Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Thiết kế chế tạo ôtô hỗ trợ di chuyển cho người khuyết tật chân" do sinh viên Võ Đình Thịnh và Võ Quốc Cường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Phú Ngưu tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (năm 2021), thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, ngành Cơ khí Động lực.

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

  • Bối cảnh xã hội: Việt Nam có quy mô dân số trên 96 triệu người, điều kiện kinh tế và nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, một bộ phận người dân bị suy giảm hoặc mất khả năng vận động chi dưới do hậu quả chiến tranh, tai nạn lao động, tai nạn giao thông và quá trình già hóa dân số.
  • Thực trạng phương tiện: Người khuyết tật chân chủ yếu sử dụng xe lăn tự đẩy, xe lăn điện hoặc xe ba bánh tự chế. Các loại xe tự chế hiện hành còn hạn chế về tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật, trong khi ô tô thông thường đòi hỏi thao tác đạp chân ga, phanh, côn nên người khuyết tật chân không thể trực tiếp điều khiển nếu không qua cải tạo phức tạp.
  • Ý tưởng tiếp cận: Thiết kế và chế tạo một mẫu ô tô cỡ nhỏ, chi phí thấp, cho phép người dùng đưa trực tiếp xe lăn lên làm ghế lái thông qua sàn nâng cơ khí và thực hiện toàn bộ thao tác điều khiển vận hành bằng tay.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Nghiên cứu, tính toán và thiết kế tổng thể hệ thống kết cấu cơ khí cho phương tiện ô tô mini 1 chỗ ngồi.
  2. Thiết kế và tích hợp sàn nâng cơ khí tự động hóa việc đưa xe lăn từ mặt đất lên sàn xe.
  3. Chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, phục hồi động cơ nhiệt 110cc, lắp ráp hệ thống truyền lực, hệ thống lái, hệ thống treo, hệ thống phanh và hệ thống điện.
  4. Chạy thử nghiệm thực tế, kiểm tra khả năng vận hành và độ ổn định của phương tiện sau lắp ráp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu ô tô mini kết hợp xe lăn chuyên dùng cho người khuyết tật chi dưới.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Phương tiện ô tô 1 chỗ ngồi (ghế lái chính là xe lăn tiêu chuẩn có bề rộng $\le 610\text{ mm}$).
    • Vận tốc thiết kế giới hạn trong khoảng $25\text{ km/h} - 30\text{ km/h}$, hoạt động trên đường nhựa đô thị hoặc nông thôn bằng phẳng (độ dốc $\le 10%$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết ô tô và thiết kế ô tô chuyên ngành cơ khí động lực, bao gồm 7 cụm hệ thống chức năng chính:

  • Khung gầm và thân vỏ: Áp dụng mô hình khung chịu lực toàn phần (integral load-bearing frame), thân vỏ dạng hở (mui trần phong cách xe địa hình Jeep cổ điển) để tối ưu tầm nhìn và giảm trọng lượng.
  • Hệ thống truyền lực: Mô hình dẫn động trục sau (công thức bánh xe $4\times 2$), bố trí động cơ đặt sau, truyền động nhông xích con lăn kết hợp hộp số 4 cấp và cụm số lùi.
  • Hệ thống treo: Treo trước độc lập (MacPherson/đòn liên kết) và treo sau phụ thuộc với đòn dẫn hướng, sử dụng phần tử đàn hồi lò xo trụ kết hợp giảm chấn thủy lực hai chiều.
  • Hệ thống phanh: Hệ thống phanh đĩa kép trục sau, gồm một cụm dẫn động thủy lực làm phanh chính và một cụm dẫn động cơ khí (dây cáp) làm phanh dừng.
  • Hệ thống lái: Cơ cấu lái cơ khí 3 khâu, bổ sung thanh giằng dẫn hướng cân bằng.
  • Dàn nâng: Cơ cấu nâng hạ cơ khí kiểu kéo cáp trượt trên 2 ty dẫn hướng, sử dụng động cơ giảm tốc DC 12V và mạch đảo chiều rơ-le.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát và thu thập dữ liệu: Phân tích thông số nhân trắc học và kích thước hình học của các dòng xe lăn tiêu chuẩn trên thị trường.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Tính toán phân bố tải trọng tĩnh, tính toán tỷ số truyền bộ truyền xích, xác định lực kéo tiếp tuyến, tính toán bán kính làm việc của cơ cấu phanh đĩa dựa trên tiêu chuẩn xe gắn máy.
  • Phương pháp thiết kế mô hình hóa: Sử dụng phần mềm AutoCAD để xây dựng bản vẽ kết cấu khung gầm, bố trí hệ thống treo, cơ cấu lái và sàn nâng.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Cắt, hàn kết cấu thép hộp, phục hồi động cơ xe máy Honda 110cc cũ, gia công cơ khí trục cầu, đấu nối mạch điện thân xe và lắp ráp hoàn thiện.

Nguồn dữ liệu

  • Bảng thông số kích thước xe lăn tiêu chuẩn (chiều rộng phủ bì từ $540\text{ mm}$ đến $650\text{ mm}$).
  • Thông số kỹ thuật động cơ xe máy Honda 110cc (dung tích $109{,}1\text{ cm}^3$).
  • Tiêu chuẩn vật liệu thép hộp do Công ty Cổ phần Thép Hòa Phát sản xuất.

Thiết kế và triển khai

Thông số kỹ thuật tổng thể của phương tiện

Hạng mục Giá trị thiết kế Đơn vị
Chiều dài tổng thể $2200$ $\text{mm}$
Chiều dài cơ sở $1520$ $\text{mm}$
Chiều cao tổng thể $1390$ $\text{mm}$
Khoảng sáng gầm xe $200$ $\text{mm}$
Trọng lượng không tải ($G_0$) $230$ $\text{kg}$
Trọng lượng toàn bộ ($G$) $360$ ($3528\text{ N}$) $\text{kg}$
Phân bố tải trọng cầu trước ($Z_1$) $45%$ ($1587{,}6\text{ N}$) -
Phân bố tải trọng cầu sau ($Z_2$) $55%$ ($1940{,}4\text{ N}$) -
Vận tốc cực đại ($V_{\max}$) $30$ $\text{km/h}$
Vận tốc nhỏ nhất ($V_{\min}$) $5$ $\text{km/h}$
Độ dốc cực đại $10$ $%$
Hệ số cản lăn mặt đường $0{,}015$ -
Hệ số bám mặt đường $0{,}7$ -

Chi tiết các hệ thống kỹ thuật

1. Khung gầm, thân vỏ và vật liệu chế tạo

  • Khung xe: Sử dụng kết cấu khung thép chịu lực hoàn toàn. Phần khung gầm chính sử dụng thép hộp Hòa Phát quy cách $30\text{ mm} \times 60\text{ mm} \times 1{,}2\text{ mm}$. Phần khung phụ và sàn xe sử dụng thép hộp quy cách $14\text{ mm} \times 14\text{ mm} \times 1{,}2\text{ mm}$.
  • Thân vỏ: Kiểu vỏ hở không chịu lực, gia công từ tôn tấm, tạo hình vát cạnh theo phong cách xe Jeep.

2. Động cơ và hệ thống truyền lực

  • Động cơ: Động cơ xăng Honda 110cc (tái chế, phục hồi), 4 kỳ, 1 xi lanh nằm ngang, làm mát bằng không khí tự nhiên, tỷ số nén $9{,}0:1$, đường kính $\times$ hành trình pít-tông là $50\text{ mm} \times 55{,}6\text{ mm}$. Công suất cực đại đạt $5{,}64\text{ kW}$ tại $7500\text{ vòng/phút}$; mô-men xoắn cực đại $8{,}32\text{ N}\cdot\text{m}$ tại $5500\text{ vòng/phút}$. Dung tích bình xăng $3{,}8\text{ lít}$.
  • Bố trí động cơ: Đặt ở phía sau xe để truyền lực trực tiếp xuống trục cầu sau.
  • Bộ truyền xích: Sử dụng xích ống con lăn đơn với số mắt xích $53$, bước xích $p = 8\text{ mm}$, bề dày đĩa xích $7\text{ mm}$. Số răng đĩa dẫn $Z_1 = 14$, số răng đĩa bị dẫn $Z_2 = 43$, cho tỷ số truyền $i = 3{,}07$. Có trang bị thêm cụm hộp số lùi dẫn động xích.

3. Hệ thống treo và lốp

  • Treo trước: Hệ thống treo độc lập với đòn liên kết, giảm chấn thủy lực dạng ống lồng kết hợp lò xo trụ (sử dụng phuộc trước xe máy).
  • Treo sau: Hệ thống treo phụ thuộc với thanh đòn giằng định vị dầm cầu, giảm chấn thủy lực hai chiều và lò xo trụ.
  • Quy cách bánh xe: Lốp trước kích thước $4.00-6$ (áp suất tối đa $150\text{ kPa}$), lốp sau kích thước $3.50-6$ (áp suất tối đa $150\text{ kPa}$).

4. Hệ thống lái và hệ thống phanh

  • Hệ thống lái: Kiểu cơ cấu lái cơ khí 3 khâu gồm vô lăng, trục lái, rotyn, đòn dẫn hướng và hình thang lái, có bổ sung thanh giằng chống biến dạng động học.
  • Hệ thống phanh: Hoạt động hoàn toàn bằng tay lái:
    • Phanh chính: Phanh đĩa thủy lực đặt tại trục bánh sau (pít-tông ép, heo dầu, cùm tay phanh thủy lực).
    • Phanh dừng: Phanh đĩa cơ khí dẫn động bằng dây cáp kéo tay độc lập.
    • Kích thước đĩa phanh: Bán kính ngoài đĩa phanh $r_1 = 105\text{ mm}$, bán kính trong $r_2 = 70\text{ mm}$ (tham chiếu dòng xe Honda Wave S).

5. Sàn nâng xe lăn và hệ thống điện

  • Cơ cấu dàn nâng: Sử dụng động cơ giảm tốc DC 550 điện áp $12\text{V}$, tốc độ $300\text{ vòng/phút}$, kéo cáp nâng hạ sàn xe lăn trượt theo 2 ty dẫn hướng đứng, định vị bằng 2 rơ-le ngắt mạch.
  • Hệ thống điện và chiếu sáng: Sử dụng ắc quy dung lượng $100\text{Ah}$ kết hợp ắc quy xe máy phụ trợ; cụm chiếu sáng gồm 2 đèn pha Halogen, 2 đèn sương mù phía trước và 2 cụm đèn hậu xe tải phía sau.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài thiết kế chế tạo ôtô hỗ trợ di chuyển cho người khuyết chân

  • Trình bày tổng quan thực trạng đời sống của người khuyết tật chi dưới tại Việt Nam.
  • Đánh giá sự thiếu hụt phương tiện giao thông chuyên biệt được kiểm định an toàn dành cho người khuyết tật trong nước.
  • Xác định mục tiêu chế tạo xe ô tô mini vận hành độc lập, sử dụng ghế xe lăn làm ghế lái và điều khiển hoàn toàn bằng tay.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết và ý tưởng mô hình

  • Hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết ô tô và thiết kế cơ khí đã tiếp thu từ chương trình đào tạo.
  • Giới thiệu ý tưởng thiết kế lấy cảm hứng từ dòng xe địa hình Jeep cổ điển với đặc trưng kết cấu vuông vắn, cứng cáp.
  • Định hình các phương án kỹ thuật: phục hồi động cơ Honda 110cc, truyền động xích có số lùi, hệ thống treo trước độc lập và treo sau phụ thuộc, phanh đĩa kép điều khiển bằng tay và sàn nâng cáp kéo.

Chương 3: Cơ sở thiết kế xe

  • Phân tích bảng kích thước tiêu chuẩn của các dòng xe lăn (chiều rộng phủ bì từ $540\text{ mm}$ đến $650\text{ mm}$), từ đó lựa chọn khoang cabin tương thích xe lăn có chiều rộng $\le 610\text{ mm}$.
  • Xác lập các thông số tải trọng ban đầu: khối lượng bản thân xe ước tính $200\text{ kg} - 230\text{ kg}$, khối lượng người lái $80\text{ kg} - 100\text{ kg}$, xe lăn $20\text{ kg}$, hành lý $10\text{ kg} - 30\text{ kg}$.
  • Thiết lập các điều kiện vận hành: dải tốc độ $5 - 30\text{ km/h}$, hệ số cản lăn $0{,}015$, hệ số bám $0{,}7$, độ dốc lớn nhất $10%$.

Chương 4: Thiết kế khung vỏ

  • Phân tích và lựa chọn kết cấu khung chịu tải hoàn toàn; xác định kích thước hình học chính ($2200 \times 1520 \times 1390\text{ mm}$, khoảng sáng gầm $200\text{ mm}$) và lập bản vẽ kết cấu trên phần mềm AutoCAD.
  • Lựa chọn vật liệu thép hộp Hòa Phát $30\times 60\times 1{,}2\text{ mm}$ cho khung gầm và $14\times 14\times 1{,}2\text{ mm}$ cho sàn xe.
  • Tính toán động cơ và truyền động xích: xác định tỷ số truyền $i = 3{,}07$ ($Z_1 = 14$, $Z_2 = 43$), sử dụng xích con lăn $53$ mắt xích, bước xích $8\text{ mm}$.
  • Thiết kế hệ thống treo trước độc lập, treo sau phụ thuộc dùng lò xo trụ giảm chấn thủy lực; thiết kế hệ thống lái 3 khâu bổ sung thanh giằng.
  • Tính toán hệ thống phanh đĩa đôi trục sau (thủy lực + cơ khí) với bán kính đĩa $r_1 = 105\text{ mm}, r_2 = 70\text{ mm}$; thiết kế sàn nâng dùng động cơ DC 550 $12\text{V}$ $300\text{RPM}$ và sơ đồ điện thân xe.

Chương 5: Quá trình chế tạo xe ôtô dành cho người khuyết tật chân

  • Trình bày tuần tự các bước thực tế tại xưởng:
    1. Chuẩn bị vật tư thép hộp, máy cắt, máy hàn và dụng cụ cơ khí.
    2. Cắt, định vị và hàn cụm khung gầm chịu lực.
    3. Phục hồi, bảo dưỡng và cân chỉnh động cơ Honda 110cc cũ.
    4. Gia công, lắp đặt hệ thống treo trước và treo sau.
    5. Bố trí cụm động cơ, hộp số lùi và trục truyền động xích phía sau.
    6. Lắp ráp hệ thống phanh đĩa và hệ thống lái cơ khí.
    7. Gia công cơ cấu dàn nâng cáp trượt và ty dẫn hướng.
    8. Đi dây hệ thống điện điều khiển, ắc quy, hệ thống chiếu sáng và tín hiệu.
    9. Tạo hình thân vỏ tôn, gò hàn chi tiết, sơn phủ chống rỉ và sơn màu hoàn thiện.
    10. Chạy thử nghiệm thực tế và khắc phục các lỗi phát sinh.

Chương 6: Kiểm tra chất lượng sau lắp ráp hoàn thiện

  • Đánh giá chất lượng các mối hàn kết cấu khung gầm và sàn nâng.
  • Kiểm tra tính đồng bộ và độ an toàn của hệ thống phanh tay thủy lực và cơ khí.
  • Thử nghiệm chức năng nâng hạ tự động của dàn nâng xe lăn và khả năng chuyển động tiến/lùi của xe trên đường thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình ô tô mini thực nghiệm 1 chỗ ngồi có khả năng tiếp nhận trực tiếp xe lăn tiêu chuẩn làm ghế lái.
  • Hệ thống truyền động bằng động cơ Honda 110cc kết hợp bộ truyền xích ($i = 3{,}07$) và số lùi hoạt động ổn định, đáp ứng tốc độ di chuyển $25 - 30\text{ km/h}$.
  • Hệ thống sàn nâng cơ khí sử dụng động cơ giảm tốc DC 12V 300RPM nâng hạ êm dịu tải trọng xe lăn và người lái.
  • Toàn bộ thao tác điều khiển (ga, phanh chính thủy lực, phanh dừng cơ khí, đánh lái, chuyển số tiến/lùi, công tắc nâng hạ) được tích hợp hoàn toàn bằng tay, phù hợp với người mất khả năng vận động chân.

Đóng góp của đề tài

  • Giải pháp tiếp cận phương tiện: Loại bỏ thao tác người khuyết tật phải di chuyển từ xe lăn sang ghế lái ô tô, giúp tiết kiệm thời gian và tăng tính độc lập cá nhân.
  • Hiệu quả kinh tế kỹ thuật: Tận dụng nguồn phụ tùng xe máy phổ thông (động cơ cũ tái chế, phuộc nhún, cùm phanh đĩa Wave S) và thép hộp tiêu chuẩn trong nước giúp giảm thiểu chi phí chế tạo so với các phương tiện nhập khẩu chuyên dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Thân vỏ dạng mui trần hở chưa có kết cấu che chắn thời tiết mưa nắng.
  • Các chi tiết khung gầm, hệ thống lái và dàn nâng chủ yếu gia công thủ công bằng máy công cụ xưởng thông thường, độ chính xác và độ thẩm mỹ chưa đạt mức công nghiệp.
  • Mô hình đồ án chỉ chạy thử nghiệm cục bộ, chưa được đo đạc các chỉ tiêu an toàn va chạm và chưa đăng kiểm lưu hành giao thông công cộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo của tác giả

  • Bổ sung hệ thống mui che kín và các tiện nghi nội thất cơ bản.
  • Nghiên cứu chuyển đổi nguồn động lực từ động cơ đốt trong sang động cơ điện để giảm khí thải và tiếng ồn.
  • Nâng cấp cơ cấu dàn nâng theo hướng tự động hóa hoàn toàn với các cảm biến hành trình và khóa an toàn cơ khí.
  • Tối ưu hóa kết cấu khung gầm để chuẩn bị cho khả năng sản xuất đại trà với giá thành thấp.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực, Cơ điện tử đang thực hiện đồ án thiết kế chế tạo xe chuyên dùng hoặc phương tiện mini.
  • Nội dung giá trị nhất: Phương pháp tính toán chọn tỷ số truyền xích, phương án bố trí hệ thống treo kết hợp (trước độc lập, sau phụ thuộc), giải pháp tích hợp cụm phanh đĩa xe máy điều khiển hoàn toàn bằng tay và sơ đồ thiết kế cơ cấu sàn nâng cơ khí trượt ty.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương tiện sử dụng loại động cơ gì và được bố trí ở vị trí nào trên xe?

Phương tiện sử dụng động cơ xăng Honda 110cc (tái chế, phục hồi từ xe máy cũ), 4 kỳ, 1 xi lanh, làm mát bằng không khí, dung tích $109{,}1\text{ cm}^3$. Động cơ được đặt ở phía sau xe để truyền động trực tiếp xuống trục cầu sau thông qua bộ truyền xích con lăn.

2. Người lái điều khiển hệ thống phanh như thế nào khi không dùng được chân?

Hệ thống phanh được đưa hoàn toàn lên khu vực tay lái gồm hai cơ cấu riêng biệt: phanh chính là phanh đĩa thủy lực dẫn động bằng cùm tay phanh dầu và phanh dừng là phanh đĩa cơ khí dẫn động bằng dây cáp kéo tay. Cả hai cụm phanh này đều tác động lên đĩa phanh ở trục bánh sau.

3. Xe lăn tiêu chuẩn kích thước bao nhiêu có thể đi vào sàn nâng của xe?

Dựa trên bảng khảo sát kích thước xe lăn tiêu chuẩn trong đồ án, sàn nâng và khoang lái được thiết kế để tương thích với các loại xe lăn có chiều rộng phủ bì từ $610\text{ mm}$ trở xuống.

4. Dàn nâng đưa xe lăn lên cabin hoạt động theo nguyên lý cơ học nào?

Dàn nâng hoạt động theo nguyên lý kéo cáp trượt trên 2 ty dẫn hướng đứng, được dẫn động bởi một động cơ giảm tốc DC 550 điện áp $12\text{V}$, tốc độ $300\text{ vòng/phút}$, điều khiển hành trình thông qua mạch điện đảo chiều 2 rơ-le.

5. Kết cấu khung gầm của xe sử dụng loại vật liệu nào?

Khung gầm chính của xe thuộc loại khung chịu lực hoàn toàn, được gia công hàn từ thép hộp Hòa Phát quy cách $30\text{ mm} \times 60\text{ mm} \times 1{,}2\text{ mm}$ cho phần chịu tải chính và thép hộp $14\text{ mm} \times 14\text{ mm} \times 1{,}2\text{ mm}$ cho sàn và khung phụ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Võ Đình Thịnh và Võ Quốc Cường đã thiết kế và chế tạo thực nghiệm thành công mô hình ô tô mini 1 chỗ ngồi chuyên dụng cho người khuyết tật chân. Đề tài giải quyết được bài toán tự chủ di chuyển nhờ cơ cấu sàn nâng cơ khí đưa trực tiếp xe lăn lên làm ghế lái và hệ thống điều khiển vận hành hoàn toàn bằng tay. Công trình là tài liệu tham khảo thực tế có giá trị về mặt cơ khí động lực đối với các dự án nghiên cứu phương tiện giao thông trợ cấp xã hội.