Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực cơ khí chế tạo và giao thông vận tải, tích hợp các nền tảng kỹ thuật cơ khí, tự động hóa và điện - điện tử. Trong bối cảnh phương tiện giao thông vận hành ở dải tốc độ ngày càng cao, an toàn chuyển động trở thành yêu cầu sống còn đối với các dòng xe du lịch hiện đại. Trên thế giới, các tập đoàn sản xuất xe hơi lớn như Toyota, Ford, Audi, BMW, Mercedes-Benz đã đầu tư nghiên cứu sâu rộng nhằm tối ưu hóa hệ thống lái trợ lực và cơ cấu phanh an toàn chủ động. Tại Việt Nam, ngành công nghiệp ô tô vẫn đang trong giai đoạn phát triển, các hoạt động kỹ thuật chủ yếu tập trung vào khai thác, vận hành, kiểm tra, bảo dưỡng và thay thế phụ tùng.

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô (mã ngành: 7510205) tại Trường Đại học Bình Dương (năm 2023) do nhóm sinh viên Phạm Duy Tính, Phạm Tiên và Thạch Toàn thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. NGƯT. Lê Văn Cường, tập trung giải quyết bài toán đào tạo thực hành và nghiên cứu động lực học phanh - lái.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được phân định cụ thể theo các nhóm yêu cầu:

  1. Về kiến thức: Hệ thống hóa công dụng, phân loại, yêu cầu kỹ thuật, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết trên hệ thống lái và hệ thống phanh xe du lịch; xác định quy trình và chế độ bảo dưỡng chuẩn cho từng bộ phận.
  2. Về kỹ năng: Xác định nguyên nhân hư hỏng, lập quy trình sửa chữa; thực hiện thành thạo các thao tác tháo lắp, kiểm tra, bảo dưỡng cụ cấu phanh và hệ thống lái; sử dụng chính xác các trang thiết bị và dụng cụ chuyên dùng.
  3. Về thực nghiệm và mô phỏng: Thiết lập mô hình học cụ thực tế hệ thống lái - phanh phục vụ đào tạo; ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng sự làm việc của hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) trên ô tô du lịch.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái cơ khí/trợ lực, hệ thống phanh thủy lực/khí nén/liên hợp và hệ thống chống bó cứng bánh xe ABS trên dòng xe du lịch. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong không gian xưởng thực hành ô tô và phòng mô phỏng tại Trường Đại học Bình Dương, kết hợp khảo sát thực tế tại các garage sửa chữa ô tô trong năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng lý thuyết động lực học ô tô, nguyên lý truyền động cơ khí, thủy lực và khí nén chuyên ngành để phân tích cấu trúc làm việc của hai cụm hệ thống an toàn chủ động:

  • Lý thuyết hệ thống lái: Phân tích động học quay vòng, kết cấu các dạng cơ cấu lái (trục vít - bánh vít dạng rẻ quạt, thanh răng - bánh răng, trục vít - con lăn, trục vít - thanh răng, bi tuần hoàn) và hệ dẫn động lái hình thang (đòn quay đứng, thanh ngang, thanh kéo, đòn cam quay, cam quay, đòn đỡ, giảm chấn lái).
  • Lý thuyết hệ thống phanh: Nguyên lý thủy lực tĩnh và động lực dòng dầu phanh; cấu tạo cơ cấu phanh đĩa (càng phanh cố định, càng phanh di động), phanh tang trống, bộ trợ lực chân không và van điều hòa lực phanh theo tải trọng cầu sau; nguyên lý điều khiển chống bó cứng bánh xe ABS nhằm tối ưu hóa hệ số bám giữa lốp xe và mặt đường.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, khảo sát thực tế và mô phỏng kỹ thuật số:

  • Nghiên cứu lý thuyết: Tính toán các thông số động học, động lực học chuyển động thẳng và quay vòng của ô tô khi phanh và đánh lái.
  • Nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát: Thu thập tài liệu, giáo trình chuyên khảo; khảo sát thực tế quy trình chẩn đoán, sửa chữa tại các garage ô tô; phân tích, tổng hợp số liệu để xây dựng quy trình bảo dưỡng.
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng kỹ thuật: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor và Solidworks để khảo sát không gian kết cấu 3D; ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô hình hóa toán học các phần tử thủy lực và động lực học phanh ABS.

Thiết kế và triển khai

Đồ án triển khai song song hai nội dung kỹ thuật chính: xây dựng mô hình mô phỏng số trên máy tính và thi công mô hình học cụ vật lý.

1. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh ABS bằng Matlab-Simulink

Hệ thống phanh ABS được mô hình hóa dựa trên sơ đồ dẫn động thủy lực 2 dòng chéo độc lập:

  • Khối nguồn thủy lực: Mô phỏng lực tác dụng từ bàn đạp phanh ($F_{mc}$), dịch chuyển bàn đạp ($X_{bđ}$), qua bầu trợ lực chân không tác động vào xilanh chính gồm hai khoang tạo ra các lưu lượng dầu $Q_1$ (khoang sơ cấp) và $Q_2$ (khoang thứ cấp).
  • Khối phân phối dòng phanh:
    • Dòng thứ nhất: Lưu lượng $Q_1$ đi qua cụm van ABS phân thành nhánh $Q_{11}$ dẫn đến xilanh công tác bánh trước bên trái (CT1) và nhánh $Q_{12}$ dẫn đến xilanh công tác bánh sau bên phải (CT2).
    • Dòng thứ hai: Lưu lượng $Q_2$ đi qua cụm van ABS phân thành nhánh $Q_{21}$ dẫn đến xilanh công tác bánh trước bên phải (CT3) và nhánh $Q_{22}$ dẫn đến xilanh công tác bánh sau bên trái (CT4).
  • Khối động lực học: Tích hợp khối mô hình cơ cấu phanh bánh xe, khối mô hình chuyển động thẳng và chuyển động cong của ô tô nhằm phản hồi áp suất ($P_{x11}, P_{x12}, P_{x13}, P_{x14}$) và mô-men phanh ($M_p$) về hệ thống điều khiển van ABS.

2. Thiết kế và thi công mô hình thực tế hệ thống lái - phanh

Mô hình học cụ được thiết lập trên hệ khung giá đỡ gia công bằng thép định hình, bố trí trực quan các cụm chi tiết cơ bản của xe du lịch:

  • Hệ thống lái: Vành tay lái (vô lăng), trục lái, cơ cấu lái loại thanh răng - bánh răng, các khớp cầu và đòn dẫn động liên kết với ngỗng trục bánh xe dẫn hướng.
  • Hệ thống phanh: Bàn đạp phanh, bầu trợ lực chân không, tổng phanh (xilanh chính), bình dầu phụ, hệ thống đường ống kim loại và ống mềm dẫn dầu phanh, cụm phanh đĩa trước (gồm đĩa phanh và heo dầu/càng phanh).
  • Kết cấu gá đặt cho phép người học thao tác tháo lắp, kiểm tra góc đặt, đo độ rơ và thực hiện quy trình xả khí (xả gió) trên đường ống dầu thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: HỆ THỐNG LÁI XE ÔTÔ

Chương này tập trung trình bày nhiệm vụ, phân loại, cấu tạo, nguyên lý làm việc của các cơ cấu lái và dẫn động lái; đồng thời thiết lập quy trình kiểm tra, bảo dưỡng thực hành.

Tác giả phân loại chi tiết 5 dạng cơ cấu lái phổ biến trên xe du lịch và xe tải:

  • Loại trục vít - bánh vít (dạng rẻ quạt).
  • Loại thanh răng - bánh răng.
  • Loại trục vít - con lăn (con lăn 3 răng).
  • Loại trục vít - thanh răng.
  • Loại bi tuần hoàn (đai ốc bi hồi chuyển dọc trục vít qua rãnh bi).

Phần thực hành hệ thống lái tổng hợp bảng chẩn đoán 4 nhóm hiện tượng hư hỏng điển hình:

STT Hiện tượng hư hỏng Nguyên nhân chính Biện pháp khắc phục
1 Bánh lái bị lắc hoặc kéo lệch sang một bên Lốp mòn, thiếu áp suất; góc đặt bánh xe sai; thanh nối lỏng/mòn; mòn vòng bi moay-ơ; cơ cấu lái chỉnh sai; chi tiết treo mòn Bơm lốp, chỉnh góc đặt bánh xe, siết hoặc thay thế thanh nối, thay vòng bi moay-ơ, điều chỉnh cơ cấu lái, thay chi tiết treo
2 Thân xe bị chúi xuống Xe quá tải; lò xo giảm xóc bị yếu; giảm chấn bị mòn Điều chỉnh lại tải trọng xe, thay thế lò xo, thay thế giảm chấn
3 Rung bánh xe trước Lốp mòn/non hơi; bánh xe mất cân bằng; hỏng giảm chấn; góc đặt sai; mòn khớp cầu/vòng bi; cơ cấu lái lỏng Cân bằng động bánh xe, thay giảm chấn, chỉnh góc đặt, thay khớp cầu, thay vòng bi, căn chỉnh cơ cấu lái
4 Lốp xe mòn không bình thường Sai áp suất lốp; sai góc đặt bánh xe; giảm chấn hỏng; mòn các chi tiết hệ thống treo Chỉnh áp suất lốp tiêu chuẩn, cân chỉnh góc đặt bánh xe, thay thế giảm chấn và rotuyn/cao su treo

