Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ôtô đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Kể từ khi ô tô được phát minh ra, phanh đã là một bộ phận không thể thiếu của nó

Hệ thống phanh trên các xe hơi hiện đại đã trải qua nhiều cải tiến đáng kể kể từ khi ra đời, nâng cao hiệu suất và độ an toàn cho người lái.

Trong những năm đầu, phanh xe được chế tạo từ các khối gỗ gắn vào vành bánh xe, giúp giảm tốc độ cho xe ngựa bằng cách người lái chỉ cần gạt đòn bẩy Cơ chế đơn giản này đã tồn tại trong nhiều năm, thậm chí trong giai đoạn đầu của xe hơi Tuy nhiên, với sự gia tăng nhanh chóng về tốc độ của xe, việc sử dụng gỗ làm phanh trở nên kém hiệu quả và gây ra tiếng ồn khó chịu.

Hình 1.1: Hệ thống phanh bằng khối gỗ trên các mẫu xe ngày xưa

Hệ thống phanh gỗ đã được thay thế bằng vật liệu thép và da trong quá trình phát triển Mặc dù bàn đạp chân đã thay thế cho đòn bẩy, nhưng hệ thống mới vẫn gặp một số vấn đề hạn chế, bao gồm tiếng ồn lớn khi đạp phanh và hiệu quả sử dụng chưa đạt yêu cầu.

Ô tô hiện đại không chỉ là phương tiện giao thông thiết yếu mà còn mang lại sự thoải mái và an toàn cho người sử dụng, nhờ vào sự phát triển liên tục và không ngừng nghỉ trong công nghệ.

Hệ thống phanh đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những thiết kế thô sơ đến các công nghệ tiên tiến như phanh thủy lực và khí nén Mặc dù đã cải thiện khả năng phanh, nhưng vẫn tồn tại những nhược điểm như lực phanh quá lớn có thể làm mất ổn định xe và tăng quãng đường phanh Để khắc phục vấn đề này, hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) đã được nghiên cứu và áp dụng Hệ thống ABS hoạt động dựa trên nguyên lý nhấp nhá, với ba chế độ tăng áp, giữ áp và giảm áp, giúp ngăn chặn hiện tượng bó cứng bánh xe, cho phép tài xế vẫn có thể điều khiển xe khi phanh.

Hệ thống phanh ABS bao gồm cảm biến tốc độ, bộ điều khiển, bơm thủy lực hoặc máy nén và các van điện từ Nhờ vào sự tiến bộ trong khoa học và kỹ thuật, nhiều hệ thống hỗ trợ phanh như ESP, EBD và ASR đã được phát triển Các xe hơi hiện đại ngày nay thường được trang bị phanh đĩa thủy lực hoặc phanh khí, kết hợp với hệ thống ABS và các công nghệ hỗ trợ phanh tiên tiến.

Với xu hướng công nghệ hiện đại, hệ thống phanh thủy lực và khí nén không còn tối ưu do chiếm nhiều không gian và có thời gian phản hồi chậm Do đó, nghiên cứu về phanh cơ điện đang trở thành giải pháp tương lai Chúng tôi nhận thấy tiềm năng lớn từ hệ thống phanh cơ điện, đặc biệt là phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang phát triển, nên đã quyết định chọn đề tài này để nghiên cứu.

Nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống phanh cơ điện trên ôtô nhằm tìm hiểu sâu hơn về hệ thống phanh nêm điện tử EWB mà Siemens đang phát triển.

Mục đích nghiên cứu

Hệ thống phanh điện tử EWB trên ôtô là một công nghệ tiên tiến, giúp cải thiện hiệu suất phanh và tăng cường an toàn Bài viết sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc và hoạt động của hệ thống này, đồng thời nêu bật những ưu điểm nổi bật của nó Qua đó, chúng tôi sẽ thiết lập mô hình đơn giản để mô phỏng hoạt động của hệ thống phanh cơ điện, giúp độc giả hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và lợi ích của hệ thống phanh điện tử EWB.

 Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên, từng bước nâng cao trình độ của sinh viên trong và ngoài trường.

Nội dung nghiên cứu

 Tổng quát về hệ thống phanh điện

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

 Thi công mô hình mô phỏng sơ bộ hệ thống

Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nhiều phương pháp trong đó có phương pháp chính như sau:

 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phanh

 Nghiên cứu và biên dịch tài liệu nước ngoài

 Tham khảo các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động lực

 Chọn lọc thông tin, học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè.

TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHANH ĐIỆN

Chức năng của hệ thống phanh

Hệ thống phanh đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tốc độ và dừng xe, đảm bảo an toàn cho người lái và giảm thiểu tai nạn Đối với ôtô, việc cải thiện và tối ưu hóa hệ thống phanh không chỉ nâng cao hiệu quả phanh mà còn giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm không gian trong xe.

Hệ thống phanh bao gồm cơ cấu phanh giúp hãm tốc độ góc của bánh xe hoặc trục trong hệ thống truyền lực, cùng với truyền động phanh để điều khiển cơ cấu phanh hiệu quả.

