Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại, du lịch và vận chuyển ngày càng gia tăng, ô tô đã trở thành phương tiện phổ biến. Tại Việt Nam, với đặc thù điều kiện đường sá và thời tiết đa dạng, việc đánh giá đúng chất lượng động học của hệ thống treo là yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhằm đảm bảo tính êm dịu, độ ổn định chuyển động và tiện nghi cho người ngồi trên xe. Hệ thống treo đóng vai trò giảm thiểu các xung lực va đập từ mặt đường, dập tắt các dao động thẳng đứng của khung vỏ và truyền lực một cách hợp lý giữa bánh xe và thân xe.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án chuyên ngành ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tập trung giải quyết ba nhiệm vụ nghiên cứu chính:
- Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, công dụng, cấu tạo và phân loại các hệ thống treo sử dụng trên ô tô hiện nay.
- Phân tích chi tiết kết cấu, thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của hệ thống treo trước và sau trên dòng xe du lịch Toyota Vios 2015 (phiên bản 1.5G).
- Xây dựng quy trình kỹ thuật kiểm tra, chẩn đoán các sai hỏng và quy trình công nghệ bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống treo ô tô.
- Đối tượng nghiên cứu: Cụm hệ thống treo độc lập MacPherson (treo trước) và hệ thống treo phụ thuộc loại dầm xoắn (treo sau) trang bị trên dòng xe Toyota Vios 2015.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát cấu tạo cơ học, nguyên lý thủy lực - đàn hồi, các chỉ tiêu hình học góc đặt bánh xe và quy trình công nghệ bảo dưỡng, sửa chữa phục hồi cụm chi tiết gầm ô tô trong điều kiện xưởng kỹ thuật.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật
Nghiên cứu dựa trên lý thuyết kết cấu và động lực học gầm ô tô, trong đó hệ thống treo được cấu thành từ ba bộ phận chức năng cơ bản:
- Bộ phận dẫn hướng: Xác định động học chuyển động tương đối của bánh xe đối với khung vỏ xe, tiếp nhận và truyền các lực kéo, lực phanh, lực bên và mômen phản lực.
- Bộ phận đàn hồi: Làm mềm liên kết giữa bánh xe và thân xe, đưa tần số dao động về vùng thích hợp với cơ thể người; phân loại gồm phần tử đàn hồi kim loại (nhíp lá, lò xo trụ, thanh xoắn) và phi kim loại (vấu cao su, khí nén, thủy khí).
- Bộ phận giảm chấn: Tiêu hao động năng của dao động thông qua việc biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát nhớt của chất lỏng chảy qua các tiết diện van tiết lưu trong ống giảm chấn thủy lực hoặc giảm chấn nạp khí.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành: Thu thập, kế thừa hệ thống lý thuyết từ các giáo trình kết cấu và thí nghiệm gầm ô tô của các cơ sở đào tạo chuyên ngành cơ khí động lực.
- Phương pháp khảo sát kết cấu kỹ thuật thực tế: Phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý, cấu tạo từng cụm linh kiện trên xe Toyota Vios 2015.
- Phương pháp chuẩn hóa quy trình công nghệ: Xây dựng trình tự kiểm tra, chẩn đoán sai lệch góc đặt bánh xe và quy trình tháo lắp, bảo dưỡng cụm giảm chấn theo các tiêu chuẩn kỹ thuật sửa chữa ô tô.
Nguồn dữ liệu
- Tài liệu thông số kỹ thuật của xe Toyota Vios phiên bản 1.5G (động cơ 2NR-FE 1.5L, hộp số tự động vô cấp CVT).
- Giáo trình và tài liệu tham khảo chuyên ngành gầm ô tô (Giáo trình Kết cấu ô tô, Giáo trình thực hành cơ bản gầm ô tô, Thí nghiệm ô tô của Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Nhà xuất bản Bách khoa).
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ
Chương này trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết về hệ thống treo, bao gồm công dụng, cấu tạo ba bộ phận chính, phân loại và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống treo:
- Công dụng và yêu cầu: Hệ thống treo có nhiệm vụ tạo điều kiện cho bánh xe dao động thẳng đứng êm dịu, giảm hiện tượng rung xóc ("cưỡi ngựa"), dập tắt nhanh dao động khung vỏ, truyền lực dọc, lực ngang và mômen từ bánh xe lên thân xe. Yêu cầu hệ thống phải có tần số dao động riêng thích hợp (xác định qua độ võng tĩnh $f_t$), có độ võng động ($f_đ$) đủ để tránh va đập vào ụ tỳ cao su, giữ ổn định góc đặt bánh xe khi phanh và quay vòng.
- Đặc tính các bộ phận đàn hồi:
- Bộ lá nhíp: Gồm nhiều lá thép đàn hồi xếp chồng, ghép bằng bulông trung tâm và quang nhíp chữ U; vừa làm nhiệm vụ đàn hồi vừa đóng vai trò dẫn hướng, chịu tải cao nhưng độ êm dịu kém và nặng.
- Lò xo trụ: Làm từ dây thép lò xo quấn ống, kết cấu gọn gàng, tuổi thọ cao, không có ma sát giữa các vòng, thường bố trí lồng ngoài ống giảm chấn; tuy nhiên chỉ chịu được lực thẳng đứng nên bắt buộc phải có đòn dẫn hướng riêng.
- Thanh xoắn: Sử dụng tính đàn hồi xoắn của thanh thép, kết cấu nhẹ, chiếm ít không gian, điều chỉnh được chiều cao thân xe nhưng không tự kiểm soát được dao động nên cần giảm chấn đi kèm.
- Phần tử đàn hồi khí và thủy khí: Cho phép thay đổi độ cứng phi tuyến theo áp suất, tần số dao động thấp, êm dịu cao nhưng đòi hỏi hệ thống máy nén, van điều áp phức tạp và giá thành cao.
- Vấu cao su: Hoạt động dựa trên nội ma sát khi biến dạng, có đường đặc tính phi tuyến, thường kết hợp trong vỏ giảm chấn để tăng cứng và hạn chế hành trình làm việc của bánh xe.
- Cơ chế hoạt động của bộ phận giảm chấn: Phân tích bản chất chuyển đổi động năng thành nhiệt năng qua ma sát thủy lực. So sánh giảm chấn ống đơn (có buồng khí nitơ áp suất cao ngăn cách bởi piston tự do, tản nhiệt tốt, tránh hiện tượng sục khí/xâm thực) và giảm chấn ống kép (hai lớp vỏ, nạp dầu và khí áp suất thấp 3–6 kgf/cm², điều tiết lưu lượng dầu qua van piston và van đáy trong hành trình nén và trả).
- Phân loại hệ thống treo:
- Treo phụ thuộc: Hai bánh xe nối qua dầm cầu cứng; ưu điểm bền, chịu tải tốt, khoảng cách hai bánh xe không đổi khi dịch chuyển thẳng đứng; nhược điểm là khối lượng không được treo lớn, kém êm dịu, trọng tâm xe cao.
