Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án được thực hiện trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, khi thu nhập cá nhân tăng cao kéo theo nhu cầu sở hữu ô tô thay thế xe máy ngày càng lớn. Tác giả nhận định rằng công nghiệp ô tô là "khách hàng" của nhiều ngành công nghiệp liên quan như kim loại, cơ khí, điện tử và hóa chất, từ đó có vai trò tạo động lực cho công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Trong bối cảnh đó, hãng QTT đã ra mắt chính thức mẫu xe QTT K5 2022 tại Việt Nam vào ngày 09-10-2022 thông qua Thaco Group — thế hệ mới của dòng Optima, được đổi tên để đồng bộ với thị trường quốc tế và cách tân toàn diện về nội thất, ngoại thất, trang bị lẫn động cơ.
Mục tiêu đề tài: Nhóm sinh viên xác định mục tiêu chính là giúp sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô hiểu rõ hơn về kiểu dáng và kết cấu của xe ô tô sedan hạng trung thông qua việc tái hiện chi tiết mẫu xe QTT K5 LUXURY 2022, đồng thời áp dụng kiến thức chuyên môn về tính toán và thiết kế chi tiết cơ khí vào thực tiễn.
Nội dung nhiệm vụ được phân công cụ thể theo từng thành viên:
- Trương Vĩnh Thái (MSSV: 2182500925): vẽ 3D, 2D và video mô phỏng
- Diệp Thành Tấn (MSSV: 2182500917): vẽ 3D và poster
- Nguyễn Minh Quân (MSSV: 2182503109): tìm kiếm tài liệu và làm bài thuyết minh
Đối tượng và phạm vi: Đối tượng nghiên cứu là mẫu xe sedan QTT K5 LUXURY 2022 (dựa trên nền tảng Kia K5 thế hệ thứ 5, phát triển trên platform Hyundai N3). Phạm vi thực hiện trong khuôn khổ học phần "Thiết kế cơ khí trong công nghệ ô tô" tại Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, từ ngày 24/02/2023 đến ngày 22/05/2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết
Đồ án dựa trên các nền tảng lý thuyết thuộc lĩnh vực cơ khí ô tô và thiết kế kỹ thuật, bao gồm:
- Động lực học xe (Vehicle Dynamics): phân tích trọng tâm, tỷ lệ và cân bằng, lực hấp dẫn, khối lượng và tốc độ trong thiết kế kết cấu.
- Lý thuyết dòng chảy khí động học: áp dụng phương trình Reynolds, phương trình Navier-Stokes và công thức lực cản gió (FD = 0.5 × ρ × A × Cd × V²) để đánh giá khí động học xe.
- Cơ học vật liệu: sử dụng các công thức tính độ bền chịu kéo (σt = F/A), độ bền chịu uốn (σb = M·l / I·c), độ bền chịu nén (σc = F/A), độ bền chịu va đập (E = ½mv²) và định luật Hooke.
- Các công thức thiết kế cơ bản: tốc độ trung bình (v = d/t), cân bằng xe (Wf × Lf = Wr × Lr), mô-men xoắn động cơ (T = F × r), tỷ số truyền (GR = N2/N1), áp suất lốp (P = F/A), hệ số va đập (e = v2/v1), tần số rung (f = 1/T), tỷ số nén (CR = V1/V2).
Phương pháp thiết kế
Đồ án sử dụng kết hợp các phương pháp sau:
- Phương pháp phân tích tài liệu: thu thập thông số kỹ thuật xe KIA K5, tham khảo giáo trình và sách chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.
- Thiết kế bằng phần mềm CAD: sử dụng SolidWorks (tạo mô hình 3D, lắp ráp Part/Assembly, các công cụ Extrude, Revolve, Loft, Sweep, Cut, Fillet) và AutoCAD (xuất bản vẽ 2D với các công cụ Line, Circle, Rectangle, Trim, Fillet, Chamfer).
- Phân tích và mô phỏng cơ khí: phân tích độ bền, dòng chảy, va chạm và tiếng ồn/rung theo các phương pháp số hóa.
- Phân tích nhu cầu khách hàng và tiêu chuẩn ngành: xem xét tính thẩm mỹ, khí hậu, điều kiện đường xá và tuân thủ tiêu chuẩn khí thải, an toàn, hiệu suất.
Nguồn dữ liệu
Thông số kỹ thuật thực tế của xe KIA K5 (QTT K5), giáo trình và sách tham khảo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô được Viện Kỹ thuật HUTECH cung cấp.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài
Chương mở đầu trình bày bối cảnh phát triển ngành ô tô trong nước, lý do chọn mẫu xe QTT K5 LUXURY 2022 làm đối tượng thiết kế, mục tiêu và kế hoạch thực hiện theo từng tuần, cũng như giới thiệu tổng quát về mẫu xe. Nội dung giới thiệu xe bao gồm lịch sử phát triển từ năm 2000 (thế hệ thứ 5 ra mắt đầu năm 2020 tại Hàn Quốc, tháng 08/2020 tại Mỹ, ngày 09-10-2022 tại Việt Nam), nền tảng kỹ thuật Hyundai N3, và mô tả tổng quát về thiết kế ngoại thất, nội thất.
Các thông số kích thước tổng thể của xe được xác lập làm cơ sở thiết kế:
| Thông số | Giá trị |
|---|---|
| Chiều dài toàn phần | 4.550 mm |
| Chiều rộng tổng thể | 1.860 mm |
| Chiều cao tổng thể | 1.465 mm |
| Chiều dài cơ sở | 2.805 mm |
| Khoảng sáng gầm xe | 150 mm |
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 2 hệ thống hóa lý thuyết về từng hệ thống cấu thành xe QTT K5 2022. Mỗi hệ thống được mô tả về công năng, cấu tạo và đặc điểm kỹ thuật thực tế của xe.
Thiết kế chung: Nội thất bọc da màu đen piano, taplo ốp gỗ nhạt màu kết hợp viền kim loại mờ. Bảng đồng hồ Full Digital 12,3 inch, màn hình giải trí trung tâm liền khối với bảng đồng hồ. Hệ thống hiển thị HUD trên kính lái. Vô lăng 3 chấu D-cut tích hợp sưởi. Ghế lái chỉnh điện 10 hướng có nhớ vị trí; ghế phụ chỉnh điện 6 hướng; cả hai có làm mát và sưởi.
Động cơ: Hai tùy chọn động cơ:
| Thông số | Luxury/Premium | GT-Line |
|---|---|---|
| Loại động cơ | Xăng Nu 2.0 MPI | Xăng Theta-III 2.5 GDI |
| Công suất cực đại | 150 mã lực | 191 mã lực |
| Mô-men xoắn cực đại | 192 Nm | 246 Nm |
| Hộp số | 6AT | 8AT |
| Idling Stop | Không | Có |
Hệ thống treo: Tất cả phiên bản dùng hệ thống treo trước MacPherson / treo sau liên kết đa điểm. Trang bị cân bằng điện tử và hỗ trợ khởi hành ngang dốc. Cơ cấu lái trợ lực điện, 3 chế độ lái.
Hệ thống an toàn: Trang bị trên tất cả phiên bản Luxury, Premium, GT-Line:
| Trang bị an toàn | Luxury | Premium | GT-Line |
|---|---|---|---|
| Túi khí | 6 | 6 | 6 |
| Phanh ABS, EBD, BA | Có | Có | Có |
| Cân bằng điện tử | Có | Có | Có |
| Cảnh báo điểm mù | Không | Có | Có |
| Camera quan sát điểm mù | Có | Có | Có |
| Cảm biến áp suất lốp | Có | Có | Có |
Hệ thống bánh xe: La-zăng hợp kim 5 chấu 18 inch kết hợp lốp 235/45R18 trên tất cả phiên bản. Riêng phiên bản GT, la-zăng 19 inch.
Cấu tạo chung xe đề xuất dùng động cơ xăng Theta II 2.4L công suất 176 Hp/6.000 rpm, hệ dẫn động 2WD, hệ thống lái trợ lực điện, khung gầm rời, kết hợp hệ thống điện ECU và hệ thống phân phối khí thông minh.
Chương 3: Tính Toán và Phương Pháp Thiết Kế
Chương 3 trình bày nền tảng lý thuyết tính toán và phương pháp thiết kế được áp dụng trong đồ án. Bốn nhóm phương pháp phân tích chính được trình bày:
- Phân tích và mô phỏng hệ thống cơ khí: tính độ bền chịu kéo, uốn, nén và va đập qua các công thức cơ học vật liệu.