Trên ô tô, quá trình phanh diễn ra thông qua việc tạo ra ma sát giữa các bộ phận quay và đứng yên, như tang trống với má phanh hoặc đĩa phanh với má phanh Ma sát này gây mài mòn và làm nóng các chi tiết, và nếu không được phát hiện và điều chỉnh kịp thời, hiệu quả phanh có thể giảm sút Hư hỏng trong hệ thống phanh có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tính an toàn của ô tô trong quá trình di chuyển.

Yêu cầu của hệ thống phanh

 Phanh êm dịu trong bất kỳ mọi trường hợp để đảm bảo sự ổn định của ô tô khi phanh

 Điều khiển nhẹ nhàng, nghĩa là lực tác dụng lên bàn đạp hay đòn điều khiển không lớn

 Dẫn động phanh có độ nhạy cảm lớn

Để tối ưu hóa hiệu quả phanh, cần đảm bảo rằng việc phân bố mômen phanh trên các bánh xe được thực hiện một cách hợp lý, giúp sử dụng triệt để trọng lượng bám khi phanh ở bất kỳ cường độ nào.

 Không có hiện tượng tự siết phanh

 Cơ cấu phanh thoát nhiệt tốt

 Có hệ số ma sát giữa má phanh và trống phanh cao và ổn định trong điều kiện sử dụng

 Giữ tỉ lệ thuận giữa lực trên bàn đạp hoặc đòn điều khiển với lực phanh trên bánh xe

 Có khả năng phanh khi sử dụng trong thời gian dài

Để đảm bảo an toàn, việc dừng xe nhanh chóng trong mọi tình huống là rất quan trọng Khi phanh đột ngột, xe cần dừng lại trong khoảng cách ngắn nhất có thể, đạt được gia tốc cực đại Điều này phải tuân theo các tiêu chuẩn an toàn của Châu Âu.

 Hệ thống phanh cần có độ nhạy cảm cao, hiệu quả phanh không thay đổi nhiều lần giữa các lần phanh

 Đảm bảo tránh hiện tượng trượt lết trên đường

Phanh chân và phanh tay hoạt động độc lập, không ảnh hưởng lẫn nhau Phanh tay có khả năng thay thế phanh chân khi gặp sự cố, đảm bảo chức năng dự phòng hiệu quả.

 Phanh tay dùng để giữ nguyên vị trí xe, phải giữ nguyên trên dốc tối thiểu là 18% (tức là 16-20 độ)

Các cơ cấu phanh cần có khả năng thoát nhiệt hiệu quả, tránh truyền nhiệt đến các khu vực xung quanh như lốp xe và moay ơ Đồng thời, việc điều chỉnh và thay thế các chi tiết hư hỏng cũng phải được thực hiện một cách dễ dàng.

Cần đảm bảo rằng sản phẩm chiếm ít không gian, có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và đáp ứng các yêu cầu chung của cấu trúc cơ khí.

Cơ sở lý thuyết của hệ thống phanh

Khi người lái đạp phanh, cơ cấu phanh tạo ra mômen ma sát, hay còn gọi là mômen phanh, để hãm bánh xe Lúc này, tại bánh xe sẽ xuất hiện phản lực tiếp tuyến.

 Chiều ngược chiều chuyển động

 Phương song song với mặt phẳng nằm ngang

 Điểm đặt tại tâm diện tích tiếp xúc giữa lốp và đường

 Xét tại một bánh xe như hình vẽ [2]

Hình 2.3: Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh

M p : Mômen phanh tác dụng lên bánh xe

F p : Lực phanh tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường

Mjb : Mômen quán tính của bánh xe

Z b : Phản lực của bánh xe r b : Bán kính làm việc trung bình của bánh xe

 Khi đó lực phanh P p được xác định theo công thức: p p b

 Do đó lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường

F p max : Lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường

F  : Lực bám giữa bánh xe với mặt đường

Z b : Phản lực pháp tuyến mặt đường tác dụng lên bánh xe

 : Hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường

Khi phanh, bánh xe giảm tốc với gia tốc âm, dẫn đến mômen quán tính M jb tác động cùng chiều chuyển động Đồng thời, mômen cản lăn M f tác động ngược chiều, giúp hãm bánh xe Do đó, lực hãm tổng cộng khi phanh bánh xe được biểu thị bằng công thức: p f jb f jb po p b b.

Trong quá trình phanh ôtô, mômen phanh tăng lên cho đến khi bánh xe bắt đầu trượt lê, dẫn đến hệ số bám thấp nhất và hiệu quả phanh giảm Khi bánh xe trượt, lực phanh giữa bánh xe và mặt đường giảm, gây mất tính năng dẫn hướng và làm giảm tính ổn định, đặc biệt khi bánh sau bị trượt.

Để ngăn chặn hiện tượng trượt lê hoàn toàn bánh xe khi phanh, ôtô hiện đại được trang bị hệ thống ABS, giúp chống bó cứng bánh xe và đảm bảo an toàn khi lái xe.

Điều kiện đảm bảo sự phanh tối ưu

Giả sử ôtô chuyển động với vận tốc v 1 , khi phanh thì v 1 giảm dần và gia tốc j