Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang trong tiến trình hội nhập sâu rộng với thị trường khu vực và thế giới. Chủ trương nhất quán của Chính phủ là gia tăng tỷ lệ nội địa hóa trong các sản phẩm lắp ráp và chế tạo, tiến tới việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ và sản xuất các phương tiện giao thông mang thương hiệu Việt Nam. Để hiện thực hóa mục tiêu này, việc nghiên cứu chuyên sâu về các cụm, hệ thống tổng thành trên xe dưới điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam—đặc biệt là các yếu tố về khí hậu và hạ tầng giao thông—trở thành một yêu cầu cấp thiết.

Song song với bài toán công nghệ chế tạo, tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật luôn được đặt lên hàng đầu trong thiết kế ô tô hiện đại. Trong các cụm chi tiết an toàn chủ động, hệ thống phanh giữ vai trò trọng yếu nhất, có chức năng giảm tốc độ theo yêu cầu của người lái, dừng hẳn phương tiện hoặc giữ xe đứng yên ổn định trong thời gian dài trên các địa hình dốc. Một hệ thống phanh đạt chuẩn phải phát huy hiệu quả phanh cao, vận hành an toàn và tin cậy ở mọi dải tốc độ, đặc biệt là khi xe vận hành ở vận tốc lớn hoặc khi chịu tải trọng thay đổi.

Đề tài "Thiết kế hệ thống phanh xe trên xe cơ sở Lexus GX460 năm sản xuất 2016" được sinh viên Nguyễn Hoàng Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Lợi tại Khoa Cơ khí - Bộ môn Cơ khí Ô tô, Trường Đại học Giao thông Vận tải (Tp. Hồ Chí Minh, năm 2023). Đồ án tập trung vào các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Khảo sát, phân tích tổng quan về kết cấu hệ thống phanh ô tô du lịch và kết cấu thực tế của hệ thống phanh trên dòng xe thể thao đa dụng (SUV) Lexus GX460 đời 2016.
  2. Lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho cơ cấu phanh trước, cơ cấu phanh sau, cơ cấu phanh dừng và hệ thống dẫn động thủy lực trợ lực.
  3. Tính toán thiết kế động lực học phanh: xác định mô-men phanh cần thiết, kích thước hình học má phanh và đĩa phanh, lực ép cần thiết của piston.
  4. Kiểm nghiệm khả năng làm việc của hệ thống thông qua các chỉ tiêu về công ma sát riêng, áp suất trên bề mặt tiếp xúc và độ tăng nhiệt độ của cơ cấu phanh.
  5. Tính toán các thông số dẫn động thủy lực: đường kính xi lanh công tác bánh xe, đường kính xi lanh chính, hành trình bàn đạp phanh và công suất bơm trợ lực.
  6. Thiết kế và kiểm tra cơ cấu phanh dừng (phanh tay kiểu tang trống kết hợp ở bánh sau).
  7. Xây dựng mô hình hình học 3D của các chi tiết và mô phỏng chế độ dòng chảy thủy lực trong hệ thống phanh bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm hệ thống phanh (gồm cơ cấu phanh, dẫn động thủy lực trợ lực, phanh đỗ và hệ thống điều khiển tích hợp) dựa trên các thông số kỹ thuật của xe cơ sở Lexus GX460 sản xuất năm 2016.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế giải tích và mô phỏng kỹ thuật được triển khai tại Bộ môn Cơ khí Ô tô, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phân hiệu tại TP. Hồ Chí Minh.
    • Thời gian: Dữ liệu xe cơ sở thuộc phiên bản năm 2016; toàn bộ nội dung đồ án được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 12 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng khung lý thuyết chuyên ngành Cơ khí ô tô kết hợp với các tiêu chuẩn thiết kế động lực học phanh hiện hành:

  • Khung lý thuyết và mô hình động lực học:

    • Lý thuyết động lực học phanh ô tô: Thiết lập phương trình cân bằng mô-men tại các vết tiếp xúc của bánh xe với mặt đường trong điều kiện phanh ngặt với gia tốc chậm dần cực đại ($J_{pmax} = 6 \div 7 \text{ m/s}^2$). Xác định phản lực pháp tuyến động học lên các cầu xe khi có xét đến ảnh hưởng của lực quán tính và tọa độ trọng tâm ô tô.
    • Điều kiện bám của bánh xe với mặt đường ($P_{pmax} \leq Z_b \cdot \varphi$): Sử dụng hệ số bám quy chuẩn $\varphi = 0,6$ cho bề mặt đường nhựa tốt ở trạng thái phanh nguy hiểm.
    • Lý thuyết ma sát và biến đổi năng lượng: Động năng chuyển động tịnh tiến và quay của ô tô ở vận tốc bắt đầu phanh được giả thiết chuyển hóa hoàn toàn thành công ma sát tại các cơ cấu phanh, từ đó xác định độ tăng nhiệt độ của các đĩa phanh.
    • Nguyên lý thủy lực điều khiển phanh ô tô: Áp dụng định luật Pascal cho hệ dẫn động thủy lực hai dòng độc lập; lý thuyết điều khiển tỷ lệ servo biến thiên trên xi lanh phanh chính kết hợp trợ lực tích năng cao áp.
    • Hệ thống an toàn tích hợp: Khảo sát các nguyên lý điều khiển chống bó cứng bánh xe (ABS), phân phối lực phanh điện tử (EBD), trợ lực phanh khẩn cấp (BA/EBA), kiểm soát lực kéo (TRC), kiểm soát lực kéo chủ động (A-TRC), cân bằng thân xe điện tử (VSC) và hệ thống phanh ABS đa địa hình (Multi-terrain ABS).

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, giải mã sơ đồ nguyên lý cấu tạo, bố trí hệ thống và các cụm chi tiết trên dòng xe SUV Lexus GX460 đời 2016.
    • Phương pháp tính toán giải tích cơ khí - thủy lực: Vận dụng các công thức tính toán kinh nghiệm và lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật ô tô để xác định kích thước đĩa phanh, bề rộng và góc ôm của má phanh, kích thước đường kính xi lanh bánh xe, xi lanh chính và hành trình bàn đạp.
    • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS để xây dựng mô hình không gian 3D của các chi tiết cơ khí và mô-đun SOLIDWORKS Flow Simulation để mô phỏng trường dòng chảy của dầu phanh trong hệ thống thủy lực ở các chế độ phanh thông thường và phanh khẩn cấp.

  • Nguồn dữ liệu:

    • Bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe cơ sở Lexus GX460 2016 do nhà sản xuất công bố (khối lượng, kích thước bao, bán kính quay vòng, công suất động cơ 1UR-FE-V8, ký hiệu lốp P265/60R18).
    • Thông số kỹ thuật của cụm bơm thủy lực thương mại YUKEN mã hiệu PV2R1 dùng cho hệ thống trợ lực phanh.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống phanh được lựa chọn và thiết kế trên cơ sở kết hợp các đặc tính kết cấu phù hợp với dòng xe SUV hạng sang, chịu tải trọng lớn và vận hành đa địa hình:

1. Kiến trúc tổng thể và giải pháp bố trí

  • Cơ cấu phanh trước: Thiết kế cơ cấu phanh đĩa kiểu giá đỡ cố định (fixed caliper). Đĩa phanh được đúc bằng gang, có thiết kế rãnh xẻ thông gió ở giữa nhằm tăng diện tích đối lưu thoát nhiệt. Càng phanh chế tạo bằng gang rèn; bề mặt xi lanh bằng hợp kim nhôm được mạ crôm giảm ma sát và chống mài mòn. Cụm piston bố trí đối xứng tác động ép má phanh trực tiếp từ hai phía.
  • Cơ cấu phanh sau: Thiết kế cơ cấu phanh đĩa kiểu giá đỡ di động (floating caliper). Đĩa phanh có kết cấu thông gió; giá đỡ di trượt ngang trên các chốt trượt định vị nhằm tự lựa khe hở hai bên má phanh. Kết hợp bố trí cơ cấu phanh dừng dạng tang trống (guốc phanh) đặt gọn bên trong phần moay-ơ của đĩa phanh sau.
  • Hệ thống dẫn động và trợ lực: Sử dụng dẫn động thủy lực hai dòng độc lập có trợ lực phanh thủy lực cao áp tích hợp cụm bơm mô-tơ điện và bình tích năng (accumulator) chứa khí nitơ áp suất cao. Bình tích năng duy trì nguồn dự trữ áp suất thủy lực lớn, độc lập với độ chân không đường nạp động cơ, giúp tối ưu hóa không gian khoang động cơ và đáp ứng tức thời trong các tình huống phanh khẩn cấp.

2. Thiết bị công nghệ và cụm chấp hành

Hệ thống dẫn động sử dụng bơm thủy lực thể tích YUKEN PV2R1 với các thông số làm việc kỹ thuật:

Thông số kỹ thuật bơm YUKEN PV2R1 Giá trị xác lập
Lưu lượng riêng ($q$) $5,8\text{ cc/vòng}$
Áp suất làm việc cực đại ($P_{max}$) $210\text{ bar}$
Tốc độ làm việc tối thiểu $600 - 700\text{ v/p}$
Tốc độ làm việc tối đa $1800\text{ v/p}$
Dải nhiệt độ hoạt động $-20^\circ\text{C} \div 80^\circ\text{C}$

Xi lanh phanh chính thuộc dạng hai piston đường kính bậc ($26,99\text{ mm}$ và $19,05\text{ mm}$ trên xe gốc, thiết kế tính toán chọn đường kính danh nghĩa $D = 29\text{ mm}$), tích hợp cơ cấu servo biến thiên gồm đĩa phản lực cao su, thanh phản ứng và van ống chỉ (spool valve). Khi người lái tác động bàn đạp, cơ cấu đĩa cao su biến dạng giúp điều chỉnh tỷ lệ trợ lực tương ứng với áp suất trong buồng tăng áp.

Hệ thống cảm biến đồng bộ phục vụ điều khiển điện tử gồm:

  • 04 cảm biến tốc độ bánh xe loại chủ động sử dụng phần tử điện trở từ (MRE) kết hợp vòng rô-to nam châm đa cực bố trí trong ổ bi moay-ơ.
  • Cụm cảm biến tốc độ góc quay thân xe (Yaw rate sensor) tích hợp cảm biến gia tốc dọc và gia tốc ngang.
  • Cảm biến góc đánh lái gắn trên trục lái truyền tín hiệu về ECU điều khiển trượt.

3. Mô phỏng thủy lực

Triển khai mô phỏng trên SOLIDWORKS Flow Simulation để kiểm chứng sự phân bố dòng chất lỏng thủy lực:

  • Chế độ phanh thông thường: Khảo sát áp suất phân phối từ buồng xi lanh chính qua các đường dẫn dầu đến xi lanh bánh xe; kiểm tra trạng thái lưu lượng và độ sụt áp qua các cửa van chuyển mạch.
  • Chế độ phanh khẩn cấp: Mô phỏng quá trình ECU kích hoạt mở toàn bộ cụm van điện từ đưa dầu áp suất cao từ bình tích năng trực tiếp vào đường phanh bánh xe, giúp rút ngắn thời gian chậm tác dụng của hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phanh và kết cấu hệ thống phanh trên xe Lexus GX460

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các lý thuyết kết cấu về hệ thống phanh trên ô tô du lịch và đi sâu phân tích cấu tạo chi tiết hệ thống phanh của xe cơ sở Lexus GX460 sản xuất năm 2016.

