Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế tăng trưởng, nhu cầu vận tải và sử dụng phương tiện giao thông cá nhân ngày càng gia tăng. Phân khúc xe con du lịch ghi nhận sự phát triển nhanh chóng nhờ tính cơ động, hiệu quả kinh tế và khả năng đáp ứng đa dạng mục đích di chuyển. Trong đó, dòng xe Honda Civic 2018 là một trong những mẫu xe được sử dụng phổ biến. Đối với ô tô nói chung và mẫu xe này nói riêng, các chỉ tiêu về an toàn chuyển động, tính êm dịu và độ ổn định khi vận hành ở dải tốc độ cao là những tiêu chí kỹ thuật hàng đầu để đánh giá chất lượng khai thác.

Hệ thống treo đóng vai trò then chốt trong việc liên kết đàn hồi giữa bánh xe và khung vỏ, quyết định trực tiếp đến khả năng dập tắt dao động, duy trì độ bám đường và kiểm soát quỹ đạo chuyển động. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế hệ thống treo trên xe Honda Civic 2018" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Tuấn Anh dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Trịnh Xuân Cảng tại bộ môn Cơ khí Ô tô.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan lý thuyết về cấu tạo, phân loại, động học và động lực học của các dạng hệ thống treo phổ biến trên ô tô hiện đại.
  2. Khảo sát, phân tích các thông số kỹ thuật cơ sở của dòng xe Honda Civic 2018 nhằm lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo trước và treo sau tối ưu.
  3. Tính toán, thiết kế chi tiết các phần tử đàn hồi (lò xo trụ), cơ cấu dập tắt dao động (giảm chấn thủy lực) cho cả hai cầu.
  4. Xây dựng họa đồ động học, kiểm tra không gian động học và kiểm tra độ bền của cụm chi tiết chịu lực chính (đòn ngang chữ A hệ treo MacPherson) dưới các chế độ tải trọng nguy hiểm.
  5. Nghiên cứu các hư hỏng điển hình và quy trình kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống treo trong thực tế khai thác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống treo độc lập trên xe du lịch, cụ thể là hệ thống treo trước dạng MacPherson và hệ thống treo sau dạng liên kết đa điểm (Multi-link).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện trong thời gian hơn ba tháng tại Vĩnh Yên (năm 2021), kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết tính toán cơ học ô tô và khảo sát thực tế tại xưởng thực tập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật ô tô, lý thuyết dao động và tính toán thiết kế chi tiết máy:

  • Lý thuyết liên kết đàn hồi và dao động ô tô: Đánh giá hệ thống treo dưới dạng mối liên kết mềm giữa khối lượng được treo (khung, vỏ, động cơ) và khối lượng không được treo (bánh xe, moay-ơ, cầu). Mục tiêu điều chỉnh tần số dao động thích ứng với sinh lý con người trong khoảng 60–80 lần/phút ($1 - 1{,}33\text{ Hz}$).
  • Mô hình đặc tính đàn hồi và giảm chấn: Xây dựng mối quan hệ giữa tải trọng thẳng đứng $Z$ và biến dạng $f$ tại tâm bánh xe ($Z = g(f)$), xác định độ võng tĩnh $f_t$, độ võng động $f_đ$, hệ số tải trọng động $k_đ$ ($1{,}75 - 2{,}5$) và hệ số dập tắt dao động tương đối $\psi$ ($0{,}15 - 0{,}30$).
  • Động học và động lực học hệ thống treo: Khảo sát sự thay đổi của góc đặt bánh xe (góc nghiêng trụ đứng $\delta$, góc nghiêng bánh xe $\gamma$, độ chụm), hành trình bánh xe và tâm nghiêng của thùng xe trong không gian ba chiều khi chịu lực dọc (kéo/phanh), lực ngang (ly tâm, gió bên) và lực thẳng đứng.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp lý thuyết: Thu thập dữ liệu từ các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn ngành; lập công thức giải tích xác định ứng suất xoắn trong lò xo, lực cản và cân bằng nhiệt giảm chấn, tính toán bền theo lý thuyết sức bền vật liệu.
    • Phương pháp đồ họa động học: Dựng họa đồ động học hệ thống treo MacPherson theo tỷ lệ hình học thực tế để xác định tâm quay tức thời ($P, S$) và chiều dài đòn ngang.
    • Phương pháp thực tế: Quan sát, đo đạc, kiến tập quy trình tháo lắp và kiểm tra cụm chi tiết tại xưởng thực hành cơ khí ô tô.

Thiết kế và triển khai hệ thống treo

Quá trình thiết kế hệ thống treo cho xe cơ sở Honda Civic 2018 bao gồm việc xác định cấu trúc tổng thể, kích thước hình học và kiểm nghiệm tải trọng thực tế:

Hạng mục thiết kế Treo trước (MacPherson) Treo sau (Liên kết đa điểm)
Kiểu loại cơ cấu Độc lập kiểu đòn ống (MacPherson) Độc lập kiểu đa liên kết
Phần tử đàn hồi chính Lò xo trụ biến dạng xoắn ($n = 6$ vòng làm việc) Lò xo trụ biến dạng xoắn ($n = 6$ vòng làm việc)
Phần tử đàn hồi phụ Ụ cao su hạn chế hành trình ($h_{cst} = 75\text{ mm}$) Ụ cao su hạn chế hành trình
Cơ cấu giảm chấn Giảm chấn thủy lực dạng ống 2 chiều ($d_x = 45\text{ mm}$) Giảm chấn thủy lực dạng ống 2 chiều ($d_x = 50\text{ mm}$)
Thanh ổn định Dạng thanh chữ U liên kết hai bên bánh xe Bố trí kết hợp cơ cấu giằng
Vật liệu đòn ngang Hợp kim nhôm đúc $\text{AlZnMgCu1,2F50}$ Thép hợp kim kết cấu

Hệ thống được kiểm tra động học qua họa đồ xác định vị trí khớp cầu ngoài ($C_1, D_1$), khớp trụ trong ($O_1$) và tâm quay tức thời bánh xe ($P$), xác định chiều dài đòn ngang chữ A đạt $L_đ = 370\text{ mm}$. Hệ thống được kiểm tra bền đòn ngang chữ A theo 3 chế độ tải trọng tới hạn:

  1. Chế độ tải trọng động cực đại: $Z = 3780\text{ N}$, sinh ra lực dọc $F_Z = 3683\text{ N}$ và lực ngang $F_Y = 1319\text{ N}$.
  2. Chế độ phanh cực đại: Lực phanh $X = 1700\text{ N}$, lực thẳng đứng $Z = 2268\text{ N}$, tạo phản lực tại các đầu liên kết $A$ ($X_A = 1074\text{ N}$) và $B$ ($X_B = 1972\text{ N}$).
  3. Chế độ lực bên cực đại khi quay vòng: Lực bên $Y = 3117\text{ N}$, tải trọng $Z = 2917\text{ N}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống treo

Chương này hệ thống hóa các kiến thức nền tảng về nhiệm vụ, yêu cầu và cấu tạo chi tiết của hệ thống treo ô tô:

  • Công dụng và yêu cầu kỹ thuật: Định nghĩa hệ thống treo là liên kết mềm truyền lực và mô-men giữa bánh xe và khung/thùng xe, hạn chế lắc ngang, lắc dọc, đảm bảo dao động êm dịu, giảm tiếng ồn truyền lên vỏ xe và duy trì độ ổn định chuyển động ở tốc độ cao.
  • Cấu tạo các bộ phận chức năng:
    • Bộ phận đàn hồi: Phân tích nguyên lý của nhíp lá, lò xo trụ và thanh xoắn; so sánh khả năng chịu lực và bố trí không gian của từng loại.
    • Bộ phận dẫn hướng: Đảm bảo quan hệ động học và động lực học của bánh xe theo phương thẳng đứng ($z$).
    • Bộ phận giảm chấn: Sử dụng giảm chấn ống thủy lực tác dụng hai chiều (nén và trả) để dập tắt xung lực va đập.
    • Thanh ổn định và vấu cao su: Thanh chữ U chống nghiêng ngang thân xe khi vào cua; vấu cao su hạn chế hành trình cực đại và tăng độ cứng khi chịu tải lớn.
  • Phân loại hệ thống treo: Đánh giá ưu nhược điểm giữa hệ thống treo phụ thuộc (dầm cầu liền, nhíp hoặc lò xo kết hợp thanh giằng Panhard) và hệ thống treo độc lập (loại hai đòn ngang, đòn dọc, đòn dọc có thanh liên kết, đòn chéo và MacPherson).
  • Lựa chọn phương án thiết kế cho xe cơ sở: Lựa chọn hệ thống treo độc lập kiểu MacPherson cho cầu trước (giúp tối ưu không gian khoang động cơ, giảm khối lượng phần không treo) và hệ thống treo độc lập đa liên kết cho cầu sau (tăng tính êm dịu và khả năng bám đường).

Chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống treo dựa trên xe Honda Civic 2018

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày quy trình tính toán chi tiết từ số liệu xe cơ sở đến kiểm nghiệm bền:

Thông số kỹ thuật xe Honda Civic 2018 Giá trị Đơn vị
Kích thước bao ($L \times B \times H$) $4630 \times 1799 \times 1416$ $\text{mm}$
Chiều dài cơ sở ($L$) $2700$ $\text{mm}$
Chiều rộng cơ sở ($B$) $1547$ $\text{mm}$
Vết bánh xe trước $1300$ $\text{mm}$
Khoảng sáng gầm xe đầy tải ($H_{\min}$) $150$ $\text{mm}$
Ký hiệu lốp 215/50R17 -
Trọng lượng không tải ($G_0$) / Tải trọng toàn xe ($G_0$) $1530\text{ kG}$ / $13310$ $\text{N}$
Trọng lượng đầy tải ($G_a$) / Tải trọng toàn xe đầy tải ($G_T$) $2030\text{ kG}$ / $17400$ $\text{N}$
Tải trọng cầu trước đầy tải ($G_{a1} / G_{1T}$) $1045\text{ kG}$ / $7500$ $\text{N}$
Tải trọng cầu sau đầy tải ($G_{a2} / G_{2T}$) $985\text{ kG}$ / $7800$ $\text{N}$
Khối lượng phần không treo ($m_{kt}$) $22$ ($11 \times 2$) $\text{kg}$
Công suất cực đại ($N_{e\max}$) $150 / 6200$ $\text{kW/vòng/ph}$
  • Tính toán phần tử đàn hồi:
    • Treo trước: Tần số dao động $n = 70\text{ lần/phút}$, độ võng tĩnh $f_{tt} = 180\text{ mm}$, độ võng động $f_{đt} = 144\text{ mm}$, chiều cao ụ cao su $h_{cst} = 75\text{ mm}$. Lò xo có đường kính trung bình $D = 100\text{ mm}$, số vòng làm việc $n = 6$, số vòng toàn bộ $n_{lx} = 8$, chiều dài ban đầu $L = 210\text{ mm}$, chiều dài khi chịu tải tĩnh $L_t = 145\text{ mm}$.
    • Treo sau: Độ võng tĩnh $f_{ts} = 144\text{ mm}$, độ võng động $f_{đs} = 115\text{ mm}$, chiều dài ban đầu lò xo $L = 260\text{ mm}$, bước xoắn $t = 43{,}3\text{ mm}$, số vòng $n_{lx} = 8$. Vật liệu chế tạo lò xo chọn nhóm thép $55\text{MnSi}$, $50\text{Si2}$, $60\text{Si2}$ với ứng suất cho phép $[\tau] = 800 - 900\text{ MPa}$.
  • Tính toán giảm chấn và cân bằng nhiệt: Xác định hệ số tắt dần $K_{ngh} = 1210{,}7\text{ Ns/m}$, hệ số dập tắt dao động tương đối $\psi = 0{,}15$, vận tốc dịch chuyển piston $V_g = 30\text{ cm/s}$ ($V_{g\max} = 50\text{ cm/s}$). Kiểm tra nhiệt độ làm việc của giảm chấn trong môi trường nhiệt độ $t_m = 27^\circ\text{C}$ cho kết quả thỏa mãn điều kiện tản nhiệt ($< 120^\circ\text{C}$).
  • Động học và kiểm nghiệm bền: Xác định góc nghiêng ngang trụ xoay đứng $\delta_0 = 13^\circ$, góc nghiêng bánh xe $\gamma_0 = 0^\circ$, bán kính quay $r_0 = 30\text{ mm}$. Kiểm nghiệm ứng suất tiếp và ứng suất uốn cho đòn ngang chữ A bằng vật liệu hợp kim nhôm $\text{AlZnMgCu1,2F50}$ trên mặt cắt nguy hiểm 1-1.

