Bài tập lớn thiết kế tính toán ô tô đề tài nghiên cứu mô phỏng nhiệt cơ cấu phanh đĩa trên xe du lịch

Hệ thống phanh đĩa là một trong những bộ phận quan trọng nhất của ô tô, đảm bảo an toàn khi lái xe trên đường.Trong quá trình hoạt động, hệ thống phanh đĩa trên ô tô sẽ chịu tác động của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ - Ô TÔ

KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ

ccccc

-BÀI TẬP LỚN

THIẾT KẾ TÍNH TOÁN Ô TÔ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG NHIỆT CƠ CẤUPHANH ĐĨA TRÊN XE DU LỊCH

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân TuấnSinh viên thực hiện:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Thực trạng về vấn đề nhiệt trong nước và trên thế giới 1

1.1.1 Thực trạng về vấn đề nhiệt cơ cấu phanh đĩa: 1

1.1.2 Công dụng 1

1.2 Các yếu tố liên quan đến sự tăng giảm nhiệt độ cơ cấu phanh 2

1.2.1 Sự phụ thuộc của thời gian phanh với nhiệt độ cơ cấu phanh 2

1.2.2 Sự phụ thuộc của quãng đường phanh với nhiệt độ cơ cấu phanh 3

1.2.3 Sự phụ thuộc của lực phanh với nhiệt độ cơ cấu phanh 3

1.3 Các ảnh hưởng và hiện tượng của cơ cấu phanh 4

1.3.1 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt của má phanh và đĩa phanh 4

1.3.2 Ảnh hưởng của độ mòn và biến dạng của má phanh và đĩa phanh 5

1.3.3 Ảnh hưởng của vật liệu chế tạo má phanh và đĩa phanh 5

1.3.4 Hiện tượng Fading phanh 6

1.4 Kết luận chương 1 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH 8

2.1 Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế 8

2.1.1 Cơ sở lý thuyết 8

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của phanh đĩa 8

2.1.3 Ảnh hưởng của diện tích và khe rãnh trên má phanh 8

2.1.3.1 Ảnh hưởng của diện tích má phanh 8

2.1.3.2 Ảnh hưởng của khe rãnh đối với má phanh 9

2.1.3.3 Ảnh hưởng của kích thước và chiều rộng khe rãnh trên má phanh 10

2.1.4 Vật liệu sử dụng chế tạo 11

2.1.5 Sự phát thải vật chất dạng hạt trong quá trình phanh ở nhiệt độ cao 12

2.1.6 Khí thải phanh khi phanh ở nhiệt độ trung bình 14

2.1.7 Yêu cầu thiết kế của cơ cấu phanh đĩa 17

2.1.8 Quy chuẩn đánh giá 18

2.2.1 Sơ đồ tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh Huyndai Santa Fe 19

2.2.2 Các thông số ban đầu 20

2.2.3 Tính toán lực tác dụng lên tấm ma sát 22

1 Xác định mô men phanh thực tế và mô men phanh yêu cầu của cơ cấu phanh 23

2.2.4 Xác định mô men phanh thực tế do cơ cấu phanh sinh ra 23

2.2.5 Tính toán xác định công ma sát riêng 25

2.2.6 Tính toán xác định áp lực lên má phanh 26

2.2.7 Tính toán nhiệt trong quá trình phanh 26

3.2.4 Các bước xây dựng hệ thống mô phỏng trên phần mềm ABAQUS: 33

3.2.5 Thiết lập bài toán mô phỏng nhiệt 35

3.2.5.1 Thiết lập vật liệu 35

3.2.5.2 Tạo lưới cho mô hình 35

3.2.3 Thiết lập các điều kiện biên: 37

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1:Cơ cấu phanh trên xe ô tô 2

Hình 2.1 Tổng lượng phát thải PM theo (a) khối lượng và (b) nồng độ số thu được trong quá trình phanh 13

Hình 2.2 Mối tương quan giữa độ dẫn nhiệt của đĩa và lượng khí thải phanh trong về (a) khối lượng, (b) nồng độ số lượng 13

Hình 2.3 Nồng độ số lượng (a) và khối lượng (b) của các hạt được biểu thị cùng với thời gian phanh trong quá trình thử nghiệm 16

Hình 2.4: Sơ đồ lực tác dụng lên xe 19

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán kiểm nghiệm cơ cấu phanh 20

Hình 3.1 Phần mềm NX 29

Hình 3.2 Mẫu phanh cánh gió thẳng 31

Hình 3.3 Mẫu má phanh có khe rãnh 31

Hình 3.4 Mẫu má phanh không có khe rãnh 31

Hình 3.5 Phần mềm ABAQUS 32

Hình 3.6 Đĩa phanh được chia lưới với kích thước lớn 36

Hình 3.7 Mô hình được chia lưới với kích thươc nhỏ 37

Hình 3.8 Thiết lập áp suất đặt lên má phanh 38

Hình 3.9 Thiết lập nhiệt độ ban đầu 38

Hình 3.10 Thiết lập vận tốc góc của đĩa 39

Hình 3.11 Nhiệt độ của má phanh và đĩa phanh 40

Hình 3.12 Thời gian chạy bài toán 41

Hình 3.13 Nhiệt độ má phanh không có rãnh 41

Hình 3.14 Nhiệt độ má phnah có rãnh 42

Hình 3.15 Mặt trước và mặt sau của 2 trường hợp (a) cánh thẳng, (b) cánh cong 43

Hình 3.16 Đồ thị so sánh của vật liệu Gang xám 44

Hình 3.17 Đồ thị so sánh của vật liệu Carbon 45

Hình 3.18 Đồ thị so sánh của vật liệu Carbon 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Bảng thông số vật liệu đĩa phanh 35

Bảng 3.2 Bảng thông số vật liệu má phanh 35

Bảng 3.3 Thời gian máy tính tính toán so với thời gian thực 40

Bảng 3.4 Trường hợp má phanh không có rãnh 43

Bảng 3.5 Trường hợp má phanh có rãnh 44

Bảng 3.6 Hai dạng thiết kế đĩa phanh khác nhau 46

Bảng 3.7 Nhiệt độ của đĩa phanh trong 2 trường hợp má phanh khác nhau 46

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp ô tô hiện nay đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của một đất nước Nó ra đời nhằm mục đích phục vụ nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách, phát triển kinh tế xã hội đất nước Từ lúc ra đời cho đến nay ô tô đã được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, quốc phòng an ninh, nông nghiệp, công nghiệp, du lịch,….Với sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại trên thế giới được ứng dụng trong nghiên cứu và sản xuất, thì việc nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng, sự tiện nghi và hiện đại của ô tô là cần thiết Song song với việc phát triển ngành ô tô thì vấn đề bảo đảm an toàn cho người và xe càng trở nên cần thiết Do đó trên ô tô hiện nay xuất hiện rất nhiều cơ cấu bảo đảm an toàn như: cơ cấu phanh, dây đai an toàn, túi khí…trong đó cơ cấu phanh đóng vai trò quan trọng nhất Cho nên khi thiết kế hệ thống phanh phải đảm bảo phanh có hiệu quả cao, an toàn ở mọi tốc độ nhất là ở tốc độ cao, để nâng cao được năng suất vận chuyển người và hàng hoá là điều rất cần thiết.Trong đó nghiên cứu về cơ cấu phanh, chất lượng hoạt động của phanh đến việc vận hành trơn tru trên các quãng đường với địa hình, môi trường khác nhau, độ bền của các chi tiết và kết cấu phanh ngày càng được quan tâm Ngày nay việc mô phỏng, thiết kế để tối ưu hóa cơ cấu phanh đĩa cụ thể hơn thiết kế cơ cấu phanh đĩa sao cho làm giảm nhiệt độ sinh ra trong quá trình phanh đang được quan tâm và phát triển Một trong những ý tưởng đó là thiết kế mô phỏng nhiệt cơ cấu phanh đĩa , thiết kế thay đổi hình dạng đĩa phanh, má phanh từ đó giúp giúp cơ cấu phanh đĩa hoạt động linh hoạt và hiệu quả hơn Hiện nay có nhiều công cụ giúp mô phỏng nhiệt mà phổ biến nhất là Ansys maxwell cho phép mô phỏng và thiết kế lực,

mô men, dòng điện, từ thông… một cách trực quan Đề tài “Nghiên cứu mô phỏngnhiệt cơ cấu phanh đĩa trên xe Huyndai santafe 2021” nhằm tìm hiểu, mô phỏng,

đánh giá hoạt động của cơ cấu phanh đĩa trên ô tô bằng việc sử phần mềm mô phỏng ABAQUS Bài báo cáo nghiên cứu này nhằm cung cấp cho độc giả những kiến thức về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, cũng như giới thiệu phương pháp mô phỏng và tính toán nhiệt phanh đĩa trên xe ô tô Hyundai SantaFe Nhóm em hy vọng bài báo cáo này sẽ đóng góp vào việc tăng cường hiểu biết và đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống phanh trên xe ô tô

Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Xuân Tuấn đã tận tình giúp đỡ nhóm em thực hiện và hoàn thành đề tài bài tập lớn trong khuôn khổ môn học này.

