Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống lái được xác định là một trong bảy hệ thống cơ bản và đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo ô tô, với chức năng giữ xe chuyển động theo quỹ đạo nhất định hoặc thay đổi phương hướng khi cần thiết. Đây là cơ sở thực tiễn mà nhóm tác giả đặt ra để lý giải tính cấp thiết của đề tài: hệ thống lái có cấu tạo phức tạp với nhiều cụm cơ cấu và bộ phận có chức năng riêng biệt hỗ trợ lẫn nhau, đảm bảo an toàn và tiện nghi khi vận hành.

Đồ án được thực hiện bởi nhóm bốn sinh viên — Vũ Đức Tâm (MSSV 20145042), Phan Thái Thiện (MSSV 20145620), Trương Văn Sĩ (MSSV 20145060) và Huỳnh Lê Nguyên (MSSV 20145070) — dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Mạnh Cường.

Mục tiêu nghiên cứu được nhóm xác định gồm ba nhiệm vụ cụ thể:

  1. Hiểu rõ các chi tiết và nắm kiến thức cơ bản về tính toán thiết kế hệ thống lái trên xe ô tô.
  2. Kiểm nghiệm, tính toán được độ bền chi tiết của hệ thống lái.
  3. Xác định các thông số tối ưu của hình thang lái để đảm bảo động học quay vòng của các bánh xe dẫn hướng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đồ án tập trung vào hệ thống lái của xe Toyota Corolla Altis 1.8 MT, đời 2001–2007, cụ thể là phân tích, tính toán và kiểm nghiệm bền các chi tiết trong hệ thống lái của dòng xe này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết

Nhóm tác giả sử dụng lý thuyết từ giáo trình thiết kế và tính toán ô tô máy kéo làm nền tảng lý luận chủ đạo, trong đó mối quan hệ động học giữa các góc quay bánh xe dẫn hướng trong và ngoài được biểu thị bằng công thức lý thuyết chuẩn. Ngoài ra, đồ án kế thừa các khái niệm nền tảng của lý thuyết ô tô về hệ số cản lăn (f = 0,015 với đường nhựa tốt), hệ số bám ngang (φ, chọn theo lý thuyết ô tô), và các góc đặt bánh xe (camber, caster, kingpin, góc doãng).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án áp dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Phân tích – tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Tìm hiểu thông số và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trục vít – thanh răng.
  • Tra bảng kỹ thuật: Sử dụng bảng tra để kiểm nghiệm độ bền chi tiết (ứng suất tiếp xúc cho phép, hệ số an toàn, hệ số ảnh hưởng độ nhám, vận tốc vòng...).
  • Tính toán số với phần mềm MATLAB: Hỗ trợ tính toán động học hình thang lái, xây dựng đường đặc tính lý thuyết và thực tế.
  • Vẽ kỹ thuật với phần mềm AUTOCAD: Lập các bản vẽ chi tiết cơ cấu lái.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào là thông số kỹ thuật thực tế của xe Toyota Corolla Altis 1.8 MT 2001–2007 và thông số hệ thống lái đo đạc trực tiếp trên xe.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 — Giới thiệu đề tài

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết, mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Nhóm nhấn mạnh vai trò của hệ thống lái trong bảy hệ thống cơ bản của ô tô và xác định ba mục tiêu cụ thể (nêu trên). Phương pháp nghiên cứu được giới thiệu khái quát, gồm tra bảng kỹ thuật, sử dụng MATLAB và AUTOCAD.

Chương 2 — Tổng quan về hệ thống lái trên xe Toyota Corolla Altis

Chương này được chia thành hai phần lớn.

Phần 2.1 giới thiệu xe Toyota Corolla Altis 1.8 MT đời 2001–2007. Phiên bản 2007 được đánh giá có nhiều cải tiến về ngoại hình, trang bị tiện ích như gương chiếu hậu chỉnh điện và gập điện, hệ thống đèn kiểm soát tự động, rèm che nắng phía sau và hệ thống chống trộm với chìa khóa điều khiển từ xa. Các thông số kỹ thuật chính của xe được tổng hợp như sau:

Thông số Giá trị
Chiều dài toàn bộ xe 4620 mm
Chiều rộng toàn bộ xe 1175 mm
Chiều cao xe 1460 mm
Chiều dài cơ sở 2700 mm
Vệt bánh trước / sau 1520 mm / 1530 mm
Thông số lốp 185/70/R14 93H
Trọng tải 26200 N
Khoảng sáng gầm xe 130 mm
Bán kính quay vòng tối thiểu 5,4 m
Trọng lượng không tải 1225 kg
Trọng lượng toàn tải 1630 kg
Động cơ 4 xy lanh thẳng hàng, 16 van DOHC, VVT-i kép, ACIS
Mã động cơ 2ZR-FE
Dung tích công tác 1798 cc
Công suất tối đa 103 kW (138 mã lực) / 6400 vòng/phút
Mô men xoắn tối đa 173 Nm / 4000 vòng/phút
Dung tích bình nhiên liệu 55 lít

Phần 2.2 trình bày tổng quan lý thuyết về hệ thống lái, bao gồm: giới thiệu chức năng, mô tả cấu tạo bảy bộ phận chính (vành tay lái, trục lái, cơ cấu lái, đòn quay đứng, thanh kéo dọc, đòn quay đứng, hình thang lái), phân loại theo bốn tiêu chí (cách bố trí vành tay lái, kết cấu cơ cấu lái, phương pháp cường hóa, số lượng cầu dẫn hướng), và năm yêu cầu kỹ thuật bắt buộc đối với hệ thống lái (bán kính quay vòng nhỏ, đảm bảo động học quay vòng, điều khiển nhẹ nhàng, ổn định bánh xe dẫn hướng, giảm lực va đập và đảm bảo động học phù hợp với hệ thống treo).

