Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh mẽ thông qua các liên doanh lắp ráp và sản xuất với các tập đoàn quốc tế như Toyota, Ford, Chevrolet, Suzuki. Yêu cầu cấp thiết đặt ra đối với kỹ sư cơ khí động lực là phải làm chủ kiến thức lý thuyết, nắm vững kết cấu các cụm chi tiết và hệ thống chuyên biệt trên xe ô tô hiện đại, phục vụ hiệu quả mục tiêu khai thác "giữ tốt, dùng bền, an toàn, tiết kiệm". Trong tổng thể kết cấu xe con, hệ thống lái giữ vai trò quyết định đến tính năng an toàn chủ động và tính cơ động. Trong quá trình vận hành, hệ thống lái chịu tải trọng va đập liên tục từ mặt đường, dẫn đến sự hao mòn, rơ lỏng và biến đổi tình trạng kỹ thuật của các cụm chi tiết.

Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu toàn diện kết cấu, nguyên lý hoạt động, sự biến đổi tình trạng kỹ thuật, đồng thời xây dựng quy trình chẩn đoán hư hỏng và bảo dưỡng kỹ thuật cho hệ thống lái trên dòng xe du lịch Toyota Camry 2.0.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Nghiên cứu lý thuyết chung về hệ thống lái ô tô: công dụng, phân loại, yêu cầu kỹ thuật, các kết cấu cơ cấu lái điển hình, hệ thống trợ lực lái và tính ổn định của các bánh xe dẫn hướng.
  2. Phân tích kết cấu chi tiết, thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực trên xe du lịch Toyota Camry 2.0 (tập trung vào cơ cấu lái bánh răng - thanh răng, cụm van xoay phân phối và bơm trợ lực cánh gạt).
  3. Khảo sát các dạng sai hỏng kỹ thuật điển hình, lập quy trình chẩn đoán nguyên nhân, biện pháp khắc phục và phương pháp bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống lái xe Toyota Camry 2.0.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái bố trí trên xe du lịch Toyota Camry 2.0. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích kết cấu cơ khí, thủy lực và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của hệ thống lái theo các tiêu chuẩn kỹ thuật của hãng sản xuất, được thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh vào năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô, kết cấu tính toán ô tô và công nghệ chẩn đoán kỹ thuật ô tô, kế thừa các tài liệu chuyên ngành:

  • Giáo trình Lý thuyết ô tô, máy kéo (Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, 1998, NXB Khoa học và Kỹ thuật).
  • Tài liệu Kết cấu và tính toán ô tô (Nguyễn Hoàng Việt, 1998, Đại học Đà Nẵng).
  • Giáo trình Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô (Đại học Bách khoa Đà Nẵng).
  • Giáo trình Thiết kế chi tiết máy (NXB Giáo dục).
  • Sổ tay hướng dẫn sửa chữa xe Toyota Camry 2.0 của hãng sản xuất.

Khung lý thuyết phân tích động học và động lực học hệ thống lái sử dụng các mô hình và công thức giải tích xác định tỷ số truyền và mô men ổn định bánh xe:

  • Tỷ số truyền cơ cấu lái trục vít - cung răng: $i = \frac{2\pi R_0}{t \cdot Z_t}$ (trong đó $R_0$ là bán kính vòng lăn cung răng, $t$ là bước ren, $Z_t$ là số mối ren trục vít).
  • Tỷ số truyền cơ cấu lái trục vít - con lăn: $i_\omega = \frac{2\pi R_k}{t \cdot Z_1} \cdot i_0$.
  • Tỷ số truyền cơ cấu lái liên hợp trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng: $i = \frac{2\pi R_2}{t}$.
  • Mô men ổn định do góc nghiêng ngang trụ quay đứng ($\beta$): $M = Z_1 \cdot b_n \cdot \sin\beta$ (với $Z_1$ là phản lực thẳng đứng, $b_n$ là khoảng cách tâm tiếp xúc đến trục quay).
  • Mô men ổn định do góc nghiêng dọc trụ quay đứng ($\gamma$): $M = P_y \cdot c = P_y \cdot r_b \cdot \tan\gamma$ (với $P_y$ là phản lực ngang, $r_b$ là bán kính bánh xe).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết kết cấu, phân loại hệ thống, giải tích động học cơ cấu hình thang lái và phương pháp chẩn đoán kỹ thuật thực nghiệm dựa trên bảng phân tích triệu chứng - nguyên nhân - biện pháp xử lý. Nguồn dữ liệu sử dụng hoàn toàn từ tài liệu kỹ thuật gốc của xe Toyota Camry 2.0 và quy chuẩn kiểm định an toàn kỹ thuật ô tô.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lý thuyết chung về hệ thống lái

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về hệ thống lái trên ô tô hiện đại, phân loại theo vị trí bố trí vô lăng (bên trái hoặc bên phải), theo số cầu dẫn hướng và theo nguyên lý làm việc của bộ trợ lực (thủy lực, khí nén, điện, cơ khí). Tác giả so sánh đặc tính kỹ thuật của 5 dạng cơ cấu lái điển hình:

Kiểu cơ cấu lái Ưu điểm Nhược điểm Phạm vi ứng dụng
Trục vít - cung răng Kết cấu đơn giản, làm việc bền vững Hiệu suất thấp ($\eta_{th} = 0,5 \div 0,55$), chỉnh khe hở phức tạp Xe tải cỡ lớn
Trục vít - con lăn Kết cấu gọn nhẹ, ma sát lăn, hiệu suất thuận $\eta_t = 0,77 \div 0,82$, hiệu suất nghịch $\eta_n = 0,6$ Gia công đòi hỏi độ chính xác cao Ô tô du lịch, xe tải
Trục vít - chốt quay Cho phép tỷ số truyền thay đổi, $\eta_t \approx \eta_n \approx 0,7$ Chế tạo phức tạp, tuổi thọ thấp Xe tải, xe khách không trợ lực
Trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng Hiệu suất cao ($\eta_t = 0,7 \div 0,85$; $\eta_n = 0,85$), độ bền cao Hiệu suất nghịch lớn gây phản lực mạnh lên vô lăng khi đi đường xấu Xe tải cỡ lớn, xe khách
Bánh răng - thanh răng Kết cấu gọn, độ nhạy cao do tỷ số truyền nhỏ, hiệu suất truyền lực cao Lực cản đánh lái lớn khi không có trợ lực, không dùng được với treo phụ thuộc Xe du lịch, xe đua, xe tải nhỏ

Văn bản nêu rõ các chỉ tiêu kỹ thuật bắt buộc của hệ thống lái:

  • Hành trình tự do vành lái không được vượt quá $15^\circ$ đối với hệ thống lái có trợ lực và không quá $5^\circ$ đối với hệ thống lái không trợ lực.
  • Lực điều khiển lớn nhất trên vành lái ($P_{lvmax}$) không vượt quá $150 \div 200\text{ N}$ đối với xe du lịch và xe tải nhỏ; không quá $500\text{ N}$ đối với xe tải lớn và xe khách.

Phần phân tích tính ổn định của bánh xe dẫn hướng đi sâu vào vai trò của 4 góc đặt bánh xe:

  1. Góc nghiêng trong mặt phẳng ngang của trụ quay đứng ($\beta = 0 \div 8^\circ$): tạo mô men tự trả lái về vị trí trung gian nhờ phản lực thẳng đứng $Z_1$.
  2. Góc nghiêng trong mặt phẳng dọc của trụ quay đứng ($\gamma = 0 \div 3^\circ$): tạo mô men ổn định chuyển động thẳng nhờ phản lực ngang $P_y$.
  3. Góc doãng (camber): bù trừ biến dạng đàn hồi của dầm cầu và triệt tiêu lực đẩy dọc trục ngõng quay.
  4. Độ chụm bánh xe dẫn hướng (toe-in): ngăn ngừa hiện tượng mở bánh xe do lực cản lăn, giảm mòn lốp do góc doãng gây ra.

Chương này cũng phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của trợ lực lái thủy lực (bơm phiến gạt, van điều khiển lưu lượng, thiết bị bù không tải) và trợ lực lái điện (EPS) gồm cảm biến mô men thanh xoắn, ECU điều khiển và mô tơ điện một chiều liên kết qua cơ cấu giảm tốc trục vít - bánh vít.

Chương 2: Hệ thống lái ô tô Toyota Camry 2.0

Chương 2 mô tả chi tiết kiến trúc kỹ thuật của xe du lịch Toyota Camry 2.0 và toàn bộ cụm hệ thống lái bố trí trên xe. Các thông số kỹ thuật kích thước và hình học tổng thể của xe được tác giả tổng hợp trong Bảng 2-1:

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Trọng lượng bản thân xe $G_0$ kg 1750
Trọng lượng toàn bộ $G_t$ kg 2200
Chiều dài tổng thể $L_a$ mm 4635
Chiều rộng tổng thể $B_a$ mm 1850
Chiều cao toàn bộ $H_a$ mm 1480
Chiều dài cơ sở $L$ mm 2705
Khoảng sáng gầm xe - mm 200
Số chỗ ngồi (kể cả người lái) - Người 07
Vết bánh xe trước - mm 1562
Vết bánh xe sau - mm 1572

Hệ thống lái trên xe Toyota Camry 2.0 thuộc loại cơ cấu lái bánh răng - thanh răng, kết hợp hệ thống trợ lực thủy lực tích hợp trực tiếp trên thân thanh răng. Trục lái có khớp các đăng chữ thập, cho phép điều chỉnh 4 hướng (gật gù và xa - gần) nhằm nâng cao sự tiện nghi, đồng thời tích hợp cơ cấu trượt hấp thụ xung lực khi xảy ra va chạm để bảo vệ người lái. Vành tay lái có bán kính ngoài 195 mm (đường kính 390 mm), bên trong bằng thép, vỏ bọc nhựa, tích hợp túi khí bảo vệ bằng nylon phủ neoprene.

Các thông số động học và góc đặt định vị bánh xe của hệ thống lái Toyota Camry 2.0 được tác giả cung cấp trong Bảng 2.2:

Thông số Đơn vị Giá trị tiêu chuẩn
Kiểu cơ cấu lái - Bánh răng – thanh răng
Tỷ số truyền có trợ lực lái - 18,5 : 1
Đường kính vô lăng có túi khí mm 390
Thể tích dầu trợ lực Lít 1,1
Góc đặt bánh xe trước:
- Góc chụm Độ $0,10^\circ \pm 0,08^\circ$
- Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster) Độ $2,18^\circ \pm 0,73^\circ$
- Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) Độ $-0,55^\circ \pm 0,75^\circ$
Góc đặt bánh xe sau:
- Góc chụm Độ $0,09^\circ \pm 0,10^\circ$
- Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) Độ $-0,35^\circ \pm 0,50^\circ$

Về cụm tạo áp suất thủy lực, xe trang bị bơm trợ lực cánh gạt tác dụng kép gồm 10 cánh gạt trượt trong các rãnh của rôto đặt trong lòng stato hình ô van. Bơm thực hiện 2 chu kỳ hút và 2 chu kỳ nén trong một vòng quay của trục bơm. Bơm tích hợp van điều khiển lưu lượng để duy trì lưu lượng dầu ổn định đến hộp cơ cấu lái ở các dải tốc độ khác nhau của động cơ, đồng thời có van giảm áp để xả dầu về bình chứa khi áp suất vượt ngưỡng an toàn.

Nguyên lý làm việc của van điều khiển phân phối (cụm van xoay):

  • Trạng thái đi thẳng: Vành lái ở vị trí trung gian, thân van trong và thân van ngoài cân bằng. Dầu từ bơm qua van xoay rồi hồi thẳng về bình chứa. Áp suất tại khoang trái (khoang II) và khoang phải (khoang I) của xi lanh lực bằng nhau, thanh răng giữ nguyên vị trí.
  • Trạng thái quay vòng sang trái: Thân van trong xoay sang trái, mở đường dầu cao áp từ bơm vào khoang I của xi lanh lực, đồng thời thông khoang II với đường dầu hồi. Chênh lệch áp suất đẩy pít-tông và thanh răng dịch chuyển sang bên trái. Khi giữ yên vô lăng, thanh xoắn đàn hồi (cho phép xoay tối đa $7^\circ$ từ vị trí giữa về mỗi phía) trả thân van về vị trí cân bằng tương đối, duy trì mức chênh áp ổn định.
  • Trạng thái quay vòng sang phải: Thân van trong xoay sang phải, mở đường dầu cao áp vào khoang II và mở đường dầu khoang I về bình hồi. Pít-tông đẩy thanh răng dịch chuyển sang phải để điều khiển bánh xe chuyển hướng sang phải.

Chương 3: Chẩn đoán những hư hỏng và bảo dưỡng hệ thống lái ô tô Toyota Camry 2.0

Chương 3 xây dựng quy trình chẩn đoán kỹ thuật thực tế cho 5 dạng sự cố thường gặp trên hệ thống lái Toyota Camry 2.0:

  1. Hiện tượng nặng lái:
    • Nguyên nhân và cách xử lý: Áp suất lốp không đủ, mòn hoa lốp (kiểm tra, bơm đúng áp suất, đo hoa lốp, đảo lốp); góc đặt bánh xe sai lệch (kiểm tra góc quay giới hạn ở trạng thái không tải: bánh xe phía trong đạt $38^\circ 11' \pm 2^\circ$, bánh xe phía ngoài đạt $32^\circ 49'$); rơ lỏng khớp cầu hệ thống treo trước; cao su chắn bụi rách hoặc hở; hỏng ECU trợ lực hoặc sụt giảm điện áp nguồn cấp từ máy phát/ắc quy.
  2. Xe bị mất lái đột ngột:
    • Nguyên nhân và cách xử lý: Lốp bám bùn đất gây mất cân bằng động (vệ sinh bùn đất, cân bằng động bánh xe); lệch áp suất lốp; mòn rơ thước lái và đầu thanh nối rô tuyn lái ngoài; độ rơ bánh xe dẫn hướng (rơ ngang do rô tuyn lái ngoài, rơ dọc do rô tuyn thanh cân bằng hoặc giảm xóc).
  3. Hiệu quả quay lái sang trái và sang phải khác nhau:
    • Nguyên nhân và cách xử lý: Lệch vị trí trung gian của vành tay lái (tháo và căn chỉnh lại vị trí ăn khớp của vô lăng); chiều dài rô tuyn lái hai bên không đều (điều chỉnh ren hai thanh kéo bên); lắp sai dấu đánh dấu khi tháo lắp trục lái trung gian; rơ khớp cầu treo trước; cảm biến mô men hoặc ECU trợ lực gặp sự cố.
  4. Lực lái không thay đổi theo vận tốc hoặc vành lái không tự trả về:
    • Nguyên nhân và cách xử lý: Hỏng cảm biến tốc độ xe; trục trặc cảm biến mô men xoắn; biến dạng cơ học hoặc kẹt trục lái.
  5. Độ rơ vành lái không có hoặc quá lớn:
    • Nguyên nhân và cách xử lý: Mòn các khớp các đăng trên trục trung gian; cơ cấu bánh răng - thanh răng bị mài mòn quá giới hạn; lỏng rơ các đầu rô tuyn lái ngoài.

Về quy trình bảo dưỡng kỹ thuật, tác giả phân chia thành hai cấp thực hiện:

  • Cấp kiểm tra hàng ngày (dành cho người lái xe): Kiểm tra cảm giác lái trước và sau khi khởi động động cơ; đánh giá độ rơ vành tay lái, hiện tượng nhao lái, nặng lái; kiểm tra và bổ sung áp suất các lốp.
  • Cấp bảo dưỡng định kỳ tại xưởng (dành cho kỹ thuật viên): Kiểm tra độ kín khít cao su chắn bụi thước lái và rô tuyn; kiểm tra độ rơ của rô tuyn lái trong và rô tuyn lái ngoài; cân bằng động 4 bánh xe; căn chỉnh góc đặt bánh xe và độ chụm bằng thiết bị chuyên dùng; kiểm tra tình trạng dầu thủy lực; kiểm tra giắc nối điện, cảm biến và các bộ điều khiển liên quan.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể dựa trên việc phân tích số liệu thực tế của xe Toyota Camry 2.0:

  • Hệ thống hóa bộ thông số hình học chuẩn: tỷ số truyền hệ thống lái $18,5:1$; đường kính vô lăng 390 mm; dung tích dầu trợ lực 1,1 lít; góc giới hạn quay vòng bánh xe không tải (bánh trong $38^\circ 11' \pm 2^\circ$, bánh ngoài $32^\circ 49'$); các góc định vị bánh xe trước (độ chụm $0,10^\circ \pm 0,08^\circ$, caster $2,18^\circ \pm 0,73^\circ$, camber $-0,55^\circ \pm 0,75^\circ$) và bánh xe sau (độ chụm $0,09^\circ \pm 0,10^\circ$, camber $-0,35^\circ \pm 0,50^\circ$).
  • Làm rõ nguyên lý thủy lực động học của cơ cấu van xoay với góc xoay giới hạn của thanh xoắn $7^\circ$ và kết cấu bơm trợ lực cánh gạt 10 cánh tác dụng kép.
  • Đề xuất bảng ma trận chẩn đoán 5 hiện tượng hư hỏng điển hình đi kèm phương pháp kiểm tra định lượng và các bước khắc phục chi tiết.
  • Thiết lập quy trình phân cấp bảo dưỡng rõ ràng giữa người vận hành phương tiện và kỹ thuật viên chuyên nghiệp tại xưởng dịch vụ.

Đóng góp của đồ án là đã gắn kết lý thuyết tính toán động lực học hệ thống lái ô tô với kết cấu thực tế của một dòng xe du lịch thương mại phổ biến tại Việt Nam, cung cấp tài liệu tra cứu thông số và hướng dẫn chẩn đoán phục vụ đào tạo thực hành chuyên ngành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu dừng lại ở mức độ khảo sát kết cấu, tính toán động học cơ cấu theo tài liệu sửa chữa của hãng mà chưa thực hiện thử nghiệm đo đạc áp suất dầu thực tế của bơm trợ lực trên băng thử hoặc xe thật.
  • Trong phần chẩn đoán hư hỏng ở Chương 3, văn bản có sự đan xen các hạng mục kiểm tra của hệ thống lái trợ lực điện EPS (như kiểm tra ECU trợ lực, cảm biến mô men, mô tơ trợ lực) trong khi Chương 2 xe Camry 2.0 được xác định sử dụng hệ thống lái trợ lực thủy lực dẫn động từ động cơ; tác giả chưa phân định rõ ranh giới giữa các phiên bản trang bị hệ thống lái khác nhau của dòng xe này.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Xây dựng mô hình thực nghiệm đo áp suất và lưu lượng dòng dầu trợ lực lái ở các chế độ tải và dải tốc độ động cơ khác nhau trên sa bàn hoặc xe thực tế.
  • Mở rộng nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống lái trợ lực điện (EPS) điều khiển điện tử hoàn toàn trên các thế hệ xe Toyota Camry đời mới.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực dùng làm tài liệu học tập, thực hiện đồ án môn học Kết cấu ô tô, Lý thuyết ô tô và đồ án tốt nghiệp chuyên ngành.
  • Giảng viên thực hành bộ môn khung gầm (chassis) sử dụng cho bài giảng cấu tạo hệ thống lái bánh răng - thanh răng, van xoay phân phối và bơm cánh gạt.
  • Kỹ thuật viên bảo dưỡng, sửa chữa tại các xưởng dịch vụ ô tô cần tra cứu bảng thông số góc đặt bánh xe chuẩn (caster, camber, toe-in, góc quay bánh xe) và các bước chẩn đoán hư hỏng hệ thống lái xe Toyota Camry 2.0.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất gồm: Bảng 2.2 tổng hợp thông số kỹ thuật góc đặt bánh xe, bản vẽ phân tích cụm van xoay thủy lực cùng bảng ma trận kiểm tra và xử lý 5 pan bệnh thường gặp ở Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lái trên xe Toyota Camry 2.0 khảo sát trong đồ án thuộc loại kết cấu nào?
Xe Toyota Camry 2.0 sử dụng cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng kết hợp bộ trợ lực thủy lực trực tiếp tích hợp trên xi lanh lực của thanh răng.

2. Bơm trợ lực lái của xe Toyota Camry 2.0 có thông số kết cấu và đặc tính làm việc như thế nào?
Bơm trợ lực lái là loại bơm cánh gạt tác dụng kép gồm 10 cánh gạt trượt trong stato hình ô van, dẫn động từ động cơ qua dây đai và puly. Bơm thực hiện 2 lần hút và 2 lần đẩy trong một vòng quay trục bơm, tích hợp van điều khiển lưu lượng và van giảm áp an toàn.

3. Tỷ số truyền và thể tích dầu của hệ thống lái Toyota Camry 2.0 là bao nhiêu?
Hệ thống lái có tỷ số truyền đạt $18,5 : 1$ và thể tích dầu thủy lực của toàn bộ hệ thống là 1,1 lít.

4. Góc quay bánh xe dẫn hướng khi đánh hết lái trên xe không tải được quy định với giá trị chuẩn nào?
Khi đánh hết lái ở trạng thái không tải, góc quay của bánh xe phía trong đạt giá trị tiêu chuẩn $38^\circ 11' \pm 2^\circ$, góc quay của bánh xe phía ngoài đạt $32^\circ 49'$.

5. Thanh xoắn đàn hồi trong cụm van phân phối xoay cho phép biến dạng tối đa bao nhiêu độ?
Thanh xoắn đàn hồi cho phép xoay tối đa $7^\circ$ từ vị trí trung gian về mỗi phía (trái hoặc phải) để tạo sự dịch chuyển xoay tương đối giữa thân van trong và thân van ngoài, giúp đóng mở hoàn toàn các đường dầu áp suất cao đến các khoang xi lanh lực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thừa Hưng đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về kết cấu và động lực học hệ thống lái ô tô, đồng thời phân tích chi tiết cấu tạo cơ cấu bánh răng - thanh răng, van phân phối xoay và bơm cánh gạt trợ lực trên xe Toyota Camry 2.0. Đề tài cung cấp hệ thống thông số kỹ thuật chuẩn xác về góc đặt bánh xe và góc đánh lái, kết hợp xây dựng ma trận chẩn đoán sự cố cùng quy trình bảo dưỡng phân cấp hợp lý. Đây là công trình tổng hợp có tính kỹ thuật rõ ràng, đáp ứng tốt yêu cầu chuyên môn của ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công tác sửa chữa, bảo dưỡng khung gầm xe con.