1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu1.1 Đối tượng

Nghiên cứu về nhiệt cơ cấu phanh đĩa trên ô tô là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật ô tô và cơ khí Hệ thống phanh đĩa là một trong những bộ phận quan trọng nhất của ô tô, đảm bảo an toàn khi lái xe trên đường.

Trong quá trình hoạt động, hệ thống phanh đĩa trên ô tô sẽ chịu tác động của nhiệt độ cao, do đó độ bền và khả năng chịu nhiệt của các bộ phận cơ cấu phanh là một trong những đối tượng quan trọng được nghiên cứu và đánh giá trong bài nghiên cứu này Nghiên cứu về nhiệt cơ cấu phanh đĩa cũng có thể bao gồm các yếu tố liên quan đến vật liệu và công nghệ sản xuất.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng tập trung vào các yếu tố liên quan đến hiệu suất phanh, bao gồm khả năng phanh và tốc độ phanh Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển và an toàn khi sử dụng ô tô.

Nghiên cứu về nhiệt cơ cấu phanh đĩa trên ô tô cũng có thể tập trung vào các công nghệ mới và cải tiến để cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống phanh đĩa, chẳng hạn như sử dụng vật liệu mới, thiết kế mới, công nghệ sản xuất mới và các phương pháp kiểm tra và đánh giá hiệu suất phanh mới.

Nhờ những nghiên cứu này, các chuyên gia kỹ thuật ô tô có thể nâng cao chất lượng và hiệu suất của hệ thống phanh đĩa, đảm bảo an toàn cho người lái và người đi đường.

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu, tính toán, mô phỏng, lựa chọn vật liệu để chế tạo, cải tiến và thực nghiệm thiết kế cơ cấu phanh đĩa, mô phỏng nhiệt do quá trình phanh sinh ra Từ đó đưa ra kết luận và đề xuất cho cơ cấu phanh đĩa mới ứng dụng vào thực tế.

Mục đích của nghiên cứu này là xem xét và tìm hiểu các mô hình thiết kế của cơ cấu phanh đĩa, khảo sát nhiệt cơ cấu phanh đĩa trên xe Bên cạnh đó, nghiên cứu này cũng nhằm mục đích mô phỏng nhiệt của má phanh và đĩa phanh khi làm việc bằng cách thay đổi các thông số phù hợp được thu thập từ các tài liệu trong môi trường

2 Tính cấp thiết, ý nghĩa và mục tiêu nghiên cứu.2.1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu.

Trong quá trình phát triển nền kinh tế và phục vụ đời sống xã hội, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách ngày một gia tăng Vận tải ô tô có khả năng đáp ứng tốt hơn nhiều mặt so với các phương tiện vận tải khác do tính đơn giản, cơ động Ô tô có thể đi đến những vùng mà các phương tiện khác không thể đến được, bên cạnh đó giá thành vận chuyển ô tô tương đối thấp Vấn đề đặt ra là sự an toàn trong việc sử dụng và điều khiển ô tô Một trong những hạn chế điển hình như tai nạn giao thông vô cùng nhiều, gây thiệt hại vô cùng lớn như: năm 2022, toàn quốc xảy ra 11.457 vụ tai nạn giao thông làm chết 6397 người và bị thương 7804 người [1] Những con số trên cho thấy việc đảm bảo sự an toàn là vô cùng cần thiết.

Một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn là do phương tiện không đảm bảo an toàn kỹ thuật, ví dụ như bị bó cứng phanh, mất phanh, phanh bị cháy do quá nóng, … Chính vì vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là phải khắc phục được những hạn chế và cải tiến làm cho cơ cấu phanh hoạt động hiệu quả hơn, an toàn cho người và xe trong quá trình vận chuyển hành khách và hàng hóa

Việc nghiên cứu phanh đĩa rất cấp thiết vì những lý do sau:

- Tăng tính an toàn: Hệ thống phanh đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho phương tiện và người sử dụng Nghiên cứu phát triển công nghệ phanh đĩa giúp tăng cường hiệu suất phanh, giảm khoảng cách phanh và giảm nguy cơ tai nạn giao thông.

- Nâng cao hiệu quả vận hành: Cơ cấu phanh đĩa được sử dụng rộng rãi trong xe hơi, xe máy và xe đạp địa hình Nghiên cứu phát triển công nghệ phanh đĩa giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm lực cản khi di chuyển, tăng độ bền và tuổi thọ của hệ thống phanh.

- Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và quy định: Các quy định và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến hệ thống phanh đang ngày càng được nâng cao để đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu phát triển công nghệ phanh đĩa giúp đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và quy định mới, đồng thời giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng cường sự cạnh tranh của các doanh nghiệp.

- Tiết kiệm năng lượng: Phanh đĩa đôi khi được sử dụng để tạo ra lực cản và giảm tốc độ của phương tiện, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải độc hại cho môi trường Nghiên cứu phát triển công nghệ phanh đĩa giúp tối ưu hóa hiệu suất tiêu thụ năng lượng và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

2.2 Ý nghĩa và mục tiêu.

a, Mục tiêu cụ thể.

- Mô phỏng các thông số động lực học của cơ cấu phanh đĩa trên xe Huyndai santafe.

- Phân tích đánh giá kết quả của mô phỏng xe.

- Đề xuất những kiến nghị mới góp phần cải tiến cơ cấu phanh đĩa b, Mục tiêu lâu dài.

- Là cơ sở nghiên cứu thiết kế mô phỏng cơ cấu phanh cho các dòng xe con và xe du lịch của Việt Nam trong tương lai.

- Tăng cường khả năng an toàn, ổn định và tính êm dịu cho người ngồi trong xe khi xe chuyển động.

Với những ưu điểm cũng như hạn chế của cơ cấu phanh đĩa để cải thiện chất lượng cũng như nâng cao tính năng hoạt động hiệu quả, an toàn, êm dịu khi xe di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau và tốc độ khác nhau khi xe được trang bị cơ cấu

phanh đĩa Đề tài nghiên cứu với nội dung là “Nghiên cứu mô phỏng nhiệt cơ cấuphanh đĩa trên xe Huyndai Santafe ” mang tính chất đổi mới và phát triển từ các mô

hình trước, đồng thời khảo sát quá trình hoạt động, độ an toàn và êm dịu của cơ cấu phanh khi đi di chuyển ở các tốc độ khác nhau và các cung đường khác nhau

3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.3.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài.

Trên thế giới, nghiên cứu về cơ cấu phanh đĩa được tiến hành liên tục để tăng cường hiệu suất phanh, giảm thiểu tiếng ồn, độ rung và tăng cường tính an toàn khi sử dụng các phương tiện giao thông Các nhà sản xuất và các tổ chức nghiên cứu đã đưa ra nhiều cải tiến trong thiết kế, vật liệu và công nghệ sản xuất cơ cấu phanh

Một số nghiên cứu mới nhất tập trung vào việc tăng cường tính năng tản nhiệt của đĩa phanh và bộ phanh để giảm thiểu nhiệt độ trong quá trình phanh:

“Thermo-mechanical performance of automotive disc brakes” - Tác giả: Daanvir Karan Dhir; Khoa Kỹ thuật Sản xuất, Cao đẳng Kỹ thuật Guru Nanak Dev, 141006 Ludhiana, Ấn Độ [2], nhóm tác giả nghiên cứu sự gia tăng của nhiệt độ của phanh đĩa ô tô tại thời điểm phanh và ảnh hưởng của nó đến độ bền của đĩa bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

Một nghiên cứu khác, “Temperature dissipation and thermal expansion of automotive brake disc by using different MATERIALS” – Tác giả là S Sathishkumar, S Ramesh kuamr, A Jeevarathinam, K.S Sathishkumar, K.V Ganesh Kumar [3], bài báo kiểm tra hoạt động cơ nhiệt của phần tiếp xúc khô của phanh thủy lực ở trung tâm của điểm phanh Trong bài báo này đã bị hạn chế trong việc phân tích nhiệt của hệ thống phanh trong ô tô vận tải tương ứng, nhưng các nghiên cứu sâu hơn đang được nghiên cứu về loại phân tích cấu trúc và phân tích dòng chảy, v.v đang được nghiên cứu để đạt được hệ thống truyền nhiệt tốt hơn.