  • Phân loại và kết cấu chung: Phân tích ưu nhược điểm của phanh đĩa (giá cố định và giá di động) so với phanh tang trống; đối chiếu hệ thống trợ lực chân không và trợ lực thủy lực cao áp; so sánh hai phương án phân dòng thủy lực (chia dòng riêng biệt cầu trước/sau và chia dòng chéo); trình bày cấu tạo phanh tay cơ khí dẫn động cáp và phanh tay điện tử điều khiển mô-tơ tích hợp chức năng AUTO HOLD.
  • Thông số kỹ thuật xe cơ sở Lexus GX460 2016:
Hạng mục thông số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Kiểu động cơ / Dung tích công tác 1UR-FE-V8 cc 4608 (4.6L)
Công suất tối đa / Số vòng quay $N_e$ Hp/rpm 292 / 5500
Mô-men xoắn tối đa / Số vòng quay $M_e$ Nm/rpm 438 / 3500
Khối lượng bản thân (không tải) $G_0$ kg 2375
Khối lượng toàn tải $G$ kg 2990
Phân bố tải trọng lên cầu trước / cầu sau $G_1 / G_2$ kg 1495 / 1495
Kích thước bao (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao) $L_0 \times B \times H_0$ mm $4880 \times 1885 \times 1845$
Chiều dài cơ sở $L$ mm 2790
Chiều rộng cơ sở trước / sau $B_1 / B_2$ mm 1585 / 1585
Khoảng sáng gầm xe $H_1$ mm 205
Chiều cao trọng tâm toàn tải $h_g$ mm 500
Ký hiệu lốp xe - - P265/60R18
Bán kính quay vòng nhỏ nhất $R$ m 5,7
Tốc độ di chuyển tối đa $V_{max}$ km/h 175
Đường kính đĩa/piston phanh trước - mm Đĩa thông gió $338 \times 32$ / piston $\varnothing 48,1$
Đường kính đĩa/piston phanh sau - mm Đĩa thông gió $312 \times 18$ / piston $\varnothing 48,1$
Đường kính cơ cấu phanh dừng - mm Tang trống $\varnothing 210$
  • Nguyên lý dẫn động và các chế độ làm việc đặc biệt: Tác giả phân tích cụ thể sơ đồ thủy lực trong 4 trạng thái: khi đạp giữ phanh, khi duy trì phanh ổn định, khi nhả bàn đạp, và khi xảy ra sự cố kỹ thuật (trục trặc mất áp bình tích năng hoặc hỏng hóc rò rỉ trên mạch phanh cầu trước).
  • Lựa chọn phương án thiết kế: Xác lập cấu hình thiết kế gồm phanh đĩa giá cố định cho cầu trước, phanh đĩa giá di động kết hợp tang trống cho cầu sau, và dẫn động thủy lực hai dòng có bơm trợ lực tích năng cao áp.

Chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống phanh

Chương 2 trình bày toàn bộ chuỗi tính toán giải tích từ động lực học phanh xe đến kích thước chi tiết cơ cấu và hệ thống dẫn động.

  • Động lực học và mô-men phanh cần thiết:

    • Bán kính động lực học bánh xe: Với lốp P265/60R18, bề rộng $B = 265\text{ mm}$, chiều cao lốp $H = 0,6 \times 265 = 159\text{ mm}$, đường kính vành $d_0 = 18\text{ inch} = 457,2\text{ mm}$, tính ra bán kính thiết kế $r_0 = 0,3876\text{ m}$. Với hệ số biến dạng lốp $\lambda = 0,93$, bán kính động lực học là $r_{bx} = 0,3605\text{ m}$.
    • Tọa độ trọng tâm: Do tỷ lệ phân bố tải tĩnh giữa hai cầu là $50:50$ ($G_1 = G_2 = 1495\text{ kg}$), khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và sau bằng nhau: $a = b = 1,395\text{ m}$.
    • Mô-men phanh tính toán yêu cầu trên mỗi bánh xe:
      • Cơ cấu phanh cầu trước: $M_{p1} = 1964,55\text{ Nm}$.
      • Cơ cấu phanh cầu sau: $M_{p2} = 1269,13\text{ Nm}$.

