Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô đóng vai trò then chốt trong mạng lưới vận tải hành khách và hàng hóa toàn cầu. Trong quá trình vận hành thực tế, phương tiện liên tục chịu tác động từ nhiều yếu tố ngoại cảnh và điều kiện vận hành như tải trọng thay đổi, dải vận tốc di chuyển, lực cản khí động học và biên độ mấp mô của bề mặt đường. Những yếu tố bất định này gây ra các dao động thẳng đứng, lắc dọc (pitch) và lắc ngang (roll), tác động trực tiếp đến khả năng bám đường của lốp xe, độ bền mỏi của kết cấu khung gầm và sự an toàn của hành khách. Nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ êm dịu chuyển động và tính ổn định hướng, việc nghiên cứu và tối ưu hóa hệ thống treo trở thành nhiệm vụ trọng tâm trong thiết kế và kiểm nghiệm ô tô.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động lực học dao động, phân loại và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống treo trên ô tô.
  2. Khảo sát cấu tạo chi tiết, nguyên lý làm việc của các cụm hệ thống tổng thành trên dòng xe du lịch Mazda CX-5 2018, tập trung sâu vào cơ cấu treo trước kiểu MacPherson và cơ cấu treo sau kiểu đa liên kết (Multi-link).
  3. Ứng dụng phần mềm chuyên ngành CarSim để xây dựng mô hình mô phỏng động lực học hệ thống treo độc lập trên xe Mazda CX-5 2018 và khảo sát phản ứng động lực học của xe trên hai dạng địa hình tiêu chuẩn (địa hình mô đất lớn và địa hình sóng sin).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống treo độc lập trên xe Mazda CX-5 thế hệ 2018. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích cấu tạo cơ khí, nguyên lý thủy lực của giảm chấn, đặc tính đàn hồi và mô phỏng động lực học xe thông qua bộ công cụ số CarSim tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 05 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng khung lý thuyết về dao động ô tô và động lực học hệ thống treo. Hệ thống treo có nhiệm vụ kết nối đàn hồi giữa khối lượng được treo (thân vỏ, khung xe) và khối lượng không được treo (bánh xe, cầu xe), dập tắt nhanh các dao động thẳng đứng phát sinh từ mặt đường và kiểm soát các chuyển vị góc thân xe khi tăng tốc, phanh hoặc quay vòng. Theo yêu cầu sinh lý học đối với cơ thể người, tần số dao động riêng của phần được treo cần nằm trong vùng êm dịu thích hợp từ 60 đến 80 lần/phút (hoặc dải giới hạn kỹ thuật chung 60 đến 1200 lần/phút).

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án kết hợp giữa phương pháp phân tích - tổng hợp cơ khí và phương pháp mô phỏng số động lực học hệ thống:

  • Phương pháp phân tích kỹ thuật hệ thống: Khảo sát các thông số hình học, kết cấu phân bổ tải trọng, cấu tạo bộ phận dẫn hướng (càng chữ A, hệ thanh đòn đa liên kết), bộ phận đàn hồi (lò xo trụ bước xoắn không đổi) và bộ phận giảm chấn (giảm chấn thủy lực - khí nén đơn ống và kép ống).
  • Phương pháp mô phỏng động lực học nhiều vật thể (Multi-Body Simulation): Sử dụng phần mềm CarSim phiên bản định hướng tính năng, ứng dụng công nghệ VehicleSim (VS) để giải hệ phương trình vi phân mô tả trạng thái chuyển động phi tuyến của xe dưới tác động kích động từ biên dạng mặt đường.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm hồ sơ thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe Mazda CX-5 2018, thư viện dữ liệu xe du lịch trong CarSim và hệ thống giáo trình, tài liệu chuyên khảo về thiết kế, tính toán ô tô.