- Treo độc lập: Bánh xe gắn độc lập với thân xe (MacPherson, tay đòn kép, đa liên kết); ưu điểm khối lượng phần không được treo nhỏ, bám đường tốt, sàn xe và trọng tâm hạ thấp; nhược điểm là kết cấu phức tạp, góc đặt bánh xe thay đổi theo hành trình nhún.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TREO TRÊN XE TOYOTA VIOS 2015
Chương 2 tập trung phân tích thực tế kiến trúc hệ thống treo trên dòng xe Toyota Vios 2015 thông qua thông số kỹ thuật và cấu tạo cơ học chi tiết:
- Thông số kỹ thuật tổng thể Toyota Vios 1.5G:
| Thông số |
Giá trị |
Đơn vị |
| Kích thước tổng thể ($Dài \times Rộng \times Cao$) |
$4410 \times 1700 \times 1475$ |
mm |
| Chiều dài cơ sở |
2550 |
mm |
| Chiều rộng cơ sở (Trước / Sau) |
1475 / 1460 |
mm |
| Khoảng sáng gầm xe |
145 |
mm |
| Bán kính quay vòng tối thiểu |
5,1 |
m |
| Trọng lượng không tải / Toàn tải |
1110 / 1550 |
kg |
| Động cơ (Kiểu / Dung tích) |
2NR-FE (4 xi lanh thẳng hàng, VVT-i) / 1496 |
cc |
| Công suất tối đa |
107 / 6000 |
Hp / vòng/phút |
| Mô men xoắn tối đa |
140 / 4200 |
Nm / vòng/phút |
| Hộp số |
Tự động vô cấp (CVT) |
- |
| Hệ thống phanh (Trước / Sau) |
Đĩa thông gió 15 inch / Đĩa 15 inch |
- |
| Thông số lốp và mâm xe |
185/60R15, mâm đúc |
- |
| Kết cấu hệ thống treo |
Trước: Độc lập MacPherson / Sau: Dầm xoắn |
- |
- Kết cấu hệ thống treo trước (Độc lập kiểu MacPherson):
- Cấu tạo gồm: Càng chữ A (đòn ngang) liên kết với thân xe qua 2 khớp trụ và nối với đầu dưới giảm chấn qua khớp cầu rotuyn đứng dưới; cụm giảm chấn thủy lực đóng vai trò vừa là bộ phận giảm chấn vừa là trụ xoay dẫn hướng; lò xo trụ lồng bên ngoài giảm chấn; đầu trên nối với thân xe qua khớp tự lựa (bát bèo).
- Bố trí thanh ổn định (thanh cân bằng) chữ U kết nối với các đầu đòn treo thông qua rotuyn cân bằng, tạo mômen xoắn chống lại hiện tượng nghiêng lật xe do lực ly tâm khi quay vòng.
- Kết cấu hệ thống treo sau (Phụ thuộc kiểu dầm xoắn - Torsion Beam):
- Hai bánh xe sau được liên kết với nhau thông qua dầm xoắn thép định hình, kết hợp với lò xo trụ quấn ống và ống giảm chấn đặt riêng rẽ, mang lại kết cấu vững chắc, khả năng chịu lực tốt và tạo không gian rộng rãi cho khoang hành lý phía sau.
- Cấu tạo và nguyên lý làm việc của giảm chấn 2 lớp vỏ nạp khí áp suất thấp:
- Áp suất khí nạp trong buồng chứa đạt từ 3 đến 6 kgf/cm² giúp triệt tiêu hiện tượng sủi bọt khí và xâm thực dầu thủy lực.
- Hành trình nén: Khi piston đi xuống với tốc độ cao, dầu từ buồng dưới mở van một chiều chảy lên buồng trên mà không chịu lực cản; đồng thời thể tích chiếm chỗ của cần piston đẩy một lượng dầu qua van lá của van đáy vào buồng chứa, tạo ra lực cản giảm chấn. Ở tốc độ thấp, dầu chỉ lưu thông qua các lỗ tiết lưu nhỏ trên van piston và van đáy, sinh lực cản nhỏ.
- Hành trình trả (giãn): Khi piston đi lên với tốc độ cao, áp suất buồng trên tăng đẩy mở van lá trên piston để dầu chảy xuống buồng dưới, tạo ra lực cản dập tắt dao động; đồng thời dầu từ buồng chứa qua van một chiều ở đáy bù vào khoang trống buồng dưới do cần piston rút ra.