Một nghiên cứu nữa, “ Thermal analysis of locomotive wheel-mounted brake disc” – Tác giả là B Ghadimi, F Kowsary, M Khorami [4], bài báo phân tích nhiệt của đĩa phanh gắn trên bánh xe R920K cho đầu máy ER24PC Trong quá trình phanh, nhiệt độ tối đa được quan sát thấy ở giữa quá trình phanh thay vì điểm kết thúc phanh Ngoài ra, người ta quan sát thấy độ trễ lớn đối với nhiệt độ vây khiến không thể làm mát khi bắt đầu phanh Bài báo kết luận rằng với mọi nhiệt độ tối đa khác nhau, quãng đường phanh tăng 33% thì sẽ dẫn đến nhiệt độ tối đa giảm 6%.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng quan tâm đến việc tăng cường tính bền của cơ cấu phanh đĩa thông qua việc sử dụng vật liệu mới như thép không gỉ, carbon hay sợi thủy tinh chịu lực, giúp tăng độ bền và tuổi thọ của cơ cấu phanh.

Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới về cơ cấu phanh đĩa sẽ tiếp tục được tăng cường để tăng cường an toàn, hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các phương tiện giao thông.

3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước.

Cơ cấu phanh là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực chưa được nghiên cứu nhiều và phát triển.

Hiện nay, trong nước có một số nhóm nghiên cứu và các trường đại học đang tiến hành nghiên cứu về cơ cấu phanh Tuy nhiên, đây là các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu và phát triển các bộ phận cấu thành cơ cấu phanh, ví dụ như đĩa phệ, pad phanh, trống phanh, tang phanh, bộ kẹp phanh, hệ thống thủy lực, hệ thống đi.

Các nghiên cứu này đang tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của các bộ phận cấu thành cơ cấu phanh, nhằm tăng độ bền và độ ổn định, giảm tiêu hao năng lượng và tiếng ồn, cải thiện hiệu suất phanh, đáp ứng các yêu cầu an toàn khi vận hành xe.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các nghiên cứu về cơ cấu phanh tại Việt Nam hiện nay vẫn chưa đầy đủ và chưa thực sự tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và tiên tiến trong lĩnh vực này Do đó, cần có sự đầu tư nghiêm túc hơn từ phía các tổ chức, doanh nghiệp và chính phủ để nâng cao năng lực nghiên cứu và phát triển của ngành công nghiệp ô tô và xe máy tại Việt Nam.

Hiện nay, trong nước có một số dự án nghiên cứu về cơ cấu phanh được tiến hành bởi các nhà nghiên cứu, các trường đại học và các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp xe Dưới đây là một số dự án nghiên cứu về cơ cấu phanh trong nướng Dưới đây là một số dự án nghiên cứu và tên tác giả về cơ cấu phanh:

"Nghiên cứu vật liệu composite cho cơ cấu phanh đĩa" - Tác giả: Hồ Văn Đức, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [11]; Trong nghiên cứu, tác giả sử dụng phương pháp kết hợp giữa các loại sợi carbon và sợi thủy tinh với nhựa epoxy để tạo thành vật liệu composite mới Tác giả đã tiến hành đánh giá tính năng và đặc tính của vật liệu composite này bằng các phương pháp thử nghiệm cơ học và vật lý, bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn, độ cứng và khả năng chịu nhiệt.

"Nghiên cứu tính năng phân bố nhiệt trên đĩa phanh dạng lượn sóng" - Tác giả: Nguyễn Quốc Duy, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [12]; Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào việc khảo sát phân bố nhiệt trên đĩa phanh dạng lượn sóng trong quá trình phanh xe Tác giả đã sử dụng các phương pháp mô phỏng số học để mô tả quá trình phân bố nhiệt trên đĩa phanh, bao gồm phương trình phân tán nhiệt và phương trình dòng chảy.

"Tối ưu hóa cấu trúc và kích thước của đĩa phanh dạng lưỡi dao" - Tác giả: Tống Hoàng Trí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [13]; Trong

nghiên cứu này, tác giả tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và kích thước của đĩa phanh dạng lưỡi dao để cải thiện hiệu suất phanh và giảm thiểu trọng lượng của cơ cấu phanh đĩa Tác giả đã sử dụng phần mềm mô phỏng và phân tích kết cấu để tối ưu hóa các thông số kích thước của đĩa phanh, bao gồm đường kính, độ dày và các thông số hình học khác.

"Nghiên cứu tính năng tản nhiệt của đĩa phanh bằng các vật liệu composite" - Tác giả: Đỗ Thị Hương Giang, Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [14]; Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu tính năng tản nhiệt của đĩa phanh bằng các vật liệu composite Các vật liệu composite được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm sợi cacbon và kevlar, được đặt trong ma trận là nhựa epoxy Tác giả đã tiến hành đo lường và phân tích nhiệt độ của đĩa phanh khi hoạt động trong điều kiện thử nghiệm khác nhau.

Các dự án và tên tác giả trên chỉ là một số ví dụ, có rất nhiều các dự án và tác giả khác đang tiến hành nghiên cứu về nhiệt của cơ cấu phanh đĩa trong nước.

Các dự án này đều nhằm tăng cường nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực cơ cấu phanh tại Việt Nam, tuy nhiên cần có sự đầu tư và hỗ trợ từ các tổ chức, doanh nghiệp và chính phủ để nâng cao năng lực nghiên cứu và phát triển của ngành công

nghiệp ô tô.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.1.1 Thực trạng về vấn đề nhiệt trong nước và trên thế giới.

1.1.1 Thực trạng về vấn đề nhiệt cơ cấu phanh đĩa:

- Ở Việt Nam:

Trong điều kiện đường sá nóng và khối lượng xe tăng, nhiệt độ phanh đĩa ô tô tại Việt Nam có thể tăng cao và dễ gây ra các vấn đề như bó cứng phanh, mòn đĩa phanh, giảm hiệu quả phanh và đôi khi còn gây nổ lốp Để giải quyết vấn đề này, các nhà sản xuất ô tô tại Việt Nam đang áp dụng các công nghệ mới như sử dụng hợp kim nhôm, thép không gỉ, sợi cacbon, đồng thau để làm đĩa phanh và cải thiện hệ thống làm mát phanh.

- Trên thế giới:

Các nhà sản xuất ô tô trên thế giới cũng đang nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới nhằm giải quyết vấn đề nhiệt phanh đĩa ô tô Nhiều hãng xe đã sử dụng các vật liệu mới như carbon-ceramic, silicon-carbide hay các loại hợp kim nhôm, magiê để tăng khả năng chịu nhiệt cho đĩa phanh và cải thiện hệ thống làm mát phanh Ngoài ra, các công nghệ mới như phun sương nước, các cảm biến nhiệt độ trên đĩa phanh cũng được sử dụng để tăng hiệu quả phanh và đảm bảo an toàn cho người lái.

1.1.2 Công dụng

Hệ thống phanh có nhiệm vụ giảm vận tốc chuyển động, dừng hoặc giữ ô tô đứng yên trên một độ dốc nhất định [5] Cơ cấu phanh được sử dụng trên các loại xe hơi, xe tải, xe bus, xe máy, xe đạp và các loại phương tiện khác.

Các công dụng của cơ cấu phanh bao gồm:

- Đảm bảo an toàn: Cơ cấu phanh là một phần quan trọng của hệ thống an toàn của phương tiện giao thông, giúp người lái kiểm soát tốc độ và dừng lại phương tiện một cách an toàn.

- Giảm tốc độ: Cơ cấu phanh giúp giảm tốc độ của phương tiện khi cần thiết, đặc biệt là khi điều khiển phương tiện trên đường dốc hoặc khi cần phải dừng lại đột ngột.

- Kiểm soát phanh: Cơ cấu phanh cung cấp sự kiểm soát và ổn định cho người lái khi phanh, giúp tránh những trường hợp phanh quá mạnh hoặc bị trơn trượt.

- Tiết kiệm năng lượng: Cơ cấu phanh được thiết kế để tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể, giúp giảm chi phí nhiên liệu.

