Tổng quan nghiên cứu

Thị trường ô tô đa dụng tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng hơn 15% mỗi năm, trong đó phân khúc xe 7 chỗ chiếm thị phần đáng kể nhờ tính đa dụng và khả năng chuyên chở linh hoạt. Tuy nhiên, điều kiện đường sá với hơn 60% mạng lưới giao thông hỗn hợp thường xuyên tạo ra các xung lực mấp mô, gây ảnh hưởng trực tiếp đến tính êm dịu chuyển động và an toàn kỹ thuật của phương tiện. Vấn đề cốt lõi được đặt ra trong nghiên cứu này là thiết kế và tối ưu hóa hệ thống treo cho dòng xe du lịch 7 chỗ, giải quyết bài toán cân bằng giữa độ ổn định thân xe và sự thoải mái cho hành khách khi dải tải trọng biến thiên liên tục từ trạng thái không tải 18.960 N đến đầy tải 26.070 N.

Mục tiêu cụ thể của đề tài tập trung vào việc tính toán, thiết kế hệ thống treo trước độc lập kiểu McPherson và hệ thống treo sau phụ thuộc sử dụng nhíp lá, đồng thời kiểm nghiệm độ bền chi tiết chịu lực theo các chế độ vận hành khắc nghiệt. Nghiên cứu lấy đối tượng tham chiếu là mẫu xe Ford Everest Limited 4x2 MT với chiều dài cơ sở 2.860 mm, chiều rộng cơ sở 1.500 mm và khoảng sáng gầm xe 210 mm, được tiến hành hoàn thiện tại Thành phố Hồ Chí Minh vào năm 2023. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc đưa tần số dao động riêng của hệ thống về ngưỡng 8,1 rad/s (tương đương 77,4 lần/phút), nằm chuẩn xác trong vùng sinh lý học tối ưu từ 60 đến 85 lần/phút, giúp giảm thiểu trên 35% nguy cơ say xe và mệt mỏi cho người ngồi trong các hành trình dài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai lý thuyết kỹ thuật then chốt: Lý thuyết dao động ô tô hiện đại và Lý thuyết động lực học tiếp xúc bánh xe - mặt đường. Mô hình dao động không gian được đơn giản hóa hợp lý nhờ hệ số phân bố khối lượng đạt giá trị từ 0,85 đến 1,05, cho phép phân tách và khảo sát độc lập dao động của khối lượng đặt lên cầu trước và cầu sau. Hệ thống phân tích lực tiếp nhận tương tác 3 chiều tại điểm tiếp xúc lốp gồm lực thẳng đứng Z, lực dọc X và lực ngang Y, từ đó xác định chính xác các mômen lật, mômen cản và phản lực truyền lên khung vỏ xe.

Khung khái niệm trọng tâm bao gồm:

  • Độ võng tĩnh của hệ thống treo (được xác định ở mức ft = 150 mm) quyết định độ mềm của phần tử đàn hồi.
  • Độ võng động (fd = 120 mm) đảm bảo khả năng hấp thụ va đập khi qua chướng ngại vật gồ ghề.
  • Bán kính quay bánh xe quanh trụ đứng kingpin mang giá trị âm ro = -15 mm, kết hợp cùng góc nghiêng ngang trụ đứng 10 độ nhằm triệt tiêu mômen hiệu ứng con quay và hiện tượng rung lắc tay lái.
  • Hệ số dập tắt dao động của hệ treo đạt D = 3,24 rad/s với hệ số cản tương đối 0,2, tạo điều kiện triệt tiêu nhanh các xung lực ngoại lai.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ bộ thông số hình học và động lực học tiêu chuẩn của dòng xe 7 chỗ động cơ 141 mã lực, kết hợp với các tiêu chuẩn cơ tính vật liệu chế tạo máy quốc tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập hợp 3 chế độ tải trọng điển hình: chế độ chịu tải tĩnh danh định, chế độ phanh gấp với hệ số phân bố tải trọng 1,2 kèm lực bám dọc cực đại, và chế độ quay vòng chịu lực bám ngang cực đại với hệ số bám bằng 1,0. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng để tập trung vào các trạng thái giới hạn nguy hiểm nhất trong vòng đời vận hành của xe.

Lý do lựa chọn phương pháp giải tích động lực học kết hợp kiểm nghiệm sức bền vật liệu là nhằm lượng hóa chính xác ứng suất tiếp, ứng suất uốn và độ ổn định kết cấu tại các vị trí tập trung ứng suất như cổ thắt rô-tuyn đường kính 20 mm hay đòn ngang chữ A tiết diện 40x60 mm. Toàn bộ chu trình tính toán, thiết kế kết cấu, kiểm tra bền và tối ưu hóa các thông số hình học được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 9 tháng của năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán giải tích và kiểm nghiệm động lực học đã mang lại những kết quả kỹ thuật then chốt sau:

Thứ nhất, hệ thống treo trước McPherson sử dụng lò xo trụ thép đàn hồi 50CrV4 có độ cứng tính toán đạt 47.914,7 N/m. Độ võng tĩnh của hệ thống treo trước ở trạng thái không tải đạt 109,1 mm và tăng lên 150 mm khi đầy tải, tạo hành trình làm việc toàn phần của lò xo đạt 190 mm. Kết quả này giúp ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng va chạm cứng vào ụ cao su hạn chế hành trình.

Thứ hai, kết cấu đòn ngang dưới chữ A chế tạo bằng hợp kim nhôm AlZnMgCu1,2F50 (giới hạn bền 510 MPa) có chiều dài 380 mm thể hiện độ bền cơ học vượt trội. Trong tình huống chịu lực phức tạp nhất (kết hợp lực thẳng đứng 10.296,6 N và lực dọc), ứng suất uốn cực đại chỉ đạt 289,6 N/mm2 so với giới hạn cho phép 340 N/mm2, ứng suất tiếp cực đại đạt 6,4 N/mm2 so với giới hạn 170 N/mm2. Đặc biệt, hệ số ổn định uốn dọc của đòn chữ A đạt n0 = 158, cao gấp nhiều lần so với ngưỡng an toàn quy chuẩn từ 2 đến 3.

Thứ ba, khớp cầu rô-tuyn chịu lực cắt tổng hợp lớn nhất lên tới 8.711,64 N tại vị trí cổ thắt tiết diện nguy hiểm đường kính 20 mm. Khi sử dụng vật liệu thép hợp kim 42CrMo4V có giới hạn bền 1.000 MPa, ứng suất cắt thực tế chỉ là 27,7 N/mm2, nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất cắt cho phép 333,3 N/mm2, tạo hệ số dự trữ bền hơn 12 lần. Ứng suất chèn dập của khớp cầu đạt 16,4 N/mm2, nằm an toàn trong giới hạn vật liệu.

Thứ tư, lò xo trụ giảm xóc trước có đường kính dây 16 mm, đường kính vòng trung bình 160 mm, chiều cao tự do 376 mm với 4 vòng làm việc và 5,5 vòng toàn bộ. Lực đàn hồi cực đại tác dụng lên lò xo khi qua gờ giảm tốc đạt 14.152,3 N, tạo ra biên độ ứng suất dao động 516,45 MN/m2 và ứng suất trung bình 1089,25 MN/m2, hoàn toàn thỏa mãn điều kiện an toàn mỏi dài hạn với hệ số an toàn lớn hơn 2,0.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cơ cấu treo trước đạt hiệu năng cao là việc áp dụng đòn ngang hợp kim nhôm, giúp cắt giảm 28% khối lượng phần không treo xuống chỉ còn 24 kg cho cả cụm trục trước. Khối lượng không treo nhẹ kết hợp bánh xe kích thước 255/60R18 với bán kính động lực 354,9 mm giúp lốp xe bám sát biên dạng mặt đường, giảm chấn động dội ngược lên khung gầm.

Dữ liệu tính toán dao động có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ đường đặc tính đàn hồi lực - chuyển vị và bảng ma trận phân bố ứng suất các chiều. Biểu đồ đặc tính giảm chấn thể hiện hệ số cản trung bình quy dẫn tại cầu trước đạt 1.609,5 Ns/m và cầu sau đạt 2.510,4 Ns/m. Sự chênh lệch này giải thích cho khả năng dập tắt hoàn toàn dao động thân xe chỉ sau 1,2 đến 1,5 chu kỳ sóng kích động. So với hệ thống treo phụ thuộc hai đòn truyền thống, cấu trúc McPherson độc lập giảm thiểu góc lệch bánh xe Camber về mức xấp xỉ 0 độ, hạn chế tối đa độ mòn không đều của lốp xe.

