Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống giao thông vận tải và nền kinh tế quốc dân, ô tô đóng vai trò là phương tiện chủ lực phục vụ vận chuyển hành khách và hàng hóa. Trên kết cấu tổng thể của xe ô tô, hệ thống lái giữ vai trò quyết định đối với khả năng điều khiển hướng chuyển động, tính cơ động và mức độ an toàn kỹ thuật trong suốt quá trình vận hành. Tình trạng kỹ thuật và độ nhạy của hệ thống lái tác động trực tiếp đến khả năng duy trì quỹ đạo, tốc độ di chuyển và giảm thiểu nguy cơ tai nạn giao thông.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật Công nghệ Ô tô tập trung giải quyết bài toán tính toán và thiết kế hệ thống lái cho dòng xe du lịch Toyota Vios phiên bản 2018 – mẫu xe sedan hạng B phổ biến tại thị trường Việt Nam và khu vực Đông Nam Á. Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo các mục tiêu sau:

  1. Tìm hiểu tổng quan về lịch sử phát triển, thông số kỹ thuật xe Toyota Vios 2018 và phân loại các kết cấu hệ thống lái trên ô tô hiện đại.
  2. Phân tích nguyên lý kết cấu, đặc điểm cấu tạo của cơ cấu lái trục răng – thanh răng, hệ dẫn động lái hình thang Đantô và hệ thống trợ lực lái thủy lực kiểu van xoay trang bị trên xe tham khảo.
  3. Tính toán động học hình thang lái nhằm xác định thông số kết cấu tối ưu, đảm bảo điều kiện quay vòng êm dịu theo nguyên lý Ackerman.
  4. Xác định mômen cản quay vòng cực đại tại chỗ và lực điều khiển lớn nhất trên vành tay lái.
  5. Thiết kế kích thước hình học, tính toán kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của bộ truyền bánh răng – thanh răng, kiểm nghiệm bền trục lái, đòn kéo ngang và thanh nối bên.
  6. Thiết kế và kiểm nghiệm các thông số của cụm trợ lực lái thủy lực (xi lanh lực, áp suất, lưu lượng bơm dầu cánh gạt).
  7. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết và bản vẽ lắp ghép toàn bộ hệ thống lái.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái cơ khí có trợ lực thủy lực của xe Toyota Vios 2018. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thông số hình học, tải trọng tĩnh, động học quay vòng và điều kiện bền cơ học theo số liệu tải trọng của dòng xe Toyota Vios 1.5L.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật ô tô và nguyên lý chi tiết máy để thực hiện tính toán thiết kế:

  • Quan hệ động học Ackerman: Điều kiện lý thuyết đảm bảo cho tất cả các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết khi quay vòng quanh tâm quay tức thời chung, xác định qua biểu thức: $\cot\beta - \cot\alpha = \frac{B_0}{L}$ (trong đó $\alpha, \beta$ lần lượt là góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong và phía ngoài; $L$ là chiều dài cơ sở; $B_0$ là khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng).
  • Mô hình hình thang lái Đantô: Cơ cấu bốn khâu bản lề được sử dụng để thỏa mãn gần đúng quan hệ Ackerman trên hệ thống treo độc lập với các đòn dẫn động chia cắt.
  • Lý thuyết tính toán sức bền cơ học: Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 1056-71 và phương pháp tính toán hệ thống dẫn động cơ khí theo giáo trình của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển để xác định ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc, ứng suất xoắn và ứng suất uốn dọc cho các chi tiết chịu lực.
  • Lý thuyết thủy lực điều khiển: Nguyên lý cân bằng thủy lực trong van điều khiển kiểu van xoay và mạch trợ lực thủy lực tác dụng kép.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, phương pháp đồ thị và tính toán giải tích:

  • Phương pháp đồ thị kiểm tra động học: So sánh đường cong đặc tính quay vòng thực tế của hình thang lái $f(\theta, \alpha)$ với đường đặc tính lý thuyết Ackerman để lựa chọn góc nghiêng ban đầu $\theta$ của đòn bên có độ sai lệch nhỏ nhất (cho phép sai lệch không quá $1^\circ$ đến $1,5^\circ$ ở góc lái lớn).
  • Phương pháp tính toán giải tích: Xác định lực cản quay vòng tại chỗ dựa trên trọng lượng phân bố lên cầu trước, bán kính tiếp xúc của lốp và hệ số bám mặt đường.
  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật gốc của xe Toyota Vios 2018 (động cơ 1NZ-FE dung tích 1496 cc, công suất 107 HP tại 6000 vòng/phút, mômen xoắn 140 Nm tại 4200 vòng/phút), giáo trình Thiết kế và Tính toán Ô tô Máy kéo, cùng các sổ tay tra cứu dung sai và chi tiết máy.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống lái được lựa chọn thiết kế bao gồm cơ cấu lái kiểu bánh răng trụ – thanh răng kết hợp dẫn động lái kiểu đòn chia cắt trên hệ thống treo độc lập, được trợ lực bởi hệ thống thủy lực van xoay và bơm cánh gạt tác dụng kép.

