Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống phanh là một trong những hệ thống an toàn chủ động quan trọng nhất trên ô tô, có nhiệm vụ kiểm soát quá trình giảm tốc độ, dừng hẳn phương tiện theo chủ ý của người lái và giữ cho xe đứng yên trên đường bằng hoặc đường dốc. Trong bối cảnh ngành công nghệ ô tô liên tục hiện đại hóa nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe về tiện nghi, tính kinh tế và an toàn giao thông, việc trang bị hệ thống chống bó cứng phanh (Anti-lock Braking System - ABS) đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trên hầu hết các phân khúc xe du lịch. Hệ thống ABS giúp ngăn chặn hiện tượng trượt lết bánh xe khi phanh ngặt, duy trì khả năng bám ngang, ổn định hướng chuyển động và cho phép người lái tiếp tục làm chủ vô lăng khi giảm tốc khẩn cấp.

Đề tài "Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên xe Toyota Vios" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Viện Kỹ thuật HUTECH thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu học thuật cụ thể sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về các hệ thống phanh, cơ cấu phanh và công nghệ điều khiển phanh hiện đại trên ô tô.
  2. Tìm hiểu kết cấu thực tế và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh trang bị ABS trên dòng xe du lịch Toyota Vios.
  3. Xác định và thiết lập phương pháp tính toán động lực học quá trình phanh, xác định mô men phanh yêu cầu theo điều kiện bám và tải trọng phân bố lên các cầu xe.
  4. Tính toán thông số kích thước hình học, lực ép, áp suất làm việc và mô men phanh do cơ cấu phanh đĩa bánh trước và bánh sau sinh ra.
  5. Tính toán các phần tử trong hệ thống dẫn động phanh thủy lực: đường kính và hành trình piston xi lanh chính kép, hành trình bàn đạp phanh và kiểm tra bền đường ống dầu.
  6. Xác định thông số kết cấu và hệ số cường hóa của bộ trợ lực chân không.
  7. Xây dựng bản vẽ mô hình hóa hình học không gian ba chiều (3D) của các cụm chi tiết và toàn bộ hệ thống phanh trên phần mềm SolidWorks.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống phanh dầu hai dòng trợ lực chân không tích hợp ABS trên mẫu xe du lịch Toyota Vios (thế hệ sử dụng động cơ 1NZ-FE). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích động lực học phanh trên đường bằng, tính toán thiết kế kiểm nghiệm các cụm chi tiết cơ khí - thủy lực và mô phỏng kết cấu 3D, được thực hiện trong thời gian từ ngày 24/09/2021 đến ngày 23/12/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu vận dụng nền tảng lý thuyết môn học Lý thuyết Ô tô và Tính toán Thiết kế Ô tô. Quá trình phanh được mô hình hóa dựa trên quan hệ cân bằng lực và mô men tác dụng lên ô tô khi phanh: trọng lượng toàn tải ($G_a$), phản lực pháp tuyến từ mặt đường tác dụng lên cầu trước ($Z_1$) và cầu sau ($Z_2$), lực quán tính phanh ($P_j$), tọa độ trọng tâm xe ($a, b, h_g$) và chiều dài cơ sở ($L_0$).

Hiệu quả phanh tối ưu đạt được khi lực phanh ở các bánh xe tận dụng tối đa khả năng bám giữa lốp và mặt đường theo hệ số bám dọc $\varphi_x$. Lý thuyết ABS kiểm soát độ trượt tương đối $\lambda$ của bánh xe quanh vùng giá trị tối ưu từ 10% đến 30%, qua đó duy trì đồng thời hệ số bám dọc $\varphi_x$ ở mức cực đại và hệ số bám ngang $\varphi_y$ ở mức đủ lớn để giữ ổn định hướng di chuyển.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp đồng thời các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát tài liệu cấu tạo, sổ tay bảo dưỡng và tài liệu thông số kỹ thuật của xe Toyota Vios; kế thừa công thức tính toán từ giáo trình thiết kế chuyên ngành.
  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Thiết lập hệ phương trình cân bằng tĩnh và động lực học để giải các đại lượng lực phanh, mô men phanh, bán kính ma sát trung bình của đĩa phanh, áp suất dầu phanh và kích thước màng trợ lực.
  • Phương pháp mô hình hóa hình học (CAD 3D): Ứng dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế chi tiết từng cụm tổng thành và lắp ghép tổng thể hệ thống phanh.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán được trích xuất từ thông số kỹ thuật chính thức của xe Toyota Vios:

STT Thông số kỹ thuật Ký hiệu / Đơn vị Giá trị
1 Chiều dài toàn thể $L$ (mm) 4300
2 Chiều rộng toàn thể $B$ (mm) 1700
3 Chiều cao xe $H$ (mm) 1460
4 Chiều dài cơ sở $L_0$ (mm) 2550
5 Chiều rộng cơ sở $S$ (mm) 1480
6 Trọng lượng toàn bộ đầy tải $G_a$ (kg / N) 1520 / 15200
7 Trọng lượng phân bố lên cầu trước $G_1$ (kg / N) 820 / 8200
8 Trọng lượng phân bố lên cầu sau $G_2$ (kg / N) 700 / 7000
9 Động cơ Loại 1NZ-FE (4 xy lanh, 1497 cc)
10 Ký hiệu lốp xe - 185/60R15
11 Hệ số biến dạng lốp áp suất thấp $\lambda$ 0,93
12 Cơ cấu phanh trước / sau - Đĩa thông gió / Đĩa

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Tính toán mô men phanh yêu cầu

Từ điều kiện đảm bảo hiệu quả phanh cực đại, lực phanh sinh ra phải tỷ lệ thuận với phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe. Dựa trên sơ đồ lực tác dụng lên ô tô khi phanh:

  • Tọa độ trọng tâm dọc: $a = \frac{G_2}{G_a} \cdot L_0 = \frac{7000}{15200} \cdot 2,55 \approx 1,17\text{ m}$; $b = L_0 - a = 1,38\text{ m}$.
  • Bán kính làm việc của bánh xe: $r_{bx} = \lambda \cdot r_0$, với lốp 185/60R15 và $\lambda = 0,93$.
  • Phương trình mô men phanh yêu cầu của mỗi bánh xe ở cầu trước ($M_{p1}$) và cầu sau ($M_{p2}$) được xác định là hàm số bậc hai theo hệ số bám $\varphi$:
    • Cầu trước: $M_{p1} = \frac{15200 \cdot \varphi}{2550} \cdot (1,3 + \dots) \cdot r_{bx}$
    • Cầu sau: $M_{p2} = 1217,33\varphi - 764,9863\varphi^2$

Tính toán mô men phanh do cơ cấu phanh sinh ra

Cơ cấu phanh trên xe Toyota Vios sử dụng phanh đĩa ở cả bốn bánh. Mô men ma sát do cơ cấu phanh đĩa sinh ra được tính theo công thức tích phân trên bề mặt vành khăn ma sát: $$M_p = \mu \cdot P \cdot r_{tb} = \mu \cdot P \cdot \frac{2}{3} \cdot \frac{R_2^3 - R_1^3}{R_2^2 - R_1^2}$$

Các thông số kích thước và lực ép của cơ cấu phanh được xác định như sau:

Hạng mục cơ cấu phanh Bánh trước (Phanh đĩa thông gió) Bánh sau (Phanh đĩa)
Bán kính trong má phanh ($R_1$) 0,075 m (75 mm) 0,080 m (80 mm)
Bán kính ngoài má phanh ($R_2$) 0,143 m (143 mm) 0,140 m (140 mm)
Góc ôm má phanh ($\alpha$) $70^\circ$ $60^\circ$
Số lượng xi lanh bánh xe ($i$) 1 1
Đường kính xi lanh công tác ($d$) 62 mm 60 mm
Lực ép lên đĩa má phanh ($P$) $P = \frac{\pi \cdot d^2}{4} \cdot p \cdot i$ $P_s = \frac{\pi \cdot d^2}{4} \cdot p \cdot i$

Động học quá trình điều khiển áp suất ABS

Trong quá trình phanh, mô men phanh thực tế biến thiên theo chu trình điều khiển áp suất dầu phanh ba giai đoạn của khối ECU nhằm giữ cho độ trượt tương đối $\lambda$ nằm trong giới hạn 10% – 30%:

  1. Giai đoạn tăng áp suất: Dầu áp suất cao từ xi lanh chính qua van nạp mở đi thẳng vào xi lanh bánh xe. Ở cầu trước, áp suất tăng từ 0 đến $p_1 = 13,13 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$. Do độ trễ tác động của hệ thống (khoảng 0,5 s), áp suất tiếp tục tăng nhẹ đến $p_2 = 13,22 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ trước khi bắt đầu giảm. Ở cầu sau, áp suất tăng tương ứng đến $p_1 = 5,07 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ và đỉnh trễ đạt $p_2 = 5,11 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$.
  2. Giai đoạn giảm áp suất: ECU kích hoạt van xả mở, đóng van nạp, đưa dầu phanh về bình tích năng và bơm hồi dầu, giảm áp suất cầu trước từ $p_2 = 13,22 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ xuống giá trị cực tiểu $p_4 = 10,86 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$; ở cầu sau giảm từ $p_2 = 5,11 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ xuống $p_4 = 3,90 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$.
  3. Giai đoạn duy trì (giữ) áp suất: ECU ngắt điện cả van nạp và van xả, đóng kín mạch dầu vào xi lanh công tác, giữ áp suất không đổi để bánh xe phục hồi tốc độ quay mà không bị trượt lết.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu đề tài

Chương mở đầu nêu bật vai trò của hệ thống phanh trong việc đảm bảo an toàn chủ động cho xe du lịch. Tác giả xác định rõ các mục tiêu cốt lõi: hệ thống hóa lý thuyết phanh, khảo sát cấu tạo hệ thống phanh tích hợp ABS trên xe Toyota Vios, thực hiện chuỗi tính toán động lực học - thủy lực - trợ lực phanh, lập bảng thông số kỹ thuật và thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks. Phương pháp thực hiện kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết ô tô chuyên ngành và mô phỏng kỹ thuật số.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương II tập trung phân loại và phân tích nguyên lý làm việc của các thành phần trong hệ thống phanh ô tô:

  • Phân loại theo cơ cấu ma sát (tang trống đối xứng qua tâm, dạng bơi, tự cường hóa; phanh đĩa) và theo hệ thống dẫn động (cơ khí, thủy lực, khí nén, khí nén - thủy lực một dòng và hai dòng).
  • Nguyên lý hoạt động và kết cấu của các cụm trợ lực: trợ lực khí nén, trợ lực chân không (sử dụng độ chênh áp giữa áp suất khí quyển và chân không đường nạp động cơ) và trợ lực điện từ.
  • Cơ sở lý thuyết của hệ thống ABS: nhiệm vụ duy trì độ trượt bánh xe tối ưu, bảo đảm tính ổn định hướng lái và rút ngắn quãng đường phanh trên các điều kiện mặt đường khác nhau.

Chương III: Hệ thống phanh trên xe Toyota Vios

Chương III đi sâu vào khảo sát thực tế kết cấu hệ thống phanh trên xe Toyota Vios:

  • Cơ cấu phanh bánh trước: Sử dụng phanh đĩa kiểu có rãnh thông gió nhằm tăng cường khả năng thoát nhiệt, cùm phanh đơn piston tự động điều chỉnh khe hở má phanh thông qua biến dạng đàn hồi của vòng cao su làm kín.
  • Cơ cấu phanh bánh sau: Phanh đĩa kết hợp dẫn động phanh dừng (phanh tay) bằng cơ cấu cáp cơ khí tác dụng trực tiếp lên bánh sau.
  • Xi lanh chính (Tổng phanh): Kết cấu xi lanh kép hai buồng độc lập, bảo đảm khi một mạch dầu bị rò rỉ thì mạch còn lại vẫn duy trì khả năng phanh tối thiểu.
  • Hệ thống cảm biến và điều khiển điện tử: Bốn cảm biến tốc độ bánh xe kiểu từ điện (rôto răng quay cùng moay-ơ và stato cuộn dây nam châm vĩnh cửu tạo tín hiệu điện áp xoay chiều tỷ lệ với vận tốc góc). Bộ điều khiển điện tử (ECU) tích hợp vi xử lý điều khiển cụm van thủy lực, kết hợp các chức năng phân phối lực phanh điện tử (EBD) và hỗ trợ phanh khẩn cấp (BA).
  • Bộ trợ lực chân không: Cấu tạo gồm vỏ bầu trợ lực, màng cao su ngăn cách khoang chân không (nối cổ hút động cơ) và khoang áp suất biến đổi, van không khí, van chân không và đĩa cao su phản hồi tỷ lệ lực đạp.