- Phân tích và mô phỏng dòng chảy: tính lưu lượng khí (Q = ρ·A·V), áp suất động (p = ½·ρ·V²), độ ồn (L = 10·log(I/I₀)) và hệ số ma sát dòng chảy.
- Phân tích và mô phỏng va chạm: tính lực va chạm (F = m·(v2 − v1)/t), tốc độ tối đa va chạm (vmax = √(2E/m)) và hệ số va đập (e = v2/v1).
- Phân tích và mô phỏng tiếng ồn và rung: tính tần số rung (f = 1/T), độ rung (a = (2πf)²·x) và công suất âm thanh (P = I·A).
Phần hướng dẫn sử dụng phần mềm SolidWorks và AutoCAD trình bày quy trình 6 bước từ khởi động, tạo file mới, thêm chi tiết, chỉnh sửa, lưu và xuất bản vẽ. Chương kết thúc bằng hệ thống công thức tính toán thiết kế ô tô gồm trên 15 công thức bao phủ từ tốc độ trung bình, cân bằng xe, đường kính bánh xe, mô-men xoắn, lực cản gió, tỷ số truyền, đến tỷ số nén và hệ số trượt.
Chương 4: Thiết Kế
Chương 4 là phần thực hiện chính của đồ án, trình bày kết quả thiết kế 3D từng chi tiết kèm thông tin về công dụng, kết cấu và vật liệu. Các chi tiết được thiết kế bao gồm:
| Chi tiết | Kích thước thiết kế | Vật liệu chính |
|---|---|---|
| Ghế trước | 890,12 × 490 × 760 mm | Da (Nappa/PU), đệm cao su/bông, khung thép |
| Vô lăng | 330 × ∅470 mm | Hợp kim nhôm hoặc magie |
| Ghế sau | 760 × 1.600 × 890,12 mm | Da, đệm, khung thép |
| Kính hậu (trái/phải) | 340,76 mm | Nhựa và gương |
| Cánh gió sau | 1.190,57 mm | Nhựa ABS, sợi thủy tinh, sợi carbon |
| Cốt bánh xe | 1.840,71 × ∅100 mm | Thép |
| Bộ cản sau | 832,40 mm | — |
| Bộ cản trước | 1.834,85 mm | — |
| Cửa trước | 1.096,3 mm | — |
Ngoài các chi tiết trên, chương còn thiết kế 3D: vô lăng, gầm xe, vành bánh xe (mâm), vỏ xe, nắp capo, cửa sau, taplo, kính hậu phải. Tổng cộng 34 hình 3D được ghi nhận trong danh mục hình ảnh.
Chương 5: Kết Luận
Chương tổng kết quá trình thực hiện đồ án và nêu hướng phát triển tiếp theo.
Thiết Kế và Triển Khai
Kiến trúc sản phẩm thiết kế
Đồ án thuộc loại thiết kế kỹ thuật cơ khí, không xây dựng phần mềm. Sản phẩm đầu ra bao gồm:
- Bản vẽ 3D (định dạng SolidWorks Part/Assembly): toàn bộ các chi tiết và cụm lắp ráp của xe QTT K5 LUXURY 2022.
- Bản vẽ 2D (xuất từ SolidWorks/AutoCAD, định dạng .dxf): gồm 3 hình chiếu và mặt cắt, khổ A4/A3 cho bản vẽ chi tiết, A3/A2/A1 cho bản vẽ lắp.
- Video mô phỏng lắp ráp và hoạt động.
- Poster A0 giới thiệu thiết kế tổng thể.
- Thuyết minh báo cáo đồ án.
Công nghệ sử dụng
- SolidWorks: thiết kế 3D chi tiết và lắp ráp (Part, Assembly); các công cụ Extrude, Revolve, Loft, Sweep, Cut, Fillet, Move, Rotate, Scale.
- AutoCAD: xuất bản vẽ 2D kỹ thuật; các công cụ Line, Circle, Rectangle, Arc, Trim, Extend, Fillet, Chamfer. Xuất file định dạng .dxf.
Quy trình triển khai
Đồ án được thực hiện theo tiến độ 9 tuần (24/02/2023 – 22/05/2023):
- Tuần 1–2: Giao đề tài, lấy thông số chi tiết, hoàn thành Chương 1–2.
- Tuần 3: Thống kê tên chi tiết, cung cấp số liệu thiết kế, vẽ 3D các chi tiết.
- Tuần 4–5: Hoàn thiện các chi tiết 3D, xuất bản vẽ 2D, thiết kế poster A0.
- Tuần 6–7: Làm quyển thuyết minh, hoàn thiện đồ án.
- Tuần 8–9: Hoàn thiện thuyết minh, tập bản vẽ, bảo vệ đồ án.
Kết Quả và Đóng Góp
Kết quả chính
Đồ án hoàn thành bộ tài liệu thiết kế đầy đủ theo yêu cầu tối thiểu đặt ra trong phiếu giao đề tài:
- Thuyết minh báo cáo đồ án hoàn chỉnh.
- Bộ bản vẽ 3D (A4, A3) + bản vẽ lắp (A3, A2, A1) + bản vẽ chi tiết (A4) cho toàn bộ xe QTT K5 LUXURY 2022.
- Video mô phỏng lắp ráp và hoạt động.
- Poster A0 giới thiệu thiết kế.
Các thông số chi tiết được thiết kế bao phủ cả hệ thống nội thất (ghế trước, ghế sau, vô lăng, taplo, kính hậu), ngoại thất (vỏ xe, nắp capo, cản trước, cản sau, cánh gió sau, cửa trước, cửa sau) và hệ thống cơ khí (cốt bánh xe, vành bánh xe, gầm xe).
Bản thuyết minh trình bày đầy đủ cơ sở lý thuyết cho 4 nhóm phân tích kỹ thuật (cơ khí, dòng chảy, va chạm, tiếng ồn/rung) và hơn 15 công thức tính toán thiết kế ô tô.
Kiến nghị
Nhóm tác giả nhận định hệ thống an toàn của QTT K5 chưa đủ cạnh tranh so với đối thủ như Mazda 6, còn thiếu các tính năng: cảnh báo phương tiện cắt ngang khi lùi, cảnh báo chệch làn đường và hỗ trợ giữ làn đường. Đây là hướng cải tiến được đề xuất cho thế hệ tiếp theo.
Đóng góp so với nghiên cứu trước
Theo tác giả tự nhận định, đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn giúp sinh viên tiếp cận toàn diện kết cấu và kiểu dáng một mẫu xe sedan hạng D đương đại thông qua mô hình 3D chi tiết, thay vì chỉ học lý thuyết thuần túy.
Hạn Chế và Hướng Nghiên Cứu Tiếp
Nhóm tác giả tự nhận thừa nhận các hạn chế sau trong phần lời cảm ơn và giới thiệu đề tài:
- Vốn kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm tích lũy còn hạn chế dẫn đến không thể tránh khỏi sơ suất trong quá trình hoàn thiện.
- Thời gian thực hiện bị giới hạn trong khuôn khổ học phần (khoảng 9 tuần làm việc thực tế), chưa đủ để triển khai phân tích mô phỏng số chuyên sâu bằng phần mềm như ANSYS hay MATLAB dù đã đề cập trong lý thuyết.
- Đồ án dừng lại ở mức thiết kế kiểu dáng và kết cấu, chưa thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hay kiểm thử vật lý trên mô hình thực.
Hướng phát triển được đề cập trong Chương 5 (nội dung chi tiết của chương này không được trình khai đầy đủ trong văn bản). Trên cơ sở phạm vi đồ án, hướng tiếp theo có thể bao gồm mô phỏng khí động học bằng phần mềm CFD và phân tích độ bền kết cấu bằng FEA cho các chi tiết đã thiết kế.
Giá Trị Tham Khảo
Đồ án hữu ích trước hết với sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô ở các trình độ Cao đẳng và Đại học, đặc biệt những bạn đang thực hiện học phần thiết kế cơ khí ô tô hoặc chuẩn bị làm đồ án tốt nghiệp với đề tài thiết kế kiểu dáng và kết cấu xe.
Các phần đáng tham khảo theo từng đối tượng:
- Sinh viên mới tiếp cận SolidWorks/AutoCAD: Chương 3 phần hướng dẫn sử dụng phần mềm (quy trình 6 bước, danh sách công cụ cụ thể) là tài liệu thực hành ngắn gọn.
- Sinh viên làm đề tài phân tích cơ khí: Chương 3 tổng hợp hơn 15 công thức tính toán từ cơ học vật liệu, khí động học đến động học xe — có thể dùng làm danh mục công thức tra cứu nhanh.