Hạng mục thiết kế Thông số kỹ thuật / Kết cấu được chọn Giá trị thiết kế Đơn vị
Xe cơ sở Chiều dài cơ sở ($L$) 2550 mm
Khoảng cách hai tâm trụ đứng ($B_0$) 1370 mm
Trọng lượng toàn tải thiết kế ($G$) 1520 (14906 N) kg
Tải trọng phân bố lên cầu trước ($G_1$) 55% (8198,3 N) kg
Kích thước lốp xe 185/60R15 -
Hình thang lái Góc nghiêng đòn bên ban đầu ($\theta$) 19 độ ($^\circ$)
Chiều dài đòn bên ($m$) 205,5 mm
Khoảng cách đòn ngang đến tâm ($e$) 194,3 mm
Cơ cấu lái Kiểu cơ cấu lái Bánh răng trụ - Thanh răng -
Tỷ số truyền cơ cấu lái ($i_c$) 20 -
Tỷ số truyền dẫn động lái ($i_d$) 1 -
Môđun pháp tuyến ($m$) 2,5 mm
Bước răng thanh răng ($t$) 7,85 mm
Số răng thanh răng ($Z_{ct}$) 26 răng
Góc nghiêng của răng ($\beta$) 17 độ ($^\circ$)
Chiều dài làm việc thanh răng ($L$) 200 mm
Khoảng cách trục ($a_w$) 22,5 mm
Vật liệu thanh răng Thép 40XH tôi cải thiện -
Vật liệu bánh răng/trục vít Thép 45 tôi bề mặt (HRC > 45) -
Trục lái Vật liệu chế tạo Ống thép 45 rỗng -
Đường kính ngoài / trong ($D_n / d_t$) 20 / 14 mm
Chiều dài trục lái ($L_{tl}$) 400 mm
Đòn kéo Vật liệu đòn kéo ngang Thép ống CT20 ($D=20, d=10$) mm
Vật liệu đòn bên Thép 20X ($D=24$) mm
Trợ lực thủy lực Kiểu trợ lực Thủy lực trực tiếp van xoay -
Kiểu bơm dầu Bơm cánh gạt tác dụng kép (10 cánh) -
Áp suất cực đại hệ thống ($P_{\max}$) 100 kg/cm²
Đường kính trong xi lanh lực ($D_{xl}$) 30 mm
Đường kính ngoài xi lanh ($D_n$) 38 (bề dày thành 4 mm) mm
Góc xoay giới hạn của thanh xoắn $\pm 7$ độ ($^\circ$)
Lực lái cực đại khi có trợ lực ($P_{vl}$) 90 N

Quy trình triển khai cơ khí chi tiết bao gồm:

  • Bộ truyền bánh răng – thanh răng: Được bố trí ăn khớp nghiêng với góc nghiêng $\beta = 17^\circ$. Trục răng được cố định bởi hai ổ bi có thể điều chỉnh khe hở dọc trục bằng ốc định vị. Thanh răng trượt trên các bạc dẫn hướng hình vành khăn bằng hợp kim có lò xo tỳ ép khử độ rơ tự động.
  • Van phân phối kiểu van xoay: Được tích hợp đồng trục với trục răng của cơ cấu lái. Khả năng đóng mở các đường dầu áp suất cao sang khoang trái hoặc khoang phải của xi lanh lực phụ thuộc vào biến dạng góc của thanh xoắn đàn hồi bên trong (cho phép góc lệch cực đại $7^\circ$ về mỗi phía). Khi không tác dụng lực lái, hệ thống ở vị trí trung gian, dầu thủy lực được tuần hoàn tự do hồi về bình chứa.
  • Bơm trợ lực lái: Sử dụng bơm cánh gạt 10 cánh dẫn động từ trục khuỷu động cơ thông qua bộ truyền đai – puly, tích hợp sẵn van giảm áp nhằm giới hạn áp suất dầu khi động cơ vận hành ở dải vòng tua cao.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI TRÊN ÔTÔ