- Bảo trì phương tiện: Cơ cấu phanh đóng vai trò quan trọng trong việc bảo trì phương tiện giao thông, giúp giảm thiểu các thiệt hại do sử dụng xe quá mức.

Tóm lại, cơ cấu phanh là một phần không thể thiếu trong hệ thống an toàn và bảo trì của phương tiện giao thông, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng cho phương tiện.

Hình 1.1:Cơ cấu phanh trên xe ô tô.

1-Lò xo; 2-Má phanh; 3-Xilanh con; 4-Chốt định vị;5-Lò xo điều chỉnh; 6-Mâm phanh; 7-Cùm phanh; 8-Bạc đạn;

9-Bulông bánh xe; 10-Đĩa phanh.

1.2 Các yếu tố liên quan đến sự tăng giảm nhiệt độ cơ cấu phanh.1.2.1 Sự phụ thuộc của thời gian phanh với nhiệt độ cơ cấu phanh.

Thời gian phanh có một sự phụ thuộc đáng kể đến nhiệt độ cơ cấu phanh Khi bạn sử dụng phanh, năng lượng từ động cơ của xe được chuyển đổi thành nhiệt năng thông qua ma sát giữa miếng phanh và đĩa phanh Quá trình này tạo ra nhiệt độ cao trong cơ cấu phanh.

Khi bạn phanh trong một khoảng thời gian ngắn hoặc với lực phanh mạnh, lượng nhiệt tạo ra sẽ tăng đáng kể, dẫn đến tăng nhiệt độ trong cơ cấu phanh Trong trường hợp này, đĩa phanh có thể trở nên quá nóng và gây ra các vấn đề như biến dạng, mòn hoặc trầy xước.

Ngược lại, khi bạn sử dụng phanh một cách nhẹ nhàng hoặc trong một khoảng thời gian dài, lượng nhiệt được tạo ra ít hơn và nhiệt độ cơ cấu phanh không tăng lên một cách đáng kể Điều này giúp duy trì hiệu suất phanh và giảm nguy cơ gây hư hỏng đĩa phanh.

1.2.2 Sự phụ thuộc của quãng đường phanh với nhiệt độ cơ cấu phanh.

Quãng đường phanh cũng có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ cơ cấu phanh Khi bạn phanh, năng lượng từ động cơ được chuyển đổi thành nhiệt năng thông qua ma sát giữa miếng phanh và đĩa phanh Quãng đường phanh là thời gian và khoảng cách mà bạn cần để dừng xe hoàn toàn sau khi bắt đầu phanh.

Khi bạn phanh trong một quãng đường ngắn, nhiệt độ cơ cấu phanh tăng lên nhanh chóng do lượng nhiệt được tạo ra tập trung trong một thời gian ngắn Điều này có thể làm tăng nhiệt độ của đĩa phanh và các thành phần khác trong hệ thống phanh.

Nếu quãng đường phanh quá ngắn hoặc phanh quá mạnh, nhiệt độ cơ cấu phanh có thể tăng lên quá cao, vượt quá khả năng làm mát của hệ thống phanh Điều này có thể dẫn đến hiện tượng "fading" (mất tác dụng phanh tạm thời) khi đĩa phanh không thể cung cấp đủ ma sát để giảm tốc độ xe Ngoài ra, quãng đường phanh ngắn cũng đặt áp lực cao lên hệ thống phanh và có thể làm gia tăng mài mòn và mỏi mòn.

Khi bạn phanh trong một quãng đường dài hơn, nhiệt độ cơ cấu phanh được phân tán ra một cách tương đối đồng đều trong thời gian kéo dài Điều này giúp giảm áp lực và nhiệt độ trong hệ thống phanh, giữ cho đĩa phanh và các thành phần khác ở một nhiệt độ ổn định hơn.

Do đó, điều quan trọng là sử dụng phanh một cách hợp lý và phù hợp với quãng đường phanh Điều này giúp duy trì nhiệt độ cơ cấu phanh ổn định và đảm bảo hiệu suất phanh tốt nhất trong mọi tình huống lái xe.

1.2.3 Sự phụ thuộc của lực phanh với nhiệt độ cơ cấu phanh.

Lực phanh cũng có ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ cấu phanh Lực phanh là mức độ áp lực mà bạn áp dụng lên bàn đạp phanh để giảm tốc độ hoặc dừng xe Khi bạn áp dụng lực phanh cao, sẽ tạo ra một lượng ma sát lớn giữa miếng phanh và đĩa phanh, và do đó tạo ra nhiều nhiệt năng.

Khi lực phanh cao, nhiệt độ cơ cấu phanh sẽ tăng lên nhanh chóng Điều này xảy ra do lượng nhiệt được tạo ra trong cơ cấu phanh tập trung trong một diện tích

nhỏ Đĩa phanh và các thành phần khác trong hệ thống phanh sẽ nhanh chóng hấp thụ nhiệt và nhiệt độ của chúng sẽ tăng lên.

Nếu lực phanh quá cao và được sử dụng trong thời gian dài, nhiệt độ cơ cấu phanh có thể vượt quá khả năng làm mát của hệ thống phanh Điều này gây nguy cơ làm biến dạng, mòn hoặc trầy xước đĩa phanh và có thể làm giảm hiệu suất phanh.

Tuy nhiên, nếu lực phanh được điều chỉnh và sử dụng một cách cân nhắc, nhiệt độ cơ cấu phanh có thể được duy trì ở mức an toàn Lực phanh nên được điều chỉnh sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển, trạng thái đường và các điều kiện lái xe khác.

Do đó, việc sử dụng lực phanh một cách hợp lý là quan trọng để duy trì nhiệt độ cơ cấu phanh ổn định và đảm bảo hiệu suất phanh tốt nhất trong quá trình lái xe.

1.3 Các ảnh hưởng và hiện tượng của cơ cấu phanh.

1.3.1 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt của má phanh và đĩa phanh.

Độ nhám bề mặt của má phanh và đĩa phanh có ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ cấu phanh trong một số khía cạnh nhất định Dưới đây là một số điểm cần lưu ý:

- Truyền nhiệt tốt hơn: Một bề mặt có độ nhám cao hơn giúp tăng khả năng truyền nhiệt từ đĩa phanh đến má phanh Khi má phanh và đĩa phanh tiếp xúc, nhiệt độ sinh ra từ ma sát sẽ được truyền qua bề mặt liên kết Nếu bề mặt làm việc có độ nhám cao, diện tích tiếp xúc giữa má phanh và đĩa phanh tăng lên, cung cấp diện tích truyền nhiệt lớn hơn và giúp tản nhiệt hiệu quả hơn.

- Giảm phôi mòn: Độ nhám bề mặt của má phanh và đĩa phanh cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình phôi mòn Khi bề mặt có độ nhám tốt, cấu trúc bề mặt của phanh được duy trì tốt hơn, giúp giảm đáng kể quá trình mài mòn Điều này có thể làm giảm khả năng hình thành phôi mòn và kéo dài tuổi thọ của cơ cấu phanh.

- Ổn định và hiệu suất phanh: Độ nhám bề mặt cũng có thể ảnh hưởng đến ổn định và hiệu suất phanh Một bề mặt có độ nhám không đều có thể gây trượt và tạo ra hiệu ứng chập chờn khi phanh, ảnh hưởng đến hiệu suất phanh và cảm giác lái xe Trong khi đó, một bề mặt có độ nhám đều và tương đối nhẵn sẽ cung cấp một cảm giác ổn định hơn và tăng khả năng kiểm soát phanh.

Độ nhám bề mặt của má phanh và đĩa phanh có ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ cấu phanh bằng cách cải thiện khả năng truyền nhiệt, giảm phôi mòn và ổn định hiệu suất phanh Một bề mặt có độ nhám tốt sẽ cung cấp hiệu suất phanh tốt hơn và kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh.

1.3.2 Ảnh hưởng của độ mòn và biến dạng của má phanh và đĩa phanh.

Độ mòn và biến dạng của má phanh và đĩa phanh có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ cấu phanh trong hệ thống phanh của xe Dưới đây là các tác động chính:

- Độ mòn: Khi má phanh và đĩa phanh mòn đi, diện tích tiếp xúc giữa chúng giảm, dẫn đến áp lực tăng lên trên mỗi đơn vị diện tích Điều này có thể tạo ra nhiệt độ cao hơn trong hệ thống phanh Khi má phanh và đĩa phanh mòn quá nhiều, chất lượng bề mặt của chúng sẽ bị suy giảm, gây ra ma sát không đều và làm tăng nhiệt độ cơ cấu phanh.