Đồng thời, việc duy trì hệ thống nhíp lá phụ thuộc ở cầu sau với khả năng chịu tải đầy tải 15.642 N là giải pháp tối ưu cho dòng xe 7 chỗ. Cấu trúc nhíp nửa elip đóng vai trò kép vừa là phần tử đàn hồi, vừa dẫn hướng và triệt tiêu tải trọng xoắn từ lực phanh cực đại 4.692,6 N truyền qua dầm cầu liền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thiết kế và kiểm nghiệm độ bền, 4 giải pháp công nghệ và quy trình kỹ thuật được đề xuất như sau:

Thứ nhất, chuyển giao quy trình đúc dập hợp kim nhôm định hình cao cấp AlZnMgCu1,2F50 cho toàn bộ hệ càng chữ A của hệ thống treo trước. Mục tiêu giảm thêm 15% khối lượng cụm dẫn hướng, triển khai trong thời gian 6 tháng do phòng Nghiên cứu và Phát triển của các nhà máy sản xuất ô tô chủ trì.

Thứ hai, tích hợp hệ thống van tiết lưu thủy lực điều khiển điện tử thông minh vào bộ giảm chấn ống hai lớp vỏ. Giải pháp này hướng tới việc tự động điều chỉnh hệ số cản biến thiên theo tốc độ xe, nâng cao hiệu quả êm dịu lên 25% trên đường gồ ghề, thực hiện thử nghiệm trong khung thời gian 12 tháng bởi đội ngũ kỹ sư cơ điện tử ô tô.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình bảo dưỡng và kiểm tra siêu âm khuyết tật định kỳ cho các vị trí cổ ngỗng rô-tuyn đường kính 20 mm và bulông quang nhíp sau mỗi 20.000 km vận hành. Duy trì ứng suất làm việc thực tế dưới ngưỡng 16,4 N/mm2, áp dụng ngay tại hệ thống đại lý và xưởng dịch vụ ủy quyền.

Thứ tư, nâng cấp biên dạng lá nhíp chính và ứng dụng công nghệ phun bi làm sạch bề mặt cho bộ nhíp sau bằng thép hợp kim đàn hồi cao. Giải pháp này giúp gia tăng độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc của bó nhíp vượt mốc 250.000 km, hoàn thiện trong lộ trình 18 tháng dưới sự thực hiện của các viện nghiên cứu cơ khí động lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư R&D và thiết kế kết cấu tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô: Sử dụng toàn bộ thuật toán tính toán động học hệ treo McPherson, công thức quy dẫn hệ số cản và mô hình hóa lực phanh 6.256,8 N để phát triển các dòng xe SUV, MPV đô thị mới.

Nhóm thứ hai là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tham khảo khung phương pháp luận kiểm nghiệm bền chi tiết phức tạp, quy trình tính toán lò xo trụ 50CrV4 và xác định tần số dao động riêng 8,1 rad/s phục vụ công tác giảng dạy và thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Nhóm thứ ba là các chuyên viên kiểm định chất lượng và đăng kiểm phương tiện cơ giới: Khai thác các chỉ số giới hạn an toàn kỹ thuật như độ võng động 120 mm, khoảng sáng gầm xe tối thiểu 210 mm và góc nghiêng trụ đứng 10 độ làm chuẩn đo kiểm khi nghiệm thu phương tiện hoán cải.

Nhóm thứ tư là kỹ thuật viên trưởng tại các trung tâm dịch vụ kỹ thuật gầm ô tô: Ứng dụng các thông số về lực cắt rô-tuyn 8.711,64 N và giới hạn đàn hồi của nhíp lá để chẩn đoán chính xác các hiện tượng rơ lắc, xô lệch cầu và đưa ra phương án đại tu tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống treo trước kiểu McPherson có ưu điểm nổi bật gì so với hệ thống treo hai đòn ngang? Hệ thống treo McPherson có cấu trúc tinh gọn hơn, giúp giảm khối lượng phần không treo xuống còn 24 kg và tiết kiệm đáng kể không gian khoang động cơ. Thiết kế này giúp duy trì góc đặt bánh xe chuẩn xác với góc nghiêng trụ đứng 10 độ, giảm thiểu hiện tượng mòn lốp không đều và nâng cao tính ổn định tay lái khi vận hành.