CHƯƠNG 3: CHUẨN ĐOÁN VÀ BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG TREO TRÊN TOYOTA VIOS
Chương này trình bày các dạng hư hỏng điển hình, phương pháp kiểm tra chẩn đoán thông số hình học và quy trình công nghệ phục hồi hệ thống treo:
- Các hư hỏng thường gặp:
- Bộ phận dẫn hướng: Mòn rơ khớp trụ, rotuyn khớp cầu; biến dạng cong đòn chữ A, bệ đỡ, đòn giằng; sai lệch góc caster, góc doãng (camber) và độ chụm bánh xe.
- Bộ phận đàn hồi: Lò xo bị mỏi, giảm độ cứng làm hạ chiều cao thân xe, tăng tải trọng va đập lên ụ đỡ cao su; nứt vỡ ụ tỳ tăng cứng cao su.
- Bộ phận giảm chấn: Mòn cặp xi lanh - piston; rách phớt chắn dầu gây rò rỉ dầu thủy lực; dầu bị biến chất do lẫn nước hoặc cặn bẩn; kẹt van giảm chấn; cong cần piston do quá tải.
- Quy trình kiểm tra chẩn đoán 7 bước:
- Bước 1: Kiểm tra, chẩn đoán giảm chấn (hệ số cản trên bệ thử, rò rỉ dầu, độ cong cần piston, cào xước bề mặt).
- Bước 2: Kiểm tra thanh ngang (kiểm tra độ cong, ren bắt ốc).
- Bước 3: Kiểm tra đòn dưới và cam quay (độ mòn rách bạc cao su, rạn nứt đòn dưới, ren khớp cầu).
- Bước 4: Kiểm tra thanh giằng và thanh ổn định (độ cong chuẩn không vượt quá 3 mm, gối đỡ cao su).
- Bước 5: Kiểm tra và điều chỉnh độ chụm (tiến hành sau khi chỉnh moay-ơ và áp suất lốp; áp dụng phương pháp đo bằng thước tì vạch dấu xoay 180° hoặc kích nâng đo khoảng cách hai má lốp).
- Bước 6: Điều chỉnh góc doãng (camber) và góc caster thông qua xoay cam lệch tâm hoặc thay đổi khoảng cách thanh giằng.
- Bước 7: Điều chỉnh đồng thời góc doãng và góc nghiêng trụ đứng bằng cụm bulông cam lệch tâm hoặc thay đổi số lượng đệm chêm (shim).
- Quy định thông số độ chụm:
- Giá trị thông thường của ô tô con: $2 \div 3$ mm.
- Xe có cầu trước chủ động dẫn hướng: $-3$ mm đến $-2$ mm.
- Sai lệch cho phép khi điều chỉnh: $\pm 1$ mm.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật chính
Đồ án đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết và các số liệu kỹ thuật thực tế của hệ thống treo trên dòng xe Toyota Vios 2015, đưa ra các hướng dẫn công nghệ kiểm tra, sửa chữa cụ thể.
