Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp tập trung vào đối tượng hệ thống lái của ô tô thương mại, cụ thể là dòng xe đa dụng Toyota Innova thế hệ 2016. Hệ thống lái là một trong những cụm chi tiết tổng thành quan trọng nhất trên xe cơ giới, giữ vai trò kiểm soát quỹ đạo chuyển động, đảm bảo tính ổn định và an toàn vận hành trong mọi điều kiện giao thông.

Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết được tác giả trình bày thông qua các khía cạnh kỹ thuật và thực tiễn:

  • Đảm bảo an toàn giao thông: Khả năng điều khiển chính xác của hệ thống lái giảm thiểu nguy cơ xảy ra tai nạn khi xe vận hành ở dải tốc độ cao hoặc xử lý các tình huống khẩn cấp.
  • Đáp ứng các tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật: Thiết kế hệ thống lái phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định kiểm định an toàn kỹ thuật phương tiện cơ giới đường bộ.
  • Tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy: Việc tính toán thiết kế phải giải quyết bài toán phân bố tải trọng, kích thước xe và lực cản quay vòng nhằm nâng cao độ nhạy, giảm lực tác dụng lên vành tay lái.
  • Nâng cao trải nghiệm người dùng và tính cạnh tranh: Giúp xe đánh lái nhẹ nhàng ở tốc độ thấp, ổn định ở tốc độ cao, đồng thời tối ưu hóa chi phí sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ trong điều kiện sử dụng tại Việt Nam.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được phân định rõ:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Tính toán thiết kế hệ thống lái dựa trên xe cơ sở Toyota Innova 2016.
  2. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan kết cấu hệ thống lái ô tô; phân tích và lựa chọn phương án dẫn động lái, cơ cấu lái, bộ trợ lực lái thích hợp cho xe cơ sở; thực hiện chuỗi tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết chịu lực, kiểm tra động học hình thang lái; xây dựng quy trình tháo lắp, kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống lái.
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng: Cụm hệ thống lái ô tô (cơ cấu lái, dẫn động lái, cơ cấu trợ lực).
    • Phạm vi nghiên cứu: Dòng xe tham khảo Toyota Innova phiên bản 2.0G sản xuất năm 2016; địa điểm thực hiện tại Khoa Cơ điện và Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp; hoàn thành vào tháng 07 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được triển khai dựa trên các nguyên lý cơ học ô tô truyền thống, lý thuyết động học quay vòng và lý thuyết sức bền vật liệu ứng dụng trong tính toán cơ khí chế tạo ô tô:

  • Lý thuyết động học quay vòng ô tô (Hình thang lái Đan-tô): Xác định điều kiện quay vòng lý tưởng không trượt lết qua quan hệ hình học giữa góc quay bánh dẫn hướng phía trong ($\alpha$) và bánh phía ngoài ($\beta$): $$\cot\beta - \cot\alpha = \frac{m}{L}$$ Trong đó $m$ là khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng và $L$ là chiều dài cơ sở của xe.
  • Khung lý thuyết lực cản quay vòng tại chỗ: Mômen cản quay vòng tổng cộng ($M_{cq}$) của một bánh xe dẫn hướng được xác định theo mô hình tổng hợp ba thành phần: mômen cản lăn ($M_1$), mômen cản do phản lực ngang tại vết tiếp xúc lốp đàn hồi ($M_2$), và mômen ổn định bánh xe dẫn hướng ($M_3$): $$M_{cq} = M_1 + M_2 + M_3$$
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền chi tiết máy: Ứng dụng các công thức tính toán ứng suất uốn ($\sigma_u$) và ứng suất nén/kéo ($\sigma_n$) đối với vật liệu thép kết cấu C35 theo giới hạn bền cho phép được quy chuẩn trong Sổ tay cơ khí.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp kế thừa tài liệu kỹ thuật của dòng xe thương khảo. Tác giả sử dụng phương pháp tính toán giải tích cơ học để giải hệ phương trình cân bằng tĩnh và động lực học, tính toán thông số hình học, từ đó so sánh với các chỉ tiêu giới hạn cho phép trong tiêu chuẩn ô tô.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu gồm:

  • Thông số kỹ thuật của xe Toyota Innova phiên bản 2016 (Model 2.0G).
  • Sổ tay kỹ sư cơ khí và giáo trình lý thuyết ô tô chuyên ngành.
  • Các bản vẽ cấu tạo, sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực và cơ cấu chấp hành.

