Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, hệ thống phanh giữ vai trò then chốt trong việc đảm bảo an toàn chủ động, giúp giảm tốc độ, dừng hẳn phương tiện hoặc giữ xe đứng yên ổn định trên dốc cũng như đường bằng. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển điện tử, các hệ thống an toàn hiện đại như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và hệ thống cân bằng điện tử (ESC/ESP) đã được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao độ an toàn và ổn định hướng chuyển động. Tuy nhiên, trên thực tế tại Việt Nam, các dòng xe du lịch sử dụng hệ thống phanh dầu trợ lực chân không kết hợp các hệ thống hỗ trợ điện tử vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong lưu hành. Việc nắm vững kết cấu, kiểm nghiệm động lực học và xây dựng quy trình sửa chữa chuẩn xác cho một dòng xe cụ thể là yêu cầu thiết thực đối với kỹ thuật viên và sinh viên ngành kỹ thuật ô tô.

Đề tài "Khảo sát, tính toán kiểm nghiệm và thiết lập các bước kiểm tra sửa chữa hệ thống phanh xe ôtô du lịch Toyota Vios" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Khảo sát, tìm hiểu kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống phanh dầu có trợ lực chân không trang bị trên xe du lịch Toyota Vios.
    • Tính toán kiểm nghiệm các thông số động lực học và hệ dẫn động phanh của xe Toyota Vios nhằm đánh giá khả năng đáp ứng lực phanh và độ tin cậy làm việc.
    • Thiết lập quy trình công nghệ chẩn đoán, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa các cụm chi tiết trong hệ thống phanh của xe.

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:

    • Tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh ô tô: phân loại, yêu cầu kỹ thuật, kết cấu các cụm chi tiết (bàn đạp, bộ trợ lực, xylanh chính, bộ chấp hành ABS, cơ cấu phanh bánh xe, cơ cấu phanh dừng) và các phương thức dẫn động phanh.
    • Phân tích chi tiết đặc điểm kết cấu hệ thống phanh trên xe du lịch Toyota Vios.
    • Thu thập thông số kỹ thuật xe Toyota Vios, xác định mômen phanh cần thiết sinh ra tại các cơ cấu phanh cầu trước và cầu sau, tính toán kiểm nghiệm xylanh phanh bánh xe, xylanh phanh chính, hành trình bàn đạp và bộ trợ lực chân không.
    • Phân tích các dạng hư hỏng điển hình, phương pháp chẩn đoán và xây dựng quy trình tháo, kiểm tra, sửa chữa, lắp ráp và xả khí hệ thống phanh xe Toyota Vios.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh dầu trợ lực chân không và các cơ cấu chấp hành trên dòng xe ô tô du lịch Toyota Vios.
    • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát kết cấu kỹ thuật, tính toán kiểm nghiệm lý thuyết theo tải trọng tĩnh và động của xe Toyota Vios thế hệ trang bị động cơ 1.5L; không gian ứng dụng tại các xưởng dịch vụ và cơ sở đào tạo chuyên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô tại Việt Nam (công bố năm 2020).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết động lực học phanh ô tô, lý thuyết truyền động thủy lực và các tiêu chuẩn kiểm định an toàn kỹ thuật phương tiện giao thông cơ giới:

  • Khung lý thuyết và tiêu chuẩn tham chiếu:

    • Lý thuyết phân bố tải trọng khi phanh, điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường và cơ chế hình thành mômen phanh ma sát tại đĩa phanh.
    • Các quy chuẩn và nghiên cứu quốc tế: Quy định ECE Regulation No. 13 về phê duyệt hệ thống phanh phương tiện cơ giới (M, N, O); tiêu chuẩn ISO 21069 về kiểm tra hệ thống phanh trên bệ thử con lăn; các nghiên cứu chẩn đoán và kiểm nghiệm phanh của Segal (1999), Nagurnas (2001), Garcia-Pozuelo Ramos (2010), Dongsheng (2011), Vytenis Surblys & Edgar Sokolovskij (2016).
    • Các công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống phanh và ABS của Lê Văn Thái, Đào Mạnh Hùng & Nguyễn Đức Chung, Nguyễn Hoàng Việt (2003), Nguyễn Thành Tâm (2007), Hoàng Ngọc Chính, Nguyễn Quang Tuyến (2011), Vũ Duy Khiêm.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo cứu tài liệu kỹ thuật chuyên ngành, phân tích sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cơ khí và thủy lực của các hệ thống phanh điển hình và hệ thống phanh trên xe Toyota Vios.
    • Phương pháp tính toán kiểm nghiệm cơ học - thủy lực: Áp dụng các công thức giải tích động lực học ô tô để tính toán tải trọng phân bố khi phanh ($G_1, G_2$), mômen phanh yêu cầu ($M_{pt}, M_{ps}$), kích thước hình học má phanh, đĩa phanh ($R_d, R_{tb}$), áp suất dầu và thông số làm việc của bầu trợ lực chân không.
    • Phương pháp xây dựng quy trình công nghệ: Hệ thống hóa các bước tháo, kiểm tra, sửa chữa và lắp ráp theo tiêu chuẩn bảo dưỡng của nhà sản xuất ô tô Toyota.

