Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành giao thông vận tải đường bộ tại Việt Nam ghi nhận sự gia tăng nhanh chóng về nhu cầu di chuyển của người dân và hoạt động vận tải thương mại. Trong phân khúc xe con phục vụ gia đình và vận tải hành khách công cộng (dịch vụ taxi, xe công nghệ), dòng xe Hyundai Grand i10 4 cửa, 5 chỗ ngồi thuộc nhóm xe phổ thông được đưa vào khai thác với mật độ lớn nhờ tính kinh tế, độ ổn định và chi phí vận hành phù hợp.
Hệ thống lái là cụm cơ cấu đảm nhận nhiệm vụ duy trì chuyển động ổn định theo quỹ đạo mong muốn của người điều khiển hoặc thay đổi hướng di chuyển của phương tiện nhằm bảo đảm an toàn cho người, phương tiện và hàng hóa. Trong quá trình vận hành liên tục ở điều kiện đường sá và khí hậu Việt Nam, các chi tiết của hệ thống lái chịu tải trọng động, ma sát mài mòn và rung giật, dẫn đến các hiện tượng rơ lỏng và suy giảm chất lượng làm việc. Trong khi đó, phần lớn tài liệu hướng dẫn sửa chữa chính hãng từ Hyundai được xuất bản bằng tiếng Anh, tạo ra rào cản kỹ thuật cho đội ngũ thợ và kỹ thuật viên bảo dưỡng trong nước.
Đề tài khóa luận được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ sau:
- Nghiên cứu kết cấu, tính năng kỹ thuật của hệ thống lái trên xe ô tô du lịch nói chung và dòng xe Hyundai Grand i10 nói riêng.
- Xây dựng quy trình kỹ thuật kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa các cụm chi tiết trong hệ thống lái xe Hyundai Grand i10.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lái cơ cấu bánh răng - thanh răng, trợ lực thủy lực trang bị trên xe con Hyundai Grand i10.
- Khách thể nghiên cứu: Quá trình tiếp nhận, tháo rời, đo kiểm sai số hình học, khắc phục hư hỏng và căn chỉnh góc đặt bánh xe dẫn hướng.
- Phạm vi không gian: Nghiên cứu trong khuôn khổ chuyên môn ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô tại Khoa Cơ Điện và Công Trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam.
- Phạm vi thời gian: Khóa luận được hoàn thành năm 2020, dựa trên các tài liệu kỹ thuật và dòng xe sản xuất giai đoạn 2016 – 2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết động học và động lực học quay vòng của ô tô, nguyên lý truyền động cơ khí và nguyên lý thủy lực điều khiển hướng chuyển động.
Các mô hình và công thức tính toán cốt lõi được tác giả sử dụng gồm:
- Tỷ số truyền động học của hệ thống lái:
$$i_\omega = \frac{d\theta}{d\varphi} = \frac{\omega_v}{\omega_n}$$
(trong đó $\theta, \varphi$ là góc quay của vành lái và đòn quay đứng; $\omega_v, \omega_n$ là vận tốc góc đầu vào và đầu ra).
- Tỷ số truyền lực:
$$i_F = \frac{M_r}{M_v}$$
(với $M_r$ là mô-men ra cơ cấu lái, $M_v$ là mô-men tác dụng lên vành lái).
- Hiệu suất truyền động cơ cấu lái:
$$\eta_t = \frac{M_r \cdot \omega_r}{M_v \cdot \omega_v} = \frac{i_F}{i_\omega}$$
(phân biệt hiệu suất thuận $\eta_{th}$ từ vô lăng xuống bánh xe và hiệu suất nghịch $\eta_{ng}$ từ mặt đường lên vô lăng).
- Mô-men ổn định bánh dẫn hướng:
- Do góc nghiêng ngang trụ đứng $\beta$: $M_{Z\beta} = Z_b \cdot \sin\alpha$ (với $Z_b$ là phản lực pháp tuyến từ mặt đường).
- Do góc nghiêng dọc trụ đứng (caster) $\gamma$: $M_{yy} = Y_b \cdot \sin\gamma$ (với $Y_b$ là phản lực ngang từ mặt đường).