Chương I tập trung giới thiệu lịch sử các thế hệ xe Toyota Vios từ thế hệ thứ nhất (2003–2007) phát triển tại Thái Lan dựa trên mẫu Toyota Platz, đến thế hệ thứ hai (2007 trở đi, phát triển từ Toyota Belta) và các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe Toyota Vios 2018. Chương này phân tích chi tiết công dụng, yêu cầu kỹ thuật của hệ thống lái ô tô (đảm bảo quay vòng ngoặt trong diện tích bé, lực đánh lái nhẹ, động học quay vòng chính xác, giữ hướng ổn định, đảm bảo hiệu suất thuận lớn hơn hiệu suất nghịch để triệt tiêu va đập từ mặt đường).

Tác giả phân loại các phương án bố trí hệ thống lái: theo vị trí vô lăng (trái/phải), theo số cầu dẫn hướng, theo kết cấu cơ cấu lái (trục vít – bánh vít, trục vít – con lăn, trục vít – ê cu bi, bánh răng – thanh răng) và theo kiểu trợ lực (thủy lực, khí nén, điện). Dựa trên phân tích ưu nhược điểm giữa hệ thống lái trên hệ thống treo phụ thuộc và hệ thống treo độc lập, tác giả lựa chọn phương án thiết kế cho xe Toyota Vios là cơ cấu lái loại bánh răng trụ – thanh răng kết hợp trợ lực thủy lực kiểu van xoay.

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG LÁI XE TOYOTA VIOS

Chương II đi sâu vào phân tích cấu tạo chi tiết các cụm tổng thành trong hệ thống lái xe Toyota Vios:

  • Cơ cấu lái: Cấu tạo vỏ hộp lái, thanh răng tiết diện tròn cắt răng một phía, trục răng dẫn động gắn trên hai ổ bi đỡ chặn, bạc trượt dẫn hướng bán nguyệt có lò xo ép khử khe hở ăn khớp.
  • Dẫn động lái: Sơ đồ liên kết đòn chia cắt gồm đòn kéo ngang và các thanh kéo bên dạng ống rỗng liên kết bằng các khớp cầu (rô tuyn) tự lựa, không có khe hở, đảm bảo truyền lực chính xác và giảm trọng lượng. Phân tích quan hệ hình học Ackerman và sai lệch góc quay vòng của hình thang lái 4 khâu Đantô.
  • Bơm trợ lực lái: Phân tích nguyên lý làm việc của bơm cánh gạt tác dụng kép gồm 10 cánh gạt chuyển động hướng kính trong rãnh rôto ôvan, thực hiện hai chu kỳ hút và đẩy trong một vòng quay.
  • Van phân phối kiểu van xoay: Phân tích cấu tạo gồm thân van trong, thân van ngoài, thanh xoắn đàn hồi và nguyên lý cấp/xả dầu thủy lực trong ba trạng thái làm việc: khi xe chạy thẳng (vị trí trung gian), khi đánh lái sang trái và khi đánh lái sang phải.

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI

Chương III là phần nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ các bước tính toán động học, động lực học và độ bền cơ khí:

  • Tính toán động học hình thang lái: Xác định góc lệch ban đầu $\theta = 19^\circ$ của đòn bên và tính toán chiều dài $m = 205,5$ mm, $e = 194,3$ mm. Bảng so sánh góc quay vòng thực tế so với lý thuyết Ackerman cho thấy độ sai lệch cực đại chỉ đạt giá trị cho phép dưới $1,5^\circ$ ở góc đánh lái lớn nhất ($40^\circ$).
  • Xác định mômen cản quay vòng: Tính toán tổng mômen cản trên bánh xe dẫn hướng khi quay vòng tại chỗ trên mặt đường xấu với hệ số bám ngang $\varphi_y = 0,8$ và hệ số cản lăn $f = 0,04$. Tổng mômen cản xác định được là $M_c = 487,37$ Nm. Lực lái cực đại trên vành tay lái khi không có trợ lực được tính toán tương ứng là $P_{vl\max} = 138,4$ N.
  • Thiết kế cơ cấu lái bánh răng – thanh răng: Xác định kích thước môđun $m = 2,5$, số răng $Z_{ct} = 26$, chiều dài làm việc thanh răng $L = 200$ mm. Kiểm nghiệm bền tiếp xúc thanh răng với ứng suất $\sigma_H \le [\sigma_H]$ và ứng suất uốn $\sigma_F \le [\sigma_F]$.
  • Kiểm nghiệm bền các chi tiết dẫn động:
    • Trục lái ống rỗng thép 45 chịu ứng suất xoắn $\tau = 56,9$ kG/cm² nhỏ hơn ứng suất cho phép $[\tau] = 300$ kG/cm², góc xoắn $\theta_x$ thỏa mãn điều kiện ổn định.
    • Đòn kéo ngang chịu uốn dọc khi phanh cực đại với lực dọc trục $N = 30424,2$ N; ứng suất tính toán $\sigma \le [\sigma_b] = 65000$ N/mm².
    • Thanh nối bên làm từ thép 20X chịu mômen uốn $M_u = 229550,8$ N.mm thỏa mãn điều kiện bền uốn $[\sigma_u]$.
  • Thiết kế trợ lực lái: Tính công quay vòng trung bình $A_{tb} < [A_{tb}] = 100$ N.m; thiết kế xi lanh lực đường kính trong $D_{xl} = 30$ mm, chiều dày 4 mm bằng thép 40XH chịu ứng suất thành xi lanh an toàn; tính toán lưu lượng yêu cầu của bơm dầu cánh gạt dựa trên tốc độ đánh lái cực đại $n_v = 60 \div 70$ vòng/phút.