Chương 3: Bảo dưỡng hệ thống treo

Chương 3 trình bày các phương pháp thực hành trong bảo dưỡng, chẩn đoán hư hỏng và sửa chữa hệ thống treo ô tô:

  • Các dạng hư hỏng thường gặp: Mỏi, gãy hoặc giảm độ cứng lò xo; mòn rách chụp bụi cao su; mòn các khớp cầu (rô-tuyn), nứt vỡ bạc cao su càng A; chảy dầu giảm chấn thủy lực, hỏng van giảm tải; biến dạng đòn ngang, thanh giằng hoặc thanh ổn định.
  • Quy trình bảo dưỡng và sửa chữa: Kiểm tra lực xiết các bu-lông liên kết khung xe; kiểm tra hành trình tự do và độ rơ của các khớp cầu; đo đạc độ võng của lò xo và kiểm tra độ kín khít của cụm làm kín ty đẩy giảm chấn; quy trình thay thế định kỳ dầu giảm chấn và các vấu cao su hạn chế hành trình.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các kết quả tính toán kỹ thuật cụ thể:

  1. Xác định đầy đủ các thông số kích thước, độ cứng và đặc tính đàn hồi của lò xo treo trước ($f_{tt} = 180\text{ mm}, L_0 = 210\text{ mm}$) và treo sau ($f_{ts} = 144\text{ mm}, L_0 = 260\text{ mm}$), đáp ứng chỉ tiêu êm dịu với tần số $n = 70\text{ dao động/phút}$.
  2. Thiết lập kích thước hình học và tiết diện lưu thông các van giảm chấn thủy lực ống hai chiều ($d_x = 45 - 50\text{ mm}, d_p = 40\text{ mm}$), kiểm toán nhiệt độ ổn định dưới ngưỡng $120^\circ\text{C}$.
  3. Xây dựng hoàn chỉnh họa đồ động học hệ thống treo MacPherson cầu trước, xác định chiều dài đòn ngang $L_đ = 370\text{ mm}$ và kiểm toán độ bền đòn chữ A bằng vật liệu hợp kim $\text{AlZnMgCu1,2F50}$ an toàn dưới 3 chế độ tải trọng (tải trọng động $Z = 3780\text{ N}$, phanh cực đại $X = 1700\text{ N}$, lực bên cực đại $Y = 3117\text{ N}$).
  4. Đóng góp giải pháp cấu trúc hệ thống treo độc lập phù hợp với dòng xe du lịch cỡ nhỏ/trung, tối ưu hóa không gian bố trí hệ thống truyền lực và khoang hành lý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Khi xây dựng đặc tính đàn hồi và giảm chấn, đồ án giả thiết bỏ qua lực ma sát cơ học giữa các khâu khớp và thừa nhận quan hệ đặc tính là tuyến tính ($m = 1$).
    • Chưa đi sâu khảo sát mô phỏng số động lực học nhiều vật thể (MBD) trên các phần mềm chuyên ngành hiện đại mà chủ yếu dựa trên phương pháp giải tích và đồ họa phẳng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu mô phỏng dao động không gian 3 chiều của xe khi di chuyển qua các mấp mô thực tế.
    • Khảo sát các hệ thống treo điều khiển điện tử (treo bán chủ động hoặc chủ động) có khả năng thay đổi độ cứng và hệ số cản theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu học thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực tham khảo phương pháp tính toán đồ án môn học Thiết kế Ô tô và Đồ án tốt nghiệp.
