Bài Tiểu Luận Môn Nghiên Cứu Chuyên Ngành: Phân Tích Ứng Suất Piston Chân Không. Môn Lý thuyết ô tô | Trường Đại học Giao thông Vận tải.

lOMoAR cPSD| 59735610
: T.S TRẦN VĂN LỢI lOMoAR cPSD| 59735610
: HUỲNH TRỊNH NGỌC PHÚC : 6251040107
: KỸ THUẬT Ô TÔ 2 − K62 Tp. Hô Chi Minh, 06/2025
PHÂNTÍCHỨNGSUẤTBIẾNDẠNGPISTON
CHÂNKHÔNGTRONGBẦUTRỢLỰCPHANH
THỦYLỰCBẰNGPHẦNMỀMINVENTOR
Huỳnh Trịnh Ngọc Phúc
xảy ra khi piston làm việc, cụ thể là lực tác
Bộ môn Cơ khí, Trường Đại học GTVT
động, phân bố ứng suất, và độ biến dạng tại phân Hiệu TP.HCM
các vị tri khác nhau trên chi tiết. Phân tich
Email: 6251040107@st.utc2.edu.vn
này nhằm đảm bảo piston có độ bền, không
bị nứt vỡ hoặc biến dạng vượt quá giới hạn I. Tóm tắt
cho phép, từ đó nâng cao độ tin cậy và an
Đề tài thực hiện mô hình hóa và phân tich toàn cho hệ thống phanh.
piston chân không trong bầu trợ lực phanh T.S Trần Văn Lợi
thủy lực bằng phần mềm Autodesk Inventor
Bộ môn Cơ khí, Trường Đại học GTVT
nhằm xác định phân bố ứng suất và biến phân Hiệu TP.HCM
dạng khi piston chịu tác động của lực phanh
Email: tvloi@utc2.edu.vn
và áp suất chân không. Mô phỏng được
thiết lập với điều kiện biên thực tế và vật
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
liệu phù hợp. Kết quả cho thấy ứng suất tập 1.1 Cấu tạo
trung tại mép piston và các vị tri tiếp xúc
với bề mặt làm kin. Biến dạng nhỏ, nằm
trong ngưỡng cho phép, chứng tỏ kết cấu
piston đảm bảo an toàn trong quá trình làm
việc. Phân tich góp phần hỗ trợ cải tiến thiết
kế, tăng độ bền và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống phanh thủy lực.
Hình 1: Các chi tiết trong bầu trợ lực II. Khái niệm
phanh Cấu tạo của bầu trợ lực phanh thủy
Piston chân không trong bầu trợ lực phanh
lực gôm các bộ phận chinh là:
thủy lực là bộ phận quan trọng giúp khuếch
- Piston trợ lực chân không
đại lực phanh từ người lái lên hệ thống - Màng phanh
phanh thông qua sự chênh lệch áp suất giữa - Cần đẩy
hai phia piston. Phân tich ứng suất và biến - Lọc khi
dạng của piston là quá trình sử dụng phần
- Buông chấp hành trước-sau
mềm mô phỏng kỹ thuật (như Autodesk
- Lò xo piston chân không 1.2
Inventor) để tinh toán các phản ứng cơ học
Nguyên lý hoạt động lOMoAR cPSD| 59735610
Hình 2: Nguyên lý hoạt động của bầu trợ
Hình 3: Các chi tiết thiết kế Bầu trợ lực
lực phanh thủy lực
Lực và bàn đạp bị giới hạn bởi các tiêu
Bầu trợ lực phanh thủy lực, hay còn gọi là chuẩn
bầu chân không, là một bộ phận quan trọng
Lực tác dụng lên bàn đạp:
trong hệ thống phanh của ô tô, giúp tăng
[Qb ]  (0,65 0,75)kN đối với ô tô
cường lực phanh một cách hiệu quả. con.
Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự
chênh lệch áp suất giữa hai bên của bầu.
[Qb ]  (0,75 0,80)kN đối với ô tô
Khi người lái đạp phanh, chân không từ tải.