Thiết kế và triển khai

Quy trình thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống treo xe Mazda CX-5 2018 trên phần mềm CarSim được thực hiện qua các bước cấu hình dữ liệu đồ họa (GUI) và thiết lập môi trường thử nghiệm:

  1. Khởi tạo thông số hình học và khối lượng xe:
    • Khối lượng không tải ($G_0$): 1550 kg; khối lượng toàn tải ($G_a$): 2000 kg.
    • Chiều dài cơ sở ($L_0$): 2700 mm; chiều rộng cơ sở ($B_0$): 1520 mm; khoảng sáng gầm xe: 200 mm.
    • Kích thước bao tổng thể (Dài x Rộng x Cao): 4550 x 1840 x 1680 mm.
  2. Cấu hình đặc tính hệ thống treo độc lập:
    • Treo trước: Lựa chọn mô hình treo độc lập MacPherson, thiết lập độ cứng lò xo trụ tuyến tính kết hợp vấu cao su hạn chế hành trình, khai báo đặc tính giảm chấn ống đơn (mono-tube) và độ cứng chống xoắn của thanh cân bằng ngang.
    • Treo sau: Lựa chọn mô hình treo độc lập đa liên kết (Multi-link 4 thanh liên kết), thiết lập tọa độ các khớp liên kết đòn trên, đòn dưới, thanh đỡ dưới và đòn dọc; khai báo đặc tính giảm chấn ống kép (twin-tube) nạp khí áp suất thấp ($3 - 6 \text{ kgf/cm}^2$) và lò xo trụ.
  3. Thiết lập điều kiện biên và địa hình thử nghiệm:
    • Thiết lập bài thử nghiệm 1: Phương tiện vượt qua địa hình mô đất lớn nhằm khảo sát hành trình nén tối đa của giảm chấn và khả năng triệt tiêu va đập của phần tử cao su.
    • Thiết lập bài thử nghiệm 2: Phương tiện di chuyển trên biên dạng đường sóng sin nhằm đánh giá khả năng dập tắt dao động liên tục và độ ổn định thân xe theo thời gian.
  4. Xử lý và xuất dữ liệu: Bộ giải toán học UMTRI tích hợp trong CarSim thực hiện tính toán trạng thái động học, sau đó xuất video trực quan hóa qua công cụ VS Visualizer và trích xuất hệ thống đồ thị dịch chuyển thẳng đứng, gia tốc thân xe và tải trọng tác dụng lên bánh xe.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống treo trên ô tô

Chương này tổng hợp các kiến thức nền tảng về nhiệm vụ, yêu cầu kỹ thuật và phân loại hệ thống treo:

  • Phân loại theo bộ phận dẫn hướng:
    • Hệ thống treo phụ thuộc: Sử dụng dầm cầu liền khối nối hai bánh xe trên cùng một cầu (liên kết Watt, liên kết Satchell, nhíp lá). Ưu điểm kết cấu đơn giản, chịu tải cao, nhưng khối lượng phần không treo lớn làm giảm độ êm dịu và dễ gây trượt ngang khi vào cua gồ ghề do vệt bánh xe thay đổi ($\Delta B$).
    • Hệ thống treo độc lập: Hai bánh xe chuyển động riêng biệt không qua dầm liền (MacPherson, đòn kép, đa liên kết). Giảm khối lượng không treo, tăng độ bám đường, cho phép hạ thấp trọng tâm thân xe.
  • Phân loại theo phần tử đàn hồi: Khảo sát chi tiết nhíp lá (nhíp chính, nhíp phụ), lò xo xoắn (lò xo trụ thường, lò xo bước lệch, lò xo côn), thanh xoắn kim loại, phần tử đàn hồi khí nén (bầu cao su 1 đến 3 ngăn có lõi thép, thành dày 3 - 5 mm) và phần tử đàn hồi thủy khí (áp suất làm việc đạt 20 MPa, có hoặc không có buồng đối áp).
  • Phân loại và nguyên lý giảm chấn: Phân tích nguyên lý cản nhớt qua van tiết lưu chuyển hóa cơ năng dao động thành nhiệt năng. So sánh hai loại kết cấu giảm chấn ống đơn (có buồng khí cao áp ngăn cách bởi piston tự do, tản nhiệt tốt, chống xâm thực) và giảm chấn ống kép (gồm xi lanh làm việc và xi lanh chứa dầu nạp 2/3 thể tích, tích hợp van đáy và van piston).
Tiêu chí phân loại Hệ thống treo phụ thuộc Hệ thống treo độc lập
Kết cấu dầm cầu Dầm cầu liền khối nối hai bánh xe Dầm cầu không liên khối, bánh xe tách biệt
Khối lượng phần không treo Lớn Nhỏ
Độ êm dịu chuyển động Trung bình đến thấp Cao, tối ưu cho xe du lịch
Độ thay đổi vết bánh xe ($\Delta B$) Lớn khi một bên bánh dao động Rất nhỏ, duy trì góc đặt bánh xe tốt
Khả năng chịu tải Rất cao, phù hợp xe tải, bán tải Vừa phải, kết cấu phức tạp và giá thành cao