Phân tích phương án và thông số kỹ thuật xe cơ sở

Tác giả lựa chọn phiên bản xe tham chiếu Toyota Innova 2.0G làm cơ sở tính toán với các thông số kỹ thuật được trích xuất như sau:

STT Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
1 Chiều dài toàn bộ ($L_a$) 4735 mm
2 Chiều rộng toàn bộ ($b_a$) 1830 mm
3 Chiều cao toàn bộ ($h_a$) 1795 (1790) mm
4 Chiều dài cơ sở ($L$) 2750 mm
5 Chiều rộng cơ sở trước / sau ($B_0$) 1540 / 1540 mm
6 Trọng lượng không tải ($G_0$) 15300 (1700 kg) N
7 Trọng lượng không tải phân bố cầu trước ($G_{01}$) 9180 N
8 Trọng lượng không tải phân bố cầu sau ($G_{02}$) 6120 N
9 Trọng lượng toàn tải ($G_T$) 21300 (2330 kg) N
10 Trọng lượng toàn tải phân bố cầu trước ($G_1$) 13860 N
11 Trọng lượng toàn tải phân bố cầu sau ($G_2$) 8520 N
12 Động cơ Xăng VVT-i 2.0L, 4 xilanh thẳng hàng, 16 van DOHC -
13 Công suất cực đại 102 (tại 5600 vòng/phút) kW
14 Mômen xoắn cực đại 183 (tại 4000 vòng/phút) N.m
15 Kích thước lốp 205/60R17 -
16 Hệ thống treo trước Độc lập, tay đòn kép, lò xo cuộn, thanh cân bằng -
17 Tốc độ cực đại 200 km/h

Dựa trên kết cấu hệ thống treo trước là dạng độc lập tay đòn kép, tác giả đã tiến hành phân tích và lựa chọn các phương án thiết kế hệ thống lái:

  • Cơ cấu dẫn động lái: Lựa chọn dẫn động lái 6 khâu nhằm đảm bảo khả năng tương thích với hệ thống treo độc lập, loại bỏ hiện tượng tự quay vòng của bánh xe khi hệ thống treo dao động, đồng thời tối ưu hóa không gian bố trí dưới gầm xe du lịch.
  • Cơ cấu lái: Lựa chọn loại bánh răng trụ - thanh răng. Đây là phương án có cấu tạo gọn gàng, hiệu suất truyền động thuận và nghịch cao, độ nhạy phản hồi lớn, thanh răng đóng vai trò trực tiếp là một khâu trong hình thang lái.
  • Bộ trợ lực lái: Chọn phương án trợ lực thủy lực với van phân phối dạng xoay (rotary valve) kết hợp xilanh lực tích hợp trong vỏ cơ cấu lái, do bơm cánh gạt dẫn động từ trục khuỷu động cơ cung cấp áp suất dầu thủy lực ổn định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lái

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng về hệ thống lái ô tô:

  • Phân tích nhiệm vụ và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống lái: đảm bảo tính cơ động, khả năng quay vòng nhanh trong không gian hẹp; lực đặt lên vành tay lái nhẹ; động học quay vòng chính xác để tránh mòn lốp; có khả năng giảm chấn xung lực từ mặt đường; và đảm bảo độ rơ vành tay lái theo quy định (không vượt quá 18° đối với xe có vận tốc trên 100 km/h; đối với xe du lịch thực tế không quá 8°).
  • Phân loại hệ thống lái theo phương pháp bố trí vô lăng (bên trái/phải), theo số cầu dẫn hướng, theo kết cấu cơ cấu lái (trục vít - bánh vít, trục vít - con lăn, trục vít - chốt quay, liên hợp êcu bi, bánh răng - thanh răng) và theo nguồn trợ lực.
  • Trình bày kết cấu và nguyên lý của các cụm trợ lực lái phổ biến: hệ thống trợ lực thủy lực thuần túy (dẫn động bơm cánh gạt), trợ lực điện - thủy lực (EHPS), hệ thống trợ lực điện (EPS với mô tơ gắn trên trục lái hoặc gắn trên thanh răng), và khái lược về xu hướng hệ thống lái tự động sử dụng cảm biến, radar và camera.
  • Xác định tính cấp thiết, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đồ án.