động cơ được hút vào một bên của bầu trợ
Áp suất trong đường ống dẫn:
lực, trong khi bên còn lại vẫn ở áp suất khi
Pt  (10 15)MPa
quyển. Sự chênh lệch này tạo ra một lực tác
Đường kinh xy lanh chinh có thể được xác
động mạnh lên cần phanh, giúp giảm khối
định dựa trên cơ sở chọn lực bàn đạp trong
lượng lực cần thiết để thực hiện việc phanh,
phạm vi cho phép: Qb  [Qb ] . Xét điều kiện
từ đó tăng cường hiệu quả phanh. Bằng
cân bằng tại xy lanh chinh, ta có:
cách này, người lái có thể phanh với lực tối
l '  d2
thiểu nhưng vẫn đạt được hiệu quả cao, đảm
bảo an toàn trong quá trình lái xe. 2. Tính
Qb  l . 4 pt (14) toán thiết kế Trong đó:
Để tinh toán và thiết kế các thông số của
Qb – lực tác dụng lên bàn đạp, đối với ô
bầu trợ lực phanh thủy lực trên ô tô cần xác
tô con l’ và l là các kich thước của đòn
định các thông số cơ bản. Dưới đây là bàn đạp.
hướng dẫn chi tiết về các thông số cần xem
η – hiệu suất dẫn động thủy lực η =
xét cùng với các bước cụ thể để thực hiện (0,92 – 0,94). tinh toán.
Từ công thức (14), ta có: . . 4. = . . '
Phân chia lực trên bàn đạp:
Qb  QbN  QbT lOMoAR cPSD| 59735610
Trong đó: + QbN : lực điều khiển của người l
f . p  Q . t bN
lái tác dụng lên bàn đạp. l ' D  2.  . h + Q max
bT : phần lực dotrợ lực cần
phải sinh ra, tinh tại bàn đạp. Lực cần
thiết mà xi lanh (bầu) trợ lực cần cung cấp: = 𝑏. ∗
Trong đó i* là tỷ số truyền từ bàn đạp tới vị tri đặt xilanh ∗ = '
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của
Đường kinh của pittong (hoặc màng) trợ lực: hệ thống 3. Sử dụng phần mềm
Inventer để phân tích ứng suất của 𝑏.
piston chân không trong bầu trợ lực = 2.
3.1 Ràng buộc và gán lực đạp. . ∆ℎ𝑚.'
Trong đó  hmax  0,05MPa là độ
chênh áp tối đa của áp suất khi trời và áp suất chân không
Đối với hệ thống có trợ lực, phương
trình cân bằng pittong xilanh chinh có dạng: l
QbN .   h.F  Plx  Pms  f .pt  0 l '
Trong đó: F- diện tich pittong trợ lực; fdiện
tich pittong xilanh chinh; P
lx - lực của lò xo
hôi vị pittong trợ lực; P
Hình 5: Ràng buộc và gán lực đạp phanh
ms - lực ma sát. Bỏ
qua lực lò xo và lực ma sát, phương trình
Chọn Fixed để gán cố định cánh tay điều
trên được viết gọn lại như sau:
khiển dưới vào khung dưới của xe như hình 5 l
Dựa vào chuyển động của bánh xe và
QbN .   h.F 
truyền lực lên hệ thống treo, ta đặt lực
f .p l ' t
theo phương x, y 3.2 Tạo Mesh View
Mặt khác, đường kinh của pittong trợ lực (Lưới) được tinh như sau: lOMoAR cPSD| 59735610
Hình 7: Ứng suất trường hợp 1
Hình 6 :Tạo Mesh của piston chân không
Tạo lưới (Mesh) là bước chia nhỏ mô hình
3D thành nhiều phần tử nhỏ để phần mềm
có thể tinh toán ứng suất, biến dạng và
chuyển vị bằng phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM). Việc chia lưới giúp mô phỏng
chinh xác phản ứng cơ học của chi tiết khi
chịu tải. Lưới càng mịn thì kết quả càng
chinh xác nhưng thời gian tinh toán lâu hơn.
Hình 8: Biến dạng trường hợp 1 Hình
Đây là bước quan trọng để đánh giá độ bền
7 cho thấy ứng suất Von Mises của piston
và tối ưu thiết kế cơ khi.
