Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô hiện đại phát triển gắn liền với các cải tiến kỹ thuật nhằm nâng cao tính tiện nghi, độ ổn định và an toàn khi vận hành. Trong kết cấu tổng thể của xe du lịch, hệ thống lái đóng vai trò quyết định đến việc kiểm soát quỹ đạo chuyển động, cho phép phương tiện đi thẳng, chuyển hướng hoặc quay vòng theo ý muốn của người điều khiển thông qua vành tay lái. Cùng với xu hướng sử dụng lốp bản rộng, áp suất thấp để tăng độ êm dịu và bám đường, lực cản quay vòng tại bánh xe dẫn hướng tăng lên đáng kể, đòi hỏi phải trang bị các cơ cấu trợ lực để giảm nhẹ cường độ lao động của người lái xe và nâng cao tính an toàn khi xảy ra sự cố đột ngột ở bánh xe.

Đồ án tốt nghiệp đại học "Khảo sát tính toán hệ thống lái trợ lực điện-thủy lực cho xe du lịch" do sinh viên Trương Quốc Mạnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Minh Mận tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (năm 2021) được triển khai nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng quan hóa cơ sở lý thuyết về động học, động lực học hệ thống lái, các góc đặt bánh xe dẫn hướng và phân loại các hệ thống lái có trợ lực (trợ lực thủy lực HPS, trợ lực điện EPS, trợ lực điện - thủy lực EHPS).
  2. Khảo sát thực trạng ứng dụng hệ thống lái có trợ lực trên các dòng xe du lịch phổ biến theo quy định phân loại phương tiện.
  3. Phân tích đặc điểm kết cấu, tính toán kiểm nghiệm động học hình thang lái và kiểm bền các chi tiết cơ bản của hệ thống lái trên đối tượng xe tham chiếu Toyota Vios 2021.
  4. Xây dựng mô hình hình học 3D mô phỏng các chi tiết và cụm cơ cấu của hệ thống lái bằng phần mềm CATIA; tổng hợp quy trình bảo dưỡng và chẩn đoán, sửa chữa các hư hỏng thường gặp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống lái có trợ lực ứng dụng trên xe du lịch, trọng tâm khảo sát và tính toán kiểm nghiệm đặt trên dòng xe Toyota Vios thế hệ 2021. Phạm vi không gian và thời gian nghiên cứu được xác định tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành vào tháng 8 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên hệ thống lý thuyết kỹ thuật ô tô chuyên ngành về động học và động lực học quay vòng:

  • Quan hệ hình học Ackerman và hình thang lái Đantô: Thiết lập điều kiện quay vòng không trượt lết của các bánh xe dẫn hướng quanh tâm quay tức thời nằm trên đường kéo dài của trục cầu sau theo phương trình: $$\cot\beta - \cot\alpha = \frac{B_0}{L}$$ Trong đó $L$ là chiều dài cơ sở, $B_0$ là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ quay đứng, $\alpha$ và $\beta$ lần lượt là góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong. Cơ cấu hình thang lái 4 khâu Đantô được sử dụng để tiệm cận quan hệ Ackerman với sai lệch cho phép từ $0^\circ 30'$ đến $1^\circ$ ở vùng quay vòng ngặt.
  • Lý thuyết góc đặt bánh xe dẫn hướng: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số góc nghiêng ngang bánh xe (Camber), góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster) tạo mômen hồi vị $M = Y_b \cdot c$ đưa bánh xe về vị trí trung gian ($0^\circ \div 3^\circ$), góc nghiêng ngang trụ đứng (Kingpin) nhằm giảm bán kính quay quanh trụ đứng $r_0$, và độ chụm/độ mở ($\Delta = B - A$) để triệt tiêu lực cản lăn $P_f$, ổn định chuyển động thẳng.
  • Lý thuyết truyền động và trợ lực: Xác định các tỷ số truyền của cơ cấu lái ($i_c$), dẫn động lái ($i_d$), tỷ số truyền góc ($i_g$), tỷ số truyền lực ($i_l = 10 \div 30$), hiệu suất thuận, hiệu suất nghịch; nguyên lý thủy lực của bơm phiến gạt (áp suất làm việc $55 \div 80\text{ kG/cm}^2$, nhiệt độ $100 \div 110^\circ\text{C}$), van điều tiết lưu lượng nhạy cảm tốc độ và cơ cấu van xoay thanh xoắn đàn hồi (giới hạn góc xoay $\pm 7^\circ$).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, phân loại tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn phân loại xe theo Điều 59 Luật Du lịch 2005 và hồ sơ thông số kỹ thuật xe du lịch.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật và giải tích cơ học: Tính toán động học hình thang lái, xác định mômen cản quay vòng tĩnh/động, lực cực đại trên vành lái ($M_{vl} = P_{vl} \cdot R_{vl}$), kiểm nghiệm bền uốn, bền tiếp xúc, xoắn cho trục lái, cơ cấu bánh răng - thanh răng, đòn kéo ngang/dọc, khớp cầu (rotuyl).
  • Phương pháp mô hình hóa CAD 3D: Ứng dụng phần mềm CATIA để thiết kế và mô phỏng hình học không gian các chi tiết trong hệ thống lái trợ lực.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm tài liệu thiết kế ô tô chuyên ngành, catalogue thông số kỹ thuật của nhà sản xuất Toyota đối với dòng xe Vios 2021 và các số liệu kiểm định liên quan.

