Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật giao thông và cơ khí động lực, việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các thông số cơ bản cho phương tiện ô tô đóng vai trò tiên quyết nhằm bảo đảm tính năng động lực học, độ an toàn và hiệu quả kinh tế trong quá trình khai thác. Đề tài "Thiết kế và tính toán ô tô: Xác định các thông số liên quan" được thực hiện trong khuôn khổ đồ án học phần Thiết kế - Tính toán Ô tô tại Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang, dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Trọng Chương.

Mục tiêu chính của đề tài là xác định hệ thống thông số kỹ thuật cơ bản, lựa chọn phương án kết cấu các cụm tổng thành và tính toán các chỉ tiêu động lực học cho một mẫu ô tô tải chở hàng hoạt động trên điều kiện đường sá tiêu chuẩn tại Việt Nam.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về phân loại phương tiện ô tô theo Tiêu chuẩn Việt Nam và cấu tạo chức năng của các hệ thống chính (nguồn động lực, hệ thống truyền lực, dầm cầu, hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống phanh).
  2. Lựa chọn xe mẫu phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu để kế thừa và xác lập các thông số kích thước hình học, phân bố tải trọng.
  3. Lựa chọn giải pháp bố trí chung và kết cấu cụ thể cho từng hệ thống tổng thành trên xe thiết kế.
  4. Tính toán xác định công suất động cơ cần thiết ở vận tốc lớn nhất, xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong theo công thức thực nghiệm.
  5. Xác định bán kính lăn bánh xe, tính toán tỷ số truyền của hệ thống truyền lực (truyền lực chính, hộp số chính, số lùi và các số trung gian).
  6. Thiết lập phương trình cân bằng lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động và xác định nhân tố động lực học của ô tô ở các chế độ tải trọng khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Ô tô tải chở hàng có tải trọng chuyên chở $G_e = 9195\text{ kG}$, cabin 3 chỗ ngồi, vận tốc chuyển động lớn nhất $v_{\max} = 90\text{ km/h}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán thiết kế lý thuyết động lực học ô tô di chuyển trên loại đường bê tông nhựa và bê tông xi măng; số liệu và phương pháp thực hiện áp dụng theo quy trình đào tạo ngành Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Nha Trang (hoàn thành tháng 06/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên hệ thống lý thuyết động lực học ô tô và các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:

  • Tiêu chuẩn Việt Nam về phân loại phương tiện giao thông đường bộ (ô tô con dưới hoặc bằng 9 chỗ, ô tô khách từ 10 chỗ trở lên, ô tô tải chở hàng).
  • Phương trình cân bằng công suất kéo của ô tô ở chế độ vận tốc cực đại: $$N_{e v\max} = \frac{1}{\eta_t} \cdot \left( \frac{G_a \cdot \psi \cdot v_{e\max}}{1000} + \frac{W \cdot v_{e\max}^3}{1000} \right)$$ Trong đó: $\eta_t$ là hiệu suất hệ thống truyền lực; $G_a$ là trọng lượng toàn bộ xe khi đủ tải; $\psi$ là hệ số cản tổng cộng của mặt đường ($\psi = f_{v\max} + i$); $W$ là nhân tố cản không khí ($W = K \cdot F$); $v_{e\max}$ là vận tốc cực đại.
  • Công thức thực nghiệm S. Laydecman dùng để xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong khi không có số liệu thực nghiệm trực tiếp: $$N_e = N_{e\max} \left[ a \left(\frac{n_e}{n_N}\right) + b \left(\frac{n_e}{n_N}\right)^2 - c \left(\frac{n_e}{n_N}\right)^3 \right]$$ Với $a, b, c$ là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc loại nhiên liệu (xăng/diesel), số kỳ và dạng buồng cháy (trực tiếp, dự bị, xoáy lốc).
  • Lý thuyết động học quay vòng ô tô theo nguyên lý Ackerman và động học hình thang lái.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, phân loại và đánh giá các phương án kết cấu tổng thành ô tô hiện đại nhằm lựa chọn phương án tối ưu cho xe tải hạng trung/nặng.
  • Phương pháp kế thừa và so sánh xe mẫu: Sử dụng thông số của xe mẫu tương đương trong thực tế để xác lập các kích thước tổng thể, tự trọng, phân bố tải trọng lên các trục khi không tải và toàn tải.
  • Phương pháp tính toán giải tích cơ học: Thiết lập các công thức giải tích tính toán công suất động cơ, vận tốc ở từng tay số, tỷ số truyền truyền lực chính, bán kính lăn bánh xe, cân bằng lực kéo và nhân tố động lực học $D$.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án trích xuất từ các tài liệu chuyên khảo về thiết kế tính toán ô tô, giáo trình Lý thuyết ô tô máy kéo, các tiêu chuẩn thiết kế cơ khí động lực và thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe tải tham chiếu cùng phân khúc tải trọng.

Nội dung chính theo từng chương

Tổng quan ô tô thiết kế

Chương này tập trung trình bày tổng quan lý thuyết về phân loại phương tiện, cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cụm hệ thống chính trên ô tô:

  • Phân loại xe theo TCVN: Làm rõ ranh giới phân loại giữa ô tô con ($\le 9$ chỗ), ô tô khách ($\ge 10$ chỗ) và các chủng loại ô tô tải (xe tải chở hàng, xe tải chuyên dùng, ô tô đầu kéo, ô tô kéo rơ moóc).
  • Nguồn cung cấp công suất: Phân tích ba nhóm động cơ (động cơ đốt trong, động cơ điện, động cơ Hybrid); phân tích chuyên sâu đường đặc tính tốc độ ngoài và đặc tính cục bộ của động cơ đốt trong piston (động cơ xăng và diesel); xác lập ý nghĩa các điểm đặc trưng trục khuỷu ($n_{\min}, n_M, n_N, n_{\max}$) và các hệ số thực nghiệm $a, b, c$ theo công thức S. Laydecman.
  • Hệ thống truyền lực: Khảo sát sơ đồ bố trí chung; phân loại và cấu tạo ly hợp (ma sát lò xo màng, đĩa ma sát, ly hợp thủy lực, điện từ; dẫn động cơ khí, thủy lực, trợ lực khí nén); hộp số (hộp số sàn MT, tự động AT, vô cấp CVT, ly hợp kép DCT); trục truyền cardan (trục rỗng, trục đặc, khớp chữ thập, khớp đồng tốc); bán trục (giảm tải $1/2, 3/4$, giảm tải hoàn toàn); truyền lực chính (đơn, kép) và bộ vi sai (đối xứng, không đối xứng, vi sai tăng ma sát).
  • Dầm cầu và hệ thống treo: Phân loại dầm cầu liền/ghép, chủ động/bị động, dẫn hướng/không dẫn hướng; cấu tạo 3 bộ phận chính của hệ thống treo gồm bộ phận dẫn hướng (thanh dọc, đòn chữ A, nhíp dọc), bộ phận đàn hồi (nhíp lá, lò xo trụ, thanh xoắn, khí nén) và bộ phận giảm chấn (1 lớp vỏ, 2 lớp vỏ).
  • Hệ thống điều khiển hướng và hệ thống phanh: Phân tích động học lái bàn xoay so với động học lái Ackerman; các kiểu cơ cấu lái (trục vít - đai ốc bi - cung răng, trục vít - thanh răng) và các dạng trợ lực lái (HPS, EPS, EPHS); cấu tạo hệ thống phanh chính (phanh chân) và phanh phụ (phanh tay), các dạng dẫn động cơ khí, thủy lực, khí nén, cơ cấu phanh tang trống/đĩa và các hệ thống hỗ trợ an toàn (bộ điều hòa lực phanh, chống bó cứng phanh ABS).

Thiết kế ô tô tải

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, đi vào giải quyết bài toán thiết kế cụ thể dựa trên yêu cầu kỹ thuật:

  • Lựa chọn xe mẫu và xác định tải trọng: Dựa trên xe mẫu tham chiếu có tải trọng toàn bộ $G_{Ma} = 15120\text{ kG}$, tự trọng $G_{M0} = 5925\text{ kG}$ (trục trước $1777.5\text{ kG}$, trục sau $4147.5\text{ kG}$). Trọng lượng người tham gia tính cho 3 người ($G_h = 75\text{ kG/người}$, hành lý $G_{hl} = 25\text{ kG/người}$), tải trọng hàng hóa hữu ích $G_{e2} = 8970\text{ kG}$, tổng tải trọng hữu ích $G_e = 9195\text{ kG}$.
  • Xác lập kích thước xe thiết kế: Chiều dài tổng thể $L_D = 9500\text{ mm}$, chiều rộng tổng thể $W_D = 2500\text{ mm}$, chiều cao tổng thể $H_D = 3600\text{ mm}$, chiều dài cơ sở $L_{D0} = 6100\text{ mm}$, chiều rộng cơ sở $W_{D0} = 2460\text{ mm}$, bề rộng lốp xe $245\text{ mm}$, khoảng cách hai tâm trụ đứng $W_{DK} = 2215\text{ mm}$.
  • Lựa chọn cấu hình và tổng thành:
    • Nguồn động lực: Động cơ đốt trong Diesel 4 kỳ, buồng cháy trực tiếp, đặt dọc phía trước xe.
    • Khung sườn: Thân khung và sườn xe liền.
    • Ly hợp: Ly hợp ma sát lò xo màng, dẫn động thủy lực có trợ lực khí nén.
    • Hộp số: Hộp số cơ khí có cấp (điều khiển tay MT).
    • Trục truyền & Cầu chủ động: Trục cardan ống thép rỗng có 3 khớp chữ thập; bán trục giảm tải hoàn toàn; truyền lực chính bánh răng côn; vi sai đối xứng tăng ma sát dùng bộ côn nhiều đĩa; dầm cầu trước liền dẫn hướng, dầm cầu sau ghép chủ động.
    • Hệ thống treo: Cầu trước và cầu sau đều sử dụng hệ thống treo phụ thuộc loại nhíp lá bố trí dọc; cầu trước có trang bị thanh cân bằng và giảm chấn ống thủy lực.
    • Hệ thống lái: Cơ cấu lái kiểu trục vít - đai ốc bi hồi chuyển - cung răng, hình thang lái dùng thanh răng, trợ lực lái thủy lực (HPS).
    • Hệ thống phanh: Phanh chính dẫn động kết hợp khí nén - thủy lực tác động lên cơ cấu phanh đĩa tại các bánh xe, có trang bị bộ điều hòa lực phanh và hệ thống chống bó cứng phanh (ABS); phanh tay dẫn động khí nén cơ cấu tang trống/đĩa có bộ điều hòa lực phanh.
  • Tính toán động lực học và công suất:
    • Vận tốc thiết kế cực đại: $v_{e\max} = 90\text{ km/h} = 25\text{ m/s}$.
    • Điều kiện mặt đường: Đường bê tông nhựa/xi măng có độ dốc $i = 0.009$, hệ số cản lăn $f_0 = 0.015$, hệ số cản không khí $K = 0.65\text{ Ns}^2/\text{m}^4$.
    • Diện tích cản chính diện tính toán: $F = 0.8 \cdot W_{D0} \cdot H_D = 0.8 \cdot 2.5 \cdot 3.6 = 7.2\text{ m}^2$ (hoặc $F = W_D \cdot H_D = 2.46 \cdot 3.6 = 8.856\text{ m}^2$).
    • Hiệu suất hệ thống truyền lực chọn sơ bộ cho xe tải: $\eta_t = 0.82 \div 0.85$.
    • Dải vòng quay động cơ Diesel: $n_{e\min} = 500\text{ vg/ph}$, $n_{e\max} = 2500\text{ vg/ph}$, tỷ số $\lambda = n_{e\max}/n_{eN} = 1.1$, suy ra số vòng quay ứng với công suất cực đại $n_{eN} = 2272\text{ vg/ph}$.
    • Hệ số thực nghiệm động cơ diesel 4 kỳ buồng cháy trực tiếp: $a = 0.5, b = 1.0, c = 0.5$.
    • Xác định bán kính lăn bánh xe $r_b = \lambda \cdot r_0$, xác định tỷ số truyền truyền lực chính $i_0$, hộp số chính ($i_{h1} \dots i_{hn}$), số lùi, xây dựng bảng biến thiên mô-men xoắn, lực kéo tiếp tuyến $P_k$ và nhân tố động lực học $D$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Tổng hợp các thông số hình học, tải trọng và giải pháp tổng thành được thiết lập cho mẫu xe tải thiết kế được trình bày trong bảng dưới đây:

Hạng mục thông số / Tổng thành Giá trị thiết kế / Phương án lựa chọn Ghi chú kỹ thuật
Tải trọng chuyên chở hữu ích ($G_e$) $9195\text{ kG}$ Bao gồm người và hàng hóa
Trọng lượng hàng hóa ($G_{e2}$) $8970\text{ kG}$ Tải trọng hàng hóa thuần
Số lượng người & tải trọng người 3 người ($G_h = 75\text{ kG/ng}$, $G_{hl} = 25\text{ kG/ng}$) Tổng tải trọng người + hành lý = $300\text{ kG}$
Tự trọng bản thân ($G_0$) $5925\text{ kG}$ Trục trước: $1777.5\text{ kG}$; Trục sau: $4147.5\text{ kG}$
Trọng lượng toàn bộ đủ tải ($G_a$) $15120\text{ kG}$ Trục trước: $4536\text{ kG}$; Trục sau: $10548\text{ kG}$
Kích thước tổng thể ($L \times W \times H$) $9500 \times 2500 \times 3600\text{ mm}$ Kích thước thiết kế bao ngoài
Chiều dài cơ sở ($L_{D0}$) / Vết bánh ($W_{D0}$) $6100\text{ mm}$ / $2460\text{ mm}$ Khoảng cách tâm trụ đứng $W_{DK} = 2215\text{ mm}$
Vận tốc di chuyển lớn nhất ($v_{\max}$) $90\text{ km/h}$ ($25\text{ m/s}$) Trên mặt đường bê tông nhựa / xi măng
Động cơ đốt trong Diesel 4 kỳ, buồng cháy trực tiếp Đặt dọc phía trước; $n_{\min}=500$, $n_{\max}=2500$, $n_N=2272\text{ vg/ph}$
Ly hợp Ma sát khô, lò xo màng Dẫn động thủy lực trợ lực khí nén
Hộp số Hộp số cơ khí có cấp (MT) Cơ cấu điều khiển gài số cơ khí
Hệ thống trục truyền Cardan ống thép rỗng (3 khớp chữ thập) Bán trục loại giảm tải hoàn toàn
Truyền lực chính & Vi sai Cặp bánh răng côn (nón) Vi sai đối xứng tăng ma sát nhiều đĩa
Dầm cầu & Hệ thống treo Dầm cầu liền trước, ghép sau Treo phụ thuộc nhíp lá dọc; cầu trước có thanh cân bằng
Hệ thống lái Trục vít - đai ốc bi - cung răng Trợ lực thủy lực (HPS), hình thang lái thanh răng
Hệ thống phanh chính Cơ cấu phanh đĩa Dẫn động khí nén - thủy lực, có ABS & điều hòa lực phanh
Hệ thống phanh dừng (phanh tay) Cơ cấu đĩa / tang trống Dẫn động khí nén, có điều hòa lực phanh

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

  1. Xác lập hoàn chỉnh bộ thông số kích thước và tải trọng cho xe tải $9.195\text{ tấn}$: Chiều dài cơ sở $6100\text{ mm}$, tải trọng toàn bộ phân bố hợp lý theo tỷ lệ khoảng $30%$ lên cầu trước ($4536\text{ kG}$) và $70%$ lên cầu sau ($10548\text{ kG}$) ở trạng thái đầy tải.
  2. Xác định các điểm làm việc đặc trưng của động cơ Diesel: Thiết lập dải vòng tua làm việc từ $500\text{ vg/ph}$ đến $2500\text{ vg/ph}$, số vòng tua công suất cực đại $n_{eN} = 2272\text{ vg/ph}$, kết hợp các hệ số Laydecman $a=0.5, b=1.0, c=0.5$ để mô hình hóa chính xác đường cong công suất $N_e$ và mô-men xoắn $M_e$.
  3. Hoàn thiện phương án chọn cụm tổng thành đồng bộ: Kết hợp ly hợp lò xo màng trợ lực khí nén, hộp số cơ khí, trục cardan rỗng 3 khớp chữ thập, dầm cầu chủ động sau và hệ thống phanh đĩa trợ lực khí nén - thủy lực tích hợp ABS.

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa phương pháp luận tính toán thiết kế ô tô tải theo quy trình kỹ thuật chuẩn của ngành Kỹ thuật Giao thông, kết hợp giữa phân tích lý thuyết và số liệu thực nghiệm xe mẫu.
  • Cung cấp mô hình giải tích cụ thể cho việc tính toán công suất cản và cân bằng lực kéo cho xe tải nặng hoạt động trên mạng lưới đường bộ Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án tập trung vào tính toán động lực học tổng thể và xác định thông số ban đầu; chưa thực hiện tính toán độ bền chi tiết (ứng suất uốn/xoắn của trục cardan, bánh răng hộp số, bán trục, tính bền nhíp lá) và chưa có số liệu thử nghiệm thực tế trên bệ thử hoặc đường thử.
  • Hướng phát triển:
    • Thực hiện các bước tính toán thiết kế chi tiết kiểm nghiệm bền cho cụm ly hợp, hộp số, truyền lực chính và bán trục.
    • Ứng dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành (như Matlab/Simulink, ADAMS/Car) để mô phỏng động lực học quay vòng, độ êm dịu chuyển động và quá trình phanh của xe trong các điều kiện tải trọng biến thiên.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật phù hợp cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Giao thông, Cơ khí Động lực tham khảo phương pháp thực hiện đồ án môn học Thiết kế - Tính toán Ô tô.
  • Kỹ sư cơ khí, cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở hoán cải, đóng thùng xe tải tham khảo quy trình lựa chọn thông số động lực học, kích thước bao và phân bố tải trọng cầu xe.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp luận xác định công suất động cơ ở vận tốc cực đại và quy trình lựa chọn kết cấu các hệ thống điều khiển lái, phanh khí nén - thủy lực có ABS.

Câu hỏi thường gặp

1. Tải trọng chuyên chở thiết kế và vận tốc cực đại của xe là bao nhiêu?

Xe được thiết kế với tải trọng chuyên chở hữu ích $G_e = 9195\text{ kG}$ (trong đó hàng hóa là $8970\text{ kG}$, 3 người và hành lý là $300\text{ kG}$), tổng trọng lượng toàn tải $G_a = 15120\text{ kG}$. Vận tốc chuyển động lớn nhất thiết kế đạt $v_{\max} = 90\text{ km/h}$ ($25\text{ m/s}$) trên mặt đường bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng.

2. Động cơ đốt trong trên xe thiết kế có những đặc tính kỹ thuật gì?

Xe sử dụng động cơ Diesel 4 kỳ, buồng cháy trực tiếp, đặt dọc phía trước xe. Các thông số vòng quay đặc trưng bao gồm: số vòng quay nhỏ nhất ổn định toàn tải $n_{e\min} = 500\text{ vg/ph}$, số vòng quay lớn nhất $n_{e\max} = 2500\text{ vg/ph}$, hệ số $\lambda = n_{e\max}/n_{eN} = 1.1$, số vòng quay ứng với công suất lớn nhất $n_{eN} = 2272\text{ vg/ph}$.

3. Kết cấu hệ thống treo và dầm cầu được bố trí như thế nào?

Cầu trước là dầm cầu liền dẫn hướng, hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp lá bố trí dọc, có trang bị thanh cân bằng và giảm chấn ống thủy lực. Cầu sau là dầm cầu ghép chủ động, hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp lá bố trí dọc, không trang bị thanh cân bằng.

4. Hệ thống lái của xe sử dụng loại cơ cấu lái và trợ lực nào?

Hệ thống lái bố trí vô lăng bên trái gần đầu xe, trục lái điều chỉnh được; cơ cấu lái sử dụng loại trục vít - đai ốc bi hồi chuyển - cung răng; hình thang lái sử dụng đòn ngang kiểu thanh răng; hệ thống lái được trang bị trợ lực thủy lực (HPS).

5. Hệ thống phanh chính trên xe có cấu tạo và tính năng an toàn gì?

Hệ thống phanh chính (phanh chân) sử dụng cơ cấu phanh đĩa tại các bánh xe, hệ thống dẫn động kết hợp khí nén - thủy lực (tác động bằng chất lỏng), được trang bị bộ điều hòa lực phanh và hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS).

Kết luận

Đồ án học phần "Thiết kế và tính toán ô tô: Xác định các thông số liên quan" của sinh viên Nguyễn Thư Sinh (Trường Đại học Nha Trang) đã giải quyết toàn diện bài toán xác định thông số cơ bản và tính toán động lực học cho mẫu ô tô tải $9195\text{ kG}$. Nghiên cứu đã đưa ra các phương án lựa chọn kết cấu tổng thành cơ khí hợp lý từ động cơ Diesel, hộp số sàn, hệ thống treo nhíp lá đến hệ thống phanh khí nén - thủy lực tích hợp ABS. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở dữ liệu giải tích rõ ràng, phục vụ hiệu quả cho công tác học tập, nghiên cứu và phát triển phương tiện vận tải đường bộ.