Đồ án: Thiết kế mô hình và mô phỏng hệ thống phanh - lái - treo trên ô tô

Nghiên cứu chi tiết về thiết kế mô hình và mô phỏng hệ thống phanh, lái, treo trên ô tô. Khám phá cấu tạo, nguyên lý và các bản vẽ kỹ thuật.

• Tác giả: Lê Phước Dũng
• Người hướng dẫn: ThS. Thái Huy Phát
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết kế mô hình và mô phỏng các hệ thống Phanh – Lái – Treo trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của mô phỏng hệ thống phanh lái treo ô tô

Mô phỏng hệ thống phanh - lái - treo ô tô là quá trình mô hình hóa và kiểm tra các hệ thống quan trọng của phương tiện thông qua công nghệ số. Đây là một lĩnh vực thiết yếu trong kỹ thuật ô tô hiện đại, giúp các kỹ sư và nhà thiết kế có thể nghiên cứu, phân tích và cải tiến hiệu suất xe hơi. Mô phỏng hệ thống phanh cho phép kiểm tra khả năng giảm tốc độ, trong khi mô phỏng hệ thống lái đánh giá độ chính xác điều khiển hướng đi, và mô phỏng hệ thống treo kiểm tra khả năng giảm xóc. Sự phối hợp chặt chẽ giữa ba hệ thống này quyết định an toàn, thoải mái và hiệu năng của xe. Với sự phát triển của công nghệ CAD và phần mềm mô phỏng, việc thiết kế mô hình và mô phỏng trở nên chính xác và hiệu quả hơn, giảm chi phí phát triển sản phẩm đáng kể.

1.1. Định nghĩa mô phỏng hệ thống phanh lái treo

Mô phỏng hệ thống phanh - lái - treo là phương pháp sử dụng công nghệ máy tính để tái tạo hoạt động của các hệ thống chính trên ô tô. Quá trình này bao gồm xây dựng mô hình toán học, mô phỏng lực tác động, áp suất chất lỏng, và chuyển động cơ học. Nhờ đó, các chuyên gia có thể dự đoán hành vi của xe trong các điều kiện khác nhau mà không cần thử nghiệm thực tế tốn kém.

1.2. Ý nghĩa trong ngành công nghệ ô tô

Nghiên cứu mô phỏng giúp tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao an toàn cho người lái. Đây là công cụ không thể thiếu trong đào tạo kỹ sư ô tô chất lượng cao, giúp họ hiểu sâu sắc về nguyên lý hoạt động của các hệ thống phức tạp trên phương tiện.

II. Cấu tạo chi tiết hệ thống phanh thủy lực ô tô

Hệ thống phanh thủy lực là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên ô tô, chịu trách nhiệm chính trong việc giảm tốc độ và dừng xe an toàn. Cấu tạo hệ thống phanh gồm bệ phanh (chứa chất lỏng phanh), bơm phanh chính, các đường ống dẫn, và calipers hoặc các búa phanh. Khi lái xe t踏vào bàn phanh, chất lỏng thủy lực được truyền áp suất đến các bánh xe, tạo ra lực cản giúp xe giảm tốc. Mô phỏng hệ thống phanh thủy lực cho phép phân tích phân bố áp suất, thời gian phản ứng, và hiệu suất phanh. Việc thiết kế mô hình phanh cần tính toán chính xác các yếu tố như độ nhớt chất lỏng, độ mài mòn của má phanh, và phân bố trọng lực. Điều này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong mọi điều kiện đường xá.

2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh

Nguyên lý phanh thủy lực dựa trên định luật Pascal: khi áp suất được tác dụng lên chất lỏng kín trong một hộp, áp suất đó được truyền đều trong mọi hướng. Khi bàn phanh được t踏, bơm chính đẩy chất lỏng qua các ống dẫn đến các bánh xe, kích hoạt các calipers hoặc búa phanh, tạo ra lực ma sát dừng xe hiệu quả.

2.2. Các thành phần chính trong mô phỏng phanh

Các thành phần chính bao gồm bệ chứa chất lỏng, bơm phanh chính, van phân phối, các ống dẫn thủy lực, calipers và má phanh. Mô hình mô phỏng phải mô tả chính xác mỗi thành phần và mối quan hệ giữa chúng để tính toán đúng hiệu suất phanh.

III. Cấu tạo và hoạt động hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực là cơ chế giúp lái xe điều khiển hướng đi của xe một cách dễ dàng và chính xác. Cấu tạo hệ thống lái bao gồm vô lăng, trục lái, bơm lái, van điều phối, xi lanh trợ lực, và các thanh liên kết. Mô phỏng hệ thống lái phải tính toán lực tác động lên vô lăng, áp suất chất lỏng trợ lực, và chuyển động của bánh xe. Khi lái xe quay vô lăng, chất lỏng thủy lực được bơm để hỗ trợ lực quay, làm giảm sức nạp của lái xe. Thiết kế mô hình lái cần xem xét các yếu tố như tỉ lệ truyền động, độ nhạy của hệ thống, và an toàn khi lái ở tốc độ cao hoặc thấp. Việc mô phỏng hệ thống lái trợ lực thủy lực giúp tối ưu hóa cảm giác lái, cải thiện độ chính xác điều khiển, và đảm bảo an toàn giao thông.

3.1. Nguyên lý hoạt động lái trợ lực thủy lực

Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng áp suất chất lỏng để hỗ trợ lực quay vô lăng. Khi lái xe quay lái, bơm lái tạo áp suất, chất lỏng được điều phối đến các xi lanh trợ lực, cung cấp thêm lực giúp quay bánh xe dễ dàng hơn, giảm mệt mỏi cho lái xe.

3.2. Tham số quan trọng trong mô phỏng lái

Các tham số cơ bản bao gồm độ nhạy vô lăng, áp suất trợ lực, tỉ lệ truyền động, và khả năng phản hồi của hệ thống. Mô hình mô phỏng cần tính toán chính xác những giá trị này để đảm bảo cảm giác lái tự nhiên và an toàn.

IV. Cấu tạo và hoạt động hệ thống treo ô tô

Hệ thống treo ô tô có nhiệm vụ hấp thụ các xung động từ mặt đường, giảm xóc cho khách hành, và duy trì sự ổn định của xe khi di chuyển. Cấu tạo hệ thống treo gồm các lò xo (spring), bộ giảm xóc (shock absorber), các thanh ổn định (stabilizer bar), và các liên kết (linkage). Có hai loại treo chính: treo độc lập và treo cứng. Mô phỏng hệ thống treo phải mô tả chuyển động của bánh xe, sự nén và giãn của lò xo, và quá trình hấp thụ năng lượng của bộ giảm xóc. Thiết kế mô hình treo cần xem xét độ cứng của lò xo, hệ số giảm tắc của bộ giảm xóc, và độ cao của khung gầm. Việc mô phỏng hệ thống treo giúp tối ưu hóa thoải mái lái, đảm bảo độ bám đường, và cải thiện hiệu suất vận hành của phương tiện trong mọi điều kiện đường bộ khác nhau.

4.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống treo

Hệ thống treo hoạt động bằng cách cho phép bánh xe chuyển động độc lập so với khung gầm. Khi bánh xe gặp gập ghềnh, lò xo nén lại để hấp thụ năng lượng, và bộ giảm xóc điều tiết sự giãn nở để tránh dao động quá mạnh, đảm bảo xe luôn ổn định và thoải mái.

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất treo

Độ cứng lò xo, hệ số giảm tắc, góc lệch bánh xe, và khối lượng xe đều ảnh hưởng lớn đến hiệu suất. Mô hình mô phỏng phải tính toán các yếu tố này để tạo ra xe vừa thoải mái vừa an toàn, đặc biệt khi quay hoặc di chuyển ở tốc độ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế mô hình và mô phỏng các hệ thống Chương 4: Kết luận và phát triển 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ thống treo 2. Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo 2. Công dụng Hệ thống treo dùng để nối đàn hồi khung hoặc vỏ của ô tô với hệ thống chuyển động.

Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống treo là giảm các va đập giúp ô tô chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt đường gồ ghề không bằng phẳng. Công dụng của hệ thống treo được thể hiện qua các phần tử như:  Phần tử đàn hồi: làm giảm nhẹ tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung và đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi chuyển động.  Phần tử dẫn hướng: xác định tính chất dịch chuyển của các bánh xe và đảm nhận khả năng truyền lực đầy đủ từ mặt đường tác dụng lên thân xe.  Phần tử giảm chấn: dập tắt dao động của ô tô khi phát sinh dao động.

 Phần tử ổn định ngang: với chức năng là phần tử đàn hồi phụ làm tăng khả năng chống lật thân xe khi có sự thay đổi tải trọng trong mặt phẳng ngang.  Các phần tử phụ khác: vấu cao su, thanh chịu lực phụ ,. có tác dụng tăng cứng, hạn chế hành trình và chịu thêm tải trọng. Một số khái niệm:  Khối lượng được treo: là toàn bộ khối lượng thân xe được đỡ bởi hệ thống treo.

Nó bao gồm khung, vỏ, động cơ, hệ thống truyền lực ,…  Khối lượng không được treo: là phần khối lượng không được đỡ bởi hệ thống treo bao gồm cụm bánh xe, cầu xe ,… [1] Hình 2.1: Khối lượng được treo và khối lượng không được treo 3  Sự dao động của phần khối lượng được treo  Sự lắc dọc (sự xóc nảy theo phương thẳng đứng): là sự dao động lên xuống của phần trước và sau quanh trọng tâm của xe.2: Sự lắc dọc  Sự lắc ngang: khi xe quay vòng hay đi vào đường mấp mô, các lò xo ở một phía sẽ giãn ra còn phía kia bị nén co lại. Điều này làm cho xe bị lắc ngang.3: Sự lắc ngang  Sự xóc nảy: là sự dịch chuyển lên xuống của thân xe. Khi xe đi với tốc độ cao trên nền đường gợn sóng, hiện tượng này rất dễ xảy ra.4: Sự xóc nảy 4  Sự xoay đứng: là sự quay thân xe theo phương dọc quanh trọng tâm xe. Trên đường có sự lắc dọc thì sự xoay đứng này cũng xuất hiện.5: Sự xoay đứng  Sự dao động của phần khối lượng không được treo  Sự dịch đứng: là sự dịch chuyển lên xuống của các bánh xe trên mỗi cầu xe.

Điều này thường xảy ra khi xe đi trên đường gợn sóng với tốc độ trung bình hay cao.6: Sự dịch đứng  Sự xoay dọc theo cầu xe: là sự dao động lên xuống ngược hướng nhau của các bánh xe trên mỗi cầu làm cho bánh xe nảy lên khỏi mặt đường. Thường xảy ra đối với hệ thống treo phụ thuộc.7: Sự xoay dọc 5  Sự uốn: là hiện tượng các lá nhíp có xu hướng bị uốn quanh bản thân cầu xe do momen xoắn chủ động (kéo hoặc phanh) truyền tới. Yêu cầu  Có tần số dao động thích hợp với từng loại ô tô để đảm bảo độ êm dịu.  Có độ võng động đủ để không sinh ra va đập lên các ụ đỡ.

 Có hệ số cản thích hợp để dập tắt dao động giữa vỏ xe và cầu xe.  Khi quay vòng hoặc khi phanh thì vỏ ô tô không bị nghiêng quá giới hạn.  Đảm bảo sự tương ứng giữa động học của các bánh xe với động học của lái. Phân loại Việc phân loại hệ thống treo dựa theo các căn cứ sau:  Theo loại bộ phận đàn hồi  Hệ thống treo kiểu nhíp (hay lò xo lá).

 Hệ thống treo kiểu lò xo.  Hệ thống treo kiểu thanh xoắn.  Hệ thống treo kiểu khí.  Theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng  Loại phụ thuộc (dùng nhíp hoặc lò xo).

 Loại độc lập, loại này còn chia ra: loại một đòn treo, loại hai đòn treo, loại MacPherson ,…  Theo phương pháp dập tắt dao động  Loại giảm chấn thuỷ lực (loại tác dụng một chiều, tác dụng hai chiều).  Loại giảm chấn khí nén. 6  Theo khả năng điều chỉnh  Hệ thống treo bị động (không được điều chỉnh).  Hệ thống treo chủ động (hệ thống treo có thể điều chỉnh).

Cấu tạo hệ thống treo Gồm ba bộ phận chính sau:  Bộ phận đàn hồi.  Bộ phận giảm chấn.  Bộ phận hướng. Bộ phận đàn hồi Bộ phận đàn hồi là bộ phận chính của hệ thống treo, nó giữ nhiệm vụ sau:  Chịu tải trọng xe.

 Nối đàn hồi giữa bánh xe và khung xe (thùng xe) nhằm giảm nhẹ tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung trên các địa hình khác nhau.  Nhận lực từ hệ thống truyền lực để truyền qua mặt đường làm ô tô di chuyển.  Nhận lực ma sát từ mặt đường để dừng ô tô khi phanh. Phần tử đàn hồi của hệ thống treo có thể là kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn hoặc phi kim loại: cao su, khí nén, thuỷ lực hoặc kết hợp các loại phần tử đàn hồi trên.

Để thực hiện được nhiệm vụ của mình, bộ phận đàn hồi phải đảm bảo được các yêu cầu sau:  Phải có đủ độ cứng để chịu tải trọng của xe.  Phải êm dịu để giảm các va đập từ mặt đường lên xe.  Đơn giản, dễ chế tạo, dễ tháo lắp bảo dưỡng sửa chữa, giá thành hợp lý. Nhíp chính Nhíp được làm bằng một số tấm bằng thép lò xo uốn cong, được gọi là lá nhíp, các lá xếp chồng lên nhau theo thứ tự từ ngắn đến dài.

Tập lá nhíp này được ép với nhau bằng một bulông hoặc tán đinh ở giữa, và để các lá không bị xô lệch, chúng được kẹp giữ ở một số vị trí. Một đầu lá dài nhất (lá nhíp chính) được uốn cong thành vòng để lắp ghép với khung xe hoặc các kết cấu khác, đầu còn lại có thể uốn cong hoặc để thẳng tỳ trượt trên gối nhíp sau (ri men nhíp). 7 Nhíp càng dài thì càng mềm. Số lá nhíp càng nhiều thì nhíp càng cứng, chịu được tải trọng lớn hơn.

Tuy nhiên, nhíp cứng sẽ ảnh hưởng đến độ êm dịu của hệ thống treo. Kết cấu: các lá nhíp được lắp ghép thành bộ, có bộ phận kẹp ngang để tránh khả năng xô ngang khi nhíp làm việc.9: Nhíp bộ 1 – Tai nhíp chính, 2 – Khung xe, 3 – Lá nhíp chính, 4 – Giá đỡ ụ cao su, 5 – Ụ cao su, 6 – Cùm nhíp, 7 – Quang nhíp.  Đặc điểm của nhíp Nhíp đã có đủ độ cứng vững để giữ cho cầu xe ở đúng vị trí nên không cần sử dụng các liên kết khác. Thực hiện chức năng khống chế dao động qua ma sát giữa các lá nhíp.

Nhíp có đủ sức bền để chịu tải trọng nặng. Khó hấp thu các rung động nhỏ từ mặt đường. Nhíp thường sử dụng cho các xe cỡ lớn, tải trọng nặng.  Độ võng của nhíp Khi nhíp bị uốn, độ võng làm cho các lá nhíp cọ vào nhau, xuất hiện ma sát giữa các lá nhíp sẽ làm dập tắt dao động của nhíp.

Tuy nhiên, lực ma sát này cũng làm giảm độ chạy êm của xe, vì nó làm cho nhíp bị giảm tính chịu uốn. Nhíp thường được sử dụng cho các xe tải.10: Độ võng của nhíp  Biện pháp giảm ma sát giữa các lá nhíp  Đặt các miếng đệm chống ồn vào giữa các lá nhíp ở phần đầu lá nhíp, để chúng dễ trượt lên nhau.  Mỗi lá nhíp cũng được làm vát hai đầu để chúng tạo ra một áp suất thích hợp khi tiếp xúc với nhau.11: Biện pháp giảm ma sát giữa các lá nhíp 9 2. Nhíp phụ Hình 2.12: Kết cấu hệ thống treo dùng nhíp phụ Các xe tải và xe chịu tải trọng thay đổi mạnh cần dùng thêm nhíp phụ.

Nhíp phụ được lắp trên nhíp chính. Với tải trọng nhỏ thì chỉ nhíp chính làm việc, nhưng khi tải trọng vượt quá một trị số nào đó thì cả hai nhíp chính và phụ đều làm việc. Lò xo trụ Tỷ lệ hấp thu năng lượng tính cho một đơn vị khối lượng cao hơn so với loại lò xo lá (nhíp). Có thể chế tạo các lò xo mềm.

Không thể tự khống chế dao động, vì vậy phải sử dụng thêm bộ giảm chấn. Không chịu được lực theo phương nằm ngang phải có các cơ cấu liên kết để đỡ trục bánh xe (đòn treo, thanh giằng ngang ,. Lò xo phi tuyến tính Sử dụng một thanh thép có đường kính thay đổi đều, như minh hoạ ở hình dưới đây, thì hai đầu của lò xo sẽ có độ cứng thấp hơn phần giữa. Nhờ thế, khi có tải trọng nhỏ thì hai đầu lò xo sẽ co lại và hấp thu chuyển động.

Mặt khác, phần giữa của lò xo lại đủ cứng để chịu được tải trọng nặng.13: Lò xo phi tuyến tính 5. Lò xo thanh xoắn Hình 2.14: Bộ phận đàn hồi dùng thanh xoắn 11 Thanh xoắn là một thanh thép lò xo có tính đàn hồi xoắn. Một đầu của thanh xoắn được gắn cứng với khung hoặc các kết cấu khác của thân xe, còn đầu kia được gắn với bộ phận chịu tải trọng xoắn. Thanh xoắn cũng được sử dụng để làm thanh ổn định.

Đặc điểm: hệ thống treo nhẹ hơn, kết cấu của hệ thống treo đơn giản, cũng như lò xo cuộn, thanh xoắn không tự khống chế dao động, vì vậy phải sử dụng thêm bộ giảm chấn. Lò xo cao su Hình 2.15: Bộ phận đàn hồi dùng lò xo cao su Các lò xo cao su hấp thu dao động thông qua nội ma sát phát sinh khi chúng bị một ngoại lực làm biến dạng. Đặc điểm: có thể chế tạo theo hình dáng bất kỳ. chúng không phát tiếng ồn khi làm việc và chúng không thích hợp để dùng cho tải trọng nặng.

Lò xo không khí Hình 2.16: Lò xo không khí Lò xo không khí sử dụng đặc tính đàn hồi của không khí khi bị nén. Đặc điểm: lò xo này rất mềm khi xe chưa có tải, nhưng hệ số lò xo có thể tăng lên khi tăng tải nhờ tăng áp suất trong xilanh. Đặc tính này giúp cho xe chạy êm cả khi tải nhẹ cũng như khi đầy tải. Chiều cao của xe có thể giữ không đổi ngay cả khi tải trọng thay đổi, bằng cách điều chỉnh áp suất không khí.

Tuy nhiên hệ thống treo sẽ phức tạp.