Chương 2: Tìm hiểu hệ thống trên Mazda CX5 2018

Chương này đi sâu vào các thông số kỹ thuật tổng thành và kết cấu hệ thống treo trên dòng xe Mazda CX-5 đời 2018:

  • Thông số kỹ thuật chung: Xe thuộc dòng SUV 5 chỗ, động cơ SkyActiv-G (bản 2.0L công suất 153 mã lực tại 6000 v/p, mô-men xoắn 200 Nm; bản 2.5L công suất 188 mã lực tại 5700 v/p, mô-men xoắn 251 Nm; tỷ số nén 13:1, thứ tự nổ 1-3-4-2). Hộp số tự động 6 cấp SkyActiv, ly hợp đĩa ma sát dùng lò xo đĩa côn. Hệ thống lái trục vít - thanh răng trợ lực điện; hệ thống phanh đĩa 4 bánh tích hợp ABS, EBD, BA, DSC, TCS; hệ thống điều hòa 2 vùng độc lập.
  • Hệ thống treo trước: Sử dụng cơ cấu MacPherson gồm:
    • Bộ phận dẫn hướng: Càng chữ A dưới liên kết với khung xe và đòn xoay đứng; thanh cân bằng trước hạn chế góc nghiêng khi quay vòng.
    • Bộ phận đàn hồi: Lò xo trụ bước xoắn không đổi bố trí lồng ngoài giảm chấn, tựa trên gối đỡ; kết hợp vấu cao su hạn chế hành trình và dập tắt rung động nhỏ.
    • Bộ phận giảm chấn: Giảm chấn thủy lực kiểu ống đơn, sử dụng buồng khí nén cao áp phía dưới piston tự do để bù trừ thể tích cần piston trong hành trình nén và giãn.
  • Hệ thống treo sau: Sử dụng cơ cấu đa liên kết (Multi-link) gồm:
    • Bộ phận dẫn hướng: 4 thanh liên kết gồm 1 đòn chữ A phía trên, đòn dưới, thanh đỡ dưới và thanh kéo dọc, giúp cố định chính xác vị trí bánh xe trong không gian.
    • Bộ phận đàn hồi: Lò xo trụ bố trí tách rời với giảm chấn, tựa vào ngàm trên và gối đỡ dưới.
    • Bộ phận giảm chấn: Giảm chấn thủy lực kiểu ống kép nạp khí áp suất thấp ($3 - 6 \text{ kgf/cm}^2$), kiểm soát lực cản dòng chảy dầu qua hệ thống van piston và van đáy ở cả tốc độ dịch chuyển cao lẫn thấp.
Bộ phận hệ thống treo Treo trước (MacPherson) Treo sau (Multi-link)
Cơ cấu dẫn hướng Càng chữ A + ống lồng giảm chấn Đa liên kết (4 thanh: đòn trên, đòn dưới, thanh đỡ, đòn dọc)
Phần tử đàn hồi Lò xo trụ bước xoắn đều (lồng phuộc) Lò xo trụ bước xoắn đều (bố trí độc lập)
Loại giảm chấn Giảm chấn kiểu ống đơn (Mono-tube) Giảm chấn kiểu ống kép (Twin-tube)
Môi chất phụ trợ Khí nén cao áp + piston tự do Khí nạp áp suất thấp ($3 - 6 \text{ kgf/cm}^2$)
Thanh ổn định Thanh cân bằng ngang phía trước Thanh cân bằng ngang phía sau