- Bảng quy trình công nghệ bảo dưỡng và sửa chữa giảm chấn:
| STT |
Công việc |
Nội dung thực hiện |
Dụng cụ, thiết bị |
Yêu cầu kỹ thuật |
| 1 |
Chuẩn bị |
Chuẩn bị đầy đủ dụng cụ, thiết bị cần thiết |
Bộ clê, tuýp, khay đựng, giẻ lau, dầu mỡ, đồng hồ đo |
Đầy đủ dụng cụ trước khi tháo |
| 2 |
Tháo giảm chấn |
Nới lỏng ốc khi bánh xe còn chạm đất; nâng xe lên cao tháo rời giảm chấn |
Bộ clê, tuýp, khay đựng đồ |
Quan sát tỉ mỉ, để chi tiết tháo rời đúng thứ tự |
| 3 |
Kiểm tra chảy dầu |
Quan sát sự rò rỉ dầu của giảm chấn |
Mắt thường |
Thay phớt chắn dầu nếu phát hiện chảy dầu |
| 4 |
Kiểm tra hệ số cản |
Kiểm tra lực cản giảm chấn bằng tay hoặc đưa lên bệ thử |
Bệ thử, kiểm tra thủ công |
Thay dầu hoặc thay cụm piston nếu hệ số cản yếu |
| 5 |
Kiểm tra cần piston |
Kiểm tra độ cong của cần piston |
Mắt thường, đồng hồ đo |
Nắn lại nếu cong nhẹ; thay thế nếu biến dạng lớn |
| 6 |
Kiểm tra dầu xi lanh |
Kiểm tra mức dầu và chất lượng dầu |
Mắt thường |
Bổ sung nếu thiếu; thay dầu mới nếu có cặn bẩn |
| 7 |
Kiểm tra bề mặt |
Kiểm tra cào xước trên bề mặt xi lanh, piston |
Mắt thường |
Thay thế nếu bề mặt bị cào xước nghiêm trọng |
| 8 |
Kiểm tra van nén |
Kiểm tra trạng thái hoạt động của các van |
Quan sát thủ công |
Sửa chữa hoặc thay thế nếu van bị kẹt |
| 9 |
Lắp giảm chấn |
Lắp ráp các chi tiết theo thứ tự ngược lại |
Bộ clê, tuýp, dầu bôi trơn, giẻ lau |
Lắp chính xác vị trí và tiêu chuẩn ban đầu |
| 10 |
Kiểm tra tổng thể |
Vệ sinh sạch sẽ bên ngoài cụm giảm chấn |
Giẻ lau, quan sát |
Đảm bảo sạch sẽ, không còn sót lỗi lắp ráp |
| 11 |
Lắp lên xe |
Lắp đặt cụm giảm chấn trở lại hệ thống treo |
Bộ clê, tuýp |
Siết chặt bulông đúng vị trí kỹ thuật |
Đóng góp kỹ thuật của đề tài
- Làm rõ kết cấu thực tế: Đồ án mô tả chi tiết sự phối hợp giữa hệ thống treo độc lập MacPherson phía trước và dầm xoắn phía sau trên dòng xe Toyota Vios 2015, giải thích rõ cơ chế chống rung và ổn định thân xe bằng thanh cân bằng chữ U.
- Quy trình hóa bảo dưỡng: Xây dựng bảng quy trình 11 bước bảo dưỡng sửa chữa giảm chấn và trình tự 7 bước chẩn đoán góc đặt bánh xe, cung cấp tài liệu tham khảo có tính ứng dụng trực tiếp trong thực hành xưởng ô tô.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án chủ yếu tiếp cận theo phương pháp mô tả kết cấu lý thuyết và tổng hợp quy trình sửa chữa truyền thống dựa trên tài liệu kỹ thuật; chưa tiến hành mô phỏng động lực học dao động trên các phần mềm chuyên ngành (như Matlab/Simulink, ADAMS/Car) và chưa có số liệu thực nghiệm đo đạc đường đặc tính cản giảm chấn thực tế trên bệ thử động lực học.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Ứng dụng phần mềm mô phỏng để tính toán, khảo sát ảnh hưởng của độ cứng lò xo và hệ số cản giảm chấn đến độ êm dịu chuyển động của xe Toyota Vios khi vận hành trên các dạng mấp mô mặt đường thực tế ở Việt Nam.
- Nghiên cứu sâu hơn về phương pháp chẩn đoán góc đặt bánh xe sử dụng thiết bị đo quang học hoặc thiết bị 3D hiện đại tại các garage ô tô.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng thụ hưởng:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực dùng làm tài liệu tham khảo cho các học phần: Kết cấu ô tô, Lý thuyết ô tô, Đồ án chuyên ngành Gầm, Thực hành Bảo dưỡng và Sửa chữa ô tô.
- Kỹ thuật viên tại các xưởng sửa chữa ô tô tham khảo trình tự kiểm tra, cân chỉnh độ chụm và các bước tháo lắp, phục hồi giảm chấn thủy lực.