Bên cạnh đó, chương I cung cấp các thông số định lượng phục vụ công tác kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống lái:

  • Kiểm tra độ chùng dây đai dẫn động bơm trợ lực: Dây đai mới đạt 10 - 12 mm; dây đai đã qua sử dụng đạt 13 - 17 mm.
  • Mức dầu trợ lực: Sau khi khởi động không tải và đánh lái hết lái sang hai bên để tăng nhiệt độ dầu, mức dầu trong bình chứa tăng tối đa không quá 5 mm.
  • Áp suất dầu bơm trợ lực: Áp suất dầu tối thiểu đạt $65\text{ kgf/cm}^2$ (tương đương $6.374\text{ kPa/cm}^2$); mức chênh lệch áp suất ở tốc độ động cơ 1000 - 3000 vòng/phút không vượt quá $5\text{ kgf/cm}^2$; thời gian đóng van SST thử áp suất tuyệt đối không quá 10 giây để tránh làm quá nhiệt dầu.
  • Kiểm tra vô lăng: Độ rơ tự do vành vô lăng cực đại cho phép là $25\text{ mm}$; lực quay vô lăng đo được $70\text{ kgf}$; mô-men xiết đai ốc bắt vô lăng đạt $360\text{ kgf}$.

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG PHANH XE ÔTÔ

Chương II phân tích toàn diện các hệ thống phanh dẫn động cơ khí (phanh đỗ), dẫn động thủy lực (1 dòng, 2 dòng), dẫn động khí nén (áp suất làm việc 6 - 7 $\text{kG/cm}^2$) và dẫn động thủy khí liên hợp.

Trọng tâm kỹ thuật của chương đặt vào các cụm chi tiết trên xe du lịch:

  • Cơ cấu phanh đĩa: So sánh cơ cấu càng phanh cố định (sử dụng 2 hoặc 4 piston đối xứng) và càng phanh di động (1 piston thủy lực đẩy kết hợp trượt càng). Phân tích hoạt động của cuppen cao su đàn hồi có chức năng biến dạng khi ép và hồi vị piston khi nhả phanh, giúp tự động điều chỉnh khe hở má phanh - đĩa phanh.
  • Van điều hòa lực phanh: Phân tích đồ thị áp lực dầu giữa cầu trước và cầu sau nhằm khắc phục hiện tượng trượt lết bánh sau khi trọng tâm xe dồn về phía trước trong quá trình phanh gấp. Các trạng thái hoạt động gồm: trước điểm chia (áp suất bánh sau bằng xilanh chính), tại điểm chia (piston dịch chuyển đóng cửa dầu), sau điểm chia (áp suất bánh sau tăng chậm hơn bánh trước) và khi nhả phanh (mở cuppen hồi dầu).
  • Bộ trợ lực chân không đơn: Sử dụng độ chênh lệch giữa áp suất chân không tại cổ hút động cơ xăng và áp suất khí quyển. Hoạt động qua 5 trạng thái: không đạp phanh, khi đạp phanh, khi giữ chân phanh, trợ lực cực đại và khi động cơ mất chân không (phanh thuần cơ khí, bàn đạp nặng hơn).

Chương II tổng hợp bảng chẩn đoán hư hỏng phanh tang trống (9 hiện tượng: bàn đạp chạm sàn, bó phanh một bánh, bó phanh tất cả các bánh, xe lệch khi phanh, bàn đạp phanh nhẹ, phanh ăn kém, tiếng kêu khi phanh, tiêu hao nhiều dầu phanh, đèn báo mất áp suất) và phanh đĩa (3 hiện tượng: bàn đạp rung giật do đĩa vênh, tiếng kêu phanh do má mòn/chạm giá đỡ, phanh không nhả do kẹt bộ trợ lực/cần đẩy).