CHƯƠNG 4: BẢN VẼ CHI TIẾT VÀ BẢN VẼ LẮP GHÉP

Chương này trình bày danh mục và phương án bố trí các bản vẽ kỹ thuật theo tiêu chuẩn thiết kế cơ khí, bao gồm: bản vẽ sơ đồ động học hệ thống lái, bản vẽ lắp cụm cơ cấu lái bánh răng – thanh răng tích hợp van xoay, bản vẽ chi tiết thanh răng, trục răng, đòn kéo ngang và cụm xi lanh trợ lực.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống lái cho xe Toyota Vios 2018 với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xây dựng thành công bộ thông số hình học cho hình thang lái Đantô với góc nghiêng $\theta = 19^\circ$, sai lệch góc quay vòng thực tế so với đường đặc tính lý thuyết Ackerman nằm trong giới hạn an toàn ($< 1,5^\circ$), triệt tiêu hiện tượng trượt lết bánh xe khi vào cua.
  • Tính toán chính xác mômen cản quay vòng cực đại $M_c = 487,37$ Nm, từ đó tính toán hệ số trợ lực giúp giảm lực tác dụng của người lái từ mức cực đại $138,4$ N xuống còn $90$ N khi đánh lái tại chỗ, đáp ứng tiêu chuẩn công quay vòng trung bình $[A_{tb}] \le 100$ N.m.
  • Tính toán và kiểm nghiệm bền thành công các chi tiết cơ khí chính: bộ truyền trục răng – thanh răng ($m = 2,5; Z = 26$), trục lái rỗng ($\tau = 56,9$ kG/cm²), đòn kéo ngang và thanh nối bên chịu lực phanh phân bố lại ($m_1 = 1,4$).
  • Xác định đầy đủ các thông số thủy lực của cụm trợ lực: áp suất công tác $P_{\max} = 100$ kg/cm², kích thước xi lanh lực ($D_{xl} = 30$ mm, thành dày 4 mm làm bằng thép 40XH) và lưu lượng yêu cầu cho bơm cánh gạt 10 cánh.

Đóng góp của đồ án là hệ thống hóa phương pháp tính toán thiết kế cơ cấu lái bánh răng – thanh răng có trợ lực thủy lực van xoay, cung cấp quy trình tính toán kiểm nghiệm sức bền và động học chi tiết áp dụng cho dòng xe du lịch cỡ nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ tính toán động lực học và mômen cản mới chỉ xét trong điều kiện tĩnh (xe đứng yên quay vòng tại chỗ trên nền đường xấu) và trường hợp phanh ngặt, chưa mô phỏng động học thời gian thực khi xe di chuyển ở tốc độ cao trên các dạng địa hình phức tạp. Phương án thiết kế sử dụng trợ lực thủy lực thuần túy theo mô hình truyền thống thay vì hệ thống lái trợ lực điện (EPS) vốn đang được ứng dụng rộng rãi trên các phiên bản xe thương mại đời mới.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng động lực học chuyên dụng (như Matlab/Simulink, Adams Car) và mô hình hóa phần tử hữu hạn (ANSYS/SolidWorks Simulation) để kiểm nghiệm trường ứng suất, độ mỏi và biến dạng động của thanh răng, vỏ hộp lái và trục lái; nghiên cứu chuyển đổi hoặc kết hợp hệ thống lái trợ lực điện điều khiển điện tử (EPS).