Chương 3: Mô phỏng hệ thống treo Mazda-CX5 2018 bằng phần mềm CarSim

Nội dung chương tập trung vào việc số hóa mô hình xe và phân tích kết quả mô phỏng động lực học:

  • Giới thiệu phần mềm CarSim: Sản phẩm của Mechanical Simulation Corporation, ứng dụng bộ giải toán học phát triển từ UMTRI với hơn 175 màn hình giao diện đồ họa quản lý tham số, hỗ trợ kết nối đồng mô phỏng với MATLAB/Simulink và xuất dữ liệu sang Excel.
  • Thiết lập mô hình động học: Khai báo chính xác các đường đặc tính đàn hồi của hệ thống treo độc lập có tải và không tải, đặc tính phi tuyến của lốp xe và thông số độ cứng giảm chấn.
  • Mô phỏng bài toán 1 (Địa hình mô đất lớn): Xe di chuyển qua chướng ngại vật dạng gờ đơn kích thước lớn. Kết quả biểu diễn sự dịch chuyển hành trình của lò xo và phản lực thẳng đứng từ mặt đường. Giảm chấn ống đơn phía trước và ống kép phía sau đã dập tắt nhanh các xung lực nén, ngăn chặn hiện tượng chạm ụ cứng của vấu cao su.
  • Mô phỏng bài toán 2 (Địa hình mặt đường sóng sin): Xe di chuyển liên tục trên bề mặt gồ ghề dạng sóng sin. Đồ thị dao động thân xe thể hiện biên độ dịch chuyển thẳng đứng và góc lắc dọc nhanh chóng đạt trạng thái ổn định, chứng minh tính phù hợp của độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn trên xe Mazda CX-5 2018.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các nội dung kỹ thuật theo đề cương nghiên cứu:

  • Xây dựng bản mô tả kỹ thuật hoàn chỉnh về kết cấu cơ khí của hệ thống treo trước kiểu MacPherson và hệ thống treo sau kiểu đa liên kết trên dòng xe SUV Mazda CX-5 2018.
  • Làm rõ sự khác biệt về mặt cấu tạo và nguyên lý làm việc giữa giảm chấn một ống (sử dụng ở treo trước) và giảm chấn hai ống nạp khí áp suất thấp $3 - 6 \text{ kgf/cm}^2$ (sử dụng ở treo sau).
  • Ứng dụng thành công phần mềm CarSim để mô hình hóa hệ thống treo độc lập với các thông số kích thước và khối lượng thực tế ($G_0 = 1550 \text{ kg}$, $G_a = 2000 \text{ kg}$, $L_0 = 2700 \text{ mm}$).
  • Thực hiện xuất các tập dữ liệu đồ thị động học và video mô phỏng 3D trên hai dạng địa hình điển hình (mô đất lớn và đường sóng sin), chứng minh khả năng dập tắt dao động và đảm bảo tính êm dịu của xe trong điều kiện vận hành số hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các kết quả khảo sát dao động trong đồ án hoàn toàn dựa trên mô phỏng số thông qua phần mềm CarSim với các bộ tham số giả định từ nhà sản xuất, chưa có điều kiện đối chứng trực tiếp với dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ cảm biến gia tốc và cảm biến chuyển vị trên xe thật khi chạy trên đường (Road Test).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng mô hình bằng cách kết nối đồng mô phỏng CarSim với MATLAB/Simulink để nghiên cứu các thuật toán điều khiển bán chủ động (Semi-active) hoặc chủ động (Active Suspension) sử dụng giảm chấn từ biến (MR Damper) hoặc van điện từ.
    2. Khảo sát thêm các chế độ chuyển động phức tạp như quay vòng đột ngột (Fishhook, Double Lane Change) kết hợp phanh trên đường có hệ số bám thấp để đánh giá sự tương tác giữa hệ thống treo với hệ thống cân bằng điện tử DSC và kiểm soát lực kéo TCS.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và các chuyên ngành liên quan:

  • Phục vụ đào tạo: Hỗ trợ thực hiện các đồ án môn học như Thiết kế tính toán ô tô, Lý thuyết ô tô, Động lực học ô tô và Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành.
  • Nghiên cứu ứng dụng: Cung cấp tài liệu tham khảo trực quan về cấu tạo hệ thống treo xe Mazda CX-5 thế hệ 2018 và quy trình từng bước thiết lập thông số xe du lịch trong môi trường mô phỏng CarSim.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống treo trước và treo sau của xe Mazda CX-5 2018 thuộc loại kết cấu nào?

Hệ thống treo trước của xe Mazda CX-5 2018 là hệ thống treo độc lập kiểu MacPherson (gồm càng chữ A, lò xo trụ lồng ngoài giảm chấn và thanh cân bằng). Hệ thống treo sau là hệ thống treo độc lập kiểu đa liên kết (Multi-link) sử dụng 4 thanh liên kết (1 đòn chữ A trên, đòn dưới, thanh đỡ dưới và đòn dọc) kết hợp thanh cân bằng.

2. Sự khác biệt về kết cấu giảm chấn giữa cầu trước và cầu sau trên xe Mazda CX-5 2018 là gì?

Cầu trước sử dụng giảm chấn thủy lực kiểu ống đơn (Mono-tube), tích hợp một buồng khí nén cao áp ngăn cách với dầu qua một piston tự do. Cầu sau sử dụng giảm chấn thủy lực kiểu ống kép (Twin-tube), gồm xi lanh làm việc bên trong và xi lanh chứa dầu bên ngoài nạp khí áp suất thấp ($3 - 6 \text{ kgf/cm}^2$), hoạt động dựa trên van piston và van đáy.

3. Các thông số kích thước và khối lượng cơ bản của xe Mazda CX-5 2018 được sử dụng trong mô phỏng là bao nhiêu?

Theo tài liệu kỹ thuật của đồ án, xe có khối lượng không tải $1550 \text{ kg}$, khối lượng toàn tải $2000 \text{ kg}$, chiều dài cơ sở $2700 \text{ mm}$, chiều rộng cơ sở $1520 \text{ mm}$, khoảng sáng gầm xe $200 \text{ mm}$, kích thước bao $4550 \times 1840 \times 1680 \text{ mm}$ và bán kính quay vòng tối thiểu $5{,}2 \text{ m}$.

4. Phần mềm CarSim đã thực hiện mô phỏng hệ thống treo trên những dạng địa hình nào?

Đồ án đã thiết lập và thực hiện mô phỏng xe Mazda CX-5 2018 trên hai dạng địa hình cụ thể: dạng địa hình có mô đất lớn (khảo sát va đập đơn cực đại) và dạng địa hình mấp mô sóng sin (khảo sát dao động điều hòa liên tục).

5. Vai trò của thanh cân bằng (thanh ổn định) trên hệ thống treo trước và sau xe là gì?

Khi xe quay vòng hoặc đi qua mặt đường mấp mô không đều hai bên, lực ly tâm hoặc sự chênh lệch phản lực làm thân xe bị nghiêng. Thanh cân bằng bị xoắn lại, tạo ra mô-men chống xoắn nhằm san đều phản lực thẳng đứng giữa hai bánh xe cùng cầu, hạn chế góc nghiêng thân xe và tăng độ bám đường cho lốp.

Kết luận

Đồ án "Mô phỏng hệ thống treo trên xe Mazda CX-5 (2018)" của sinh viên Võ Quang Vinh và Nguyễn Thanh Lâm dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Mạnh Cường đã phân tích chi tiết kết cấu cơ khí, thủy lực của hệ thống treo độc lập trước MacPherson và sau đa liên kết. Bằng việc ứng dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành CarSim, đồ án đã tái hiện thành công trạng thái động lực học dao động của phương tiện trên các dạng địa hình mô đất lớn và sóng sin. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác học tập và nghiên cứu động lực học ô tô du lịch.