Quy trình bảo dưỡng hệ thống phanh gồm 16 bước:

  1. Kiểm tra khái quát bàn đạp, bộ trợ lực, cần phanh đỗ và đèn báo.
  2. Kiểm tra hiện tượng rò rỉ dầu tại tổng phanh và bình chứa.
  3. Tháo 4 bánh xe khỏi moay-ơ.
  4. Kiểm tra tình trạng nứt, phồng, chảy dầu của ống mềm dẫn dầu phanh trước.
  5. Tháo má phanh và cụm piston - xilanh phanh bánh trước.
  6. Kiểm tra, đo bề mặt má phanh, vệ sinh bằng dung dịch 3M và bôi mỡ chuyên dụng 3M vào gờ trượt, tấm chống ồn.
  7. Kiểm tra tình trạng mòn sọc, vênh của đĩa phanh trước.
  8. Lắp má phanh và cụm piston - xilanh bánh trước.
  9. Kiểm tra ống mềm dẫn dầu phanh bánh sau.
  10. Tháo tang trống phanh bánh sau.
  11. Vệ sinh guốc phanh, tang trống và bôi mỡ 3M tại vị trí tiếp xúc mâm phanh.
  12. Kiểm tra cụm piston và bề mặt làm việc tang trống sau.
  13. Lắp cụm piston và tang trống phanh bánh sau.
  14. Kiểm tra và căn chỉnh hành trình phanh đỗ.
  15. Lắp 4 bánh xe và siết ốc bánh xe theo mô-men tiêu chuẩn.
  16. Nhồi bàn đạp phanh nhiều lần, kiểm tra rò rỉ và châm bổ sung dầu phanh.

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỐNG BÓ CỨNG BÁNH XE (ABS)

Chương III giới thiệu tổng quan về các công cụ thiết kế, tính toán kỹ thuật gồm Autodesk Inventor, Solidworks, Matlab; trong đó Matlab được lựa chọn làm công cụ mô phỏng chính nhờ khả năng giải ma trận số liệu nhanh và hỗ trợ xuất đồ thị trực quan.

Nội dung mô phỏng tập trung vào việc mô hình hóa các cụm chi tiết:

  • Mô hình xilanh chính và cụm van ASR/ABS.
  • Mô hình 4 xilanh công tác bánh xe (bánh trước trái, trước phải, sau trái, sau phải) với các phản hồi lực cơ khí và áp suất dầu.
  • Khối mô hình chuyển động thẳng và chuyển động cong của ô tô.
  • Kết quả mô phỏng thu thập thông qua các đường đặc tính: đồ thị vận tốc xe, đồ thị quãng đường phanh, đồ thị biến thiên mô-men phanh trên từng bánh xe và đồ thị vận tốc góc của các bánh xe trước/sau trong chu kỳ phanh có ABS can thiệp.

CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI PHANH

Chương 4 hoàn thiện phương án chế tạo mô hình thực tế phục vụ giảng dạy:

  • Xác định mục đích và yêu cầu mô hình: Đảm bảo độ bền cơ học, tính trực quan, thuận tiện cho việc quan sát dòng truyền động và các đường dẫn thủy lực.
  • Lựa chọn vật liệu làm khung mô hình, bố trí các chi tiết: vô lăng, trục lái, cơ cấu lái thanh răng - bánh răng, các thanh đòn dẫn động, bình dầu phụ, tổng phanh, ống dẫn dầu kim loại, ống mềm, heo dầu và đĩa phanh.
  • Xây dựng quy trình tháo lắp chuẩn, ghi chú các điểm lưu ý kỹ thuật nhằm tránh biến dạng ren, hỏng phốt chắn bụi và rò rỉ dầu phanh trong quá trình vận hành học cụ.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận hoàn thành các mục tiêu đề ra với những kết quả cụ thể:

  • Về mô hình vật lý: Chế tạo thành công mô hình học cụ tích hợp hệ thống lái loại bánh răng - thanh răng và hệ thống phanh thủy lực trợ lực chân không có phanh đĩa; mô hình hoạt động ổn định, phục vụ trực quan cho công tác giảng dạy thực hành xưởng.
  • Về mô phỏng: Thiết lập hoàn chỉnh sơ đồ khối mô phỏng hệ thống phanh ABS dẫn động 2 dòng chéo trên phần mềm Matlab-Simulink, thể hiện được sự biến thiên của vận tốc góc bánh xe, mô-men phanh và quãng đường phanh.
  • Về tài liệu kỹ thuật: Chuẩn hóa bảng chẩn đoán hư hỏng, quy trình 16 bước bảo dưỡng hệ thống phanh và bộ thông số kỹ thuật kiểm tra hệ thống lái (áp suất dầu $65\text{ kgf/cm}^2$, độ rơ vô lăng cực đại $25\text{ mm}$, độ chùng đai 10 - 17 mm).