Chương IV: Thiết kế, tính toán hệ thống phanh

Chương IV trình bày toàn bộ quá trình tính toán định lượng của đồ án:

  • Tính toán mô men phanh yêu cầu cho cầu trước và cầu sau dựa trên khối lượng toàn tải $1520\text{ kg}$, chiều dài cơ sở $2550\text{ mm}$, tải trọng cầu trước $8200\text{ N}$, cầu sau $7000\text{ N}$.
  • Tính toán kích thước làm việc của đĩa ma sát trước ($R_1 = 0,075\text{ m}, R_2 = 0,143\text{ m}$, góc ôm $70^\circ$, xi lanh đường kính $62\text{ mm}$) và đĩa ma sát sau ($R_1 = 0,08\text{ m}, R_2 = 0,14\text{ m}$, góc ôm $60^\circ$, xi lanh đường kính $60\text{ mm}$).
  • Xác lập chu trình áp suất dầu và mô men phanh tương ứng với các pha tăng áp, giảm áp, giữ áp của hệ thống ABS.
  • Thiết kế hệ dẫn động: tính toán đường kính xi lanh chính kép, hành trình piston xi lanh lực, hành trình bàn đạp phanh, tính bền áp suất đường ống dẫn dầu và tính toán màng bộ cường hóa chân không.

Chương V: Thiết kế trên SolidWorks

Chương cuối cùng thể hiện kết quả xây dựng mô hình CAD 3D hoàn chỉnh của hệ thống phanh trên phần mềm SolidWorks:

  • Mô hình hóa chi tiết cụm bàn đạp phanh và đòn bẩy dẫn động.
  • Thiết kế cụm xi lanh chính kép kèm bình chứa dầu phanh.
  • Thiết kế kết cấu bầu trợ lực chân không và màng ngăn.
  • Thiết kế cụm phanh đĩa bánh trước gồm đĩa phanh thông gió, giá đỡ cùm phanh, piston phanh và má phanh ma sát.
  • Thiết kế mô hình mâm bánh xe và lắp ghép tổng thành hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống phanh trên khung gầm mô phỏng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định đầy đủ các thông số động lực học phanh cho xe Toyota Vios đầy tải $15200\text{ N}$, phân bố tải trọng tĩnh $53,9%$ cho cầu trước ($8200\text{ N}$) và $46,1%$ cho cầu sau ($7000\text{ N}$).
  • Hoàn thành bộ thông số kích thước cơ cấu phanh đĩa: bánh trước sử dụng đĩa thông gió ($R_1 = 75\text{ mm}, R_2 = 143\text{ mm}$, xi lanh $\varnothing 62\text{ mm}$), bánh sau sử dụng đĩa đặc ($R_1 = 80\text{ mm}, R_2 = 140\text{ mm}$, xi lanh $\varnothing 60\text{ mm}$).
  • Lập bảng định lượng các ngưỡng áp suất dầu phanh điều khiển bởi ABS: áp suất cực đại bánh trước đạt $13,22 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$, hạ xuống mức duy trì $10,86 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$; áp suất bánh sau đạt đỉnh $5,11 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ và hạ xuống mức duy trì $3,90 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$.
  • Hoàn thiện bộ bản vẽ thiết kế hình học 3D trên SolidWorks bao gồm 6 cụm chi tiết và mô hình tổng thành lắp ghép hệ thống phanh.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

Đồ án đã liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán động lực học ô tô truyền thống với công nghệ điều khiển điện tử hiện đại (ABS, EBD, BA). Việc mô hình hóa 3D các cụm chi tiết trên SolidWorks cung cấp cái nhìn trực quan về không gian bố trí kết cấu, hỗ trợ cho công tác giảng dạy, học tập và làm tài liệu mẫu cho các đồ án môn học chuyên ngành ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đề tài tập trung vào tính toán giải tích lý thuyết và mô hình hóa hình học tĩnh 3D, chưa thực hiện mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) dòng dầu thủy lực hoặc phân tích ứng suất nhiệt (FEA) trên đĩa phanh khi chịu tải phanh liên tục.
  • Chưa tiến hành thử nghiệm thực tế hoặc đo kiểm tín hiệu xung cảm biến trên mô hình băng thử thực nghiệm do giới hạn về thời gian và trang thiết bị thực hành.

Hướng phát triển

  • Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng động học điều khiển đóng/mở van điện từ ABS theo thuật toán kiểm soát độ trượt bánh xe thời gian thực.
  • Phân tích độ bền mỏi và trường nhiệt độ trên đĩa phanh thông gió bằng phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS).
  • Chế tạo mô hình sa bàn hệ thống phanh thực tế phục vụ trực tiếp cho công tác thí nghiệm, thực hành chẩn đoán tại xưởng thực tập ô tô.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu học thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Giao thông khi thực hiện Đồ án Tính toán thiết kế ô tô, Đồ án Hệ thống Điện - Điện tử ô tô hoặc Đồ án tốt nghiệp.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên ngành ô tô sử dụng làm tài liệu tham khảo cho nội dung giảng dạy kết cấu phanh đĩa, hệ thống điều khiển phanh ABS/EBD trên dòng xe du lịch Toyota.
  • Người nghiên cứu có thể khai thác trực tiếp phương pháp xác định mô men phanh theo hệ số bám $\varphi$ và quy trình dựng hình các cụm chi tiết cơ khí trên phần mềm SolidWorks tại Chương IV và Chương V.