Chương 2: Phân tích lựa chọn thiết kế

Chương 2 tập trung vào việc mô tả chi tiết mẫu xe cơ sở và lập luận giải pháp kỹ thuật tối ưu:

  • Giới thiệu tổng quan cấu trúc kỹ thuật và thông số hình học của Toyota Innova 2016. Trình bày chi tiết cụm vô lăng (bán kính ngoài 195 mm, tích hợp túi khí nylon phủ neoprene), trục lái có cơ cấu hấp thụ va đập, khớp các-đăng truyền động và cơ cấu khóa trục lái.
  • Đánh giá ưu - nhược điểm của các dạng dẫn động lái: Dẫn động lái 4 khâu đơn giản nhưng chỉ phù hợp cho hệ thống treo phụ thuộc (xe tải); dẫn động lái 6 khâu tuy nhiều chi tiết hơn nhưng tương thích với hệ thống treo độc lập trên cầu trước xe Innova.
  • Đánh giá các phương án cơ cấu lái: Khẳng định cơ cấu bánh răng - thanh răng vượt trội hơn cơ cấu trục vít - con lăn hay liên hợp êcu bi về độ nhạy, tính nhỏ gọn và khả năng lắp đặt trên dòng xe du lịch.
  • Kết luận lựa chọn giải pháp thiết kế tổng thể: Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng kết hợp dẫn động lái 6 khâu và hệ thống trợ lực thủy lực van xoay.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống lái xe Innova 2016

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, chứa các bước tính toán giải tích chi tiết:

  • Xác định kích thước tính toán bánh xe dựa trên ký hiệu lốp 205/60R17: Bề rộng lốp $B = 205$ mm, đường kính vành $d = 17$ inch, bán kính thiết kế $R_0 = 375,7$ mm.
  • Tính toán mômen cản quay vòng tại chỗ: Tải trọng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng $G_{bx} = 0,5 \times 13860 = 6930$ N; hệ số cản lăn $f = 0,02$; khoảng cách giữa tâm trụ quay đứng và vệt tiếp xúc $l = 0,101$ m; hệ số bám ngang $n = 0,85$; độ dịch chuyển điểm đặt phản lực ngang $x \approx 0,5 r_0$; hệ số tính đến mômen ổn định $K_{M3} = 1,07 \div 1,15$; hiệu suất dẫn động lái $\eta_{dd} = 0,98$. Tính ra mômen cản quay vòng tổng quy dẫn $M_\Sigma = 709,979$ N.m.
  • Tính toán lực tác dụng lên vành tay lái: Với bán kính vành lái $R = 0,195$ m, tỷ số truyền cơ cấu lái $i_\omega = 20$, hiệu suất thuận $\eta_t = 0,8 \div 0,99$, lực tác dụng lớn nhất lên vành lái tính được là $P_{lvmax} = 198,79$ N, thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn giới hạn cho phép $[P_{lmax}] = 200$ N.
  • Kiểm nghiệm bền dẫn động lái bằng phương pháp tách mặt cắt:
    • Đòn quay đứng AB: Chịu lực tác dụng $F_1 = 5895,425$ N; ứng suất uốn lớn nhất $\sigma_u$ thỏa mãn giới hạn bền của thép C35 ($[\sigma]_u = 2600\text{ kG/cm}^2$).
    • Thanh kéo bên BC: Chịu nén lớn nhất với lực dọc trục $N = 5895,425$ N; tính toán ứng suất nén đạt $\sigma_n = 750,6271\text{ kG/cm}^2$, nhỏ hơn ứng suất nén cho phép của thép C35 ($[\sigma]_n = 2100\text{ kG/cm}^2$), đảm bảo bền.
  • Kiểm nghiệm dẫn động lái khi xe phanh gấp: Xét tải trọng động khi phanh trên đường bằng ($G_x = 7014,15$ N, lực phanh $P_{pmax} = 5962,028$ N) và khi xuống dốc 20% ($\alpha = 11,3^\circ$). Mômen phanh quy dẫn về trụ quay đứng $M_p$ và $M'p$ đều nhỏ hơn mômen cản quay vòng tại chỗ ($M\Sigma = 709,979$ N.m), chứng minh trường hợp quay vòng tại chỗ là chế độ tải trọng nguy hiểm nhất cần dùng để tính bền.
  • Tính toán kiểm tra động học hình thang lái Đan-tô: Khoảng cách giữa 2 tâm trụ đứng $m = 1370$ mm, chiều dài cơ sở $L = 2750$ mm, chiều dài thanh kéo ngang $n = 979$ mm. Thiết lập quan hệ giữa góc quay bánh trong $\alpha$ và góc quay bánh ngoài thực tế $\beta_{tt}$ so với lý thuyết $\beta_{lt}$. Sai số tương đối $\varepsilon$ kiểm tra qua các góc quay từ 10° đến 40° đều nằm trong phạm vi cho phép ($\varepsilon < 5%$).
  • Thiết lập quy trình công nghệ tháo lắp, kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống lái: Trình bày quy trình 28 bước từ tháo vành lái, cụm công tắc, cụm trục lái chính, tháo cơ cấu lái bánh răng - thanh răng, đến phương pháp dùng đồng hồ so và đồ gá kiểm tra độ cong thanh răng và kiểm tra độ rơ khớp cầu rô-tuyn.