Chương 3 — Cơ sở lý thuyết

Chương ba tập trung vào cơ sở lý thuyết tính toán với bốn nội dung:

3.1 Thông số hệ thống lái của Corolla Altis: Các thông số đầu vào thực tế gồm khoảng cách giữa hai trụ đứng B = 1390 mm, góc tạo bởi đòn bên hình thang lái và phương ngang θ = 77°, chiều dài đòn bên hình thang lái m = 160 mm, khoảng cách giữa đòn ngang và trụ trước Y = 182 mm, chiều dài thanh nối bên hình thang lái P = 250 mm.

3.2 Cấu tạo hệ thống lái trục vít – thanh răng: Trình bày cấu tạo cặp rotuyn lái trong và ngoài, nguyên lý ăn khớp trục vít – thanh răng tạo thành hình thang lái dẫn động.

3.3 Nguyên lý hoạt động được phân tích theo bốn khía cạnh: các góc đặt bánh xe (camber, caster, kingpin, góc doãng); bán kính quay vòng và lực hướng tâm; độ đàn hồi của lốp theo phương ngang và momen ổn định My.S; quan hệ động học giữa góc quay bánh xe dẫn hướng trong và ngoài với các tham số B (khoảng cách giữa hai trụ đứng) và L (chiều dài cơ sở).

Chương 4 — Thiết kế tính toán kiểm nghiệm bền

Đây là chương trọng tâm với sáu nội dung tính toán tuần tự:

4.1 Tải trọng tính toán: Xác định hai thành phần momen cản quay vòng. Momen cản M1 theo công thức M₁ = G_bx · 0,5 Nm (với f = 0,015). Momen cản M2 do trượt lê của bánh xe: bán kính x = 0,5 = 0,363 m, momen cản M₂ = 201,6 Nm. Tổng momen cản quay vòng Mc = 646,33 Nm.

4.2 Tính toán động học hình thang lái: Xây dựng đường đặc tính lý thuyết và thực tế với B₀ = 1390 mm, L = 2600 mm, cho các giá trị góc quay bánh xe trong từ 0° đến 40°. Kết luận: ở thông số θ đã chọn, đường đặc tính thực tế gần với đường lý thuyết nhất và thỏa mãn điều kiện sai lệch.

4.3 Xác định thông số hình học cơ cấu lái: Số vòng quay vành lái ứng với bánh xe quay n = 1,89 vòng. Bán kính vòng lăn bánh răng = 7,74 mm. Đường kính thanh răng tại mặt cắt nguy hiểm = 20,97 mm. Hệ số dịch chỉnh thanh răng = 0,647. Đường kính vòng chia thanh răng = 21 mm. Đường kính vòng đỉnh thanh răng D = 26 mm. Chiều cao thanh răng = 5,63 mm. Góc ăn khớp bánh răng α = 20°.

4.4 Xác định lực và momen tác dụng lên hệ thống lái: Lực cực đại đặt lên vành tay lái P_max = 250,13 N, tính theo công thức có tỷ số truyền cơ cấu tay lái i_c, hiệu suất thuận cơ cấu lái η_th (loại trục vít – thanh răng) và tỷ số truyền dẫn động lái i_d.

4.5 Thiết kế cơ cấu lái — kiểm tra vật liệu: Vật liệu chế tạo thanh răng – bánh răng là thép 40 tôi cải thiện, độ bền σ_b = 550 MPa. Giới hạn bền tiếp xúc bánh răng = 650 MPa. Ứng suất tiếp xúc cho phép = 617,5 MPa, với hệ số an toàn S_H = 1,1, hệ số ảnh hưởng độ nhám Z_R = 0,95, hệ số ảnh hưởng vận tốc vòng Z_V = 1,1, hệ số kích thước bánh răng K_XH = 1.

