Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu và nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng đòi hỏi các phương tiện giao thông đường bộ không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn kỹ thuật và tính thẩm mỹ, mà còn phải đảm bảo độ êm dịu chuyển động cùng sự thoải mái tối đa cho hành khách. Tại Việt Nam, sự phát triển không đồng đều của cơ sở hạ tầng giao thông và chất lượng mặt đường tại nhiều khu vực đặt ra thách thức lớn đối với dao động thân xe khi vận hành. Trong kết cấu tổng thể ô tô, hệ thống treo giữ vai trò là cơ cấu liên kết đàn hồi giữa bánh xe và thân vỏ, có chức năng triệt tiêu các dao động từ mặt đường truyền lên. Việc nghiên cứu tính toán thiết kế và mô phỏng dao động hệ thống treo trên dòng xe du lịch phổ thông là nhiệm vụ kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn.

Đề tài "Thiết kế và mô phỏng hệ thống treo trên xe 5 chỗ" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

  1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và hướng thực hiện đề tài.
  2. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống treo bao gồm lịch sử hình thành, phân loại và cấu tạo các cụm chi tiết.
  3. Tính toán thiết kế hệ thống treo trước và hệ thống treo sau dựa trên thông số của một dòng xe du lịch 5 chỗ thực tế.
  4. Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình toán học và mô phỏng đánh giá dao động của hệ thống treo.
  5. Đánh giá kết quả nghiên cứu, phân tích đồ thị dao động và xác định hướng phát triển của đề tài.
  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu hệ thống treo độc lập kiểu MacPherson (treo trước) và hệ thống treo sau trên xe con 5 chỗ; các thông số động lực học, động học; mô hình toán học mô phỏng dao động ô tô.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát trên xe tham chiếu Toyota Vios phiên bản 2019 (động cơ xăng, hộp số tự động/số sàn, phân khúc B); tính toán động lực học trong các trường hợp tải trọng tới hạn và mô phỏng dao động trong mặt phẳng dọc trên phần mềm Matlab/Simulink R2016a với biên dạng mặt đường hình sin và mặt đường gồ ghề.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết ô tô, nguyên lý thiết kế và tính toán ô tô, kết hợp với lý thuyết dao động cơ học ứng dụng trong kỹ thuật động lực. Các khái niệm và mô hình lý thuyết được áp dụng bao gồm:

  • Lý thuyết hệ thống treo ô tô: Định nghĩa chức năng, phân loại hệ thống treo độc lập và phụ thuộc; cấu tạo chi tiết của bộ phận đàn hồi (nhíp lá, lò xo trụ, thanh xoắn, vấu cao su, đệm khí), bộ phận dập tắt dao động (giảm chấn thủy lực kiểu ống đơn và ống kép hai lớp vỏ) và bộ phận hướng/ổn định (thanh cân bằng, thanh giằng chống lật).
  • Mô hình động học và động lực học hệ thống treo MacPherson: Xác định tâm quay tức thời của bánh xe ($P$), tâm quay tức thời của thân xe ($S$), sự biến thiên của góc nghiêng bánh xe ($\gamma_0$) và góc nghiêng trụ đứng ($\delta_0$).
  • Mô hình toán học dao động ô tô: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho mô hình dao động không gian và mô hình dao động trong mặt phẳng dọc ($Oxz$), tách biệt các khối lượng được treo (thân xe) và khối lượng không được treo (cầu trước, cầu sau, cụm bánh xe).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích tài liệu chuyên ngành về kết cấu, động học và cơ cấu dập tắt dao động của hệ thống treo ô tô.
  • Phương pháp thu thập và xử lý số liệu kỹ thuật: Thu thập thông số kỹ thuật thực tế của mẫu xe Toyota Vios 2019 do Công ty Ô tô Toyota Việt Nam công bố làm số liệu đầu vào cho quá trình tính toán.
  • Phương pháp thiết kế và tính toán cơ học: Sử dụng họa đồ động học để xác định kích thước đòn treo và giải tích lực trong 3 trường hợp chịu tải giới hạn để kiểm nghiệm bền chi tiết đàn hồi.
  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Xây dựng sơ đồ khối chức năng trên môi trường Matlab/Simulink R2016a để giải hệ phương trình vi phân dao động theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc cải thiện độ êm dịu ô tô trong điều kiện hạ tầng giao thông thực tế. Tác giả tổng thuật lịch sử phát triển của hệ thống treo từ năm 1750 (ứng dụng nhíp lá trên xe ngựa), mốc phát minh nhíp elip cho toa xe lửa của Obadiah Elliott, bộ giảm chấn đầu tiên của hãng Mors of Paris (1901), lò xo cuộn trên xe Brush Runabout (1906), thanh xoắn của Leyland Motors (1920), cho đến hệ thống treo độc lập trên dòng xe Lancia Lambda (1922) và phát minh bộ trơ (inerter) của Smith. Đồng thời, chương 1 xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phương pháp và ý nghĩa thực tiễn của đề tài trong đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích sâu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết trong hệ thống treo:

  • Bộ phận đàn hồi: Đánh giá ưu nhược điểm của nhíp lá đơn/kép (độ cứng cao, có ma sát giữa các lá nhíp, dùng cho xe tải), lò xo trụ (kết cấu nhỏ gọn, đường đặc tính tuyến tính, phổ biến trên xe con nhưng cần thanh dẫn hướng), thanh xoắn, vấu cao su hạn chế hành trình và hệ thống đệm khí nén điều chỉnh độ cao gầm xe.
  • Bộ phận giảm chấn: Phân tích cơ cấu lưu thông dầu qua các cụm van một chiều trong hành trình nén và hành trình trả của giảm chấn ống đơn (áp suất khí nitơ cao áp 20–30 $\text{kgf/cm}^2$) và giảm chấn ống kép hai lớp vỏ.
  • Thanh ổn định: Phân tích cơ chế hạn chế góc nghiêng ngang của thân xe khi quay vòng và triệt tiêu mô-men xoắn khung vỏ.
  • Phân loại hệ thống treo: So sánh đặc tính động học giữa hệ thống treo phụ thuộc (nhíp song song, đòn kéo dầm xoắn) và hệ thống treo độc lập (MacPherson, hình thang chạc kép, treo đa liên kết).

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống treo trước và sau

Chương này thực hiện tính toán thiết kế chi tiết hệ thống treo độc lập kiểu MacPherson cầu trước và hệ thống treo sau cho xe Toyota Vios 2019 dựa trên bảng thông số kỹ thuật chuẩn:

Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Tải trọng toàn bộ xe khi không tải $G_0$ 10.750 $\text{N}$
Tải trọng toàn bộ xe khi đầy tải $G_T$ 15.500 $\text{N}$
Tải trọng đặt lên cầu trước không tải / đầy tải $G_{01} / G_{T1}$ 5.910 / 8.530 $\text{N}$
Tải trọng đặt lên cầu sau không tải / đầy tải $G_{02} / G_{T2}$ 4.840 / 6.980 $\text{N}$
Chiều dài cơ sở $L$ 2.550 $\text{mm}$
Chiều rộng cơ sở trước / sau $B_T / B_S$ 1.475 / 1.460 $\text{mm}$
Kích thước tổng thể (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao) — $4.425 \times 1.730 \times 1.475$ $\text{mm}$
Ký hiệu lốp — 185/60 R15 —
Khoảng sáng gầm xe $H$ 133 $\text{mm}$
Tổng khối lượng không được treo một cầu $m_{kdt}$ 52 $\text{kg}$
Công suất cực đại động cơ $N_{emax}$ 107 / 6000 $\text{hp / vòng/phút}$
Mô-men xoắn cực đại $M_{emax}$ 140 / 4200 $\text{Nm / vòng/phút}$

Dựa trên tần số dao động thích hợp cho xe con chọn trước ($n = 80\text{ lần/phút}$, tương đương tần số góc $\omega \approx 8{,}38\text{ rad/s}$), các thông số đàn hồi được xác định:

  • Độ cứng một bên hệ thống treo trước: khi không tải $C_{01} = 18{,}925\text{ N/mm}$, khi đầy tải $C_{T1} = 28{,}124\text{ N/mm}$, độ cứng trung bình $C_1 = 23{,}525\text{ N/mm}$.
  • Độ võng tĩnh khi đầy tải $f_t = 170\text{ mm}$, khi không tải $f_{0t} = 115\text{ mm}$.
  • Độ võng động chọn theo hệ số kinh nghiệm ($k_e = 0{,}8$): $f_đ = 136\text{ mm}$.
  • Tổng hành trình dịch chuyển của bánh xe: $f_{tổng} = f_t + f_đ = 306\text{ mm}$.
  • Họa đồ động học MacPherson cho ra chiều dài đòn ngang $C_1O_1 = 370\text{ mm}$.

Kết quả tính toán động lực học cho 3 trường hợp tải trọng giới hạn tác dụng lên hệ thống treo trước:

Lực tác dụng lên cơ cấu ($\text{N}$) Trường hợp 1: Chỉ có lực đứng $Z$ Trường hợp 2: Lực phanh cực đại ($Z$ và $X$) Trường hợp 3: Lực ngang cực đại ($Z$ và $Y$)
Phản lực tại khớp tựa trên $Z_A = Z_B$ 7.363 5.425 7.162
Phản lực ngang tại khớp dưới $Y_A = Y_C$ 1.494 1.101 8.638
Phản lực ngang tại gối tựa trên $Y_B$ 215 159 2.668
Lực dọc tại khớp dưới $X_A = X_C$ 0 6.156 0
Lực phanh tiếp tuyến $X$ 0 4.402 0

Tính toán phần tử đàn hồi lò xo trụ cầu trước: lực tác dụng lớn nhất lên lò xo $F_{max} = 9.394\text{ N}$, lực nhỏ nhất $F_{min} = 3.770\text{ N}$; đường kính dây lò xo $d = 15\text{ mm}$; tỷ số đường kính $c = D/d = 10$, suy ra đường kính trung bình vòng lò xo $D = 150\text{ mm}$; mô-đun đàn hồi trượt vật liệu $G = 8 \times 10^4\text{ N/mm}^2$.

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống treo

Chương này thiết lập hệ phương trình vi phân dao động mô tả chuyển động thẳng đứng và góc lắc dọc của thân xe trong mặt phẳng dọc $Oxz$. Nhóm tác giả xây dựng các khối mô phỏng độc lập trên Simulink:

  • Khối mô phỏng dao động cầu trước (khối lượng không được treo trước).
  • Khối mô phỏng dao động cầu sau (khối lượng không được treo sau).
  • Khối mô phỏng dao động thân xe (chuyển động tịnh tiến thẳng đứng và chuyển động quay quanh trục ngang qua trọng tâm).
  • Mô hình liên kết tổng thể tích hợp tín hiệu kích thích từ mặt đường.

Khảo sát mô phỏng được thực hiện trên 2 kịch bản kích thích:

  1. Mặt đường mấp mô biên dạng hình sin liên tục.
  2. Mặt đường gồ ghề dạng xung va đập đơn lẻ.

Chương 5: Kết luận và đề nghị

Tổng kết toàn bộ kết quả tính toán thiết kế kích thước hình học, độ bền các cụm chi tiết hệ thống treo và kết quả đáp ứng dao động trên mô hình mô phỏng số. Đưa ra các đề xuất về hướng nghiên cứu hoàn thiện mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được triển khai qua hai giai đoạn: thiết kế cơ khí chính xác và mô hình hóa toán học phục vụ mô phỏng số trên máy tính.

[Thông số xe cơ sở Vios 2019] 
[Xây dựng hệ PT vi phân mặt phẳng Oxz]

Kiến trúc mô hình toán học

Mô hình dao động ô tô trong mặt phẳng dọc ($Oxz$) gồm 4 bậc tự do chính:

  • Chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của khối lượng được treo (thân xe) $z$.
  • Chuyển động quay (lắc dọc) quanh trục ngang qua trọng tâm thân xe góc $\varphi$.
  • Chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của khối lượng không được treo cầu trước $z_{b1}$.
  • Chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của khối lượng không được treo cầu sau $z_{b2}$.

Phương trình cân bằng lực được xây dựng dựa trên định luật II Newton, bao gồm phản lực đàn hồi của lò xo ($C_1, C_2$), lực cản nhớt của giảm chấn ($K_1, K_2$) và độ cứng hướng kính của lốp xe ($C_{l1}, C_{l2}$).

Triển khai mô phỏng trên Matlab/Simulink

Mô hình mô phỏng được thiết lập trên nền tảng Matlab R2016a với các thư viện khối tích phân (Integrator), khối khuếch đại (Gain), khối cộng tín hiệu (Sum) và khối trễ pha tín hiệu kích thích giữa cầu trước và cầu sau theo vận tốc di chuyển của xe ($L/v$). Các thông số mô phỏng được cài đặt chính xác từ kết quả tính toán ở Chương 3.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và mô phỏng chính

  1. Thông số hình học và đàn hồi hệ thống treo trước:
    • Góc nghiêng ngang trụ đứng $\delta_0 = 10^\circ$, góc nghiêng ngang bánh xe $\gamma_0 = 1^\circ 30'$, bán kính quay quanh trụ đứng $r_0 = 30\text{ mm}$.
    • Chiều dài đòn ngang hệ thống treo trước: $l_d = 370\text{ mm}$.
    • Độ cứng trung bình lò xo cầu trước: $C_1 = 23{,}525\text{ N/mm}$.
    • Kích thước lò xo cầu trước: đường kính dây $d = 15\text{ mm}$, đường kính trung bình vòng lò xo $D = 150\text{ mm}$.
  2. Động lực học tải trọng tới hạn:
    • Xác định lực ngang cực đại tác dụng lên khớp cầu dưới $Y_{AY} = 8.638\text{ N}$ và phản lực lên trục giảm chấn $Z_{AY} = 7.162\text{ N}$ trong trường hợp xe chịu lực bám ngang cực đại ($\varphi_Y = 1$).
    • Lực phanh cực đại tác dụng lên cơ cấu đòn treo đạt $X = 4.402\text{ N}$.
  3. Kết quả mô phỏng dao động:
    • Đồ thị mô phỏng trên Simulink phản ánh quy luật dập tắt dao động của thân xe và gia tốc thẳng đứng trọng tâm thân xe dưới tác động của mấp mô mặt đường hình sin và chướng ngại vật đơn lẻ, cho thấy dao động tắt dần nhanh và biên độ dịch chuyển nằm trong giới hạn hành trình làm việc cho phép ($f_{tổng} = 306\text{ mm}$).

Đề xuất và giải pháp kỹ thuật của tác giả

  • Bố trí đặt lệch lò xo: Để khắc phục hiện tượng cần piston giảm chấn bị uốn cong do chịu lực ngang trong hệ thống treo MacPherson (gây ma sát lớn giữa piston và xi-lanh), tác giả đề xuất và phân tích phương án đặt lệch tâm đường trục lò xo so với đường tâm giảm chấn nhằm triệt tiêu lực ngang, tăng tuổi thọ cụm giảm chấn.
  • Tối ưu hóa kết cấu giảm chấn: Đề xuất lựa chọn giảm chấn kiểu hai lớp vỏ có tiết diện lỗ van điều tiết phù hợp nhằm cân bằng giữa lực cản trong hành trình nén và hành trình trả, hạn chế hiện tượng sủi bọt dầu thủy lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số điểm hạn chế và định hướng phát triển:

  • Hạn chế:
    • Mô hình mô phỏng dao động mới dừng lại ở mô hình nửa xe trong mặt phẳng dọc ($Oxz$), chưa khảo sát đầy đủ mô hình không gian 3D tương tác đa hướng (bao gồm chuyển động lắc ngang roll khi quay vòng).
    • Các đặc tính đàn hồi của lò xo và lực cản giảm chấn được giả định tuyến tính trong tính toán lý thuyết, chưa xét đến tính phi tuyến thực tế của đệm cao su và dòng chảy chất lỏng thủy lực ở vận tốc cao.
    • Chưa có điều kiện thực nghiệm đo kiểm dao động thực tế trên xe Toyota Vios 2019 để đối chiếu trực tiếp với kết quả mô phỏng phần mềm.
  • Hướng phát triển:
    • Mở rộng xây dựng mô hình không gian toàn xe (Full-car model) kết hợp khảo sát góc nghiêng thân xe khi vào cua và phanh gấp.
    • Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo bán tích cực (Semi-active) hoặc hệ thống treo tích cực (Active suspension) điều khiển điện tử thích ứng theo biên dạng mặt đường.
    • Kết nối đồng mô phỏng giữa Matlab/Simulink với các phần mềm mô phỏng động lực học chuyên dụng như Adams/Car hoặc CarSim.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp cung cấp tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Cơ điện tử:

  • Quy trình tính toán động học MacPherson: Phương pháp dựng họa đồ động học từng bước để xác định chiều dài đòn ngang, vị trí các tâm quay tức thời ($P, S$) và tọa độ các khớp liên kết.
  • Phương pháp tính toán động lực học 3 trường hợp tải trọng: Tài liệu mẫu về giải tích lực tác dụng lên gối tựa trên và khớp cầu dưới trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt (tải động thẳng đứng, phanh cực đại, trượt ngang cực đại).
  • Mô hình hóa hệ thống dao động trên Simulink: Cung cấp sơ đồ phân tích lực và cấu trúc thiết lập sơ đồ khối mô phỏng động lực học ô tô trong mặt phẳng dọc, phục vụ học tập và nghiên cứu các học phần Dao động ô tô, Lý thuyết ô tô và Thiết kế tính toán ô tô.

Câu hỏi thường gặp

Xe cơ sở được lựa chọn để tính toán thiết kế trong đồ án có các thông số khối lượng như thế nào?
Tác giả sử dụng mẫu xe Toyota Vios 2019 (xe 5 chỗ, phân khúc B) với tổng tải trọng không tải $G_0 = 10.750\text{ N}$ (phân bố cầu trước $5.910\text{ N}$, cầu sau $4.840\text{ N}$) và tổng tải trọng đầy tải $G_T = 15.500\text{ N}$ (phân bố cầu trước $8.530\text{ N}$, cầu sau $6.980\text{ N}$). Tổng khối lượng không được treo của một cầu xe là $52\text{ kg}$.

Độ cứng và hành trình làm việc của hệ thống treo trước được tính toán ra kết quả bao nhiêu?
Dựa trên tần số dao động chọn trước $n = 80\text{ lần/phút}$ ($\omega \approx 8{,}38\text{ rad/s}$), độ cứng trung bình của một bên hệ thống treo trước là $C_1 = 23{,}525\text{ N/mm}$. Độ võng tĩnh đầy tải $f_t = 170\text{ mm}$, độ võng tĩnh không tải $f_{0t} = 115\text{ mm}$, độ võng động $f_đ = 136\text{ mm}$, tạo nên tổng hành trình dịch chuyển bánh xe $f_{tổng} = 306\text{ mm}$.

Giá trị lực lớn nhất tác dụng lên cơ cấu treo trước xuất hiện trong trường hợp nào?
Lực ngang tác dụng lên khớp đòn ngang đạt giá trị cực đại $Y_{AY} = Y_{CY} = 8.638\text{ N}$ trong trường hợp xe chịu lực bám ngang cực đại ($\varphi_Y = 1$). Phản lực thẳng đứng lớn nhất tác dụng lên trục giảm chấn đạt $Z_A = Z_B = 7.363\text{ N}$ trong trường hợp xe chịu tải trọng động theo phương thẳng đứng với hệ số tải trọng động $K_đ = 1{,}7$.

Kích thước của phần tử đàn hồi lò xo trụ cầu trước được thiết kế như thế nào?
Lò xo trụ được tính toán cho tải trọng động lớn nhất $Z = 7.363\text{ N}$, chịu lực nén cực đại $F_{max} = 9.394\text{ N}$ và nhỏ nhất $F_{min} = 3.770\text{ N}$. Kích thước thiết kế gồm đường kính dây lò xo $d = 15\text{ mm}$, tỷ số đường kính $c = 10$, đường kính trung bình vòng lò xo $D = 150\text{ mm}$.

Mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink được khảo sát dưới những điều kiện biên dạng mặt đường nào?
Mô hình dao động trong mặt phẳng dọc ($Oxz$) được kiểm tra đáp ứng qua hai trường hợp kích thích mấp mô mặt đường: mặt đường có biên dạng tuần hoàn hình sin và mặt đường có gờ giảm tốc/chướng ngại vật gồ ghề dạng xung.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và mô phỏng hệ thống treo trên xe 5 chỗ" của sinh viên Phạm Viết Sinh và Nguyễn Văn Tính (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành đầy đủ quy trình tính toán động học, động lực học và thiết kế phần tử đàn hồi lò xo cho hệ thống treo độc lập MacPherson trên dòng xe Toyota Vios 2019. Đề tài đã ứng dụng thành công công cụ Matlab/Simulink R2016a để xây dựng mô hình toán học giải hệ phương trình vi phân dao động trong mặt phẳng dọc, đánh giá trực quan tính êm dịu chuyển động của xe dưới các dạng kích thích mặt đường khác nhau. Toàn bộ số liệu tính toán, kích thước hình học và sơ đồ khối mô phỏng tạo thành nguồn tài liệu tham khảo kỹ thuật cho công tác nghiên cứu và thiết kế hệ thống treo ô tô du lịch.