Về mặt đóng góp, đề tài kết hợp được giữa việc chế tạo mô hình học cụ trực quan với phương pháp mô phỏng số trên máy tính, hỗ trợ người học vừa tiếp cận cấu trúc phần cứng thực tế vừa hiểu sâu bản chất động lực học điều khiển của hệ thống phanh ABS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung được trình bày trong khóa luận:

  • Hạn chế: Mô hình vật lý dừng lại ở dạng mô hình tĩnh phục vụ thao tác tháo lắp cơ khí và kiểm tra thủy lực cơ bản, chưa tích hợp hệ thống cảm biến và bộ điều khiển điện tử ABS thực tế trên mô hình; mô phỏng Matlab-Simulink chưa kết nối phần cứng thời gian thực (Hardware-in-the-Loop).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tích hợp thêm bộ chấp hành ABS điện tử và cụm cảm biến tốc độ bánh xe lên mô hình thực tế; mở rộng mô phỏng ABS trên Matlab trong các điều kiện hệ số bám mặt đường phức tạp (đường ướt, đường trơn trượt có hệ số bám thay đổi đột ngột).

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô và kỹ thuật viên thực hành:

  • Đối với sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng thủy lực phanh ABS trên phần mềm Matlab-Simulink và quy trình tính toán bố trí mô hình học cụ.
  • Đối với công tác giảng dạy và thực hành xưởng: Bảng chẩn đoán hư hỏng hệ thống lái - phanh cùng quy trình 16 bước bảo dưỡng hệ thống phanh và các thông số kiểm tra áp suất, độ rơ vô lăng là nguồn dữ liệu thực hành chuẩn xác.

Câu hỏi thường gặp

1. Độ rơ vành vô lăng và độ chùng dây đai bơm trợ lực lái tiêu chuẩn là bao nhiêu?
Theo số liệu trong chương I, độ rơ tự do cực đại cho phép của vành vô lăng là $25\text{ mm}$. Độ chùng dây đai dẫn động bơm trợ lực đối với đai mới là 10 - 12 mm và đối với đai đã qua sử dụng là 13 - 17 mm.

2. Áp suất dầu tối thiểu của bơm trợ lực lái khi kiểm tra bằng thiết bị SST là bao nhiêu?
Áp suất dầu tối thiểu khi đóng van SST ở chế độ chạy không tải là $65\text{ kgf/cm}^2$ ($6.374\text{ kPa/cm}^2$), mức chênh lệch áp suất ở dải tốc độ động cơ 1000 - 3000 vòng/phút là $5\text{ kgf/cm}^2$, và thời gian đóng van thử không được vượt quá 10 giây.

3. Cơ cấu phanh đĩa tự động điều chỉnh khe hở má phanh và đĩa phanh thông qua bộ phận nào?
Cơ cấu phanh đĩa sử dụng cuppen cao su làm kín trong xilanh bánh xe. Khi phanh, áp suất dầu đẩy piston trượt đi và làm biến dạng cuppen; khi nhả phanh, lực đàn hồi của cuppen kéo piston hồi về một khoảng cố định tương ứng, giúp duy trì khe hở không đổi dù má phanh bị mòn dần.

4. Vì sao hệ thống phanh trên xe du lịch cần trang bị van điều hòa lực phanh?
Khi phanh gấp, quán tính làm trọng tâm xe dồn về cầu trước, làm giảm tải trọng tác dụng lên cầu sau. Nếu bánh sau nhận lực phanh bằng bánh trước thì sẽ bị bó cứng sớm dẫn tới trượt lết và xoay ngang xe; van điều hòa có nhiệm vụ khống chế áp suất dầu tới bánh sau luôn nhỏ hơn áp suất bánh trước sau điểm chia để chống bó cứng bánh sau.

5. Sơ đồ mạch dầu phanh trong mô hình mô phỏng ABS trên Matlab-Simulink được phân chia như thế nào?
Mô hình mô phỏng sử dụng mạch dẫn động 2 dòng chéo: dòng phanh thứ nhất ($Q_1$) từ xilanh chính cấp tới bánh trước bên trái và bánh sau bên phải; dòng phanh thứ hai ($Q_2$) cấp tới bánh trước bên phải và bánh sau bên trái.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả tại Trường Đại học Bình Dương đã thực hiện đầy đủ các mục tiêu về nghiên cứu lý thuyết, chế tạo mô hình thực hành hệ thống lái - phanh xe du lịch và mô phỏng hệ thống ABS bằng Matlab-Simulink. Công trình cung cấp hệ thống thông số kỹ thuật, bảng chẩn đoán hư hỏng chi tiết và quy trình bảo dưỡng chuẩn hóa 16 bước phục vụ công tác đào tạo ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô. Đây là tài liệu tham khảo mang tính ứng dụng cao cho việc nghiên cứu kết cấu gầm và an toàn chủ động trên ô tô.