  • Nguồn dữ liệu:

    • Thông số kỹ thuật hình học, khối lượng, động cơ và hệ thống truyền động của xe du lịch Toyota Vios do nhà sản xuất công bố.
    • Sổ tay hướng dẫn sửa chữa (Service Manual) và bảo dưỡng dòng xe Toyota Vios.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của hệ thống phanh, các yêu cầu kỹ thuật cơ bản (hiệu quả phanh cao, quãng đường phanh ngắn, gia tốc chậm dần ổn định, hoạt động êm dịu, không tự xiết, thoát nhiệt tốt và giữ tỷ lệ thuận giữa lực đạp với lực phanh). Tác giả phân loại hệ thống phanh theo công dụng (phanh chính, phanh dừng, phanh phụ, phanh dự phòng), theo kết cấu (phanh guốc tang trống, phanh đĩa) và theo phương thức dẫn động (cơ khí, khí nén, thủy lực, khí nén - thủy lực, trợ lực).

Nội dung chương đi sâu vào phân tích cấu tạo và nguyên lý của từng cụm chi tiết:

  • Bộ trợ lực phanh: Phân tích trợ lực khí nén, trợ lực chân không và trợ lực chân không kết hợp thủy lực. Trong đó, trợ lực chân không sử dụng độ chênh lệch áp suất giữa họng hút động cơ (đạt khoảng $0{,}5\text{ kg/cm}^2$) và áp suất khí quyển ($1{,}0\text{ kg/cm}^2$) tác động lên màng cường hóa để khuếch đại lực đạp của người lái.
  • Xylanh phanh chính: Phân tích loại hai buồng hai piston độc lập, gồm cửa nạp, cửa bù, lò xo hồi vị và cảm biến mức dầu, cho phép tạo áp suất thủy lực riêng biệt cho hai nhánh dẫn động nhằm tăng tính an toàn.
  • Hệ thống điều khiển ABS: Trình bày cấu trúc gồm cảm biến tốc độ bánh xe (nam châm vĩnh cửu, cuộn dây, rôto răng cảm ứng sinh điện áp xoay chiều AC), bộ điều khiển trung tâm ABS ECU và bộ chấp hành thủy lực (các van điện từ 2 vị trí hoặc 3 vị trí, motor điện dẫn động bơm dầu piston và bình tích áp).
  • Cơ cấu phanh bánh xe: Phân tích cấu tạo phanh guốc tang trống (đối xứng qua trục, đối xứng qua tâm, loại bơi tác dụng đơn/kép, tự cường hóa tác dụng đơn/kép) cùng cơ chế điều chỉnh khe hở tự động và bằng tay. Phân tích cơ cấu phanh đĩa gồm ngàm phanh, đĩa phanh và má phanh, phân loại theo giá đỡ cố định và giá đỡ di động.
  • Dẫn động phanh: Phân tích ưu nhược điểm của dẫn động cơ khí, dẫn động khí nén, dẫn động kết hợp khí nén - thủy lực và dẫn động thủy lực 1 dòng, 2 dòng (hai dòng song song cầu trước - cầu sau hoặc hai dòng chéo: bánh trước phải - sau trái và bánh trước trái - sau phải).
  • Hệ thống phanh trên xe Toyota Vios: Tác giả chỉ rõ trên xe Toyota Vios, cơ cấu phanh ở cả cầu trước và cầu sau đều sử dụng phanh đĩa loại giá đỡ di động. Đĩa phanh được đúc bằng gang cầu, dạng đĩa không phẳng có các lỗ hướng kính giúp tăng khả năng tản nhiệt và hạn chế truyền nhiệt vào ổ bi moay-ơ. Hệ thống dẫn động sử dụng kiểu dẫn động thủy lực hai dòng trợ lực chân không kết hợp bộ điều hòa lực phanh và hệ thống ABS.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh của xe Vios

Chương này tập trung vào việc tính toán kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật của hệ thống phanh dựa trên dữ liệu xe Toyota Vios thực tế.