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô và Kỹ sư thiết kế khung gầm xe con:

  • Phần giá trị tham khảo cao: Quy trình tính toán động học hình thang lái Đantô bằng phương pháp giải tích kết hợp đồ thị (Chương III); các bước kiểm nghiệm bền cơ cấu bánh răng – thanh răng nghiêng theo tiêu chuẩn chi tiết máy; phương pháp tính toán kích thước xi lanh lực và lưu lượng bơm cánh gạt cho trợ lực thủy lực van xoay.
  • Tài liệu hỗ trợ trực tiếp cho các đồ án môn học Thiết kế Ô tô, Đồ án Tốt nghiệp chuyên ngành Ô tô và công tác bảo dưỡng, chẩn đoán hư hỏng hệ thống lái tại các xưởng dịch vụ kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cơ cấu lái bánh răng – thanh răng được lựa chọn thiết kế cho xe Toyota Vios thay vì cơ cấu trục vít – con lăn hay trục vít – ê cu bi?
Cơ cấu bánh răng – thanh răng có cấu tạo nhỏ gọn, số lượng chi tiết ít, trọng lượng nhẹ, hiệu suất truyền động thuận và nghịch cao (đạt $0,8 \div 0,9$), độ dơ ăn khớp nhỏ và có khả năng tự động khử khe hở thông qua bạc trượt ép lò xo. Kết cấu này rất phù hợp để bố trí trên hệ thống treo độc lập của xe du lịch cỡ nhỏ như Toyota Vios.

2. Góc nghiêng ban đầu của đòn bên hình thang lái ($\theta$) được xác định bằng bao nhiêu và có ý nghĩa gì?
Góc nghiêng ban đầu được xác định tối ưu là $\theta = 19^\circ$ (sau khi tính sơ bộ theo công thức Chuđakov là $19^\circ$). Góc này đảm bảo cho đường cong đặc tính quay vòng thực tế của hình thang lái 4 khâu Đantô có độ sai lệch nhỏ nhất so với đường lý thuyết Ackerman (độ sai lệch không vượt quá $1,5^\circ$ ở góc quay lớn nhất), giúp các bánh xe lăn trơn tru không bị trượt lê mòn lốp.

3. Mômen cản quay vòng lớn nhất của xe được tính toán trong trường hợp nào và có giá trị bao nhiêu?
Mômen cản quay vòng lớn nhất được xác định khi xe đầy tải ($1520$ kg), đứng yên quay vòng tại chỗ trên mặt đường xấu với hệ số bám ngang $\varphi_y = 0,8$. Tổng mômen cản tính toán tại cầu dẫn hướng là $M_c = 487,37$ Nm (bao gồm mômen cản lăn $M_1$, mômen ma sát trượt lốp $M_2$ và mômen ổn định do các góc đặt bánh xe $M_3$).

4. Thanh xoắn trong van điều khiển trợ lực lái thủy lực có giới hạn góc xoắn là bao nhiêu và giữ vai trò gì?
Thanh xoắn đàn hồi có giới hạn xoay $\pm 7^\circ$ từ vị trí trung gian về mỗi phía. Thanh xoắn đóng vai trò là phần tử cảm biến mômen lái; khi người lái quay vành tay lái, biến dạng góc của thanh xoắn tạo ra chuyển động quay tương đối giữa thân van trong và thân van ngoài, mở các rãnh dầu áp suất cao tương ứng vào xi lanh lực để thực hiện trợ lực.

5. Vật liệu nào được lựa chọn để chế tạo trục vít/bánh răng và thanh răng trong cơ cấu lái?
Thanh răng được chế tạo từ thép hợp kim 40XH qua nhiệt luyện tôi cải thiện để chịu tải trọng uốn, tiếp xúc và va đập từ mặt đường. Bánh răng (trục vít) được chế tạo từ thép 45 tôi bề mặt đạt độ cứng HRC > 45 nhằm đảm bảo khả năng chống mài mòn cao khi làm việc với tần số chịu tải lớn.

Kết luận

Đồ án "Tính toán, thiết kế hệ thống lái xe Toyota Vios 2018" đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán kỹ thuật từ tổng quan kết cấu, phân tích nguyên lý động học Ackerman đến tính toán chi tiết cơ cấu bánh răng – thanh răng và hệ thống trợ lực thủy lực van xoay. Các kết quả kiểm nghiệm sức bền và động học đều thỏa mãn đầy đủ các chỉ số an toàn kỹ thuật theo tiêu chuẩn ngành cơ khí ô tô. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô.