Đồ án Toán: tốt nghiệp thiết kế tính toán và mô phỏng hệ thống treo xe bán tải

Đồ án Thiết kế tính toán và mô phỏng hệ thống treo xe bán tải thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn ngành hiện nay

• Tác giả: Nguyễn Duy Quang Huy
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Minh Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế tính toán và mô phỏng hệ thống treo xe bán tải
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế Tính toán và Mô phỏng Hệ thống Treo

Đồ án tốt nghiệp là một bước quan trọng trong hành trình học tập của sinh viên ngành Kỹ thuật ô tô. Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, thiết kế tính toán và mô phỏng hệ thống treo xe bán tải là một chủ đề hết sức thực tiễn và chuyên sâu. Đề tài này không chỉ giúp sinh viên áp dụng các kiến thức về cơ học, vật liệu mà còn phát triển kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng hiện đại. Hệ thống treo là thành phần then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn, tính ổn định và hiệu năng của xe. Việc thiết kế và tính toán một hệ thống treo đạt yêu cầu kỹ thuật là thách thức lớn trong ngành công nghiệp ô tô. Sinh viên thực hiện đồ án này sẽ được trang bị kiến thức toàn diện từ lý thuyết đến thực hành.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của Đồ án Tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu cuối cùng, nơi sinh viên kết hợp tất cả kiến thức đã học để giải quyết một bài toán thực tế. Với đề tài thiết kế hệ thống treo, sinh viên phải thực hiện tính toán chi tiết, vẽ bản thiết kế kỹ thuật và mô phỏng số để xác minh tính khả thi. Đây là cơ hội để sinh viên chứng minh năng lực, sự sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô.

1.2. Đối tượng tham khảo Xe Toyota Hilux

Chọn Toyota Hilux làm xe tham khảo là quyết định sáng suốt vì đây là mẫu xe bán tải phổ biến, được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới. Xe có hệ thống treo độc lập phía trước và treo giàn rơ phía sau, một cấu hình điển hình trong thiết kế xe bán tải. Các thông số kỹ thuật của Hilux cung cấp dữ liệu tham khảo quý báu cho thiết kế và tính toán.

II. Nội dung Chính của Đồ án Thiết kế Hệ thống Treo Trước và Sau

Thiết kế hệ thống treo bao gồm hai phần chính: treo trước và treo sau, mỗi phần có yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Hệ thống treo trước thường sử dụng kiểu treo độc lập để cải thiện tính thoải mái và khả năng điều khiển, trong khi treo sau có thể là loại giàn rơ truyền thống hoặc treo độc lập. Quá trình thiết kế và tính toán bao gồm việc xác định các tham số như độ cứng lò xo, độ giảm chấn, góc lái, vị trí liên kết và các yếu tố liên quan khác. Mỗi thành phần phải được tính toán chi tiết để đảm bảo nó chịu được các tải trọng trong quá trình vận hành. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như MotionView giúp xác minh độ bền và hiệu suất của thiết kế.

2.1. Thiết kế Hệ thống Treo Trước

Hệ thống treo trước là phần chịu lực lớn từ tảng đường và yêu cầu tính chính xác cao trong tính toán. Cần xác định chiều dài cánh tay lái, độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn để đạt cân bằng giữa tính thoải mái và điều khiển. Bản vẽ kết cấu phải chi tiết, hiển thị tất cả các kích thước và vị trí gắn kết.

2.2. Thiết kế Hệ thống Treo Sau

Treo sau phải chịu tải trọng hàng hóa và phát triển lực kéo. Thiết kế có thể là treo giàn rơ hoặc treo độc lập tùy theo yêu cầu sử dụng. Tính toán phải đảm bảo độ ổn định ngang, chống lộn và khả năng chịu tải. Mô phỏng giúp kiểm tra phản ứng của hệ thống trong các điều kiện tải khác nhau.

III. Phương pháp Mô phỏng Kết hợp và Kiểm Bền

Mô phỏng kết hợp là một phương pháp tiên tiến trong thiết kế ô tô, kết hợp phân tích động lực học với phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Sinh viên sử dụng phần mềm MotionView để tạo mô hình xe và mặt đường ảo, sau đó giả lập các tình huống lái khác nhau như phanh, gia tốc, quay, chạy trên đường gồ ghề. Kết quả từ MotionView cung cấp các lực tác động lên các thành phần treo, dữ liệu này được nhập vào phần mềm FEA để phân tích ứng suất và biến dạng. Phương pháp này cho phép kiểm bền hệ thống treo một cách toàn diện, xác định các vùng nguy hiểm và tối ưu hóa thiết kế. Bản vẽ kết quả ứng suất sẽ hiển thị rõ ràng vị trí có khả năng hỏng hóc cao nhất.

3.1. Các bước Mô phỏng trong MotionView

Sinh viên phải xây dựng mô hình xe 3D bao gồm khung xe, bánh xe, hệ thống treo với các tham số cơ học. Mô hình mặt đường được tạo để mô phỏng các tình huống thực tế như leo dốc, xuống dốc, chạy qua gờ. Kiểm bền được thực hiện qua các kịch bản lái như phanh khẩn cấp, vòng quay, chạy trên đường gồ ghề. Kết quả bao gồm các đồ thị chuyển động, lực tác dụng, gia tốc giúp hiểu rõ hiệu suất hệ thống.

3.2. Phân tích Ứng suất và Tối ưu Thiết kế

Dữ liệu lực từ mô phỏng động lực được áp dụng vào mô hình phần tử hữu hạn của hệ thống treo. Phân tích ứng suất xác định các điểm yếu, nơi có thể xảy ra mệt mỏi vật liệu hoặc kỳ vọng. Nếu ứng suất vượt quá giới hạn cho phép, sinh viên phải tối ưu hóa thiết kế bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng hoặc vật liệu các thành phần.

IV. Kỹ năng Thực tiễn Kiểm tra Bảo dưỡng Hệ thống Treo

Ngoài thiết kế và tính toán, sinh viên cũng phải hiểu về kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống treo trong thực tế. Hệ thống treo cần được kiểm tra định kỳ để đảm bảo an toàn và hiệu suất. Các kỹ thuật kiểm tra bao gồm kiểm tra độ hao mòn của lỏp xe, tình trạng lò xo, bộ giảm chấn, liên kết cơ học, canh chỉnh góc lái (alignment). Sinh viên cần biết cách sử dụng các dụng cụ đo lường chuyên dụng như máy kiểm tra độ cứng lò xo, máy kiểm tra bộ giảm chấn, thiết bị canh chỉnh bánh xe. Kiến thức về bảo dưỡng định kỳ rất quan trọng vì nó tác động trực tiếp đến tuổi thọ và an toàn của phương tiện. Qua đó, sinh viên sẽ có cái nhìn toàn diện từ thiết kế, phân tích cho đến vận hành và bảo dưỡng hệ thống treo.

4.1. Quy trình Kiểm tra Định kỳ Hệ thống Treo

Kiểm tra định kỳ nên được thực hiện theo lịch bảo dưỡng của nhà sản xuất. Cần kiểm tra tình trạng lò xo xem có bị gãy hay yếu, bộ giảm chấn có còn hoạt động tốt, liên kết có bị lỏng hay mòn cao su, góc lái có đúng quy định. Nếu phát hiện bất thường, cần thay thế hoặc sửa chữa ngay lập tức để đảm bảo an toàn lái xe.

4.2. Các Công cụ và Thiết bị Kiểm tra

Sinh viên kỹ thuật ô tô cần làm quen với các công cụ đo lường chuyên dụng như máy kiểm tra độ cứng lò xo, thước đo độ sâu gai lốp, đồng hồ đo góc lái, thiết bị canh chỉnh bánh xe (alignment machine). Mỗi công cụ có cách sử dụng cụ thể và tiêu chuẩn kiểm tra khác nhau. Kỹ năng thực hành với các công cụ này rất cần thiết cho công việc trong ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO 1.1 Công dụng, phân loại, yêu cầu Khái niệm hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe. Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi nó có chức năng chính sau đây: - Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm dịu” hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không muốn có khác của bánh xe (như lắc ngang, lắc dọc). - Truyền lực và mô men giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng đứng (tải trọng, phản lực) lực dọc (lực kéo hoặc lực phanh, lực đẩy hoặc lực kéo với khung, vỏ) lực bên (lực li tâm, lực gió bên, phản lực bên) mô men chủ động, mô men phanh. Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực.

Quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính sau đây : - Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác nhau). - Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định. - Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá hỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe. - Không gây nên tải trọng tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ.

- Có độ tin cậy lớn, không gặp hư hỏng bất thường. Đối với xe con chúng ta cần phải quan tâm đến các yêu cầu sau: - Giá thành thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn. - Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên thùng, vỏ tốt. - Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc độ cao, ô tô điều khiển nhẹ nhàng.2 Các bộ phận chính của hệ thống treo xe Hệ thống treo xe gồm các bộ phận chính sau đây : - Bộ phận đàn hồi : là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (60-90 lần/ph).

Bộ phận đàn hồi có thể bố trí khác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng. 8 Trên xe con bộ phận đàn hồi thường gặp là loại : - Nhíp lá. - Lò xo côn hoặc lò xo xếp. - Khí nén - Thuỷ lực.

Hiện nay bộ phận đàn hồi được làm có xu hướng “mềm mại” hơn nhằm tạo điều kiện cho bánh xe lăn “êm” trên mặt đường. Hiện nay người ta dùng các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi độ cứng trong một giới hạn rộng. Khi xe chạy ít tải, độ cứng cần thiết có giá trị nhỏ, khi tăng tải thì độ cứng cần phải có giá trị lớn. Chính vì vậy mà cần phải có thêm các bộ phận đàn hồi phụ như : Nhíp phụ, vấu tỳ bằng cao su biến dạng, đặc biệt là các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi tự động độ cứng theo tải trọng kết hợp với các bộ phận thay đổi chiều cao trọng tâm của xe.

- Bộ phận dẫn hướng : Cho phép các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng ở mỗi vị trí của nó so với khung vỏ, bánh xe phải đảm nhận khả năng truyền lực đầy đủ. Bộ phận dẫn hướng phải thực hiện tốt chức năng này. Trên mỗi hệ thống treo thì bộ phận dẫn hướng có cấu tạo khác nhau. Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng được gọi là quan hệ động học.

Khả năng truyền lực ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo. Trong mối quan hệ động học các thông số chính được xem xét là : sự dịch chuyển (chuyển vị) của các bánh xe trong không gian ba chiều khi vị trí bánh xe thay đổi theo phương thẳng đứng (Oz). Mối quan hệ động lực học được biểu thị qua khả năng truyền các lực và các mô men khi bánh xe ở các vị trí khác nhau. - Bộ phận giảm chấn : Đây là bộ phận hấp thụ năng lượng dao động cơ học giữa bánh xe và thân xe.

Bộ phận giảm chấn có ảnh hưởng tới biên độ dao động. Trên các xe hiện đại chỉ dùng loại giảm chấn ống thuỷ lực có tác dụng hai chiều trả và nén. Trong hành trình trả (bánh xe đi xa khung và vỏ) giảm chấn có nhiệm vụ giảm bớt xung lực va đập truyền từ bánh xe lên khung. - Thanh ổn định : Trên xe con thanh ổn định hầu như đều có.

Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực li tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đường. Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn. Cấu tạo chung của nó có dạng chữ U. Các đầu chữ U nối với bánh xe còn thân nối với vỏ nhờ các ổ đỡ cao su.

9 - Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình : Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn. Vấu cao su vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của bánh xe nhằm hạn chế hành trình làm việc của bánh xe. - Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe : Hệ thống treo đảm nhận mối liên kết giữa bánh xe và thùng vỏ, do vậy trên hệ thống treo có thêm các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe. Các cơ cấu này rất đa dạng nên ở mỗi loại xe lại có cách bố trí khác nhau, các loại khác nhau.3 Phân loại hệ thống treo Hiện nay ở trên xe con hệ thống treo bao gồm 2 nhóm chính : Hệ thống treo phụ thuộc và hệ thống treo độc lập Trong hệ thống treo phụ thuộc (hình 1.a) các bánh xe được đặt trên dầm cầu liền, bộ phận giảm chấn và đàn hồi đặt giữa thùng xe và dầm cầu liền.