  • Kích thước hình học cơ cấu phanh đĩa:

    • Đường kính ngoài đĩa phanh thỏa mãn điều kiện lắp ghép lọt trong vành bánh xe $18\text{ inch}$: $D_đ = 347\text{ mm}$; bán kính ngoài $R_n = 173,5\text{ mm}$.
    • Bán kính trong má phanh: $R_t = 130\text{ mm}$.
    • Bán kính ma sát trung bình: $R_{tb} = 152\text{ mm}$ ($0,152\text{ m}$).
    • Bề rộng vành ma sát: $e \approx R_n - R_t = 43,5\text{ mm}$. Khe hở má phanh $\delta_{x1} = 0,1\text{ mm}$.
    • Góc ôm tấm ma sát: Cầu trước đạt $\alpha_1 = 1,63\text{ rad}$ ($93^\circ$); cầu sau đạt $\alpha_2 = 1,05\text{ rad}$.
    • Lực ép má phanh yêu cầu:
      • Lực ép cơ cấu phanh trước: $P_1 = 21541,12\text{ N}$.
      • Lực ép cơ cấu phanh sau: $P_2 = 13915,9\text{ N}$.

  • Kiểm nghiệm khả năng làm việc:

    • Công ma sát riêng ($L$): Tổng diện tích bề mặt ma sát má phanh của toàn xe là $F_\Sigma = F_{1\Sigma} + F_{2\Sigma} = 0,043 + 0,028 = 0,071\text{ m}^2$. Khi phanh xe từ vận tốc $V_0 = 60\text{ km/h}$ ($16,6\text{ m/s}$) đến dừng hẳn, công ma sát riêng $L$ hoàn toàn thỏa mãn giới hạn bền cho phép $[L] = (4 \div 10) \times 10^6\text{ J/m}^2$.
    • Áp suất bề mặt má phanh ($q$): Áp suất ma sát trên bề mặt má phanh trước $q_1$ và má phanh sau $q_2$ nằm trong phạm vi cho phép $[q] = 1,5 \div 2,5\text{ MPa}$ ($10^6\text{ Pa}$).
    • Độ tăng nhiệt độ ($\Delta \tau$): Khi phanh từ tốc độ $V_1 = 30\text{ km/h}$ về $V_2 = 0\text{ km/h}$ với khối lượng đĩa nung nóng $m_p = 16\text{ kg}$, nhiệt dung riêng của gang thép $C = 500\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$, độ tăng nhiệt độ một đĩa phanh nằm dưới ngưỡng giới hạn $[\tau] \leq 15^\circ\text{C}$.

  • Tính toán dẫn động thủy lực:

    • Áp suất làm việc danh nghĩa của chất lỏng trong đường ống: $P_0 = 600\text{ N/cm}^2$ ($60\text{ bar}$).
    • Đường kính xi lanh công tác bánh trước: chọn $d_t = 48\text{ mm}$.
    • Đường kính xi lanh công tác bánh sau: chọn $d_s = 54\text{ mm}$.
    • Đường kính xi lanh phanh chính: Với lực tác dụng của bàn chân người lái $Q_{bđ} = 700\text{ N}$, tỷ số truyền bàn đạp phanh $l_1 / l_2 = 300 / 50 = 6$, hiệu suất truyền động $\eta = 0,92$, đường kính xi lanh chính tính toán được chọn là $D = 2,9\text{ cm}$ ($29\text{ mm}$).
    • Hành trình bàn đạp phanh: Với khe hở má phanh $x_1 = x_2 = 0,5\text{ mm}$, khe hở thanh đẩy $\delta_0 = 1,5\text{ mm}$, hành trình tự do $\delta_1 = 1,5\text{ mm}$, hệ số bổ sung phanh ngặt $\Delta = 1,05$, tổng hành trình bàn đạp đạt $S_{bđ} = 108\text{ mm}$, nhỏ hơn hành trình cực đại cho phép $[S_{bđ}] = 150\text{ mm}$.
    • Áp suất cực đại của bơm trợ lực: $P_{bmax} = 1,3 \cdot P_0 = 1,3 \times 60 = 78\text{ bar}$.