chân không trong bầu trợ lực phanh dưới ở
3.3 Mô phỏng phân tích lực ở các điều
điều kiện tải bình thường. Ứng suất tối đa kiện
quan sát được là 1,438MPa ở cánh tay tại vị
Đặt các lực tác dụng lên Piston bằng các ký
tri được chỉ trên hình. Giá trị ứng suất thấp hiệu:
hơn nhiều so với ứng suất chảy là 415 Mpa. + Lực đạp phanh ( F
Hình 8 cho thấy đường đông mức dịch đ) + Lực lò xo hôi vị ( F
chuyển của pistron chân không ở điều kiện hv)
+ Lực áp suất dầu phanh ( F
bình thường. Biến dạng tối đa quan sát được dp) -
Trường hợp 1: Khi xe ở trạng thái
là 0,001032mm ở cánh tay tại đầu tác dụng bình thường lực. + F đ = 0N + F hv = 200N
Trường hợp 2: Khi xe ở trạng + Fdp = 0N
thái phanh gấp + F đ = 1000N + F hv = 200N + Fdp = 3000N lOMoAR cPSD| 59735610
và biến dạng. Kết quả cho thấy các giá trị
ứng suất và biến dạng đều nằm trong giới
hạn cho phép của vật liệu sử dụng, hệ số
an toàn đảm bảo. Các vùng ứng suất tập
trung đã được xác định rõ, giúp định
hướng cho việc gia cường kết cấu nếu cần thiết.
Phân tich này chứng minh piston đủ khả
năng làm việc ổn định trong điều kiện
phanh gấp và góp phần nâng cao độ tin
Hình 9: Ứng suất trường hợp 2
cậy của hệ thống phanh. Đây là cơ sở quan
trọng để phục vụ cải tiến thiết kế, lựa chọn
vật liệu hợp lý và đảm bảo an toàn trong
vận hành thực tế của ô tô.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Khan P. Kulkarni Brake Systems
Engineering Group, Delco Chassis
Division, General Motors Corporation,
Milford, Ml 48380 K. Youcef-Toumi
Department of Mechanical Engineering,
Hình 10: Biến dạng trường hợp 2
Massachusetts Institute of Technology,
Hình 9 cho thấy ứng suất Von Mises của Cambridge, MA 02139
piston chân không trong bầu trợ lực phanh
khi phanh gấp. Ứng suất tối đa được quan
[2] Citation: Chen, P., Wu, J., Zhao, J., He,
sát là 8,536MPa ở cánh tay tại vị tri được
R. et al., “Design and Power Assisted
được chỉ trên hình. Giá trị ứng suất thấp hơn Braking Control of a Novel
nhiều so với ứng suất chảy là 415 MPa.
Electromechanical Brake Booster,” SAE
Hình 10 cho thấy đường đông mức dịch
Technical Paper 2018-01-0762, 2018
chuyển của Piston chân không là bình
thường. Biến dạng tối đa được quan sát là [3] International Journal of
0,002384mm ở cánh tay tại đầu tác dụng Automotive lực.. Technology, Vol. 18, No. 4
[4] Chen, P., Wu, J., Zhao, J., He, R. et al., 4. Kết luận
“Design and Power Assisted Braking
Control of a Novel Electromechanical Brake
Qua quá trình mô phỏng và phân tich bằng
phần mềm Autodesk Inventor, piston chân
Booster,” SAE Technical Paper 2018-
không trong bầu trợ lực phanh thủy lực đã
010762, 2018, doi:10.4271/2018-01-0762.
được đánh giá toàn diện về mặt ứng suất lOMoAR cPSD| 59735610 PHỤLỤC
Chọn xe để tinh toán thực tế: Toyota Camry 2.0G
Bảng 1: Bảng thông số kỹ thuật cơ bản. STT Đặc tinh kỹ thuật 1 Loại ô tô Con 2 Loại động cơ Xăng 3
Trọng lượng phân bổ cầu trước (1) 10500(N) 4
Trọng lượng phân bổ cầu sau (2) 8500(N) 5 Chiều dài cơ sở (L) 2780(mm) 6
Chiều cao trọng tâm (ℎ) 500(mm) 7 Cỡ lốp 215/55R17 8 Cơ cấu phanh trước/sau Đĩa 9 Dẫn động phanh
Thủy lực 2 dòng, trợ lực chân không
Đường kính xilanh chính:
Lực và bàn đạp bị giới hạn bởi các tiêu chuẩn
- Lực tác dụng lên bàn đạp:
[Qb ]  (0,65 0,75)kN đối với ô tô con.
[Qb ]  (0,75 0,80)kN đối với ô tô tải.
- Áp suất trong đường ống dẫn:
Pt  (10 15)MPa
Đường kinh xy lanh chinh có thể được xác định dựa trên cơ sở chọn lực bàn đạp trong phạm vi cho phép:
Qb  [Qb ] . Xét điều kiện cân bằng tại xy lanh chinh, ta có:
l '  d2 Qb  l . 4 pt (14) Trong đó:
- Qb – lực tác dụng lên bàn đạp, đối với ô tô con ta chọn Qb = 0,7kN=700N.