  • Giảng viên và kỹ sư cơ khí sử dụng làm tài liệu tham khảo về phương pháp giải tích thiết kế lò xo, giảm chấn và vẽ họa đồ động học hệ thống treo MacPherson.
  • Kỹ thuật viên tại các xưởng dịch vụ ô tô tham khảo quy trình kiểm tra các góc đặt bánh xe, kiểm tra hư hỏng và bảo dưỡng các cụm chi tiết hệ thống treo độc lập.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn hệ thống treo kiểu MacPherson cho cầu trước của xe Honda Civic 2018?
Hệ thống treo MacPherson có cấu tạo biến thể từ loại hai đòn ngang với chiều dài đòn trên bằng không, giảm chấn đặt đứng kết hợp trụ xoay. Kết cấu này có ít chi tiết, trọng lượng nhẹ, giúp tiết kiệm không gian ngang để bố trí động cơ đặt ngang và hệ thống dẫn động cầu trước của xe du lịch.

2. Độ võng tĩnh của hệ thống treo trước và treo sau được tính toán bằng bao nhiêu?
Dựa trên tần số dao động yêu cầu $n = 70\text{ lần/phút}$, độ võng tĩnh của hệ thống treo trước được xác định là $f_{tt} = 180\text{ mm}$. Tỷ số độ võng tĩnh sau/trước được chọn là $0{,}8$, cho ra độ võng tĩnh treo sau là $f_{ts} = 144\text{ mm}$ nhằm tránh hiện tượng dao động lắc dọc kiểu "ngựa phi".

3. Đòn ngang chữ A của hệ thống treo trước được kiểm nghiệm bền dưới những trường hợp tải trọng nào?
Đòn ngang được kiểm nghiệm bền dưới 3 chế độ tải trọng: (1) Chế độ chỉ chịu tải trọng động ($Z = 3780\text{ N}$); (2) Chế độ chịu lực phanh cực đại ($Z = 2268\text{ N}, X = 1700\text{ N}$); (3) Chế độ chịu lực bên cực đại khi quay vòng ($Z = 2917\text{ N}, Y = 3117\text{ N}$).

4. Vật liệu được chọn để chế tạo lò xo và đòn ngang chữ A trong đồ án là gì?
Lò xo đàn hồi được tính toán sử dụng các nhóm thép hợp kim đàn hồi như $55\text{MnSi}$, $50\text{Si2}$, $60\text{Si2}$ với ứng suất cho phép từ $800 - 900\text{ MPa}$. Đòn ngang chữ A của hệ treo trước sử dụng vật liệu hợp kim nhôm $\text{AlZnMgCu1,2F50}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tuấn Anh đã giải quyết toàn diện bài toán tính toán thiết kế hệ thống treo cho xe du lịch Honda Civic 2018. Thông qua việc kết hợp giữa cơ sở lý thuyết dao động ô tô, phương pháp giải tích và họa đồ động học, tác giả đã xác định chính xác các thông số kích thước của lò xo, giảm chấn và đòn ngang chữ A. Kết quả tính toán đảm bảo các tiêu chuẩn về độ êm dịu, an toàn chuyển động và độ bền cơ học cho phương tiện trong các điều kiện vận hành thực tế.