Câu hỏi thường gặp

1. Xe Toyota Vios trong đề tài sử dụng loại cơ cấu phanh và hệ thống dẫn động nào?
Xe sử dụng cơ cấu phanh đĩa ở cả bốn bánh (bánh trước là đĩa xẻ rãnh thông gió, bánh sau là đĩa tiêu chuẩn). Hệ thống dẫn động là loại thủy lực hai dòng độc lập có trợ lực chân không, tích hợp hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) và hỗ trợ lực phanh khẩn cấp (BA). Phanh dừng (phanh tay) sử dụng dẫn động cơ khí tác dụng lên hai bánh sau.

2. Các thông số kích thước má phanh và đường kính xi lanh bánh trước và bánh sau được tính toán là bao nhiêu?

  • Cơ cấu phanh trước: Bán kính trong má phanh $R_1 = 0,075\text{ m}$, bán kính ngoài $R_2 = 0,143\text{ m}$, góc ôm $\alpha = 70^\circ$, đường kính xi lanh công tác $d = 62\text{ mm}$ ($i = 1$).
  • Cơ cấu phanh sau: Bán kính trong má phanh $R_1 = 0,080\text{ m}$, bán kính ngoài $R_2 = 0,140\text{ m}$, góc ôm $\alpha = 60^\circ$, đường kính xi lanh công tác $d = 60\text{ mm}$ ($i = 1$).

3. Áp suất dầu phanh biến thiên như thế nào qua các giai đoạn làm việc của ABS?

  • Ở cầu trước: Áp suất tăng lên đến $p_1 = 13,13 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$, do độ trễ đạt cực đại $p_2 = 13,22 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$, sau đó giảm xuống giá trị duy trì $p_4 = 10,86 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$.
  • Ở cầu sau: Áp suất tăng lên $p_1 = 5,07 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$, đỉnh trễ đạt $p_2 = 5,11 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$, sau đó xả giảm áp về $p_4 = 3,90 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ trước khi lặp lại chu trình.

4. Cảm biến tốc độ bánh xe trên hệ thống ABS xe Toyota Vios hoạt động theo nguyên lý nào?
Cảm biến tốc độ là loại cảm biến từ điện gồm một rôto dạng vành răng quay đồng tốc với bánh xe và một stato là cuộn dây quấn quanh lõi nam châm vĩnh cửu cố định. Khi vành răng quay qua đầu cảm biến, từ thông qua cuộn dây biến thiên tạo ra suất điện động xoay chiều có tần số và biên độ tỷ lệ thuận với vận tốc góc của bánh xe. Tín hiệu này được gửi về ECU để tính toán tốc độ bánh xe và độ trượt tương đối.

5. Các cụm tổng thành nào của hệ thống phanh được nhóm tác giả xây dựng mô hình 3D trên SolidWorks?
Chương V của đồ án đã hoàn thành mô hình 3D cho 6 cụm kết cấu: Cụm bàn đạp phanh; Hệ thống xi lanh chính kép; Bộ trợ lực chân không; Cụm phanh đĩa bánh trước; Mâm bánh xe; và Bản vẽ mô hình lắp ghép hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống phanh.

Kết luận

Đồ án môn học "Tính toán thiết kế hệ thống phanh trên xe Toyota Vios" đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán động lực học, kiểm nghiệm thủy lực và thiết kế kết cấu hệ thống phanh đĩa hai dòng trợ lực chân không tích hợp ABS. Nghiên cứu cung cấp hệ thống số liệu định lượng chi tiết về kích thước đĩa ma sát, đường kính xi lanh, áp suất làm việc và quy luật biến thiên áp suất dầu phanh theo các ngưỡng trượt tối ưu của bánh xe. Kết quả thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks phản ánh trực quan cấu tạo không gian của các cụm tổng thành, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và làm tài liệu tham khảo chuyên ngành trong đào tạo kỹ thuật ô tô.