- l’ và l là các kich thước của đòn bàn đạp. ta chọn l’ = 50mm; l = 300mm.
- η – hiệu suất dẫn động thủy lực η = (0,92 – 0,94). (ta chọn η = 0,92). Từ công thức (14), ta có:
d  Q b..pl.4.l. '  70 0..1320.01.046..05,092  0, 02025m  20, 25mm lOMoAR cPSD| 59735610 t
- Phân chia lực trên bàn đạp: Qb  QbN  QbT
Trong đó: + QbN : lực điều khiển của người lái tác dụng lên bàn đạp. Chọn
QbN =500N, sao cho QbN   Qb  .
+ QbT : phần lực do trợ lực cần phải sinh ra, tinh tại bàn đạp.
QbT  Qb  QbN  700  500  200N
- Lực cần thiết mà xi lanh (bầu) trợ lực cần cung cấp: Qxl  QbT .i*  200.6  1200N
Trong đó i* là tỷ số truyền từ bàn đạp tới vị tri đặt xilanh i*  l  300  6 l ' 50
- Đường kinh của pittong (hoặc màng) trợ lực: D  2. QbT .l  2. 200.0,63
 0,175m  175mm
 . hmax.l '  .0,05.10 .0,05
Trong đó  hmax  0,05MPa là độ chênh áp tối đa của áp suất khi trời và áp suất chân không
- Đối với hệ thống có trợ lực, phương trình cân bằng pittong xilanh chinh có dạng: l
QbN .   h.F  Plx  Pms  f .pt  0 l '
Trong đó: F- diện tich pittong trợ lực; f- diện tich pittong xilanh chinh; Plx - lực của
lò xo hôi vị pittong trợ lực; Pms - lực ma sát.
- Bỏ qua lực lò xo và lực ma sát, phương trình trên được viết gọn lại như sau: l
QbN .   h.F  f .p l ' t
f .pt  QbN . l
- Mặt khác, đường kinh của pittong trợ lực được tinh như sau: D  2. l '  . hmax f .12.106  500. 0,3 0,05  0,175  2. 6
 f  3,5.10 4m2  .0,05.10
Hành trình của bàn đạp phanh: lOMoAR cPSD| 59735610
Hành trình của bàn đạp bao gôm 2 thành phần: hành trình tự do dùng để khắc phục
khe hở δ giữa ti đẩy và pit tông (δ = 0,5 – 1,5mm; t chọn δ = 0.8mm) và hành trình làm việc
(tương ứng với hành trình pit tông là  ).
Sb  (   ). a (15) b
Nếu coi toàn bộ chất lỏng là không nén được và các đường ống là tuyệt đối cứng, thì
toàn bộ chất lỏng bị đẩy ra khỏi xy lanh chinh sẽ đưa vào các xy lanh công tác và tạo nên
các dịch chuyển x1 và x2 của các pit tông tại các xy lanh này.
 .d2  d12  d22  .  4.x1.  4.x2. (16) 4 4 4  
4.x1.d12d 24.x2d22 Hay:
Do cơ cấu phanh cầu trước và cơ cấu phanh cầu sau đều là cơ cấu phanh đĩa, khe hở
giữa má phanh và đĩa phanh rất nhỏ. Ta chọn: x1 = x2 = 0,5mm.
Tuy nhiên, trên thực tế do chất lỏng bị nén và các đường ống bị giãn nở dưới tác
dụng của áp suất, nên hành trình pit tông  sẽ tăng lên đôi chút. Mức tăng này có thể được
tinh đến bởi hệ số (  1, 04  1, 06 ; ta chọn λ = 1,05). Khi đó: 4. x1. d21 + 4. x1. d22 4.0,5. 482 + 4.0,5. 342 ∆ = d2. λ = 20,252. 1,05 = 16,87mm.
Vậy hành trình bàn đạp được tinh như sau: l 300 Sb = δ + Δ . = 1 + 16,87 . = 107,22mm. l' 50
Vậy Sb  [Sb ]  150mm, nên ta có thể sử dụng các thông số đã xác định trên để thiết
kế hệ thống dẫn động. lOMoAR cPSD| 59735610
Hình 1: Hình ảnh kỹ thuật của trợ lực phanh thủy lực lOMoAR cPSD| 59735610 lOMoAR cPSD| 59735610
Hình 3: Ứng suất trường hợp 1 lOMoAR cPSD| 59735610
Hình 4: Biến dạng trường hợp 2 lOMoAR cPSD| 59735610
Hình 5: Ứng suất trường hợp 2