- Do độ đàn hồi ngang của lốp: $M_{y\delta} = Y_b \cdot S$ (với $S$ là độ lệch điểm đặt phản lực bên).
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm ba nhóm chính:
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Quan sát trực quan, thu thập các thông số kết cấu bên ngoài và tính năng kỹ thuật của hệ thống lái; tiến hành thực nghiệm quy trình tháo rời, đo kiểm và cân chỉnh thực tế.
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập sổ tay bảo dưỡng của nhà sản xuất Hyundai, các giáo trình lý thuyết ô tô; phân loại, phân tích kết cấu và hệ thống hóa thành quy trình kỹ thuật chuẩn bằng tiếng Việt.
- Phương pháp thống kê mô tả: Thống kê danh mục các cụm chi tiết cấu tạo hệ thống lái; mô tả định lượng các thông số hình học, lực điều khiển và cơ chế thủy lực của van phân phối.
Nguồn dữ liệu sử dụng: Bản vẽ kết cấu và thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe Hyundai Grand i10, tiêu chuẩn ngành ô tô và các tài liệu chuyên khảo chuyên ngành Cơ khí - Động lực.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về ôtô và vấn đề nghiên cứu
Chương 1 khái quát lịch sử phát triển ngành công nghiệp ô tô thế giới từ mẫu xe hơi nước ba bánh năm 1769 của Nicolas Cugnot, xe lưỡng cư 19 tấn năm 1789 của Oliver Evans, đến dấu mốc cấp bằng sáng chế cho Karl Benz ngày 29/01/1886 và phương pháp dây chuyền hàng loạt của Henry Ford năm 1910. Về bối cảnh trong nước, tác giả ghi nhận mẫu xe Chiến Thắng đầu tiên xuất xưởng ngày 21/12/1958 tại miền Bắc, xe La Dalat năm 1970, liên doanh Mekong Auto năm 1991, nhà máy Chu Lai – Trường Hải năm 2004, và tổ hợp sản xuất VinFast khởi công năm 2017. Mật độ xe con tại Việt Nam đến cuối năm 2017 đạt 16 xe/1.000 dân.
Chương này cũng phân loại ô tô theo tải trọng, tính năng cơ động, dung tích xi-lanh, chiều dài xe khách, số cầu chủ động, loại nhiên liệu và công dụng (xe ben, xe tải thùng, xe chở người, xe cứu hỏa, xe rác, xe cứu thương, xe phun bê tông). Đồng thời, tác giả tổng hợp tổng quan 6 hệ thống cơ bản trên xe: động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống phanh, hệ thống lái, hệ thống treo đỡ và hệ thống khung vỏ.
Chương 2: Tổng quan về hệ thống lái và hệ thống lái trên xe Huyndai Grand I10
Nội dung chương tập trung làm rõ chức năng, yêu cầu và các dạng kết cấu hệ thống lái. Yêu cầu kỹ thuật bắt buộc gồm: độ dơ vành lái (hành trình tự do) không vượt quá $15^\circ$ đối với xe có trợ lực và không quá $5^\circ$ đối với xe không trợ lực; lực điều khiển cực đại tác dụng lên vành lái không quá 500 N với xe tải/khách và không vượt quá $150 \div 200$ N với xe du lịch; bán kính vành lái xe du lịch nằm trong khoảng 190 mm.
Chương 2 đối chiếu sơ đồ dẫn động lái giữa hệ thống treo phụ thuộc và hệ thống treo độc lập. Tác giả phân tích kết cấu và hiệu suất của 5 loại cơ cấu lái:
| Loại cơ cấu lái |
Hiệu suất thuận ($\eta_{th}$) |
Hiệu suất nghịch ($\eta_{ng}$) |
Đặc điểm kết cấu và ứng dụng |
| Trục vít – Cung răng |
$0,50 \div 0,70$ |
$0,40 \div 0,55$ |
Kết cấu bền vững; góc nâng ren $8^\circ \div 12^\circ$; khe hở ăn khớp $0,03 \div 0,5$ mm; dùng trên xe tải lớn. |
| Trục vít – Con lăn |
$0,77 \div 0,82$ |
0,60 |
Trục con lăn lệch trục vít $5 \div 7$ mm; tâm lệch $x = 2,5 \div 5$ mm; tỷ số truyền gần như không đổi. |
| Trục vít – Chốt quay |
Khoảng 0,70 |
Khoảng 0,70 |
Chế tạo phức tạp, tuổi thọ thấp, ít dùng trên xe hiện đại. |
| Bánh răng – Thanh răng |
0,99 |
0,99 |
Nhỏ gọn, tỷ số truyền nhỏ, độ nhạy cao; dùng với treo độc lập trên xe du lịch. |
| Trục vít - Êcu bi - Thanh răng |
$0,70 \div 0,85$ |
0,85 |
Ma sát lăn qua các viên bi; chịu tải cao; dùng phổ biến trên xe tải và xe khách lớn. |
Phần động học xác định các thông số tính toán cụ thể cho xe du lịch: góc quay vô lăng từ vị trí giữa sang biên đạt 1,8 vòng ($\varphi_{vl} = 640^\circ$), góc quay bánh xe dẫn hướng $\varphi_{bx} = 36^\circ$, tỷ số truyền hệ thống lái $i_\omega = 640 / 36 = 17,5$, tỷ số truyền dẫn động $i_{dd} = 1$, suy ra tỷ số truyền cơ cấu lái $i_c = 17,5$. Về hình học lái, chương phân tích tác động của 4 thông số: góc doãng (camber), góc nghiêng ngang trụ đứng $\beta$ ($0^\circ \div 8^\circ$), góc nghiêng dọc trụ đứng caster $\gamma$ ($0^\circ \div 3^\circ$, trên xe thiết kế chọn bằng $2^\circ$), và độ chụm của bánh xe (toe-in).
Chương 3: Hệ thống lái xe Huyndai Grand I10
Chương 3 trình bày chi tiết thông số và kết cấu hệ thống lái lắp đặt trên xe Hyundai Grand i10. Hệ thống gồm: vành tay lái tích hợp cụm túi khí an toàn, trục lái dạng ống lồng giảm chấn, cơ cấu lái bánh răng - thanh răng vỏ hợp kim nhôm, cụm van phân phối thủy lực kiểu van xoay/van trượt, xi-lanh lực hai chiều tích hợp trên vỏ thanh răng và các thanh kéo bên liên kết khớp cầu. Bơm trợ lực dầu kiểu cánh gạt/bánh răng được dẫn động bằng dây đai từ trục khuỷu động cơ.
Nguyên lý trợ lực thủy lực được làm rõ theo ba trạng thái vận hành: khi xe chạy thẳng (van ở vị trí trung gian, dầu hồi tự do về bình chứa, không sinh lực chênh lệch), khi đánh lái sang trái và khi đánh lái sang phải (van phân phối xoay mở đường dầu cao áp vào khoang tương ứng của xi-lanh lực, đẩy piston và thanh răng dịch chuyển, làm giảm lực tác dụng trên vành lái).
Chương 4: Những hư hỏng thường gặp trong hệ thống lái xe Huyndai Grand I10 và nguyên nhân các biện pháp sửa chữa thay thế
Chương 4 tổng hợp các hiện tượng hư hỏng: tay lái nặng, rơ lỏng tay lái, xe bị nhao lái khi đi thẳng, phát ra tiếng ồn khi đánh lái và rò rỉ dầu thủy lực. Tác giả thiết lập quy trình kỹ thuật gồm các bước:
- Quy trình tháo rời cơ cấu lái: ngắt cọc bình ắc quy vô hiệu hóa túi khí, tháo trục các đăng lái, tháo khớp nối thanh kéo bên khỏi ngõng quay, xả dầu trợ lực, tháo các đường ống dẫn dầu và hạ cụm cơ cấu lái khỏi khung dầm xe.
- Quy trình đo kiểm và sửa chữa:
- Kiểm tra độ cong vênh của thanh răng bằng đồng hồ so.
- Kiểm tra độ kín khít của gioăng phớt, piston và xi-lanh lực trợ lực.
- Kiểm tra khe hở ăn khớp bánh răng - thanh răng, điều chỉnh bằng bu-lông ép lò xo dẫn hướng.
- Đo khe hở và độ rơ của các khớp cầu thanh kéo bên; thay thế nếu cao su chắn bụi rách hoặc khớp bị lỏng.
- Kiểm tra áp suất cấp và lưu lượng của bơm dầu trợ lực lái.
- Kiểm tra độ dơ vành lái (độ dơ góc tự do, độ dơ dọc và độ dơ ngang trục lái).
- Căn chỉnh 4 góc đặt bánh xe: điều chỉnh góc doãng, góc nghiêng dọc caster, góc nghiêng ngang kingpin và điều chỉnh độ chụm thông qua việc xoay ren khớp nối đòn kéo bên.
Chương V: Những biện pháp nâng cao chất lượng và đảm bảo an toàn cho xe và hệ thống lái
Chương 5 đề xuất các giải pháp kỹ thuật và vận hành nhằm duy trì độ tin cậy của hệ thống lái, chia làm ba nhóm:
- Đối với khâu thiết kế, chế tạo: Lựa chọn vật liệu hợp kim chịu mài mòn, tăng cường độ kín khít cho phớt chắn dầu và bụi, tối ưu hóa kích thước thanh răng nhằm giảm tải trọng bản thân xe.
- Đối với kỹ thuật xếp đặt hàng hóa: Phân bố khối lượng đồng đều trên sàn xe, tránh chở quá tải làm tăng áp lực lên trục trước dẫn đến mài mòn nhanh các khớp cầu và làm nặng tay lái.
- Đối với kỹ năng vận hành: Tránh hiện tượng "đánh lái chết" (quay vành lái khi xe đang đứng yên hoàn toàn), không ghì giữ vô lăng ở vị trí kịch lái quá 5 giây nhằm tránh phá hủy van hồi lưu và làm cháy bơm trợ lực, định kỳ kiểm tra áp suất lốp và mức dầu trợ lực trong bình chứa.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng và đóng góp chuyên môn cụ thể:
- Xác định và kiểm chứng hệ thống thông số làm việc của cơ cấu lái bánh răng - thanh răng trên xe: góc quay vô lăng $\varphi_{vl} = 640^\circ$ (1,8 vòng), góc quay bánh dẫn hướng $\varphi_{bx} = 36^\circ$, tỷ số truyền hệ thống lái $i_\omega = 17,5$, góc nghiêng dọc trụ đứng caster $\gamma = 2^\circ$, độ dơ vành lái cho phép $\le 15^\circ$, lực lái cực đại $\le 150 \div 200$ N, hiệu suất thuận và nghịch đạt 0,99.
- Xây dựng sơ đồ logic cho quy trình tiếp nhận, tháo lắp, kiểm tra sai số cong vênh thanh răng, kiểm tra độ kín khít xi-lanh trợ lực và phương pháp căn chỉnh độ chụm bánh trước.
- Đóng góp so với tài liệu hiện có: Chuyển hóa và hệ thống hóa các tài liệu kỹ thuật nguyên bản bằng tiếng Anh của Hyundai thành bộ quy trình kỹ thuật tiếng Việt mạch lạc, chi tiết, phù hợp với năng lực tiếp cận của thợ kỹ thuật và học viên thực hành sửa chữa ô tô.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận có một số giới hạn dựa trên phạm vi nghiên cứu thực tế:
- Đề tài tập trung chuyên sâu vào phiên bản Hyundai Grand i10 sử dụng cơ cấu lái trợ lực thủy lực (HPS). Khóa luận chưa mở rộng nghiên cứu sang hệ thống trợ lực lái điện tử (EPS/MDPS) vốn đang được ứng dụng trên các biến thể sản xuất đời mới.
- Các bước kiểm tra hư hỏng chủ yếu sử dụng công cụ cơ khí truyền thống (thước đo, đồng hồ so, đồng hồ đo áp suất dầu) mà chưa kết hợp các thiết bị chẩn đoán điện tử chuyên sâu để phân tích dữ liệu cảm biến góc lái và mô-men xoắn.
- Hướng mở rộng: Bổ sung quy trình chẩn đoán mã lỗi điện tử cho hệ thống lái trợ lực điện (MDPS) trên các dòng xe con phân khúc A và B hiện đại.
Giá trị tham khảo
Báo cáo khóa luận có giá trị ứng dụng cụ thể trong đào tạo và dịch vụ kỹ thuật:
- Đối với sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô: Cung cấp tài liệu học tập toàn diện về cơ cấu lái bánh răng - thanh răng, các công thức động học hệ thống lái và phương pháp tính toán góc đặt bánh xe (Chương 2).