Thông số kỹ thuật xe Toyota Vios Giá trị Đơn vị
Khối lượng bản thân 1020 - 1075 kg
Khối lượng bản thân phân bố cầu trước / cầu sau 690 / 360 kg
Khối lượng toàn tải ($G$) 1485 (tương đương 14850 N) kg
Khối lượng toàn tải phân bố cầu trước ($G_1$) 860 kg
Khối lượng toàn tải phân bố cầu sau ($G_2$) 625 kg
Kích thước tổng thể ($D \times R \times C$) $4300 \times 1700 \times 1460$ mm
Chiều dài cơ sở ($L$) 2550 ($2{,}55$) mm (m)
Khoảng sáng gầm xe 150 mm
Động cơ 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng (I), dung tích $1500\text{ cm}^3$ -
Công suất cực đại / Mômen xoắn cực đại 107 Hp tại 6000 rpm / 144 N.m tại 4200 rpm -
Quy cách lốp trước và lốp sau 175/65 R14 -

Các bước tính toán kiểm nghiệm được thiết lập theo trình tự:

  1. Xác định mômen phanh cần thiết: Dựa trên các thông số tính toán chọn trước gồm gia tốc chậm dần cực đại khi phanh $j_{p\max} = 6{,}5\text{ m/s}^2$, chiều cao trọng tâm xe $h_g = 0{,}4\text{ m}$, hệ số bám bánh xe với mặt đường $\varphi = 0{,}6$, bán kính vành bánh xe $R_v = \frac{14}{2} \times 25{,}4 = 177{,}8\text{ mm}$, tính toán bán kính đĩa phanh $R_d = 0{,}8 \times 177{,}8 = 142{,}24\text{ mm}$ (chọn $R_d = 140\text{ mm} = 0{,}14\text{ m}$). Xác định bán kính trung bình của tấm ma sát $R_{tb} = \frac{R_1 + R_2}{2}$ để tính mômen phanh yêu cầu ở cầu trước ($M_{pt}$) và cầu sau ($M_{ps}$).
  2. Tính toán kiểm nghiệm các cụm chi tiết:
    • Tính toán thông số hình học và lực ép của xylanh phanh bánh trước và xylanh phanh bánh sau.
    • Tính toán thể tích công tác, đường kính và áp suất dầu trong xylanh phanh chính.
    • Tính toán hành trình làm việc của bàn đạp phanh nhằm đảm bảo công thái học và độ an toàn khi phanh ngặt.
    • Tính toán hệ dẫn động phanh thủy lực, xác định lực truyền từ bàn đạp đến bầu trợ lực.
    • Tính toán kích thước màng làm việc của bầu trợ lực chân không và xác định hệ số cường hóa lực phanh.

Chương 3: Phân tích hư hỏng và biện pháp khắc phục sửa chữa hệ thống phanh xe ô tô du lịch Toyota Vios

Chương 3 xây dựng quy trình công nghệ phục vụ công tác bảo dưỡng, chẩn đoán và sửa chữa tại xưởng:

  • Chẩn đoán hư hỏng (Bảng 3.1): Phân loại các hiện tượng hư hỏng điển hình như bàn đạp phanh bị thấp/chìm, phanh bị ăn lệch (kéo lệch xe), phanh bị bó kẹt, có tiếng kêu bất thường khi phanh, hoặc hiệu quả phanh kém; phân tích nguyên nhân do mòn má phanh, xước đĩa phanh, rò rỉ cuppen xylanh, lọt khí trong đường ống hoặc hỏng bầu trợ lực chân không.
  • Trang thiết bị chuyên dùng (Bảng 3.2): Liệt kê các dụng cụ đo kiểm chuyên dụng gồm đồng hồ so kiểm tra độ đảo đĩa phanh, thước kẹp đo độ dày đĩa và má phanh, bộ dụng cụ ép piston phanh đĩa, cờ-lê lực và thiết bị xả gió chuyên dùng.
  • Quy trình tháo, kiểm tra và lắp ráp chi tiết (Bảng 3.3 đến Bảng 3.13): Thiết lập các bước công nghệ tháo và lắp chuẩn xác cho từng cụm:
    • Cụm bàn đạp phanh và công tắc đèn phanh.
    • Xylanh phanh chính và bình chứa dầu phanh.
    • Bộ trợ lực chân không (bầu trợ lực và van một chiều).
    • Cơ cấu phanh đĩa bánh trước và bánh sau (ngàm phanh, đĩa phanh, ắc trượt, má phanh, cuppen chắn bụi).
    • Van điều hòa lực phanh cảm nhận tải trọng.
  • Quy trình xả khí hệ thống phanh (Bảng 3.14): Hướng dẫn tuần tự các thao tác xả khí (xả gió) từ bánh xa xylanh chính nhất đến bánh gần nhất, phương pháp theo dõi bọt khí qua ống dẫn trong suốt và kiểm tra độ cứng của bàn đạp phanh sau khi hoàn tất.
  • Bảng thông số sửa chữa tiêu chuẩn (Bảng 3.15): Cung cấp các giới hạn kỹ thuật cho phép đối với độ dày tiêu chuẩn và giới hạn mòn của má phanh, độ dày tối thiểu của đĩa phanh, độ đảo lớn nhất cho phép của đĩa phanh khi quay, và lực siết tiêu chuẩn của các bu-lông liên kết.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các nội dung kỹ thuật với các kết quả cụ thể:

  • Hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật: Làm rõ toàn bộ cấu tạo cơ khí và nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh đĩa 4 bánh, trợ lực chân không và dẫn động thủy lực 2 dòng chéo trên xe du lịch Toyota Vios.
  • Dữ liệu tính toán kiểm nghiệm: Xác lập bộ thông số tính toán dựa trên khối lượng toàn tải $1485\text{ kg}$ (phân bố cầu trước $860\text{ kg}$, cầu sau $625\text{ kg}$), chiều dài cơ sở $2{,}55\text{ m}$, kích thước vành và lốp $175/65\text{ R14}$. Kết quả tính toán đã xác định được kích thước đĩa phanh ($R_d = 140\text{ mm}$), mômen phanh yêu cầu tại các cầu, kích thước màng trợ lực và hành trình bàn đạp, chứng minh hệ thống phanh nguyên bản đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn chuyển động ở gia tốc chậm dần cực đại $6{,}5\text{ m/s}^2$.
  • Xây dựng quy trình thực hành chuẩn hóa: Thiết lập 15 bảng quy trình kỹ thuật bao gồm bảng chẩn đoán lỗi, quy trình tháo - lắp 5 cụm chi tiết chính, quy trình xả khí đường ống thủy lực và bảng thông số kỹ thuật sửa chữa phục vụ trực tiếp cho công tác bảo dưỡng tại xưởng.
  • Đóng góp của đề tài: Khắc phục hạn chế của các nghiên cứu trong nước trước đó (vốn chỉ dừng lại ở lý thuyết tổng quan hoặc nghiên cứu một mô hình/hệ thống tín hiệu rời rạc) bằng cách tích hợp đồng bộ từ khảo sát kết cấu, tính toán động lực học kiểm nghiệm đến thiết lập quy trình công nghệ bảo dưỡng, sửa chữa trên một dòng xe thương mại cụ thể tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Phạm vi đề tài tập trung vào tính toán kiểm nghiệm lý thuyết giải tích dựa trên thông số hình học và tải trọng tĩnh/động định mức, chưa có điều kiện đo đạc thực nghiệm biến thiên áp suất dầu thực tế và trường nhiệt độ trên đĩa phanh bằng cảm biến chuyên dụng trong điều kiện vận hành trên đường.
    • Phần phân tích hệ thống điện tử (ABS, EBD, BA) dừng lại ở mức mô tả nguyên lý cấu tạo và sơ đồ khối điều khiển, chưa đi sâu vào lập trình thuật toán điều khiển trượt hoặc phân tích tín hiệu xung cảm biến trên thiết bị chẩn đoán chuyên sâu (Scan tool).

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Mở rộng thử nghiệm thực tế hệ thống phanh xe Toyota Vios trên bệ thử phanh con lăn chuyên dụng theo tiêu chuẩn ISO 21069 để so sánh độ sai lệch giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm.
    • Nghiên cứu mô phỏng động lực học quá trình phanh kết hợp hệ thống ABS/ESC trên các phần mềm chuyên ngành (như Matlab/Simulink hoặc CarSim) dưới các điều kiện mặt đường có hệ số bám thay đổi.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu kỹ thuật chuyên khảo hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về phương pháp tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh, cách khai thác thông số kỹ thuật xe du lịch, và phương pháp trình bày đồ án tốt nghiệp chuyên ngành ô tô.
  • Giảng viên và cán bộ hướng dẫn thực hành: Sử dụng các sơ đồ nguyên lý, bảng trình tự tháo lắp và quy trình xả khí làm tài liệu giảng dạy trong các môn học Kết cấu ô tô, Tính toán thiết kế ô tô, và Bảo dưỡng - sửa chữa hệ thống gầm ô tô.
  • Kỹ thuật viên xưởng dịch vụ ô tô: Tham khảo bảng chẩn đoán hiện tượng hư hỏng, danh mục dụng cụ chuyên dùng và các bảng thông số giới hạn mòn (đĩa phanh, má phanh, độ đảo) để phục vụ quy trình sửa chữa thực tế dòng xe Toyota Vios.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu phanh bánh xe trước và bánh xe sau trên xe Toyota Vios trong đề tài sử dụng loại kết cấu nào?
Cả cầu trước và cầu sau của xe Toyota Vios trong đề tài đều sử dụng cơ cấu phanh đĩa loại giá đỡ di động. Đĩa phanh được đúc bằng gang cầu, có dạng không phẳng và được thiết kế các lỗ hướng kính nhằm tối ưu hóa khả năng tản nhiệt và hạn chế nung nóng cụm moay-ơ bánh xe.