Qua cấu tạo hệ thống treo phụ thuộc, sự dịch chuyển của một bánh xe theo phương thẳng đứng sẽ gây nên chuyển vị nào đó của bánh xe bên kia. Trong hệ thống treo độc lập (hình 1.1b) các bánh xe trên một dầm cầu dao động độc lập với nhau. Các bánh xe “độc lập” dịch chuyển tương đối với khung vỏ. Trong thực tế chuyển động của xe điều này chỉ đúng khi chúng ta coi thùng hoặc vỏ xe đứng yên.1 – Sơ đồ hệ thống treo.Bộ phận đàn hồi 3.Bộ phận giảm chấn 4.Các đòn liên kết của hệ treo Hình Đối với hệ treo độc lập, căn cứ1.1 – Sơ vào đồtính đặc hệ thống độngtreo.

học và đặc điểm kết cấu người ta thường chia làm các loại sau đây : - Treo hai đòn ngang.1 – Sơ đồ hệ thống treo.1 – Sơ đồ hệ thống treo. - Treo đòn dọc có thanh ngang liên kết.1 Hệ thống treo phụ thuộc Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc là các bánh xe lắp trên một dầm cầu cứng. Trong trường hợp cầu xe là bị động thì dầm đó là một thanh thép định hình, còn trường hợp là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong đó có một phần của hệ thống truyền lực.Đối với hệ treo này thì bộ phận đàn hồi có thể là nhíp lá hoặc lò xo xoắn ốc, bộ phận dập tắt dao động là giảm chấn. Nếu bộ phận đàn hồi là nhíp lá thì người ta sử dụng cả bộ nhíp gồm nhiều là nhíp ghép lại với nhau bằng những quang nhỏ và được bắt chặt với dầm cầu ở giữa nhíp.

Hai đầu nhíp được uốn tròn lại để một đầu bắt với thùng hoặc khung xe bằng khớp trụ còn đầu kia bắt với thùng hoặc khung xe bằng quang treo để cho nhíp dễ dàng dao động và đảm bảo có khả năng truyền lực dọc và ngang. Nếu như bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn phải dùng thêm hai đòn dọc dưới và một hoặc hai đòn dọc trên. Đòn dọc dưới được nối với cầu, đòn dọc trên được nối với khớp trụ (hình 1. Để đảm bảo truyề n được lực ngang và ổn định vị trí thùng xe so với cầu người ta cũng phải dùng thêm “đòn Panhada”.2 – Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc.Lò xo xoắn ốc 3.Đòn dọc trên Hình 1.2 – Treo phụ giằng 6.Thanh thuộc Panhala loại lò xo xoắn ốc.

Lò xo xoắn ốc trong trường hợp này có thể đặt trên đòn dọc hoặc đặt ngay trên cầu.Giảm chấn thườngHình được1.2đặt trong – Treo lòng phụ lòloại thuộc xo xoắn ốc đểốc.chiếm ít không gian. lò xo xoắn Cấu tạo của hệ thống treo phụ thuộc có những ưu nhược điểm Nhược điểm: Hình 1.2 – Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc. - Khối lượng phần liên kết bánh xe (phần không được treo) lớn, đặc biệt là ở cầu chủ động. Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, tải trọng động Hình 1.2 – Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc.2 – Treo phụ thuộc loại lò xo xoắn ốc.

sinh ra sẽ gây nên và đập mạnh giữa phần không treo và phần treo làm giảm độ êm dịu chuyển động. Mặt khác bánh xe va đập mạnh trên nền đường sẽ làm xấu sự tiếp xúc của bánh xe với đường. - Khoảng không gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm cầu có thể thay đổi vị trí, do vậy chỉ có thể lựa chọn là chiều cao trọng tâm lớn hoặc là giảm bớt thể tích chứa hàng hoá sau xe.3 – Sự thay đổi vị trí bánh xe và của xe khi xe trèo lên mô đất.3 – Sự thay đổi vị trí bánh xe và của xe khi xe trèo lên mô đất.3 – Sự thay đổi vị trí bánh xe - Sự nối cứng bánh xe 2 bên bờ dầm liên kết gây nên và của xe hiện khi xetượng trèo lênxuất hiện mô đất. chuyển vị phụ khi xe chuyển động.

Ưu điểm: Trong quá trình chuyển động vết bánh xe được cố định do vậy không xảy ra hiện tượng mòn lốp nhanh như Hình 1.3 – Sự thay đổi vị trí bánh xe hệ thống treo độc lập.Khi chịu và của xe khi xe trèo lên mô đất.