- Biến dạng: Biến dạng của má phanh và đĩa phanh có thể ảnh hưởng đến việc truyền nhiệt hiệu quả và làm mát của hệ thống phanh Nếu má phanh và đĩa phanh bị biến dạng do sử dụng quá nhiều hoặc do quá trình làm lạnh không đồng đều, điều này có thể gây ra sự không ổn định trong quá trình truyền nhiệt và làm mát Nhiệt độ cơ cấu phanh có thể tăng lên nhanh chóng và không thể được điều chỉnh một cách hiệu quả.

- Hiệu suất phanh: Độ mòn và biến dạng của má phanh và đĩa phanh cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất phanh tổng thể Khi má phanh và đĩa phanh mòn và bị biến dạng, ma sát giữa chúng có thể không đồng đều và không hiệu quả, dẫn đến tăng ma sát và nhiệt độ cơ cấu phanh Điều này có thể gây ra sự giảm hiệu suất phanh, hiện tượng phanh yếu, kéo dài quãng đường phanh và gia tăng nguy cơ xảy ra tai nạn.

Độ mòn và biến dạng của má phanh và đĩa phanh có thể gây ra tăng nhiệt độ cơ cấu phanh và ảnh hưởng đến hiệu suất phanh Để đảm bảo an toàn và hiệu suất của hệ thống phanh, quá trình kiểm tra, bảo dưỡng và thay thế thường xuyên các bộ phận này là rất quan trọng.

1.3.3 Ảnh hưởng của vật liệu chế tạo má phanh và đĩa phanh.

Vật liệu chế tạo má phanh và đĩa phanh có ảnh hưởng đáng kể tới nhiệt độ cơ cấu phanh trong hệ thống phanh của xe Dưới đây là các yếu tố ảnh hưởng chính:

- Dẫn nhiệt: Vật liệu phải có khả năng tốt trong việc dẫn nhiệt để có thể truyền nhiệt từ má phanh và đĩa phanh đến cơ cấu phanh và môi trường xung quanh Vật liệu chế tạo má phanh và đĩa phanh tốt trong việc dẫn nhiệt giúp giảm nhiệt độ cơ cấu phanh và duy trì hiệu suất phanh ổn định.

- Khả năng chịu nhiệt: Vật liệu phải có khả năng chịu nhiệt cao để chịu được nhiệt độ cao tạo ra từ ma sát giữa má phanh và đĩa phanh Vật liệu phải có khả năng chịu được nhiệt độ trong khoảng từ hàng trăm đến hàng ngàn độ Celsius mà không bị biến dạng hay suy giảm chất lượng.

- Ma sát và mài mòn: Vật liệu má phanh và đĩa phanh phải có khả năng tạo ma sát hiệu quả để tạo ra lực phanh cần thiết Tuy nhiên, vật liệu cũng cần đảm bảo giảm mài mòn và không gây ra quá nhiều mài mòn trên bề mặt Mài mòn quá mức có thể làm tăng nhiệt độ cơ cấu phanh và làm giảm hiệu suất phanh.

- Độ bền và độ ổn định: Vật liệu phải có độ bền và độ ổn định cao để chịu được tác động lớn từ ma sát và nhiệt độ Nó cần duy trì tính chất cơ học và kích thước ổn định trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

Vật liệu chế tạo má phanh và đĩa phanh có vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng tới nhiệt độ cơ cấu phanh Việc lựa chọn và sử dụng vật liệu phù hợp sẽ đảm bảo hiệu suất phanh ổn định và độ an toàn của hệ thống phanh.

1.3.4 Hiện tượng Fading phanh.

Hiện tượng fading phanh là một hiện tượng xảy ra khi hệ thống phanh trên một phương tiện không hoạt động hiệu quả sau một thời gian sử dụng liên tục hoặc trong các điều kiện khắc nghiệt Khi xảy ra fading phanh, hiệu suất phanh giảm đáng kể và khoảng cách dừng xe tăng lên, gây nguy hiểm cho người lái và các thành phần giao thông khác.

Nguyên nhân chính của hiện tượng fading phanh thường liên quan đến sự tăng nhiệt trong hệ thống phanh Khi bạn sử dụng phanh liên tục hoặc ở tốc độ cao, ma sát giữa bốn mặt phanh (đĩa hoặc bánh xe) và bốn mặt gạt (bốn bộ phanh hoặc lốp) tạo ra nhiệt độ cao Nhiệt độ này có thể dẫn đến hiện tượng mất hiệu suất phanh do các lớp khí giữa các bề mặt phanh và gạt giảm đi, gây mất tính năng phanh.

Một số nguyên nhân khác có thể góp phần vào hiện tượng fading phanh bao gồm:

- Quá tải hệ thống phanh: Sử dụng phanh quá mức hoặc không phù hợp với khả năng của hệ thống phanh có thể gây nhiệt độ quá cao và làm mất tính năng phanh.

- Hệ thống phanh kém hiệu suất: Lớp phanh đã bị mòn hoặc hệ thống phanh không được bảo trì đúng cách có thể dẫn đến hiện tượng fading phanh.

- Chất lượng phanh kém: Sử dụng các bộ phanh hoặc lốp không đạt tiêu chuẩn chất lượng có thể làm tăng khả năng xảy ra fading phanh.

- Đường trơn trượt: Phanh trên bề mặt đường không đồng nhất, trơn trượt hoặc có dầu mỡ có thể làm giảm hiệu suất phanh.

Để tránh hiện tượng fading phanh, quan trọng để duy trì hệ thống phanh trong tình trạng tốt và tuân thủ các quy định bảo dưỡng định kỳ Đồng thời, hãy sử dụng phanh một cách khôn ngoan, tránh sử dụng phanh liên tục trong thời gian dài và điều chỉnh lực phanh phù hợp với tình huống giao thông.

1.4 Kết luận chương 1.

Phanh đĩa ô tô được sử dụng rộng rãi trên các loại xe hơi hiện đại và được coi là một phương tiện an toàn để giảm tốc độ và dừng lại chiếc xe Điều này là do phanh đĩa cung cấp khả năng phanh tốt hơn so với phanh tang trống truyền thống, đặc biệt là trong điều kiện thời tiết ẩm ướt hoặc khi xe di chuyển ở tốc độ cao.

Tuy nhiên, phanh đĩa cũng có những hạn chế Nó có thể trở nên quá nóng và bị mòn nhanh hơn Điều này có thể dẫn đến giảm hiệu suất phanh và độ bền của các bộ phận phanh.

tổng quan về nhiệt cơ cấu phanh đĩa ô tô cho thấy đó là một công nghệ phanh hiệu quả và tin cậy, nhưng cần được sử dụng đúng cách để đảm bảo hiệu suất và độ bền của xe.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH.2.1 Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế.

2.1.1 Cơ sở lý thuyết.

Phanh đĩa ô tô dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng từ năng lượng động của ô tô thành nhiệt năng Phanh đĩa là một hệ thống phanh phổ biến trên ô tô, sử dụng đĩa phanh đặt trên bánh xe để tạo ma sát và giảm tốc độ di chuyển của xe.

Trong quá trình phanh, nhiệt độ tăng lên do sự ma sát Hiểu và quản lý nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong thiết kế phanh đĩa để đảm bảo hiệu suất và an toàn.

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của phanh đĩa.

- Hệ thống phanh đĩa gồm hai thành phần chính là bánh phanh và xi lanh

- Khi xi lanh phanh tác động lên bánh phanh, gây ra áp lực ma sát giữa bề mặt của bánh phanh và lớp bố mỏng của pad phanh.

- Ma sát giữa bánh phanh và pad phanh tạo ra lực ma sát, làm giảm tốc độ quay của bánh xe và xe ô tô.

- Năng lượng động của xe ô tô chuyển đổi thành nhiệt năng do sự ma sát giữa bánh phanh và pad phanh.

- Quá trình chuyển đổi nhiệt năng này giúp giảm tốc độ di chuyển của xe và dừng lại hoặc giảm tốc độ tùy thuộc vào lực tác động lên bánh phanh.

- Ưu điểm của hệ thống phanh đĩa bao gồm khả năng phân tán nhiệt tốt hơn, khả năng phanh hiệu quả và ổn định trong điều kiện lái xe cường độ cao Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng hệ thống phanh đĩa cần được bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.

2.1.3 Ảnh hưởng của diện tích và khe rãnh trên má phanh.

2.1.3.1 Ảnh hưởng của diện tích má phanh.

Diện tích ma sát đối với má nhanh phanh đĩa có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất và hiệu quả của hệ thống phanh Khi bạn áp lực lên phanh, năng lượng cơ học

được chuyển thành nhiệt năng thông qua ma sát giữa bề mặt phanh và đĩa phanh Diện tích ma sát càng lớn, diện tích tiếp xúc giữa phanh và đĩa cũng lớn hơn, dẫn đến khả năng phanh hiệu quả hơn.

Tăng diện tích ma sát có thể mang lại một số lợi ích, bao gồm:

- Tăng khả năng phanh: Diện tích ma sát lớn giữa phanh và đĩa tạo ra lực phanh lớn hơn, giúp xe dừng lại nhanh chóng và an toàn hơn.

- Tản nhiệt tốt hơn: Khi phanh, ma sát gây ra nhiệt năng, và diện tích ma sát lớn có thể tản nhiệt tốt hơn, giúp hệ thống phanh không bị quá nhiệt và giảm khả năng phai mòn hoặc hư hỏng.

- Độ bền tốt hơn: Diện tích ma sát lớn giữa phanh và đĩa giúp phân bổ lực phanh đồng đều, tránh tình trạng phanh kẹt hoặc mòn không đều Điều này kéo dài tuổi thọ của bộ phanh và giảm khả năng phải thay thế linh kiện.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng diện tích ma sát không phải là yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến hiệu suất phanh Các yếu tố khác như vật liệu phanh, hệ thống truyền động phanh, và điều kiện bề mặt đường cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất phanh của xe.

ảnh hưởng của khe rãnh.

2.1.3.2 Ảnh hưởng của khe rãnh đối với má phanh.

Khe rãnh trên bề mặt má nhanh phanh đĩa có thể có ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng phanh của hệ thống phanh Dưới đây là một số ảnh hưởng chính của khe rãnh:

- Tăng khả năng làm sạch: Khe rãnh trên bề mặt má nhanh phanh đĩa có thể giúp làm sạch một phần bụi và chất cặn tích tụ trên bề mặt phanh Điều này giúp cải thiện khả năng tiếp xúc giữa phanh và đĩa, làm tăng hiệu suất phanh.

- Giảm tình trạng trượt: Khe rãnh có thể giúp tạo ra các đường ổn định cho chất lỏng (như nước) được loại bỏ khỏi bề mặt phanh Điều này giảm nguy cơ tình trạng trượt (trượt mất ma sát), tăng độ bám giữa má phanh và đĩa phanh, cải thiện khả năng phanh, đặc biệt là trong điều kiện mưa, ẩm ướt hoặc trên bề mặt đường không hoàn hảo.

- Tăng cường khả năng phanh: Khe rãnh có thể tạo ra các cạnh sắc, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa phanh và đĩa Điều này có thể cung cấp khả năng phanh tốt hơn, đặc biệt trong các điều kiện phanh cực đoan hoặc khi cần phanh nhanh và mạnh.

- Làm sạch bề mặt phanh: Khe rãnh có thể giúp loại bỏ bụi, chất cặn và dầu từ bề mặt phanh Điều này cải thiện khả năng tiếp xúc giữa phanh và đĩa, làm tăng hiệu suất phanh và giảm hiện tượng phanh yếu.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khe rãnh cũng có một số hạn chế và ảnh hưởng tiêu cực có thể xảy ra:

- Mài mòn nhanh hơn: Khe rãnh có thể làm tăng diện tích tiếp xúc và tạo ra lực ma sát mạnh hơn Điều này có thể dẫn đến mài mòn nhanh hơn trên bề mặt má nhanh phanh đĩa, làm giảm tuổi thọ của phanh và đĩa.

- Tiếng ồn và rung: Khe rãnh có thể tạo ra tiếng ồn và rung khi phanh Điều này có thể tạo ra sự bất tiện cho người lái và tạo ra một cảm giác không ổn định trong quá trình phanh.

- Tăng cường mài mòn của bốn mặt phanh: Khe rãnh trên má nhanh phanh đĩa cũng có thể tạo ra mài mòn không đồng đều trên bốn mặt phanh.

- Khi má nhanh phanh đĩa có khe rãnh, diện tích tiếp xúc giữa phanh và đĩa không đồng đều trên các mặt phanh Điều này có thể dẫn đến mài mòn không đồng đều và không hiệu quả trên bề mặt phanh Khi mặt phanh mài mòn không đều, nó có thể gây ra hiện tượng rung và làm tăng tiếng ồn trong quá trình phanh Đồng thời, mài mòn không đều cũng có thể làm giảm khả năng phanh và độ ổn định của hệ thống phanh.

- Ngoài ra, khe rãnh trên má nhanh phanh đĩa cũng có thể ảnh hưởng đến cách hệ thống phanh hoạt động Các khe rãnh có thể tạo ra một hiệu ứng hút và ép mạnh chất lỏng phanh, làm tăng áp suất và cải thiện khả năng phanh Tuy nhiên, trong một số trường hợp, khe rãnh có thể tạo ra hiện tượng cắt gió, làm giảm hiệu suất phanh do giảm sự tiếp xúc giữa phanh và đĩa.

- Hiệu quả của khe rãnh trên má nhanh phanh đĩa có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế cụ thể và điều kiện vận hành của hệ thống phanh Các nhà sản xuất thường lựa chọn kích thước và hình dạng của khe rãnh dựa trên yêu cầu cụ thể của họ để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu và đáp ứng các yêu cầu an toàn.

2.1.3.3 Ảnh hưởng của kích thước và chiều rộng khe rãnh trên má phanh.

Kích thước và chiều rộng của khe rãnh trên má phanh có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế và loại má phanh đang được sử dụng Thông thường, chiều rộng của khe rãnh trên má phanh đĩa có thể dao động từ vài phần mm đến khoảng 5-6mm.

Tuy nhiên, rộng của khe rãnh không chỉ phụ thuộc vào mục đích và hiệu suất phanh, mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như kích thước tổng thể của má phanh, vật liệu được sử dụng và yêu cầu cụ thể của nhà sản xuất.

Việc chọn rộng khe rãnh phù hợp là một quá trình thiết kế kỹ lưỡng, cân nhắc đến các yếu tố như hiệu suất phanh, tản nhiệt, xả khí, độ bám và tiếng ồn Điều này đảm bảo rằng khe rãnh đáp ứng yêu cầu của hệ thống phanh và đảm bảo an toàn và hiệu quả khi phanh.Vì vậy, không có rộng khe rãnh cố định cho tất cả các má phanh đĩa, mà nó sẽ thay đổi tùy theo từng loại má phanh và yêu cầu cụ thể của hệ thống.

Vậy ta thiết kế má phanh sao cho diện tích tiếp xúc giữa má phanh và đĩa phanh được lớn nhất để giảm áp lực của xilanh ép má phanh vào đĩa, nó cũng chính là giảm lực tác dụng từ chân người lái Ngoài ra ta thiết kế 1 rãnh thoát nhiệt ở giữa má phanh để khả năng thoát nhiệt được tốt, chấp nhận sự mài mòn không đều và có thể gây ra âm thanh lớn khi phanh ngặt [5].

2.1.4 Vật liệu sử dụng chế tạo.

Trong hệ thống phanh, một số vật liệu quan trọng được sử dụng, bao gồm: - Thanh phanh: Thường là thép hoặc hợp kim thép có khả năng chịu nhiệt cao và độ bền cơ học.

- Má phanh: Có thể sử dụng các vật liệu như amiăng, gốm, kim loại cốt liệu (bao gồm đồng, nhôm) hoặc các hợp chất hữu cơ (như keo, polyme).

- Bàn trượt (disc) và xi lanh phanh: Thường được làm bằng thép hoặc hợp kim nhôm.

- Hệ số ma sát (S):

 Hệ số ma sát (S) là một đại lượng quan trọng trong quá trình phanh Nó mô tả mức độ ma sát giữa bề mặt của má phanh và thanh phanh hoặc bàn trượt  Giá trị của S thường nằm trong khoảng 0 đến 1 Hệ số ma sát càng lớn,

mức độ ma sát giữa các bề mặt càng cao.

 Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu sử dụng và điều kiện hoạt động, bao gồm cả nhiệt độ và áp lực.

-Khe rãnh tấm ma sát:

 Khe rãnh là các đường rãnh được tạo trên bề mặt của má phanh hoặc thanh phanh để tăng khả năng thoát bụi phanh và cải thiện hiệu suất phanh.

 Khe rãnh giúp làm sạch bề mặt của má phanh và thanh phanh, giảm thiểu hiện tượng "kẹt kẹt" và đảm bảo một mặt phẳng tiếp xúc lớn hơn giữa các bề mặt.

 Khe rãnh cũng có thể tăng độ bám dính và khả năng làm mát, cải thiện hiệu suất phanh trong điều kiện ẩm ướt.

2.1.5 Sự phát thải vật chất dạng hạt trong quá trình phanh ở nhiệt độ cao.

- Mục đích nghiên cứu: Tìm ra loại vật liệu làm má phanh và đĩa phanh sao cho

quá trình phanh tối ưu nhất và lượng phát xạ hạt pm là ít nhất.

Trong nghiên cứu này, các đĩa làm bằng bốn vật liệu khác nhau đã được thử nghiệm để đánh giá hiệu quả của đĩa về khí thải phanh Có những đĩa sắt xám với hai độ bền kéo khác nhau, được ký hiệu là FC170 và FC250, đĩa sắt xám (OCG) phủ oxynitride và đĩa gốm làm từ C/SiC vật liệu tổng hợp Một má phanh thương mại loại thép thấp được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của đĩa phanh đối với khí thải

Độ cứng của má phanh là 98,8 ± 6,6 trên thang đo độ cứng Rockwell (HR-R) Sự phân hủy nhiệt của vật liệu ma sát được kiểm tra bằng cách sử dụng nhiệt Độ dẫn nhiệt của vật liệu đĩa được đo bằng nguồn phẳng thoáng qua máy phân tích (TGA Q500, TA Instrument), Diện tích tiếp xúc của bề mặt miếng đệm được phân tích bằng kính hiển vi quang học (Leica S9i) và kính hiển vi đồng tiêu laser kiểm tra nhiệt độ.Các thử nghiệm phanh được thực hiện bằng lực kế phanh tỷ lệ 1/5 được trang bị hạt, bộ đếm Kích thước của mẫu đệm là 45 x 18 x 6 mm Diện tích tiếp xúc rõ ràng của các miếng đệm là 1620 mm2 và đường kính và độ dày của đĩa là 142 mm và 8 mm, tương ứng

Quy trình đánh bóng ở áp suất không đổi được thực hiện trước khi thử phanh cho các phép đo phát xạ để đảm bảo hệ số ma sát ổn định và tiếp xúc đồng đều trên bề mặt miếng đệm các thử nghiệm phanh được thực hiện ở moomen xoắn không đổi được tiến hành ở nhiệt độ phanh ban đầu là 250 độ c và vận tốc ban đầu là 150 km/h cho đến khi dừng hẳn để mô phỏng điều kiện phanh ở nhiệt độ cao.

- Đo lượng phát xạ pm: Một sơ đồ của lực kế quy mô được trang bị hệ thống đo

lường PM để đo lượng phát xạ các hạt pm.

(a) (b)

Hình 2.2 Tổng lượng phát thải PM theo (a) khối lượng và (b) nồng độ số thu được trong quá trình phanh.

Mass concentration: Tổng khối lượng hạt PM

Number concentration: Nồng độ số lượng hạt PM

Nhiệt độ đĩa tối đa đạt được trong quá trình sử dụng phanh so với độ dẫn nhiệt của ứng dụng sử dụng các đĩa khác nhau Hình nhỏ trong (a) cho thấy nồng độ khối lượng được chia thành kích thước hạt khác nhau.

Hình 2.3 Mối tương quan giữa độ dẫn nhiệt của đĩa và lượng khí thải phanh trong về (a) khối lượng, (b) nồng độ số lượng.

- Kết quả và thảo luận :

Tổng nồng độ khối lượng tỷ lệ thuận với độ dẫn nhiệt của đĩa, nồng độ khối lượng giảm dần theo thứ tự: FC 170, FC250, OCG và đĩa sứ.

Tổng nồng độ PM được tìm thấy tỷ lệ nghịch với độ dẫn nhiệt của đĩa, nồng độ số lượng: đĩa sứ tạo ra lượng khí thải phanh lớn nhất tiếp theo là OCG, FC 250, FC 170.

Nồng độ và đĩa FC170 tạo ra lượng khí thải thấp hơn một chút về số lượng của các hạt Ngược lại, đĩa gốm cho thấy nồng độ số tăng sớm và sự suy giảm nồng độ khối lượng nhanh hơn so với các đĩa làm từ sắt xám.

Tổng nồng độ khối lượng tỷ lệ thuận với độ dẫn nhiệt của đĩa, hiển thị tổng nồng độ khối lượng cao nhất bằng cách sử dụng đĩa FC170.

vật liệu đĩa dẫn nhiệt tốt thì phát thải ra ít hạt hơn so với vật liệu dẫn nhiệt kém nhưng khối lượng, kích thước của các hạt đó lại lớn hơn [9].

- Độ tăng nhiệt độ theo cơ sở lý thuyết:

Các thử nghiệm phanh được thực hiện ở moomen xoắn không đổi được tiến hành ở nhiệt độ phanh ban đầu là 250 độ c và vận tốc ban đầu là 150 km/h cho đến khi dừng hẳn để mô phỏng điều kiện phanh ở nhiệt độ cao.

Nhiệt độ đĩa tăng lên 400 °C trong trường hợp sử dụng FC170, trong khi nhiệt độ tối đa đạt tới 520 ° C với đĩa gốm.

2.1.6 Khí thải phanh khi phanh ở nhiệt độ trung bình.

- Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu để phát triển má phanh và đĩa chống mài

mòn nhằm giảm thiểu lượng khí thải từ hệ thống phanh bằng cách sửa đổi các thành phần của vật liệu ma sát (má phanh) và vật liệu đĩa.

Trong nghiên cứu này Bốn đĩa phanh đã được sử dụng để so sánh lượng khí thải phanh trong nghiên cứu, tức là ba đĩa sắt xám (Công ty ô tô Sungwoo) với độ bền kéo khác nhau và một đĩa tổng hợp C/SiC (DACC Inc.) Các đĩa sắt xám được ký hiệu là FC170, FC200 và FC250 theo độ bền kéo và đĩa làm bằng C/SiC được gọi là đĩa gốm Vật liệu ma sát sử dụng giấy Emory 100 grit Kích thước của các viên là 0,55 cm (đường kính) × 0,5 cm (độ dày) Các viên nén được xử lý nhiệt ở 150 C trong 1 giờ để mô phỏng các điều kiện nhiệt độ trên má phanh trong quá trình sử dụng phanh Một

máy thử nghiệm vạn năng (UTM-3367, Instron) đã được sử dụng để đo độ bền hỏng của các viên

- Dụng cụ: Máy đo độ cứng Vickers (HMV-G, Shimadzu): đo độ cứng vi mô

của các cao nguyên tiếp xúc hình thành trên bề mặt miếng đệm ngoài ra Các bề mặt của má phanh và đĩa và sự phân bố chiều cao trên các bề mặt được phân tích bằng kính hiển vi đồng tiêu (VK-8710, Keyence) và kính hiển vi quang học (S9i,Leica) Máy quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS), với máy dò tia X khôngcửa sổ được thiết lập trong kính hiển vi điện tử quét (HR-SEM; SU-70,Hitachi), được sử dụng để phân tích thành phần của các hạt mài mòn

- Tiến hành thực nghiệm: Các thử nghiệm phanh được thực hiện bằng cách sử

dụng máy đo lực phanh tỷ lệ 1/5 Kích thước của má phanh là 4,5 cm × 1,8 cm × 0,6 cm và diện tích tiếp xúc danh nghĩa của hai má trên đĩa là 16,2 cm2, xấp xỉ 1/5 diện tích tiếp xúc của má phanh đầy đủ được sử dụng cho phanh trước trong một chiếc xe khách cỡ trung bình Quy trình đánh bóng được thực hiện trước khi kiểm tra khí thải để đạt được mức ma sát ổn định Thử nghiệm khí thải phanh bao gồm 200 lần phanh ở 100 C (IBT: nhiệt độ phanh ban đầu) để mô phỏng các điều kiện phanh vừa phải Trong số 200 ứng dụng phanh, nồng độ hạt trung bình của 30 ứng dụng phanh gần đây nhất được sử dụng để tính lượng khí thải phanh.

Nhiệt độ phanh được đo bằng cặp nhiệt điện loại K được nhúng trên bề mặt đĩa Quy trình kiểm tra lực kế chi tiết cho các thử nghiệm phát xạ phanh được Các bề mặt của má phanh và đĩa và sự phân bố chiều cao trên các bề mặt được phân tích bằng kính hiển vi đồng tiêu (VK-8710, Keyence) và kính hiển vi quang học (S9i, Leica) Máy quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS), với máy dò tia X không cửa sổ được thiết lập trong kính hiển vi điện tử quét (HR-SEM; SU-70, Hitachi), được sử dụng để phân tích thành phần của các hạt mài mòn.

- Đo lượng phát xạ PM: Các hạt trong không khí trong quá trình phanh được

đo bằng cách sử dụng thiết bị va đập điện áp suất thấp (HR-ELPI+, Dekati).

(a) (b)

(a), (b)

Hình 2.4 Nồng độ số lượng (a) và khối lượng (b) của các hạt được biểu thị cùng với thời gian phanh trong quá trình thử nghiệm.

- Kết quả và thảo luận:

Tổng nồng độ khối lượng tỷ lệ thuận với độ dẫn nhiệt của đĩa, nồng độ khối lượng giảm dần theo thứ tự: FC 170, FC200, Fc250, C/Si ( đĩa gốm).

Lượng phát thải PM tương ứng với độ cứng của đĩa bất kể số lượng hoặc nồng độ khối lượng, phù hợp với tốc độ mài mòn dựa trên phương trình của Archard, chỉ ra rằng lượng mài mòn tỷ lệ nghịch với độ cứng của vật liệu.

Đĩa FC170 cho thấy nồng độ số cao nhất, tiếp theo là FC200 và FC250, trong khi đĩa gốm cho thấy nồng độ nhỏ hơn nhiều.

Đĩa sắt xám mềm nhất, FC170 phát thải hạt cao nhất và đĩa gốm tạo ra khí thải phanh thấp nhất về số lượng và nồng độ khối lượng.

Ở nhiệt độ trung bình ta thấy đĩa phanh dùng vật liệu gốm tạo ra khí thải và nồng độ khối lượng thấp, đáp ứng những mong muốn giảm lượng khí phát thải mong muốn của thử nghiệm

- Độ tăng nhiệt độ theo cơ sở lý thuyết.

Các thử nghiệm phanh được thực hiện ở moomen xoắn là 50 Nm thử nghiệm dừng được thực hiện ở 100 C (IBT: nhiệt độ phanh ban đầu) ở chế độ kiểm soát mô-men xoắn Được tiến hành ở nhiệt độ phanh ban đầu là 100 độ c và vận tốc ban đầu là 80 km/h và áp suất phanh là 30 bar cho đến khi dừng hẳn để mô phỏng điều kiện phanh ở nhiệt độ cao.

Nhiệt độ đĩa tăng lên 137 °C trong trường hợp sử dụng FC170, trong khi nhiệt độ tối đa đạt tới 205 ° C với đĩa gốm.

Mặc dù đĩa gốm đáp ứng được những điều kiện về khí phát thải và nồng độ nhưng về nhiệt độ của đĩa thì lại tăng rất lớn, và chi phí sản xuất ra phanh đĩa gốm rất đắt

Vì vậy mặc dù FC170 có sự phát thải khí nhiều nhưng xét về nhiệt độ thì ta có thể thấy FC170 tăng rất ít đảm bảo quá trình ổn định tản nhiệt khi phanh

Tuỳ vào chủ ý thiết kế, đĩa phanh sẽ được đục lỗ hoặc xẻ rãnh nhằm tối ưu hóa khả năng tản nhiệt cho hệ thống phanh đĩa ô tô khi hoạt động Hầu hết các loại roto hiện nay được làm từ thép carbon Đây là loại vật liệu có khả năng chịu nhiệt, chịu lực tốt, có độ bền cao [10].

2.1.7 Yêu cầu thiết kế của cơ cấu phanh đĩa.

Cơ cấu phanh đĩa là một hệ thống quan trọng trong các phương tiện giao thông, cần được thiết kế cẩn thận để đảm bảo an toàn khi sử dụng Dưới đây là một số yêu cầu thiết kế cơ bản của cơ cấu phanh đĩa [6]:

- Hiệu suất phanh: Cơ cấu phanh đĩa phải có khả năng phanh hiệu quả, đảm bảo phương tiện dừng lại nhanh chóng và an toàn Điều này có nghĩa là đĩa phanh phải được kích thước và thiết kế sao cho có độ bền cao, đồng thời phải đảm bảo tương thích với các bộ phận khác trong hệ thống phanh.

- Độ bền và độ ổn định: Cơ cấu phanh đĩa phải được thiết kế để đảm bảo độ bền cao và độ ổn định trong quá trình sử dụng Điều này đặc biệt quan trọng trong các phương tiện chạy nhanh hoặc có tải trọng nặng.

- Tính năng và tiện nghi: Cơ cấu phanh đĩa cần được thiết kế để sử dụng dễ dàng và đơn giản, đồng thời đảm bảo tính năng và tiện nghi trong quá trình sử dụng.

- Khả năng chống trơn trượt: Cơ cấu phanh đĩa phải được thiết kế để chống trơn trượt trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc trên địa hình khó khăn Điều này đảm bảo an toàn khi sử dụng phanh và giảm thiểu nguy cơ tai nạn.

- Khả năng chịu nhiệt: Cơ cấu phanh đĩa phải có khả năng chịu nhiệt cao để đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện Điều này đặc biệt quan trọng trong các phương tiện chạy nhanh hoặc có tải trọng nặng.

- Tuổi thọ và độ bảo trì: Cơ cấu phanh đĩa phải được thiết kế để có tuổi thọ cao và độ bảo trì thấp, giúp giảm chi phí bảo trì và sửa chữa trong quá trình sử dụng.

2.1.8 Quy chuẩn đánh giá.

- Quy chuẩn đánh giá quá trình phanh:

Có nhiều quy chuẩn và tiêu chuẩn khác nhau để đánh giá hiệu suất phanh của hệ thống phanh, bao gồm các yếu tố sau:

 Hiệu suất phanh: Đo lường khả năng dừng phương của hệ thống phanh trong một khoảng thời gian nhất định.

 Độ ổn định: Đánh giá khả năng hệ thống phanh duy trì độ ổn định và không bị mất hiệu suất phanh trong quá trình sử dụng kéo dài.

 Độ nhạy: Đo lường khả năng hệ thống phanh phản ứng nhanh chóng và chính xác với sự điều chỉnh lực phanh từ người lái.

 Độ bền: Đánh giá khả năng hệ thống phanh chịu được các yếu tố môi trường như nhiệt độ cao, ẩm ướt, bụi bẩn và rung động mà không gây giảm hiệu suất hoặc hỏng hóc.

Trong quá trình phanh, nhiệt độ có thể tăng lên đáng kể, đặc biệt là ở các thành phần như bàn trượt và má phanh

- Quy chuẩn đánh giá nhiệt độ:

 Nhiệt độ tối đa cho phép: Đây là nhiệt độ cao nhất mà các thành phần của hệ thống phanh có thể chịu được mà không bị hỏng hoặc mất hiệu suất.

 Sự phân tán nhiệt: Đánh giá khả năng của hệ thống phanh để phân tán nhiệt độ ra môi trường xung quanh và tránh quá nhiệt.

 Hiệu suất ở nhiệt độ cao: Đo lường hiệu suất của hệ thống phanh khi nhiệt độ cao, đảm bảo rằng hệ thống vẫn có khả năng phanh tốt ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.

Quy chuẩn đánh giá quá trình phanh và nhiệt độ thường được đề ra bởi các tổ chức và tiêu chuẩn quốc tế như Society of Automotive Engineers (SAE), International Organization for Standardization (ISO) và các nhà sản xuất phương tiện giao thông Các quy chuẩn này đảm bảo an toàn và hiệu suất của hệ thống phanh trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

2.2 Sơ đồ tính toán kiểm nghiệm và các thông số ban đầu.

2.2.1 Sơ đồ tính toán kiểm nghiệm hệ thống phanh Huyndai Santa Fe.

* Sơ đồ 1:

.Hình 2.5: Sơ đồ lực tác dụng lên xe.

* Sơ đồ 2:

Hình 2.6: Sơ đồ tính toán kiểm nghiệm cơ cấu phanh.

2.2.2 Các thông số ban đầu.

Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật Huyndai Santa Fe máy xăng 2021.

Trọng lượng không tải: trọng lượng toàn 1710