Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, học phần Đồ án tính toán thiết kế ô tô đóng vai trò then chốt nhằm giúp người học tổng hợp lý thuyết cơ sở ngành và áp dụng vào việc giải quyết một bài toán kỹ thuật cụ thể. Trước xu thế phát triển mạnh mẽ của các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch, việc nghiên cứu kết cấu hệ dẫn động và khung gầm của xe điện trở thành một yêu cầu cấp thiết. Đề tài "Thiết kế mô hình xe RC động cơ điện" được nhóm sinh viên Viện Kỹ thuật HUTECH thực hiện nhằm hiện thực hóa các nguyên lý tính toán thiết kế cơ khí và động lực học ô tô thông qua một mô hình xe điều khiển từ xa (Radio-Controlled - RC) chạy điện mô phỏng theo mẫu xe địa hình Jeep Wrangler.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu cấu tạo, tính toán các thông số cơ bản, ứng dụng phần mềm CAD để thiết kế chi tiết và chế tạo thành công mô hình xe RC hoàn chỉnh có khả năng vận hành thực tế. Để đạt được mục tiêu này, nhiệm vụ nghiên cứu được xác định và phân công cụ thể qua 4 bước:

  1. Tìm hiểu kết cấu cơ bản của ô tô điện, thực hiện tính toán động lực học và lựa chọn nguồn động lực cho xe mô hình chạy điện.
  2. Khảo sát, đo đạc và thu thập thông số hình học, kích thước kỹ thuật các bộ phận từ nguyên mẫu xe Jeep Wrangler.
  3. Thiết kế mô hình 3D toàn bộ các chi tiết và cụm hệ thống của xe trên phần mềm chuyên dụng Solidworks, đồng thời xuất các bản vẽ kỹ thuật 2D đạt chuẩn.
  4. Gia công, thi công lắp ráp cơ khí, tích hợp hệ thống điện - điều khiển và tiến hành thử nghiệm vận hành mô hình thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình xe RC sử dụng động cơ điện, lấy kiểu dáng và kết cấu khung gầm của dòng xe địa hình Jeep Wrangler làm dữ liệu tham chiếu ban đầu. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn tại Viện Kỹ thuật - Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH). Phạm vi thời gian thực hiện kéo dài trong 10 tuần của Học kỳ IA năm học 2024–2025, bắt đầu giao đề tài từ ngày 22/09/2024, hoàn thành nộp báo cáo vào ngày 07/12/2024 và tiến hành đánh giá bảo vệ từ ngày 12/12/2024 đến ngày 15/12/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tính toán thiết kế ô tô truyền thống kết hợp với các nguyên lý kỹ thuật ô tô điện và cơ khí chính xác. Cơ sở lý thuyết trọng tâm bao gồm:

  • Lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô, phân bố tải trọng lên các trục, lực cản chuyển động và lực kéo tiếp xúc của bánh xe.
  • Kết cấu hệ thống treo độc lập và phụ thuộc, cơ cấu giảm chấn và lò xo nhằm đảm bảo độ êm dịu và tính năng vượt địa hình của xe mô hình.
  • Kết cấu hệ thống truyền lực xe điện bao gồm động cơ điện DC/Brushless, bộ điều tốc điện tử (ESC), bộ vi sai và hệ dẫn động các cầu.
  • Tiêu chuẩn biểu diễn bản vẽ kỹ thuật cơ khí theo các hình chiếu thẳng góc, hình cắt và mô hình hóa hình học không gian 3D.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa số và thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích - đối chuẩn (Benchmarking): Khảo sát các dạng kết cấu xe RC hiện có trên thị trường, phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp truyền động và hệ thống treo để lựa chọn phương án tối ưu.
  • Phương pháp đo đạc và mô phỏng hình học: Thu thập thông số từ nguyên mẫu xe Jeep Wrangler, quy đổi tỷ lệ kích thước hình học phù hợp với mô hình RC.
  • Phương pháp thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD): Sử dụng phần mềm Dassault Systèmes Solidworks để xây dựng mô hình khối 3D (Solid Modeling), thiết kế từng chi tiết đơn lẻ (Part) và mô phỏng quá trình lắp ráp (Assembly).
  • Phương pháp chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm: Gia công cơ khí các chi tiết khung gầm, lắp ghép hệ thống truyền lực, đấu nối mạch điều khiển vô tuyến và chạy thử nghiệm trên các điều kiện địa hình để kiểm tra độ ổn định.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe Jeep Wrangler, thư viện thông số linh kiện xe RC (động cơ điện, pin, servo lái, bộ truyền động bánh răng) và tài liệu quy chuẩn đánh giá chuẩn đầu ra (CLO) của Viện Kỹ thuật HUTECH.

Thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình

Là một đồ án chuyên ngành kỹ thuật cơ khí ô tô, trọng tâm của đề tài là quy trình thiết kế CAD và triển khai chế tạo mô hình thực tế. Quá trình thiết kế trên phần mềm Solidworks được phân công cụ thể cho từng thành viên trong nhóm 5 sinh viên nhằm đảm bảo tính chuyên môn hóa và khả năng tích hợp hệ thống.

Thành viên thực hiện Mã số sinh viên Nhiệm vụ thiết kế chi tiết trên Solidworks
Vũ Phi Long 2182505493 Thiết kế khung gầm xe (chassis), kết cấu cụm bánh xe và lốp
Bạch Hồng Phúc 2182505381 Thiết kế hệ thống treo phía trước, các đòn liên kết và giảm chấn
Nguyễn Bùi Minh Hiển 2182504842 Thiết kế hệ thống treo phía sau và cơ cấu đòn dẫn hướng
Huỳnh Hữu Nghĩa 2182505500 Thiết kế cụm cản trước (front bumper) và vỏ cầu xe trước
Lê Trọng Nhân 2182505040 Thiết kế cụm cản sau (rear bumper) và vỏ cầu xe sau

Quy trình thiết kế và triển khai bao gồm:

  1. Thiết kế cụm khung gầm và hệ thống treo: Khung gầm dạng thanh chịu lực được thiết kế để chịu tải trọng của toàn bộ hệ thống pin, động cơ và mạch điều khiển. Hệ thống treo trước và treo sau được thiết kế với các thanh giằng và cụm giảm xóc lò xo nhằm mô phỏng sát nhất khả năng vận hành của hệ thống treo nguyên mẫu Jeep Wrangler.
  2. Thiết kế cầu xe và hệ thống bảo vệ: Cầu trước và cầu sau được mô hình hóa chính xác để chứa trục truyền động và bộ vi sai. Cản trước và cản sau được tạo hình vừa đảm bảo tính thẩm mỹ của dòng xe địa hình, vừa đóng vai trò bảo vệ kết cấu bên trong khi xảy ra va chạm.
  3. Mô phỏng lắp ráp và xuất bản vẽ: Các bộ phận sau khi thiết kế đơn lẻ được đưa vào môi trường Assembly trên Solidworks để kiểm tra va chạm hình học (Interference Detection). Sau đó, nhóm xuất đầy đủ hồ sơ bản vẽ 2D gồm: hình chiếu đứng, hình chiếu bằng, hình chiếu cạnh, các mặt cắt chi tiết và hình chiếu trục đo 3D.
  4. Gia công, lắp ráp và thử nghiệm: Các chi tiết được chế tạo, tích hợp cùng động cơ điện, hệ thống lái servo, bộ điều khiển trung tâm và nguồn cấp điện. Quá trình thử nghiệm kiểm tra tính đồng bộ giữa tín hiệu điều khiển vô tuyến và phản hồi cơ học của hệ dẫn động.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục của báo cáo đồ án được cấu trúc thành 4 chương chính theo tiến độ theo dõi thực hiện:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu và chế tạo mô hình xe điện điều khiển từ xa trong bối cảnh chuyển đổi phương tiện giao thông xanh. Nhóm tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, nêu rõ các nhiệm vụ kỹ thuật cần hoàn thành, trình bày phương pháp luận nghiên cứu và phác thảo kết cấu tổng thể của cuốn đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về đề tài

Chương 2 tập trung trình bày tổng quan về các dòng mô hình xe RC trên thế giới và tại Việt Nam. Nội dung đi sâu phân tích kết cấu cơ bản của xe địa hình, nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền lực điện, cơ chế điều khiển từ xa và khảo sát, so sánh một vài mô hình xe RC hiện có trên thị trường để rút ra các giải pháp cấu tạo phù hợp cho đề tài.

Chương 3: Tính toán, thiết kế, thi công và lắp ráp mô hình xe

Đây là chương nội dung cốt lõi của đồ án, bao gồm ba phân đoạn chính:

  • Tính toán và lựa chọn bộ phận: Tính toán công suất động cơ điện, dung lượng nguồn pin, tỷ số truyền của hộp giảm tốc và kích thước các cụm chi tiết chịu lực.
  • Thiết kế 3D trên Solidworks: Mô hình hóa chi tiết khung gầm, bánh xe, hệ thống treo trước, hệ thống treo sau, cầu xe và hệ thống cản bảo vệ.
  • Thi công, lắp ráp và thử nghiệm: Trình bày quy trình chế tạo phôi, lắp ráp các cụm chi tiết cơ khí, đấu nối thiết bị điện tử điều khiển và tiến hành chạy thử nghiệm kiểm tra tính năng vận hành của xe mô hình.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công; đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu và nhiệm vụ ban đầu; chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất hướng phát triển mở rộng mô hình trong tương lai. Cuối cùng là danh mục tài liệu tham khảo được sử dụng.

Bảng tiến độ thực hiện đề tài qua các tuần được ghi nhận trong phiếu theo dõi:

Tuần Khoảng thời gian Nội dung công việc thực hiện
Tuần 1 22/09/2024 Nhận giao đề tài và phân công nhiệm vụ nhóm
Tuần 2 26/09 – 03/10/2024 Hoàn thành Chương 1: Giới thiệu đề tài
Tuần 3 – 4 03/10 – 17/10/2024 Hoàn thành Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phân tích mô hình xe hiện có
Tuần 5 17/10 – 24/10/2024 Chương 3: Tính toán, lựa chọn các bộ phận chính của mô hình xe
Tuần 6 – 8 24/10 – 21/11/2024 Chương 3: Thiết kế các cụm chi tiết, hệ thống chính trên Solidworks
Tuần 9 – 10 21/11 – 05/12/2024 Chương 3: Thi công, lắp ráp và thử nghiệm vận hành mô hình xe
Tuần 11 05/12 – 12/12/2024 Hoàn thành Chương 4: Kết luận, hướng phát triển và tài liệu tham khảo
Tuần 12 12/12 – 15/12/2024 Đánh giá báo cáo bảo vệ đồ án môn học

Đánh giá học thuật theo chuẩn đầu ra (CLO)

Kết quả thực hiện đồ án của nhóm sinh viên được đánh giá định lượng thông qua hệ thống phiếu chấm Rubric chuẩn đầu ra của Viện Kỹ thuật HUTECH bởi Giảng viên hướng dẫn (ThS. Nguyễn Hữu Thạnh) và Giảng viên phản biện (ThS. Võ Hiếu Trung).

Cơ cấu tính điểm kết thúc học phần đồ án được quy định theo công thức: $$\text{Tổng điểm học phần} = 40% \times \text{Điểm quá trình} + 30% \times \text{Điểm GVHD} + 30% \times \text{Điểm GVPB}$$

Trong đó, điểm đánh giá quá trình thực hiện được tổng hợp từ ba tiêu chí:

  • 30% Điểm chuyên cần (CLO5)
  • 30% Điểm ý thức và thái độ (CLO5)
  • 40% Điểm mức độ đáp ứng nội dung nhiệm vụ (CLO1, CLO2, CLO3, CLO7)
Chuẩn đầu ra (CLO) Tiêu chí đánh giá chi tiết Trọng số Kết quả đánh giá của GVHD
CLO1 Định dạng báo cáo (Font chữ, giãn dòng, chú thích hình/bảng/bản vẽ, tài liệu tham khảo đúng chuẩn) 10% Mức A (0.9/1.0 điểm)
CLO2 Phân bố bố cục logic, trình tự rõ ràng, giới thiệu tổng quan đề tài và xác định phạm vi hợp lý 20% Mức A (1.8/2.0 điểm: gồm 0.9 điểm bố cục + 0.9 điểm giới thiệu)
CLO3 Trích dẫn tài liệu tham khảo đúng quy định, hợp lý và có độ tin cậy 10% Mức A (0.9/1.0 điểm)
CLO4 Tổ chức, tính toán thiết kế và thi công mô hình độc lập, dự đoán các tình huống kỹ thuật 20% Mức A (1.8/2.0 điểm)
CLO5 Chuyên cần tham gia các buổi gặp GVHD; ý thức làm việc tốt, hoàn thành trước tiến độ 60% (quá trình) Mức A (2.7 điểm chuyên cần + 2.7 điểm thái độ)
CLO7 Kỹ năng trả lời câu hỏi phản biện, nắm vững nội dung chuyên môn 30% (báo cáo) Mức A (2.7/3.0 điểm)

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các sản phẩm tối thiểu theo đúng yêu cầu giao đề tài ban đầu:

  • Sản phẩm thuyết minh và bản vẽ: Quyển báo cáo đồ án môn học hoàn chỉnh theo quy định đào tạo của HUTECH, đi kèm tập bản vẽ kỹ thuật chi tiết (hình chiếu đứng, chiếu bằng, chiếu cạnh, mặt cắt và mô hình 3D).
  • Sản phẩm phần cứng thực nghiệm: Mô hình xe RC động cơ điện hoàn thiện dựa trên kiểu dáng Jeep Wrangler, có kết cấu cơ khí vững chắc, các hệ thống treo, cầu dẫn động hoạt động đồng bộ và hệ thống điều khiển vô tuyến phản hồi chính xác.
  • Kết quả đánh giá học thuật: Nhóm sinh viên được Giảng viên hướng dẫn ghi nhận hoàn thành trên 90% mục tiêu, nhiệm vụ bài toán đặt ra (đạt Mức A ở tiêu chí đáp ứng nhiệm vụ). Tổng điểm đánh giá quá trình và điểm báo cáo từ Giảng viên hướng dẫn đạt mức xuất sắc 9.0/10 điểm; Giảng viên phản biện đánh giá đạt mức chất lượng loại A/B trên các tiêu chí Rubric (CLO1: 0.8; CLO2: 0.8; CLO3: 0.8).

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về quy trình mô hình hóa các cụm chi tiết gầm và treo ô tô bằng Solidworks, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng phương pháp thiết kế CAD vào chế tạo mô hình dạy học và nghiên cứu thực nghiệm trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực hiện được ghi nhận trong văn bản đồ án, các hạn chế kỹ thuật và hướng mở rộng được xác định gồm:

  • Hạn chế:
    • Mô hình tập trung chủ yếu vào việc tái tạo kết cấu cơ khí tĩnh và động học cơ bản ở quy mô thu nhỏ của xe Jeep Wrangler; các bài toán phân tích ứng suất chuyên sâu (FEA) và khí động học phức tạp (CFD) chưa được trình bày chi tiết trong khuôn khổ đồ án môn học.
    • Vật liệu chế tạo và công nghệ gia công mô hình phụ thuộc vào điều kiện thiết bị xưởng thực hành, chưa tối ưu hóa trọng lượng tối đa như các sản phẩm thương mại cao cấp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục nâng cấp hệ thống điều khiển, nghiên cứu tích hợp các cảm biến đo lường từ xa (telemetry) để thu thập dữ liệu tốc độ, góc lái và gia tốc trọng trường trong thời gian thực.
    • Nghiên cứu cải tiến vật liệu chế tạo khung vỏ nhằm gia tăng độ bền chịu va đập và giảm tự trọng cho xe.
    • Ứng dụng mô hình vào các bài thí nghiệm kiểm chứng lý thuyết dao động ô tô và tính năng ổn định chuyển động trong chương trình đào tạo chuyên ngành.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo phương pháp xây dựng cây mô hình 3D (Part & Assembly) trên Solidworks cho các cơ cấu phức tạp như hệ thống treo độc lập/phụ thuộc, cụm cầu xe và khung gầm chassis.
  • Người thực hiện các đề tài nghiên cứu về mô hình xe RC: Tham khảo cách thức phân chia module công việc, lựa chọn linh kiện động lực điện (động cơ, ESC, servo, pin) và quy trình chuyển đổi từ mô hình thiết kế số sang sản phẩm thực nghiệm.
  • Giảng viên và cán bộ hướng dẫn đồ án: Sử dụng làm tài liệu tham khảo về cấu trúc hồ sơ đồ án thiết kế kỹ thuật đáp ứng các chuẩn đầu ra (CLO) và thang đo Rubric đánh giá năng lực người học theo tiêu chuẩn kiểm định giáo dục kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài này thuộc học phần nào và do ai hướng dẫn, phản biện?
Đề tài thuộc học phần "Đồ án tính toán thiết kế ô tô" của ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Viện Kỹ thuật - Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH). Đề tài do ThS. Nguyễn Hữu Thạnh hướng dẫn và ThS. Võ Hiếu Trung làm giảng viên phản biện.

2. Nhóm tác giả lựa chọn kiểu dáng và kết cấu của loại xe nào làm dữ liệu ban đầu cho mô hình?
Dữ liệu ban đầu được nhóm tác giả lựa chọn để nghiên cứu, đo đạc lấy thông số và thiết kế mô hình xe RC động cơ điện là dòng xe địa hình Jeep Wrangler.

3. Các thành viên trong nhóm sinh viên được phân chia nhiệm vụ thiết kế trên phần mềm Solidworks như thế nào?
Nhiệm vụ thiết kế trên Solidworks được chia cho 5 sinh viên: Vũ Phi Long vẽ gầm xe và bánh xe; Bạch Hồng Phúc vẽ hệ thống treo trước; Nguyễn Bùi Minh Hiển vẽ hệ thống treo sau; Huỳnh Hữu Nghĩa vẽ cản trước và cầu xe trước; Lê Trọng Nhân vẽ cản sau và cầu xe sau.

4. Kết quả đánh giá đồ án của nhóm sinh viên đạt mức điểm và chất lượng như thế nào theo chuẩn đầu ra (CLO)?
Nhóm sinh viên được Giảng viên hướng dẫn chấm điểm quá trình và điểm báo cáo đạt 9.0/10 điểm, xếp mức A (hoàn thành trên 90% mục tiêu, nhiệm vụ đề ra); các tiêu chí về kỹ năng trình bày, định dạng báo cáo, trích dẫn tài liệu tham khảo, thiết kế và trả lời câu hỏi đều đạt mức xuất sắc trên thang đo Rubric.

5. Sản phẩm bắt buộc phải nộp của đồ án bao gồm những hạng mục nào?
Kết quả tối thiểu phải nộp bao gồm: 1) Quyển báo cáo đồ án môn học theo mẫu quy định; 2) Bộ bản vẽ kỹ thuật đầy đủ (hình chiếu đứng, chiếu bằng, chiếu cạnh, mặt cắt và bản vẽ 3D); 3) Mô hình xe RC hoàn chỉnh có khả năng hoạt động.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế mô hình xe RC động cơ điện" là một công trình học thuật thực hành tiêu biểu của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH). Nhóm tác giả đã vận dụng thành công lý thuyết tính toán thiết kế ô tô và kỹ năng mô hình hóa trên phần mềm Solidworks để hoàn thành trọn vẹn từ khâu thiết kế chi tiết đến chế tạo mô hình thực nghiệm dựa trên nguyên mẫu Jeep Wrangler. Kết quả nghiên cứu được hội đồng chuyên môn đánh giá xuất sắc (9.0/10 điểm), đáp ứng đầy đủ các chuẩn đầu ra kỹ thuật và cung cấp một tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cao cho việc nghiên cứu, giảng dạy chuyên ngành cơ khí động lực.