Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, hệ thống treo đóng vai trò then chốt quyết định đến tính êm dịu chuyển động, khả năng bám đường và tính an toàn của phương tiện khi vận hành ở dải tốc độ cao. Đối với các dòng xe tải trung và nặng, sự chênh lệch tải trọng giữa trạng thái không tải và đầy tải là rất lớn. Các dao động cơ học không được dập tắt hiệu quả không chỉ gây mệt mỏi về thể chất, tâm sinh lý cho người lái mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của hàng hóa chuyên chở và làm gia tăng tải trọng động phá hủy kết cấu mặt đường. Do đó, việc nghiên cứu, khảo sát và khai thác kỹ thuật hệ thống treo — đặc biệt là hệ thống treo khí nén với khả năng tự điều chỉnh độ cứng và duy trì chiều cao sàn xe — có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác phương tiện, tối ưu hóa công tác bảo dưỡng và sửa chữa.

Đồ án tốt nghiệp "Khai thác kỹ thuật hệ thống treo trên xe tải THACO 5 tấn" do sinh viên Đỗ Thanh Hải (Khoa Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Trường Đại học Thành Đô) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Hữu Mạnh nhằm giải quyết 5 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết tổng quan về công dụng, yêu cầu, phân loại và kết cấu các bộ phận cơ bản trong hệ thống treo ô tô (bộ phận đàn hồi, bộ phận dẫn hướng, bộ phận giảm chấn, bộ phận ổn định ngang).
  2. Khảo sát tổng thể kết cấu xe tải THACO Ollin 5 tấn (mã KB120SH) cùng các hệ thống truyền lực, bôi trơn, làm mát, nhiên liệu và hệ thống phanh khí nén phối hợp.
  3. Khảo sát chi tiết sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cụm chi tiết của hệ thống treo khí nén trang bị trên cầu trước và cầu sau xe Ollin 5 tấn.
  4. Thực hiện tính toán kiểm nghiệm đặc tính đàn hồi của hệ thống treo và tính toán thủy lực - nhiệt của bộ phận giảm chấn hai chiều.
  5. Tổng hợp các dạng hư hỏng điển hình của phần tử đàn hồi khí nén và xây dựng quy trình kỹ thuật điều chỉnh sai lệch chiều dài cơ sở, độ lệch dầm cầu so với khung sắt-xi.
  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm hệ thống treo khí nén, giảm chấn ống thủy lực và các cơ cấu dẫn hướng liên quan trên xe tải thương mại THACO 5 tấn (Ollin/KB120SH).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát kết cấu cơ khí, tính toán kiểm nghiệm các thông số động lực học đàn hồi - giảm chấn dựa trên số liệu thiết kế từ Công ty Cổ phần Ô tô Chu Lai - Trường Hải; nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng và quy trình bảo dưỡng, căn chỉnh hình học hệ thống treo trong điều kiện khai thác kỹ thuật tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết nền tảng của ngành Kỹ thuật Ô tô và Cơ học ứng dụng:

  • Lý thuyết dao động ô tô: Đánh giá độ êm dịu chuyển động thông qua độ võng tĩnh ($f_t$), hành trình động ($f_đ$), tần số dao động riêng của phần được treo và phần không được treo.
  • Động học và động lực học cơ cấu dẫn hướng: Khảo sát quy luật dịch chuyển không gian của bánh xe, hiện tượng biến thiên góc nghiêng mặt phẳng quay ($\lambda$), sự thay đổi độ rộng vết bánh xe ($\Delta B$) và ảnh hưởng của mômen con quay gây dao động bánh xe dẫn hướng quanh trụ quay đứng.
  • Thủy lực học và nhiệt động lực học ứng dụng trong giảm chấn: Đánh giá quá trình tiết lưu dòng chất lỏng qua hệ thống van nén, van trả, van giảm tải của giảm chấn ống thủy lực với tỷ số hệ số cản không đối xứng ($K_t/K_n = 2 \div 5$), cũng như sự cân bằng trao đổi nhiệt ra môi trường.
  • Cơ học chất khí trong phần tử đàn hồi khí nén: Nguyên lý biến đổi áp suất khí nén trong bầu cao su (ballon) chịu tải tĩnh và tải động theo quy luật phi tuyến, phối hợp với van điều hòa tải trọng và bộ chia khí nén.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát giải phẫu kết cấu thực tế, phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ mạch khí nén - thủy lực, và phương pháp tính toán giải tích kiểm nghiệm kỹ thuật dựa trên các công thức tiêu chuẩn chuyên ngành. Nguồn dữ liệu sơ cấp và thông số kiểm nghiệm được thu thập từ tài liệu kỹ thuật của Nhà máy Lắp ráp Ô tô Chu Lai - Trường Hải và hãng xe HINO/ZF.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan. Mục đích ý nghĩa đề tài. Tổng quan hệ thống treo trên ô tô

Chương này phân tích toàn diện vai trò của hệ thống treo như một thành phần thuộc phần chuyển động của ô tô, đảm bảo liên kết mềm giữa bánh xe và khung vỏ. Tác giả phân loại và so sánh chi tiết các phần tử đàn hồi:

  • Nhíp lá: Kết cấu dầm đàn hồi ghép từ các lá nhíp có bán kính cong khác nhau tạo ứng suất dư ban đầu. Trọng lượng nhíp và giảm chấn chiếm khoảng 5,5% – 8,0% trọng lượng bản thân xe. Tuổi thọ đạt 10 – 15 vạn km trên đường tốt nhưng giảm 10 – 50 lần trên đường xấu. Đồ án phân tích các phương án bố trí nhíp phụ (đặt phía trên hoặc phía dưới nhíp chính).
  • Lò xo trụ: Gọn nhẹ, bố trí lồng giảm chấn bên trong, có 3 sơ đồ lắp đặt: không bản lề, bản lề một đầu và bản lề hai đầu. Khi lắp không bản lề, biến dạng cực đại làm tăng ứng suất uốn lên khoảng 20%.
  • Thanh xoắn: Tiết diện tròn, tấm hoặc ghép chùm, phân bố tải dọc thân xe tốt nhưng chế tạo đòi hỏi độ bóng bề mặt cao.
  • Phần tử đàn hồi khí nén & thủy khí: Bầu khí nén dạng bầu tròn 1–3 khoang (vỏ dày 3–5 mm cốt sợi nylon/capron) hoặc dạng ống piston. Áp suất làm việc tĩnh đạt $0,5 \div 0,6\text{ MPa}$ (thấp hơn áp suất nguồn cấp $0,1 \div 0,2\text{ MPa}$). Phần tử thủy khí làm việc ở áp suất lên tới $20\text{ MPa}$.
  • Cơ cấu dẫn hướng và giảm chấn: Đánh giá động học hệ thống treo độc lập (loại 1 đòn, 2 đòn bằng/khác nhau với $\lambda \le 5^\circ \div 6^\circ, \Delta B \le 4 \div 5\text{ mm}$, loại đòn - ống MacPherson, loại nến) và hệ thống treo phụ thuộc. Phân tích nguyên lý làm việc của giảm chấn ống hai vỏ và giảm chấn một vỏ có buồng bù khí nitơ nén áp suất $2 \div 3\text{ MPa}$ (nhẹ hơn 20% – 40%, gồm 15–22 chi tiết so với 45–55 chi tiết của loại hai ống).
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BẢNG SO SÁNH CÁC PHẦN TỬ ĐÀN HỒI                         |
+-------------------+-----------------------------+-----------------------------+
| Loại phần tử      | Ưu điểm chính               | Nhược điểm chính            |
+-------------------+-----------------------------+-----------------------------+
| Nhíp lá           | Đảm nhận luôn vai trò dẫn   | Nặng (5,5 - 8% tự trọng),   |
|                   | hướng, kết cấu đơn giản     | ma sát lớn, tuổi thọ giảm   |
+-------------------+-----------------------------+-----------------------------+
| Lò xo trụ         | Gọn nhẹ, dễ lồng giảm chấn, | Chỉ chịu lực thẳng đứng,    |
|                   | giá thành chế tạo hợp lý    | cần cơ cấu dẫn hướng riêng  |
+-------------------+-----------------------------+-----------------------------+
| Khí nén (Ballon)  | Đặc tính phi tuyến, giữ     | Kết cấu phức tạp, đắt tiền, |
|                   | chiều cao gầm xe ổn định    | cần nguồn cấp khí nén riêng |
+-------------------+-----------------------------+-----------------------------+
| Thủy khí          | Áp suất cao (đến 20 MPa),   | Chế tạo phức tạp, yêu cầu   |
|                   | kích thước cực kỳ nhỏ gọn   | làm kín tuyệt đối chống rò  |
+-------------------+-----------------------------+-----------------------------+

Chương 2: Giới thiệu chung về xe tải THACO 5 tấn

Chương 2 mô tả hệ thống thông số kỹ thuật tổng thể của mẫu xe khảo sát (Ollin 5 tấn / mã KB120SH) do THACO lắp ráp:

Thông số kỹ thuật Giá trị / Đặc tính
Kích thước bao tổng thể ($D \times R \times C$) $12000 \times 2500 \times 3800\text{ mm}$
Chiều dài cơ sở / Khoảng sáng gầm $6000\text{ mm}$ / $160\text{ mm}$
Vết bánh trước / Vết bánh sau $2020\text{ mm}$ / $1860\text{ mm}$
Trọng lượng bản thân (Cầu trước / Cầu sau) $13520\text{ kg}$ ($4970\text{ kg}$ / $8550\text{ kg}$)
Tổng tải trọng (Cầu trước / Cầu sau) $15920\text{ kg}$ ($5920\text{ kg}$ / $10000\text{ kg}$)
Tải trọng cho phép chở / Số người $5000\text{ kg}$ / 02 người
Động cơ HINO P11C-UJ, Diesel 4 kỳ, 6 xy lanh thẳng hàng, Turbo
Dung tích xy lanh / Tỷ số nén $10520\text{ cm}^3$ / $17:1$
Đường kính $\times$ Hành trình piston $122 \times 150\text{ mm}$
Công suất cực đại / Mô men cực đại $254\text{ kW}$ tại $2100\text{ v/ph}$ / $1454\text{ N.m}$ tại $1100-1300\text{ v/ph}$
Hệ thống phun nhiên liệu Common-Rail, 9 lỗ phun $\times \varnothing 0,14\text{ mm}$, áp suất mở $3,3\text{ MPa}$
Hộp số ZF-6S 1701 BO (6 số tiến: 6,32; 3,62; 2,15; 1,37; 1,00; 0,81; lùi: 5,81)
Cỡ lốp / Áp suất lốp $12\text{ R } 22,5$ / $830\text{ kPa}$
Hệ thống bôi trơn & Làm mát Bôi trơn cưỡng bức (27 lít nhớt); Làm mát bằng nước (van nhiệt $76,5^\circ\text{C}$)
Hệ thống phanh Khí nén 2 dòng có ABS kết hợp bộ làm chậm thủy lực trục thứ cấp

Hệ thống phanh xe được phân tích gồm hai cơ cấu: phanh làm chậm thủy lực lắp trên trục thứ cấp hộp số (điều khiển qua ECU kết hợp dòng nhớt áp lực cao tác động giữa rotor và stator) và mạng lưới phanh khí nén hai dòng tích hợp cụm chống bó cứng bánh xe ABS, bình tách ẩm, van 5 ngã, van xả nhanh lốc-kê và van điều hòa lực phanh theo tải trọng.

Chương 3: Khảo sát hệ thống treo

Khảo sát chi tiết cấu tạo hệ thống treo khí nén trang bị trên cả cầu trước và cầu sau xe Ollin 5 tấn:

  • Cấu trúc treo trước và sau: Gồm các bầu đàn hồi khí nén (ballon cao su), giảm chấn ống thủy lực tác dụng hai chiều, cụm đòn giằng dẫn hướng định vị cầu và van chia khí nén.
  • Van tải trọng (van điều hòa chiều cao): Liên kết cơ học thông qua đòn xoay giữa dầm cầu và khung sắt-xi. Khi tải trọng tăng, khoảng cách dầm cầu - khung giảm, cơ cấu đòn bẩy điều khiển van trượt mở đường khí nén từ bình tích năng nạp thêm vào bầu khí, phục hồi chiều cao ban đầu của xe. Khi giảm tải, van xả bớt khí nén ra ngoài khí quyển để duy trì chiều cao sàn xe cố định.
  • Túi khí nén (Ballon): Chịu toàn bộ tải trọng tĩnh và động tác dụng thẳng đứng, cho phép triệt tiêu rung động tần số cao và giảm đáng kể khối lượng phần không được treo.

Chương 4: Tính toán kiểm nghiệm hệ thống treo

Chương này tập trung vào tính toán kiểm tra sức bền và đặc tính làm việc của hai cụm chi tiết cơ bản:

  • Tính toán kiểm nghiệm bộ phận đàn hồi: Xây dựng đồ thị và lập bảng thông số đặc tính đàn hồi của hệ thống treo cầu trước và cầu sau khi tải trọng thay đổi liên tục từ trạng thái không tải đến đầy tải (theo số liệu đo đạc thực nghiệm từ Nhà máy Lắp ráp Ô tô Chu Lai Trường Hải).
  • Tính toán bộ phận giảm chấn thủy lực:
    • Xác định kích thước buồng xi lanh làm việc, đường kính piston và đường kính cần piston cho giảm chấn trước và giảm chấn sau.
    • Tính toán diện tích tiết lưu lưu thông của hệ thống van nén, van trả và van giảm tải nhằm đảm bảo hệ số dập tắt dao động tối ưu.
    • Tính toán cân bằng nhiệt của giảm chấn trong điều kiện làm việc liên tục: kiểm tra lượng nhiệt sinh ra do ma sát nhớt và khả năng tản nhiệt qua vỏ ống giảm chấn ra không khí, đảm bảo nhiệt độ dầu không vượt quá giới hạn gây suy giảm độ nhớt và phá hủy đệm làm kín.

Chương 5: Hư hỏng thường xuyên gặp và biện pháp khắc phục hư hỏng của hệ thống treo ô tô THACO

Tác giả phân loại các dạng hư hỏng thực tế của phần tử đàn hồi khí nén trong quá trình khai thác:

  • Bầu khí bị thủng do vật nhọn bên ngoài đâm vào trong quá trình di chuyển.
  • Bầu khí nén bị bung ra khỏi vành mép kẹp do làm việc quá tải trọng quy định.
  • Bầu khí bị xé rách vặn xoắn hoặc tuột hẳn ra ngoài do sai lệch góc đặt của cơ cấu giằng dẫn hướng.
  • Bầu khí bị đứt gãy, nứt rách ở phần cao su tiếp giáp đế gá lắp.

Đồng thời, chương 5 trình bày Quy trình điều chỉnh chiều dài cơ sở và độ đồng tâm cầu (khắc phục sai lệch hình học do hệ thống treo gây ra):

  • Sử dụng các miếng căn đệm (shim) chêm vào các vị trí tai bắt đòn dẫn hướng/quang cầu trước và cầu sau với khung sắt-xi.
  • Đo kiểm tra khoảng cách tâm trục giữa cầu trước và cầu sau ở cả hai bên sườn xe, căn chỉnh độ song song của dầm cầu và triệt tiêu góc lệch dầm cầu nhằm tránh hiện tượng xe bị "chạy xéo" (crab walking) và mòn vẹt lốp bất thường.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả khảo sát và tính toán định lượng: Đồ án đã hệ thống hóa đầy đủ bộ thông số kỹ thuật xe Ollin 5 tấn (KB120SH) với tải trọng phân bố cầu trước $5920\text{ kg}$, cầu sau $10000\text{ kg}$; xác định chính xác dải áp suất công tác của hệ thống treo khí nén ($0,5 \div 0,6\text{ MPa}$) và áp suất lốp ($830\text{ kPa}$). Kết quả tính toán kích thước hình học, tiết diện van và kiểm nghiệm nhiệt của giảm chấn thủy lực chứng minh cụm giảm xóc hoàn toàn đáp ứng khả năng tản nhiệt và dập tắt dao động ổn định dưới tải trọng định mức $5000\text{ kg}$.
  • Giải pháp kỹ thuật đề xuất: Thiết lập quy trình chẩn đoán các dạng khuyết tật thường gặp ở bầu khí nén cao su và xây dựng hướng dẫn kỹ thuật căn chỉnh chiều dài cơ sở bằng phương pháp chêm tấm căn đệm tại các điểm liên kết sắt-xi.
  • Đóng góp học thuật và thực tiễn: Khóa luận cung cấp tài liệu mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động của cụm van tải trọng cơ khí phối hợp với hệ thống túi khí trên xe tải thương mại lắp ráp trong nước — mảng tài liệu vốn thường ít được trình bày đồng bộ giữa lý thuyết tính toán và quy trình bảo dưỡng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán kiểm nghiệm trong đồ án chủ yếu thực hiện theo phương pháp giải tích tĩnh và bán tĩnh dựa trên số liệu tham chiếu định mức từ nhà máy; chưa xây dựng được mô hình mô phỏng động lực học nhiều vật thể (Multi-body Dynamics) trên phần mềm chuyên ngành (như Matlab/Simulink hoặc ADAMS/Car) để khảo sát dao động ngẫu nhiên theo các cấp độ mấp mô mặt đường thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu nâng cấp hệ thống treo khí nén thuần cơ khí sang hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử thông minh (ECAS - Electronically Controlled Air Suspension), tích hợp cảm biến độ cao điện tử, gia tốc kế và bộ điều khiển vi xử lý (ECU) nhằm tối ưu hóa độ êm dịu chuyển động theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tham khảo phương pháp tính toán kiểm nghiệm giảm chấn thủy lực, tính toán đặc tính đàn hồi của hệ thống treo khí nén và cách đọc - hiểu sơ đồ mạch phanh khí nén kết hợp van điều hòa tải trọng.
  • Kỹ thuật viên, cán bộ quản lý kỹ thuật tại các trạm đăng kiểm, garage và xưởng sửa chữa: Ứng dụng quy trình nắn chỉnh độ đồng tâm dầm cầu, căn chỉnh chiều dài cơ sở xe tải bằng miếng chêm căn và phương pháp nhận diện, xử lý các hư hỏng cơ lý của bầu hơi cao su.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ trang bị trên dòng xe tải THACO Ollin 5 tấn (KB120SH) khảo sát có các thông số kỹ thuật cơ bản nào?
Xe sử dụng động cơ Diesel HINO P11C-UJ (sản xuất tại Nhật Bản), 4 kỳ, 6 xy lanh thẳng hàng, có tăng áp turbo và làm mát khí nạp. Động cơ có dung tích $10520\text{ cm}^3$, đường kính $\times$ hành trình piston là $122 \times 150\text{ mm}$, tỷ số nén $17:1$, công suất cực đại $254\text{ kW}$ tại $2100\text{ vòng/phút}$, mô men xoắn cực đại $1454\text{ N.m}$ tại $1100 - 1300\text{ vòng/phút}$. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử Common-Rail dùng kim phun 9 lỗ với đường kính $0,14\text{ mm}$, áp lực bắt đầu phun danh định là $3,3\text{ MPa}$.

2. Nguyên lý tự động điều chỉnh và duy trì chiều cao sàn xe của hệ thống treo khí nén trên xe Ollin 5 tấn diễn ra như thế nào?
Hệ thống sử dụng van điều chỉnh tải trọng (van trượt cơ khí) nối giữa khung xe và dầm cầu qua hệ thống đòn bẩy. Khi tải trọng xe tăng lên làm bầu khí nén bị ép lại, khoảng cách giữa khung xe và bánh xe giảm xuống, đòn nối sẽ dịch chuyển con trượt mở đường nạp khí nén từ bình tích năng vào bầu khí (ballon) cho đến khi sàn xe được nâng về chiều cao chuẩn ban đầu. Ngược lại, khi dỡ tải, khoảng cách tăng lên, đòn bẩy điều khiển van xả bớt khí nén trong ballon ra môi trường.

3. Tại sao giảm chấn thủy lực trên hệ thống treo thường được thiết kế với đặc tính cản không đối xứng giữa hành trình nén và trả ($K_t/K_n = 2 \div 5$)?
Hệ số cản nén ($K_n$) được thiết kế nhỏ hơn hệ số cản trả ($K_t$) nhằm mục đích giảm lực va đập truyền từ bánh xe qua giảm xóc lên khung vỏ khi bánh xe vấp phải chướng ngại vật nhô cao trên mặt đường. Trong khi đó, ở hành trình trả (bánh xe rơi xuống hố hoặc dao động ngược lại), hệ số cản trả lớn giúp nhanh chóng dập tắt dao động của phần được treo và hạ êm bánh xe tiếp xúc trở lại mặt đường.

4. Bốn dạng hư hỏng cơ lý điển hình nhất đối với bầu đàn hồi khí nén được đồ án ghi nhận là gì?
Bốn dạng hư hỏng gồm: (1) Bầu hơi bị thủng rách do vật sắc nhọn bên ngoài đâm vào; (2) Mép bầu cao su bị bung tuột ra khỏi vành kẹp kim loại do xe chở quá tải trọng thiết kế; (3) Bầu khí bị vặn xoắn và bung ra ngoài do sai lệch liên kết cơ cấu giằng; (4) Vỏ cao su bị rách đứt cục bộ ngay tại phần chân đế tiếp xúc.

5. Sai lệch chiều dài cơ sở và độ đồng tâm giữa dầm cầu với khung sắt-xi được khắc phục bằng phương pháp kỹ thuật nào?
Được khắc phục bằng cách sử dụng các miếng căn đệm (miếng canh kim loại) có độ dày tiêu chuẩn chêm vào các vị trí gá đỡ liên kết giữa đòn dẫn hướng/dầm cầu trước, cầu sau và khung sắt-xi. Kỹ thuật viên đo đạc khoảng cách tâm cầu hai bên và điều chỉnh số lượng/độ dày miếng chêm để đưa độ lệch hình học về dải dung sai cho phép.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đỗ Thanh Hải đã hoàn thành toàn diện mục tiêu khảo sát kết cấu và tính toán kiểm nghiệm hệ thống treo khí nén trên dòng xe tải THACO 5 tấn (KB120SH). Các tính toán về đặc tính đàn hồi theo dải tải trọng và kiểm nghiệm thủy lực - nhiệt của giảm chấn ống hai chiều cung cấp cơ sở khoa học vững chắc khẳng định tính an toàn và êm dịu của xe khi vận hành. Nội dung chẩn đoán hư hỏng bầu khí và quy trình căn chỉnh dầm cầu bằng miếng đệm mang tính thực tiễn cao, đóng góp một tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho công tác đào tạo và bảo dưỡng kỹ thuật ô tô thương mại.