Thiết kế kỹ thuật và kiểm nghiệm hệ thống

Tổng hợp các kết quả tính toán cơ học và kiểm nghiệm độ bền các cụm chi tiết chính trong hệ thống lái được ghi nhận trong bảng sau:

Thông số / Chi tiết kiểm nghiệm Giá trị tính toán Giới hạn cho phép Kết luận kỹ thuật
Mômen cản quay vòng tổng ($M_\Sigma$) 709,979 N.m - Cơ sở tải trọng tính toán
Lực tác dụng lên vành tay lái ($P_{lvmax}$) 198,79 N (19,879 kG) $\le 200$ N Đạt yêu cầu công thái học
Lực tác dụng lên đòn quay đứng ($F_1$) 5895,425 N - Tải trọng kiểm nghiệm chi tiết
Ứng suất uốn đòn quay đứng AB (thép C35) Đạt điều kiện bền $[\sigma]_u = 2600\text{ kG/cm}^2$ Chi tiết đủ bền chịu uốn
Ứng suất nén thanh kéo bên BC (thép C35) $750,6271\text{ kG/cm}^2$ $[\sigma]_n = 2100\text{ kG/cm}^2$ Chi tiết đủ bền chịu nén
Mômen phanh quy dẫn trên dốc ($M'_p$) $< 709,979$ N.m $< M_\Sigma$ Không nguy hiểm bằng quay tại chỗ
Sai số động học hình thang lái ($\varepsilon$) $< 5%$ $\le 5%$ Đảm bảo động học quay vòng
Độ rơ góc vành tay lái Thực tế $\le 8^\circ$ $\le 18^\circ$ Đạt tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật

Quy trình bảo dưỡng và kiểm tra kỹ thuật bao gồm:

  • Kiểm tra độ cong thanh răng: Sử dụng khối V, đồ gá chuyên dùng và đồng hồ so để rà dọc theo chiều dài làm việc của thanh răng, xác định độ đảo hướng kính.
  • Kiểm tra khớp cầu (rô-tuyn): Kiểm tra độ rơ dọc trục và độ rơ hướng kính của khớp cầu lái bằng thiết bị đo lực hoặc đồng hồ so, thay thế chụp cao su chắn bụi nếu phát hiện rách, nứt.
  • Kiểm tra khe hở ăn khớp thanh răng - bánh răng: Điều chỉnh nắp ép lò xo dẫn hướng thanh răng để loại bỏ khe hở ăn khớp quá mức gây va đập hoặc bó kẹt cơ cấu lái.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả định lượng cụ thể và đóng góp về mặt kỹ thuật:

  • Kết quả tính toán số liệu: Xác định chính xác mômen cản quay vòng cực đại của xe Innova 2016 khi đứng yên tại chỗ trên mặt đường có độ bám cao ($n = 0,85$) là 709,979 N.m. Chứng minh được lực đánh lái cực đại của người lái xe ($198,79$ N) không vượt quá giới hạn an toàn lao động ($200$ N).
  • Kiểm nghiệm kết cấu: Khẳng định tính khả thi và độ bền chịu lực của đòn quay đứng, thanh kéo bên làm từ vật liệu thép C35 dưới điều kiện chịu lực kéo nén phức tạp; chứng minh được góc nghiêng và kích thước hình thang lái Đan-tô ($m = 1370$ mm, $L = 2750$ mm, $n = 979$ mm) đảm bảo sai số động học dưới $5%$, hạn chế tối đa hiện tượng trượt lết bánh xe khi quay vòng.
  • Đóng góp về quy trình thực hành: Khóa luận không dừng lại ở tính toán lý thuyết mà cung cấp một quy trình công nghệ từng bước chi tiết (tháo rã, kiểm tra dung sai, sửa chữa và lắp ráp) đối với hệ thống lái ô tô thương mại, có thể sử dụng làm tài liệu hướng dẫn thực hành xưởng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế gắn liền với phạm vi và điều kiện thực hiện:

  • Dữ liệu vật liệu: Do thiếu thông số cơ tính chính xác từ nhà sản xuất linh kiện Toyota, tác giả phải giả định mác thép C35 để tra cứu ứng suất cho phép nhằm tính toán kiểm nghiệm bền.
  • Mô hình hóa cơ học: Khi tính toán bền hệ thống đòn kéo, tác giả giả định các thanh nằm trong cùng một mặt phẳng ngang song song với mặt đường để đơn giản hóa bài toán từ không gian 3 chiều về bài toán phẳng.
  • Bỏ qua biến dạng lốp trong động học: Phân tích hình thang lái Đan-tô chưa tính đến góc trượt ngang của lốp đàn hồi khi xe quay vòng ở tốc độ cao.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu: Cần ứng dụng phần mềm mô phỏng động lực học nhiều vật thể (như ADAMS/Car) hoặc phương pháp phần tử hữu hạn (FEA trên ANSYS) để kiểm nghiệm ứng suất động chính xác trong không gian 3 chiều; đồng thời bổ sung thực nghiệm đo lực lái thực tế trên bệ thử hoặc cảm biến gắn trên xe thật.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo ứng dụng thiết thực trong đào tạo và nghiên cứu:

  • Đối tượng sử dụng: Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực tham khảo cho các học phần Thiết kế Tính toán Ô tô, Đồ án chuyên ngành và Đồ án tốt nghiệp.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Phương pháp và biểu thức giải tích tính toán mômen cản quay vòng tổng hợp $M_{cq} = M_1 + M_2 + M_3$.
    • Bảng tính quan hệ góc quay và thuật toán kiểm tra sai số động học hình thang lái Đan-tô.
    • Chuỗi hình ảnh và quy trình phân rã kỹ thuật cụm cơ cấu lái bánh răng - thanh răng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn cơ cấu dẫn động lái 6 khâu thay vì dẫn động lái 4 khâu? Dẫn động lái 4 khâu có kết cấu đơn giản nhưng chỉ phù hợp cho ô tô sử dụng dầm cầu liền với hệ thống treo phụ thuộc (thường gặp trên xe tải). Trên xe tham khảo Toyota Innova 2016, hệ thống treo trước là hệ thống treo độc lập tay đòn kép; do đó bắt buộc phải sử dụng dẫn động lái 6 khâu để đảm bảo các thanh dẫn động không làm thay đổi góc quay của bánh xe khi các đòn treo dao động lên xuống.

2. Giá trị lực cực đại tác dụng lên vành tay lái tính toán được là bao nhiêu và có đạt tiêu chuẩn không? Giá trị lực lớn nhất tác dụng lên vành tay lái tính toán được trong trường hợp quay vòng tại chỗ không có trợ lực hỗ trợ là $P_{lvmax} = 198,79$ N. Giá trị này nhỏ hơn tiêu chuẩn giới hạn cho phép $[P_{lmax}] = 200$ N, đảm bảo điều kiện an toàn và khả năng điều khiển phương tiện kể cả khi hệ thống trợ lực gặp sự cố.

3. Tại sao không cần tính toán bền chi tiết lái trong trường hợp ô tô phanh gấp? Khi tính toán kiểm nghiệm trường hợp phanh gấp trên đường bằng ($P_{pmax} = 5962,028$ N) và phanh khi xuống dốc 20%, mômen phanh quy dẫn về trục trụ quay đứng $M_p$ và $M'p$ đều nhỏ hơn mômen cản quay vòng tổng tại chỗ ($M\Sigma = 709,979$ N.m). Do đó, chế độ quay vòng tại chỗ là trường hợp chịu tải nặng nhất của hệ thống lái, chỉ cần tính bền chi tiết theo chế độ này là đảm bảo an toàn cho cả trường hợp phanh gấp.

4. Kích thước hình học cơ bản của hình thang lái xe Innova 2016 trong đồ án là bao nhiêu? Trong đồ án, hình thang lái Đan-tô có các thông số: khoảng cách giữa hai tâm trụ quay đứng $m = 1370$ mm, chiều dài cơ sở $L = 2750$ mm, chiều dài thanh kéo ngang $n = 979$ mm, và chiều dài đòn bên $l$ nằm trong khoảng $0,14 \div 0,16$ chiều dài cơ sở $L$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Đình Luân đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống lái cho xe Toyota Innova 2016 sử dụng cơ cấu bánh răng - thanh răng, dẫn động 6 khâu và trợ lực thủy lực. Toàn bộ các kết quả tính toán động lực học quay vòng, kiểm nghiệm ứng suất uốn - nén chi tiết bằng thép C35 và sai số hình thang lái đều nằm trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép của ngành kỹ thuật ô tô. Công trình là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học tính toán và quy trình công nghệ bảo dưỡng thực nghiệm đối với hệ thống lái ô tô hiện đại.