  • Tính toán cơ cấu phanh tay (phanh dừng):

    • Cơ cấu phanh guốc đặt tại moay-ơ bánh sau có bán kính tang trống tính toán $r_t = 0,1332\text{ m}$ (trên cơ sở bán kính vành $R_v = 0,2032\text{ m}$, bề dày tang trống $\delta_{tt} = 10\text{ mm}$, khe hở $\Delta_{vt} = 50\text{ mm}$). Khoảng cách chốt tỳ guốc $h = 0,8 \cdot r_t$, hệ số ma sát $\mu = 0,3$.
    • Góc ôm má phanh trước (má xiết) là $\beta_1 = 120^\circ$ ($\alpha_1 = 15^\circ, \alpha_2 = 135^\circ$), bán kính đặt lực tổng hợp $\rho_1 = 153,56\text{ mm}$.
    • Góc ôm má phanh sau (má nhả) là $\beta_2 = 100^\circ$, bán kính đặt lực tổng hợp $\rho_2 = 148,73\text{ mm}$.

Chương 3: Mô phỏng chế độ làm việc của hệ thống phanh

Chương 3 tập trung xây dựng mô hình số và kiểm nghiệm dòng chảy thủy lực:

  • Thiết lập mô hình 3D: Sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để số hóa hình học toàn bộ các chi tiết của cụm phanh (đĩa phanh, cùm phanh, má phanh, cụm piston, thân xi lanh bánh xe và xi lanh chính).
  • Thiết lập trạng thái động học ban đầu: Xây dựng các điều kiện biên về vận tốc xe, phản lực tiếp xúc mặt đường và áp suất thủy lực cấp từ nguồn tích năng khi bắt đầu đạp phanh.
  • Mô phỏng chế độ phanh thông thường: Phân tích giản đồ phanh và mô phỏng hướng chuyển động, vận tốc dòng dầu thủy lực từ xi lanh phanh chính phân phối đến các cơ cấu chấp hành ở bốn bánh xe thông qua SOLIDWORKS Flow Simulation.
  • Mô phỏng chế độ phanh khẩn cấp: Xây dựng sơ đồ thủy lực và phân tích sự can thiệp của cụm bơm trợ lực và bình tích áp; khảo sát sự biến thiên của áp suất dòng dầu và giản đồ phanh ở chế độ trợ lực khẩn cấp nhằm đánh giá khả năng gia tăng áp lực phanh nhanh chóng của hệ thống.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật định lượng

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các thông số thiết kế kỹ thuật cho hệ thống phanh trên xe cơ sở Lexus GX460 2016, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kiểm nghiệm an toàn cơ học và thủy lực:

Đại lượng tính toán Ký hiệu Đơn vị Giá trị tính toán Giới hạn cho phép Đánh giá
Mô-men phanh cơ cấu trước $M_{p1}$ Nm 1964,55 - Đạt yêu cầu bám
Mô-men phanh cơ cấu sau $M_{p2}$ Nm 1269,13 - Đạt yêu cầu bám
Lực ép má phanh trước $P_1$ N 21541,12 - Đáp ứng mô-men
Lực ép má phanh sau $P_2$ N 13915,90 - Đáp ứng mô-men
Công ma sát riêng $L$ $\text{J/m}^2$ Phù hợp quy chuẩn $(4 \div 10) \times 10^6$ Thỏa mãn bền
Áp suất bề mặt má phanh $q_1, q_2$ MPa $1,5 \div 2,5$ $1,5 \div 2,5$ Không phá hủy má
Độ tăng nhiệt độ đĩa phanh $\Delta \tau$ $^\circ\text{C}$ $\leq 15$ $\leq 15$ Chống sôi dầu
Đường kính xi lanh bánh trước $d_t$ mm 48 - Tiêu chuẩn hóa
Đường kính xi lanh bánh sau $d_s$ mm 54 - Tiêu chuẩn hóa
Đường kính xi lanh chính $D$ mm 29 - Tối ưu hóa
Hành trình bàn đạp phanh $S_{bđ}$ mm 108 $\leq 150$ Vừa tầm người lái
Áp suất cực đại bơm trợ lực $P_{bmax}$ bar 78 $\leq 210$ (của bơm YUKEN) Hệ số an toàn cao

2. Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Giải pháp thiết kế trợ lực thủy lực tích năng cao áp: Việc lựa chọn bơm mô-tơ điện kết hợp bình tích năng nạp khí nitơ giúp độc lập hóa nguồn năng lượng trợ lực phanh khỏi áp suất đường nạp động cơ, bảo đảm an toàn phanh ngay cả khi động cơ bị chết máy đột ngột.
  • Tính toán cơ cấu phanh tay tối ưu mòn: Đưa ra phương án góc ôm không đối xứng giữa má xiết ($\beta_1 = 120^\circ$) và má nhả ($\beta_2 = 100^\circ$) của cơ cấu phanh tang trống cầu sau, giải quyết triệt để sự chênh lệch mô-men ma sát tự kích nhằm giúp hai má phanh mòn đều trong quá trình làm việc.
  • Đóng góp về phương pháp tiếp cận: Kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích cổ điển ngành động lực học ô tô với công cụ mô phỏng số 3D dòng chảy (SOLIDWORKS Flow Simulation), tạo lập một quy trình thiết kế và kiểm chứng trực quan cho hệ thống phanh ô tô hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Các kết quả nghiên cứu dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết giải tích và mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng, chưa có điều kiện chế tạo mẫu thử thực tế để kiểm tra trên băng thử phanh động lực học hoặc bệ thử con lăn.
    • Phân tích nhiệt độ trong đồ án mới tính toán độ tăng nhiệt trung bình một lần phanh theo cân bằng năng lượng đơn giản, chưa mô phỏng phân bố trường nhiệt độ cục bộ và ứng suất nhiệt đàn hồi trên bề mặt đĩa phanh khi phanh liên tục trên đường đèo dốc.
    • Chưa phân tích sâu về dao động tự kích và tiếng ồn phanh (brake squeal/judder) phát sinh trong các điều kiện môi trường có độ ẩm cao hoặc bám bùn đất.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Mở rộng bài toán mô phỏng tương tác đa trường vật lý (FSI - Fluid Structure Interaction và Thermal-Stress Coupling) giữa má phanh và đĩa phanh ở các dải tốc độ cao.
    • Nghiên cứu thuật toán điều khiển điện tử chi tiết và mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL) cho các bộ điều khiển chống trượt bánh xe (ABS/TRC) trên dòng xe Lexus GX460.
    • Thử nghiệm thực nghiệm các thông số thủy lực trên mô hình bệ thử hệ thống phanh ô tô thực tế.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực tế cho:

  • Sinh viên và học viên cao học: Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đồ án môn học Thiết kế tính toán ô tô, Lý thuyết ô tô và Đồ án tốt nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế và kỹ thuật viên ngành ô tô: Tham khảo chuỗi công thức tính toán động lực học cơ cấu phanh đĩa, phương pháp xác định kích thước xi lanh phanh chính, hành trình bàn đạp và giải pháp lựa chọn bơm thủy lực trợ lực cao áp.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Toàn bộ nội dung tính toán cơ cấu phanh và dẫn động tại Chương 2 (với hệ thống công thức giải tích mạch lạc, số liệu cụ thể) và sơ đồ nguyên lý hoạt động của cụm xi lanh chính servo biến thiên tại Chương 1.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống phanh trước của xe Lexus GX460 2016 lại lựa chọn cơ cấu phanh đĩa có giá đỡ cố định thay vì giá di động?
Trả lời: Do cơ cấu phanh trước phải chịu phần lớn tải trọng khi phanh (mô-men phanh tính toán $M_{p1} = 1964,55\text{ Nm}$ so với $M_{p2} = 1269,13\text{ Nm}$ ở phanh sau). Phanh đĩa giá đỡ cố định có độ cứng vững kết cấu cao hơn, sử dụng các cặp piston đối xứng ép trực tiếp từ hai phía giúp lực ép phân bố đồng đều, tăng độ nhạy và hiệu quả phanh ở dải tốc độ cao.

2. Điểm khác biệt cơ bản giữa hệ thống trợ lực phanh thủy lực trên xe Lexus GX460 với bầu trợ lực chân không thông thường là gì?
Trả lời: Bầu trợ lực chân không sử dụng độ chênh lệch áp suất giữa khí quyển và đường ống nạp động cơ (hoặc bơm chân không rời), do đó lực trợ lực bị giới hạn bởi áp suất khí quyển. Ngược lại, trợ lực thủy lực của Lexus GX460 sử dụng cụm bơm mô-tơ điện nén dầu áp suất cao vào bình tích năng chứa khí nitơ (áp suất làm việc của bơm lên tới $78\text{ bar}$, bơm hỗ trợ tối đa $210\text{ bar}$), cung cấp lực phanh lớn, ổn định và không phụ thuộc vào trạng thái làm việc của động cơ.

3. Kết quả tính toán hành trình bàn đạp phanh của xe là bao nhiêu và có đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật không?
Trả lời: Hành trình tổng cộng của bàn đạp phanh tính toán đạt $S_{bđ} = 108\text{ mm}$. Giá trị này nằm trong giới hạn cho phép đối với dòng xe du lịch ($S_{bđ} \leq [S_{bđ}] = 150\text{ mm}$), tương ứng khoảng $72%$ hành trình cực đại cho phép, đảm bảo cảm giác phanh an toàn và vừa tầm điều khiển của người lái.

4. Tại sao góc ôm tấm ma sát của hai guốc phanh trong cơ cấu phanh dừng bánh sau lại được thiết kế khác nhau?
Trả lời: Cơ cấu phanh tay tang trống dùng một xi lanh (hoặc cơ cấu đòn đẩy) điều khiển hai guốc sẽ tạo ra một guốc xiết (má trước, có hiện tượng tự kích tăng lực ma sát) và một guốc nhả (má sau, có xu hướng bị đẩy tách ra). Để cân bằng mô-men phanh và bảo đảm hai má phanh bị mài mòn đều nhau, tác giả thiết kế góc ôm của má trước lớn hơn má sau ($\beta_1 = 120^\circ$ so với $\beta_2 = 100^\circ$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoàng Huy đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ khảo sát, tính toán thiết kế và mô phỏng hệ thống phanh trên xe cơ sở Lexus GX460 năm sản xuất 2016. Các kết quả tính toán động lực học, kích thước cơ cấu phanh đĩa, hệ dẫn động thủy lực trợ lực cao áp và cơ cấu phanh dừng đều thỏa mãn nghiêm ngặt các tiêu chuẩn bền, công ma sát riêng và độ tăng nhiệt cho phép. Nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết giải tích và công cụ mô phỏng số, phục vụ tốt cho công tác nghiên cứu và đào tạo chuyên ngành Cơ khí ô tô.