình của hệ thống phanh.

Giải pháp và đề xuất

  • Đề xuất giải pháp sử dụng đĩa phanh thông gió cho cầu trước kết hợp đĩa phanh đặc cho cầu sau nhằm tối ưu hóa hiệu quả tản nhiệt mà vẫn đảm bảo tính kinh tế trong chế tạo.
  • Khuyến nghị sử dụng mạch thủy lực phân nhánh đường chéo để nâng cao tính an toàn dự phòng khi một nhánh đường dẫn bị rò rỉ áp suất.

Đóng góp của đề tài

  • Khóa luận đã hệ thống hóa phương pháp tính toán thiết kế hệ thống phanh thủy lực hiện đại có trợ lực chân không và điều khiển điện tử ABS cho một mẫu SUV cỡ nhỏ cụ thể đang lưu hành tại Việt Nam.
  • Kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học động lực học ô tô và kết cấu thực tế của xe thương mại, cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài chủ yếu tập trung vào tính toán lý thuyết giải tích và phân tích kết cấu dựa trên thông số công bố của nhà sản xuất; chưa thực hiện chế tạo mô hình thực nghiệm vật lý hoặc thử nghiệm trên băng thử phanh chuyên dụng để kiểm chứng sai số thực tế do giới hạn thời gian thực hiện (3 tháng).
  • Hướng phát triển:
    • Ứng dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM/CFD) để phân tích trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt của đĩa phanh khi phanh liên tục ở tốc độ cao.
    • Nghiên cứu thuật toán điều khiển tích hợp giữa hệ thống phanh ABS với hệ thống cân bằng điện tử (ESP) và phanh tái sinh trên các dòng xe Hybrid/EV.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực tham khảo làm tài liệu học tập, thực hiện đồ án môn học Thiết kế Ô tô và đồ án tốt nghiệp.
  • Nội dung giá trị: Phương pháp tính toán chi tiết bộ trợ lực phanh chân không; phương pháp xác định thông số thủy lực xilanh chính - xilanh bánh xe; sơ đồ nguyên lý 3 chế độ điều khiển của cụm chấp hành ABS và quy trình chẩn đoán, xả khí đường ống phanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận lựa chọn sơ đồ mạch dẫn động thủy lực nào cho xe Kia Seltos 2020 và tại sao?

Khóa luận lựa chọn sơ đồ dẫn động thủy lực hai dòng bố trí dạng mạch chéo (diagonal split). Một dòng điều khiển bánh trước phải - bánh sau trái, dòng còn lại điều khiển bánh trước trái - bánh sau phải. Sơ đồ này đảm bảo khi một đường ống bị rò rỉ hoặc mất áp suất, dòng còn lại vẫn duy trì lực phanh ở cả hai cầu, giúp xe giảm tốc ổn định và không bị mất lái hoàn toàn.

2. Sự khác nhau giữa cơ cấu phanh trước và phanh sau trên xe Kia Seltos 2020 được thiết kế như thế nào?

Cả hai cầu đều sử dụng cơ cấu phanh đĩa kiểu càng phanh di động (caliper trượt). Tuy nhiên, cầu trước sử dụng đĩa phanh thông gió (có các lỗ/rãnh hướng kính tản nhiệt) do chịu phần lớn tải trọng động khi phanh; cầu sau sử dụng đĩa phanh đặc để giảm giá thành chế tạo và khối lượng do tải trọng phân bố lên cầu sau nhỏ hơn.

3. Cụm chấp hành ABS điều khiển áp suất dầu phanh qua các chế độ nào và mức dòng điện là bao nhiêu?

HECU điều khiển bộ chấp hành qua 3 chế độ:

  • Giảm áp: Cấp dòng điện 5A để mở van xả (OV), đóng van nạp (IV) và chạy bơm hồi dầu (RP).
  • Giữ áp: Cấp dòng điện 2A để đóng cả van nạp (IV) và van xả (OV), duy trì áp suất không đổi.
  • Tăng áp: Ngắt dòng điện (0A) để van nạp (IV) mở tự nhiên, cho phép dầu từ xilanh chính cấp vào xilanh bánh xe.

4. Khi động cơ tắt máy hoặc hệ thống trợ lực chân không bị hỏng, hệ thống phanh hoạt động ra sao?

Khi không có độ chênh áp chân không, cần điều khiển van sẽ tác động cơ học trực tiếp đẩy đĩa phản lực, cần đẩy bộ trợ lực và piston xilanh chính. Hệ thống phanh vẫn hoạt động bình thường nhưng người lái sẽ cảm thấy bàn đạp phanh rất nặng do mất lực trợ lực hỗ trợ.

5. Độ dày tiêu chuẩn và giới hạn mòn của má phanh xe Kia Seltos được nêu trong khóa luận là bao nhiêu?

Tấm ma sát của má phanh mới dày khoảng 9 đến 10 mm, gắn trên xương má phanh bằng thép dày 2 đến 3 mm. Khi má phanh mòn đến chiều dày còn từ 1 đến 4 mm, chốt báo mòn cơ khí sẽ tiếp xúc với bề mặt đĩa phanh để phát tín hiệu cảnh báo cần thay thế.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên xe Kia Seltos" của sinh viên Nguyễn Quang Huy đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cơ khí và thủy lực cho hệ thống phanh ô tô hiện đại. Đề tài xây dựng đầy đủ cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương án bố trí phanh đĩa 4 bánh kết hợp trợ lực chân không và chống bó cứng ABS, đồng thời tính toán chi tiết độ bền các chi tiết kết cấu. Kết quả nghiên cứu và quy trình bảo dưỡng được trình bày logic, khoa học, là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.