- Đối với thợ sửa chữa gầm máy tại các xưởng dịch vụ: Quy trình tháo lắp, kiểm tra độ rơ khớp cầu, căn chỉnh bu-lông dẫn hướng thanh răng và điều chỉnh độ chụm tại Chương 4 là tài liệu thực hành trực quan, dễ áp dụng vào thực tế bảo dưỡng xe du lịch cỡ nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
1. Cơ cấu lái trang bị trên xe Hyundai Grand i10 trong đề tài thuộc loại nào và có thông số tỷ số truyền là bao nhiêu?
Xe Hyundai Grand i10 trong đề tài sử dụng cơ cấu lái kiểu bánh răng - thanh răng kết hợp trợ lực thủy lực. Tỷ số truyền động học của hệ thống lái được tính toán là $i_\omega = 17,5$ (tương ứng với góc quay vành lái $\varphi_{vl} = 640^\circ$ và góc quay bánh xe dẫn hướng $\varphi_{bx} = 36^\circ$). Tỷ số truyền dẫn động $i_{dd} = 1$, do đó tỷ số truyền của cơ cấu lái $i_c = 17,5$.
2. Độ dơ (hành trình tự do) cho phép của vành tay lái được quy định ở mức nào?
Theo tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trong Chương 2, hành trình tự do của vành lái khi ở vị trí trung gian tương ứng với chuyển động thẳng không được lớn hơn $15^\circ$ đối với xe có trang bị trợ lực lái, và không được vượt quá $5^\circ$ đối với xe không có trợ lực lái.
3. Góc nghiêng dọc của trụ xoay đứng (góc caster $\gamma$) trên xe nghiên cứu có giá trị thiết kế là bao nhiêu?
Góc nghiêng dọc trụ xoay đứng $\gamma$ trên xe nghiên cứu được xác định là $2^\circ$ (trong dải tiêu chuẩn từ $0^\circ \div 3^\circ$ của xe con). Góc này tạo ra mô-men ổn định $M_{yy} = Y_b \cdot \sin\gamma$ giúp bánh dẫn hướng tự động hồi vị về trạng thái chuyển động thẳng khi chịu phản lực ngang.
4. Kỹ thuật viên cần thực hiện các phép kiểm tra hình học then chốt nào đối với cụm thanh răng - xi lanh theo Chương 4?
Các phép kiểm tra then chốt gồm: dùng đồng hồ so kiểm tra độ cong vênh của thanh răng cơ cấu lái; đo khe hở ăn khớp giữa bánh răng và thanh răng; kiểm tra tình trạng làm việc và độ kín khít của vòng đệm chắn dầu, phớt piston xi-lanh lực trợ lực; và đo độ rơ ngang, rơ dọc của các khớp cầu liên kết thanh kéo bên.
5. Người lái xe cần tuân thủ khuyến cáo kỹ thuật nào để bảo vệ hệ thống lái trợ lực dầu?
Người lái xe không nên đánh lái chết khi xe đang dừng yên tại chỗ để tránh tạo tải trọng lớn lên cơ cấu và khớp cầu; không ghì giữ vô lăng kịch biên quá 5 giây để tránh làm tăng áp suất phá hỏng phớt dầu hoặc cháy bơm trợ lực; đồng thời phải duy trì việc kiểm tra định kỳ mức dầu trong bình chứa và áp suất bơm lốp xe.
Kết luận
Khóa luận của sinh viên Nguyễn Duy Hoàng Phúc đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu kết cấu và xác lập quy trình kiểm tra, sửa chữa hệ thống lái trợ lực thủy lực cho xe Hyundai Grand i10. Công trình cung cấp đầy đủ cơ sở lý thuyết động học, các thông số kỹ thuật thực nghiệm và các bước hướng dẫn bảo dưỡng cơ cấu bánh răng - thanh răng. Đề tài đóng góp một tài liệu kỹ thuật tiếng Việt có tính ứng dụng thực tiễn cao cho công tác đào tạo chuyên ngành ô tô và thực hành sửa chữa tại các cơ sở bảo dưỡng.