2. Bộ trợ lực phanh trên xe Toyota Vios lấy nguồn năng lượng từ đâu và độ chênh áp làm việc là bao nhiêu?
Bộ trợ lực phanh sử dụng loại trợ lực chân không, tận dụng độ chân không phát sinh tại đường ống nạp của động cơ khi làm việc (khoảng $0{,}5\text{ kg/cm}^2$) đưa vào buồng chân không, kết hợp với áp suất khí quyển ($1{,}0\text{ kg/cm}^2$) tại buồng áp suất khí trời khi đạp phanh để tạo ra độ chênh áp $0{,}5\text{ kg/cm}^2$ đẩy màng cường hóa, giúp giảm nhẹ lực tác dụng của người lái lên bàn đạp.

3. Sơ đồ dẫn động phanh thủy lực trên xe Toyota Vios được bố trí theo nguyên lý nào?
Xe sử dụng hệ thống dẫn động thủy lực hai dòng độc lập bố trí theo kiểu bắt chéo: một dòng dẫn động cho bánh trước phải - bánh sau trái, và dòng còn lại dẫn động cho bánh trước trái - bánh sau phải. Cách bố trí này đảm bảo khi một dòng gặp sự cố rò rỉ áp suất, dòng còn lại vẫn duy trì lực phanh trên hai bánh chéo nhau, giữ cho xe không bị mất hoàn toàn khả năng phanh và hạn chế hiện tượng mất lái.

4. Khối lượng toàn tải và các thông số kích thước cơ bản của xe Toyota Vios dùng trong tính toán kiểm nghiệm là bao nhiêu?
Khối lượng toàn tải của xe là $1485\text{ kg}$ (tương ứng trọng lượng $14850\text{ N}$), trong đó phân bố lên cầu trước là $860\text{ kg}$ và cầu sau là $625\text{ kg}$. Chiều dài cơ sở của xe là $2550\text{ mm}$ ($2{,}55\text{ m}$), chiều cao trọng tâm xe chọn $h_g = 0{,}4\text{ m}$, khoảng sáng gầm xe $150\text{ mm}$, và cỡ lốp là 175/65 R14.

5. Vì sao cần tiến hành xả khí (xả gió) trong hệ thống phanh thủy lực xe Toyota Vios và trình tự thực hiện ra sao?
Do không khí có tính đàn hồi và chịu nén cao, nếu lọt vào đường ống dẫn dầu sẽ làm giảm áp suất thủy lực truyền tới các xylanh bánh xe, khiến bàn đạp phanh bị mềm hoặc mất hoàn toàn hiệu lực phanh. Quy trình xả khí được thực hiện theo trình tự từ bánh xa xylanh chính nhất đến bánh gần nhất, thao tác đạp giữ bàn đạp phanh và mở ốc xả gió cho đến khi dòng dầu chảy ra qua ống trong suốt không còn bọt khí.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu một cách toàn diện hệ thống phanh dầu trợ lực chân không trên dòng xe du lịch Toyota Vios thông qua việc phân tích kết cấu cơ khí, nguyên lý thủy lực và hệ thống an toàn ABS. Tác giả đã hoàn thành việc tính toán kiểm nghiệm các thông số động lực học phanh dựa trên tải trọng toàn tải $1485\text{ kg}$, xác định mômen phanh yêu cầu, bán kính đĩa phanh và kích thước các cụm xylanh công tác. Đồng thời, đề tài đã chuẩn hóa 15 bảng quy trình công nghệ tháo lắp, chẩn đoán hư hỏng, xả khí và bảo dưỡng sửa chữa, đóng góp một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho đào tạo chuyên ngành và công tác dịch vụ kỹ thuật ô tô.