Tần số dao động riêng 8,1 rad/s của hệ thống treo ảnh hưởng như thế nào đến độ êm dịu? Giá trị 8,1 rad/s tương đương tần số dao động 77,4 lần/phút, nằm chính xác trong dải tần số tối ưu từ 60 đến 85 lần/phút tương thích với nhịp bước đi tự nhiên của con người. Thông số này đảm bảo triệt tiêu các xung kích có hại, hạn chế rung lắc thân xe và giảm thiểu cảm giác mệt mỏi cho hành khách trong xe.

Tại sao đòn ngang chữ A làm bằng hợp kim nhôm vẫn đảm bảo an toàn dưới tải trọng va đập lớn? Vật liệu hợp kim nhôm AlZnMgCu1,2F50 có giới hạn bền cao đạt 510 MPa. Khi chịu tải trọng uốn cực đại, ứng suất thực tế sinh ra chỉ đạt 289,6 N/mm2, tạo hệ số an toàn lớn hơn 1,5. Đồng thời, hệ số ổn định uốn dọc của đòn treo đạt mức 158, vượt xa mức yêu cầu từ 2 đến 3.

Vì sao cầu sau của xe 7 chỗ vẫn sử dụng nhíp lá thay vì chuyển sang lò xo trụ? Cầu sau của xe 7 chỗ phải chịu tải trọng tĩnh biến thiên rất lớn, lên tới 15.642 N khi đầy tải. Nhíp lá vừa đóng vai trò đàn hồi vừa làm cơ cấu dẫn hướng truyền lực kéo và lực phanh, mang lại độ bền cơ học cao, khả năng chịu quá tải tốt và tối ưu chi phí bảo dưỡng.

Làm thế nào để hệ thống treo kiểm soát hiện tượng chạm ụ cao su khi xe chạy trên đường xấu? Hệ thống được thiết kế với độ võng động 120 mm kết hợp tổng hành trình làm việc của lò xo 190 mm và khoảng sáng gầm xe 210 mm. Khi xuất hiện tải trọng động với hệ số xung kích bằng 2,0, ụ cao su chỉ biến dạng trong khoảng từ 10% đến 20% chiều dài, triệt tiêu hoàn toàn va đập cứng.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thiện toàn diện quy trình tính toán, thiết kế hệ thống treo trước McPherson và treo sau nhíp lá cho dòng xe 7 chỗ với tải trọng toàn bộ 26.070 N.
  • Xác lập thành công các thông số động lực học tối ưu với tần số dao động riêng 8,1 rad/s và hệ số dập tắt dao động 3,24 rad/s, đảm bảo độ êm dịu theo tiêu chuẩn quốc tế.
  • Kiểm chứng thành công độ bền cơ học của đòn ngang chữ A nhôm AlZnMgCu1,2F50 và khớp cầu rô-tuyn 42CrMo4V với hệ số an toàn uốn, cắt vượt trên 1,5 lần.
  • Tính toán chuẩn xác phần tử đàn hồi lò xo trụ thép 50CrV4 chịu tải cực hạn 14.152,3 N và bó nhíp sau đáp ứng trọn vẹn dải tải trọng động lên tới 15.642 N.
  • Đóng góp nguồn tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao, phục vụ trực tiếp cho hoạt động nghiên cứu, giảng dạy và phát triển sản phẩm ô tô tại Việt Nam.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là ứng dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn đa vật thể trên phần mềm chuyên dụng và tiến hành thử nghiệm trên mô hình thực tế. Quý độc giả, kỹ sư và các nhà nghiên cứu hãy tham khảo toàn bộ dữ liệu tính toán chi tiết trong luận văn để ứng dụng hiệu quả vào các dự án thiết kế và nâng cấp khung gầm ô tô hiện đại.