- Sinh viên cần số liệu thông số xe KIA K5 thế hệ 5: Chương 2 tập hợp đầy đủ thông số kỹ thuật ba phiên bản (Luxury, Premium, GT-Line) về động cơ, hệ thống treo, trang bị an toàn và kích thước chi tiết.
- Sinh viên học thiết kế chi tiết cơ khí ô tô: Chương 4 cung cấp mô tả công dụng, kết cấu và vật liệu của từng chi tiết từ ghế ngồi, vô lăng đến cốt bánh xe và cánh gió.
Câu Hỏi Thường Gặp
1. QTT K5 2022 được phát triển trên nền tảng kỹ thuật nào và kích thước cơ sở của xe là bao nhiêu?
Xe được phát triển trên nền tảng Hyundai N3, tương tự mẫu Hyundai Sonata. Chiều dài cơ sở đạt 2.805 mm, dài hơn 45 mm so với thế hệ tiền nhiệm; chiều dài toàn phần 4.550 mm (theo thông số thiết kế trong đồ án), rộng hơn 50 mm so với bản cũ.
2. Sự khác biệt về động cơ và hộp số giữa phiên bản Luxury và GT-Line là gì?
Phiên bản Luxury dùng động cơ xăng Nu 2.0 MPI, công suất 150 mã lực, mô-men xoắn 192 Nm, hộp số tự động 6 cấp (6AT), không có tính năng Idling Stop. Phiên bản GT-Line dùng động cơ xăng Theta-III 2.5 GDI, công suất 191 mã lực, mô-men xoắn 246 Nm, hộp số tự động 8 cấp (8AT), có Idling Stop.
3. Nhóm sinh viên sử dụng những phần mềm nào để thực hiện đồ án và sản phẩm thiết kế tối thiểu phải đạt là gì?
Nhóm sử dụng SolidWorks (mô hình 3D, lắp ráp) và AutoCAD (bản vẽ 2D, xuất file .dxf). Sản phẩm tối thiểu bắt buộc gồm: thuyết minh báo cáo, bộ bản vẽ 3D (A4/A3) + bản vẽ lắp (A3/A2/A1) + bản vẽ chi tiết (A4), video mô phỏng lắp ráp và hoạt động, và poster A0.
4. Công thức nào được sử dụng để tính lực cản gió trong đồ án và các biến số của công thức gồm những gì?
Công thức lực cản gió: FD = 0,5 × ρ × A × Cd × V², trong đó FD là lực cản gió (N), ρ là khối lượng riêng không khí (kg/m³), A là diện tích tiết diện xe (m²), Cd là hệ số kháng gió, và V là tốc độ xe (m/s).
5. Hệ thống an toàn của QTT K5 2022 có điểm nào được nhóm tác giả đánh giá là còn thiếu so với đối thủ cùng phân khúc?
Theo đánh giá của nhóm tác giả, so với Mazda 6, QTT K5 2022 còn thiếu ba tính năng an toàn: cảnh báo phương tiện cắt ngang khi lùi, cảnh báo chệch làn đường và hỗ trợ giữ làn đường. Tất cả phiên bản đều không có tính năng cảnh báo điểm mù ở bản Luxury (chỉ có từ bản Premium trở lên).
Kết Luận
Đồ án "Thiết kế kiểu dáng và kết cấu xe QTT K5 LUXURY 2022" của nhóm sinh viên lớp 21DOTA3, Viện Kỹ thuật HUTECH là đồ án thiết kế kỹ thuật cơ khí ô tô có hệ thống, bao gồm cơ sở lý thuyết về động lực học và phân tích kỹ thuật, hệ thống công thức tính toán, quy trình thiết kế bằng SolidWorks và AutoCAD, và bộ sản phẩm hoàn chỉnh gồm bản vẽ 2D/3D, video mô phỏng và poster. Đồ án tái hiện toàn bộ kết cấu một mẫu xe sedan hạng D đương đại từ hệ thống động cơ, truyền động, treo, phanh, điện đến từng chi tiết nội ngoại thất với thông số kích thước cụ thể, phục vụ mục tiêu học thuật là giúp sinh viên hiểu thực chất kết cấu và kiểu dáng ô tô. Tuy nhiên, do giới hạn thời gian và kinh nghiệm, đồ án chưa triển khai mô phỏng số chuyên sâu (FEA, CFD) cho các chi tiết đã thiết kế, đây là khoảng trống có thể tiếp nối trong các nghiên cứu tiếp theo.