4.6 Thiết kế dẫn động lái và trợ lực lái được đề cập trong cấu trúc chương nhưng nội dung chi tiết không xuất hiện trong phần văn bản được cung cấp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính rút ra từ đồ án:

  • Momen cản quay vòng tổng hợp Mc = 646,33 Nm
  • Lực cực đại tác dụng lên vành tay lái P_max = 250,13 N
  • Đường kính thanh răng tại tiết diện nguy hiểm nhất = 20,97 mm
  • Đường kính vòng chia thanh răng = 21 mm, đường kính vòng đỉnh = 26 mm
  • Ứng suất tiếp xúc cho phép của cặp bánh răng – thanh răng = 617,5 MPa
  • Thông số hình thang lái (θ = 77°, m = 160 mm, P = 250 mm) xác nhận đường đặc tính thực tế gần với lý thuyết và thỏa mãn điều kiện sai lệch động học

Đóng góp của đồ án: Nhóm đã thực hiện trọn vẹn quy trình từ khảo sát thông số xe thực tế, xây dựng mô hình tính toán động học hình thang lái bằng MATLAB đến kiểm nghiệm bền chi tiết cơ cấu lái trục vít – thanh răng trên dòng xe Toyota Corolla Altis 1.8 MT đời 2001–2007 — một dòng xe phổ thông có lượng lưu hành cao tại thị trường Việt Nam. Đây là tài liệu tính toán kỹ thuật có thể dùng làm tham chiếu cho các đề tài cùng loại xe hoặc cùng kiểu cơ cấu lái.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản không nêu tường minh các hạn chế hay hướng nghiên cứu tiếp theo. Tuy nhiên, từ phạm vi đồ án có thể nhận thấy một số giới hạn tự nhiên: đồ án tập trung vào xe một dòng cụ thể (Corolla Altis 1.8 MT đời 2001–2007) nên các kết quả không tự động áp dụng cho phiên bản khác hoặc dòng xe khác. Nội dung mục 4.6 (thiết kế dẫn động lái và trợ lực lái) xuất hiện trong cấu trúc chương nhưng không có nội dung chi tiết trong phần văn bản được trích xuất, cho thấy đây là phần có thể được triển khai sâu hơn trong các nghiên cứu tiếp theo.

Giá trị tham khảo

Đồ án hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật ô tô, Cơ khí động lực đang thực hiện đồ án về hệ thống lái, cần tham khảo quy trình tính toán động học hình thang lái và kiểm nghiệm bền cơ cấu lái trục vít – thanh răng.
  • Sinh viên cần tham khảo phương pháp xây dựng đường đặc tính lý thuyết và thực tế bằng MATLAB cho bài toán động học ô tô.
  • Phần đáng tham khảo nhất là Chương 4 với bộ công thức tính momen cản quay vòng, xác định kích thước cơ cấu lái và quy trình chọn vật liệu – kiểm tra ứng suất tiếp xúc; cùng với bảng thông số kỹ thuật Toyota Corolla Altis 1.8 MT 2001–2007 được tổng hợp đầy đủ trong Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Momen cản quay vòng tổng hợp của xe Toyota Corolla Altis 1.8 MT được tính bằng bao nhiêu? Momen cản quay vòng tổng hợp Mc = 646,33 Nm, là tổng của momen cản lăn M1 và momen cản do bánh xe trượt lê M2 = 201,6 Nm.

2. Vật liệu chế tạo thanh răng – bánh răng trong cơ cấu lái là gì và ứng suất cho phép là bao nhiêu? Vật liệu là thép 40 tôi cải thiện với σ_b = 550 MPa. Ứng suất tiếp xúc cho phép của cặp bánh răng được xác định là 617,5 MPa, với hệ số an toàn S_H = 1,1.

3. Thông số hình thang lái của xe Corolla Altis được xác định cụ thể như thế nào? Khoảng cách giữa hai trụ đứng B = 1390 mm, góc đòn bên θ = 77°, chiều dài đòn bên m = 160 mm, chiều dài thanh nối bên P = 250 mm, khoảng cách đòn ngang đến trụ trước Y = 182 mm.

4. Đường đặc tính thực tế của hình thang lái được xây dựng như thế nào và kết quả so sánh với lý thuyết ra sao? Đặc tính thực tế được xây dựng bằng cách lập bảng tính góc quay bánh xe ngoài ứng với các giá trị góc trong từ 0° đến 40°, từ đó vẽ đường cong. Kết luận của nhóm là với thông số θ đã chọn, đường cong thực tế gần với đường lý thuyết nhất và thỏa mãn điều kiện sai lệch động học.

5. Lực cực đại tác dụng lên vành tay lái khi quay vòng là bao nhiêu? Lực cực đại tác dụng lên vành tay lái P_max = 250,13 N, xác định từ momen cản tổng hợp Mc = 646,33 Nm thông qua các tỷ số truyền cơ cấu và dẫn động lái cùng hiệu suất thuận của cơ cấu lái loại trục vít – thanh răng.

Kết luận

Đồ án thực hiện trọn quy trình kỹ thuật tính toán hệ thống lái trục vít – thanh răng trên xe Toyota Corolla Altis 1.8 MT đời 2001–2007, bao gồm xác định tải trọng, phân tích động học hình thang lái, xác định kích thước cơ cấu lái và kiểm nghiệm bền vật liệu. Kết quả tính toán số cụ thể — momen cản 646,33 Nm, lực vành lái 250,13 N, ứng suất cho phép 617,5 MPa — là nền tảng để đánh giá tính hợp lệ của thiết kế. Phần xây dựng và so sánh đường đặc tính hình thang lái lý thuyết và thực tế bằng MATLAB là điểm có giá trị phương pháp luận trong đồ án này.