- Nội dung giá trị nhất:
- Phần phân tích nguyên lý làm việc trong hai hành trình nén - trả của giảm chấn hai lớp vỏ nạp khí áp suất thấp ($3 \div 6\text{ kgf/cm}^2$).
- Trình tự 2 phương pháp đo, cân chỉnh độ chụm bánh xe và bảng quy trình công nghệ 11 bước bảo dưỡng giảm chấn.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống treo trước và sau trên xe Toyota Vios 2015 sử dụng kiểu kết cấu nào?
Xe Toyota Vios 2015 sử dụng hệ thống treo trước là hệ thống treo độc lập kiểu MacPherson (kết hợp càng chữ A, lò xo trụ lồng ngoài ống giảm chấn và thanh cân bằng). Hệ thống treo sau là hệ thống treo phụ thuộc kiểu dầm xoắn (Torsion beam) đi kèm lò xo trụ.
2. Áp suất khí nạp trong bộ giảm chấn hai lớp vỏ của xe Toyota Vios 2015 là bao nhiêu và có tác dụng gì?
Khí trong buồng chứa của bộ giảm chấn hai lớp vỏ được nạp với áp suất thấp từ $3 \div 6\text{ kgf/cm}^2$. Việc nạp khí áp suất thấp có tác dụng ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và giảm thiểu sự hình thành bọt khí khi dầu thủy lực chảy qua van ở tốc độ cao, giúp lực giảm chấn duy trì ổn định và dập tắt dao động êm ái hơn.
3. Giá trị độ chụm tiêu chuẩn đối với dòng xe con và xe có cầu trước chủ động dẫn hướng được quy định như thế nào?
Theo số liệu trong đồ án, độ chụm bánh xe thông thường trên xe con có giá trị từ $2 \div 3$ mm. Riêng đối với các dòng xe có cầu trước chủ động dẫn hướng, độ chụm quy định là từ $-3$ mm đến $-2$ mm, với sai lệch cho phép khi cân chỉnh là $\pm 1$ mm.
4. Thanh ổn định (thanh cân bằng) trên hệ thống treo trước hoạt động theo nguyên lý nào khi xe quay vòng?
Thanh ổn định có dạng chữ U, hoạt động như một thanh xoắn đàn hồi. Khi xe vào cua bị nghiêng ra ngoài do lực ly tâm, lốp xe ở một bên bị chìm xuống, thanh ổn định sẽ bị vặn xoắn và sinh ra lực đàn hồi nâng phần thân xe bên bị chìm lên, giúp giữ lốp bám sát mặt đường và chống lật xe.
5. Vì sao cần piston của giảm chấn bị cong hoặc phớt chắn dầu bị hỏng lại làm mất tác dụng giảm chấn?
Khi phớt chắn dầu bị mòn rách, dầu thủy lực rò rỉ ra ngoài gây thiếu hụt hoặc hết dầu trong xi lanh, làm mất môi chất tạo lực cản thủy lực qua các van tiết lưu. Cần piston bị cong do quá tải sẽ gây kẹt cứng piston trong xi lanh, làm giảm chấn mất hoàn toàn khả năng dịch chuyển đàn hồi và dập tắt dao động.
Kết luận
Đồ án chuyên ngành của tác giả Phạm Duy Cường đã hoàn thành việc khảo sát toàn diện kết cấu hệ thống treo độc lập MacPherson phía trước và hệ thống treo dầm xoắn phía sau trên xe Toyota Vios 2015. Nghiên cứu đã làm rõ nguyên lý thủy lực của cụm giảm chấn hai lớp nạp khí áp suất thấp và xây dựng thành công quy trình chẩn đoán sai lệch hình học góc đặt bánh xe cùng 11 bước công nghệ bảo dưỡng cụm giảm chấn. Đây là tài liệu học thuật có cấu trúc rõ ràng, bám sát chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và có giá trị tham khảo thực tế cao cho sinh viên kỹ thuật gầm ô tô.