Thiết kế kỹ thuật và mô phỏng hệ thống

Hệ thống lái khảo sát và tính toán trong đồ án thuộc dạng cơ cấu lái bánh răng - thanh răng kết hợp bộ trợ lực điều khiển điện tử (EPS). Các nội dung thiết kế và mô hình hóa kỹ thuật được triển khai cụ thể:

Hạng mục kỹ thuật Nội dung thực hiện trong đồ án
Mô hình hóa 3D (CATIA) Thiết kế hình học chi tiết và cụm lắp ghép: thanh răng, trục thước lái, vỏ thước lái, ống thước lái bên trái và bên phải, cụm motor trợ lực điện một chiều, cơ cấu giảm tốc trục vít - bánh vít, vành tay lái (vô lăng).
Kiểm nghiệm động học Xác định tọa độ hình học của hình thang lái 4 khâu Đantô, đối chiếu góc quay thực tế của bánh xe dẫn hướng với đường cong lý thuyết Ackerman nhằm hạn chế hiện tượng trượt lết bánh xe.
Đặc tính cường hóa lái Xây dựng thuật toán điều khiển cường độ dòng điện cấp vào motor trợ lực dựa trên tín hiệu mômen đánh lái từ thanh xoắn và tín hiệu vận tốc xe từ cảm biến tốc độ (ECU ABS/ECU động cơ).
Tính toán kiểm bền Kiểm nghiệm ứng suất chịu tải của trục lái, cơ cấu ăn khớp bánh răng - thanh răng, thanh liên kết và khớp rotuyl dưới tác dụng của mômen cản quay vòng cực đại tại chỗ.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI

Chương 1 trình bày tổng quan cấu tạo, chức năng, phân loại và các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống lái trên ô tô. Tác giả phân tích các trạng thái quay vòng của phương tiện bao gồm quay vòng đủ (trạng thái tĩnh), quay vòng thiếu và quay vòng thừa (trạng thái động phụ thuộc vận tốc, góc đánh lái $\theta_{vl}$, độ đàn hồi của lốp và hệ thống treo).

Nội dung chương làm rõ cấu tạo các cụm chi tiết:

  • Vành lái (độ rơ cho phép trên xe con không vượt quá $8^\circ$).
  • Trục lái (tích hợp cơ cấu hấp thụ va đập bảo vệ người lái, cơ cấu khóa lái và điều chỉnh vị trí vô lăng).
  • Cơ cấu lái: Trục vít - chốt quay, trục vít - con lăn, trục vít - êcu bi - thanh răng - cung răng, bánh răng - thanh răng. Tỷ số truyền $i_c$ của xe con thường từ $18 \div 20$, xe tải từ $21 \div 25$.
  • Dẫn động lái và góc đặt bánh xe: Phân tích chi tiết góc Camber, Caster, Kingpin, khoảng Caster $c$, độ chụm $\Delta = B - A$.
  • Hệ thống trợ lực lái: Cấu tạo 3 cụm chính (nguồn năng lượng, bộ phận phân phối, cơ cấu chấp hành). Phân tích nguyên lý làm việc của trợ lực thủy lực (HPS), trợ lực điện (EPS với motor DC, cảm biến mômen kiểu thanh xoắn, ECU điều khiển) và trợ lực điện - thủy lực (EHPS). Trong cơ cấu van xoay của EHPS, thanh xoắn đàn hồi cho phép xoay lệch $7^\circ$ từ vị trí trung gian về mỗi phía để đóng mở tối đa các đường dầu áp suất cao đến xylanh lực.

Chương 2: KHẢO SÁT MỘT SỐ HỆ THỐNG LÁI XE ĐIỂN HÌNH CÓ TRỢ LỰC CỦA XE DU LỊCH

Chương 2 phân loại các dòng xe du lịch lưu hành tại Việt Nam theo Điều 59 Luật Du lịch 2005 và quy mô số chỗ ngồi:

  • Xe 4 - 5 chỗ: Toyota Camry, Toyota Vios, Hyundai Accent, Mercedes C-Class, E-Class, Kia Morning, BMW 520i.
  • Xe 7 chỗ: Toyota Fortuner, Toyota Innova, Ford Everest, Kia Sorento.
  • Xe 16 chỗ: Toyota Hiace, Mercedes Sprinter, Ford Transit, Hyundai Solati.
  • Xe 29 - 30 chỗ: Hyundai County, Isuzu Samco.
  • Xe 35 chỗ: Thaco Town, Hyundai Aero Town.
  • Xe 45 chỗ: Hyundai Universe, Hyundai Space, Hyundai Aero Hi-class.

Chương này tập trung khảo sát sâu bộ trợ lực lái thủy lực loại thường:

  • Bơm trợ lực phiến gạt: Hoạt động theo nguyên lý rôto mang cánh gạt quay trong vòng cam ô van cố định trong thân bơm đúc bằng gang, thực hiện hút và xả dầu 2 lần trong 1 chu kỳ quay; áp suất dầu từ $55 \div 80\text{ kG/cm}^2$, nhiệt độ đạt $100 \div 110^\circ\text{C}$.
  • Cụm van điều tiết lưu lượng loại nhạy cảm với tốc độ: Duy trì lưu lượng cấp cho hộp cơ cấu lái ổn định hoặc giảm dần khi xe chạy ở tốc độ cao để giảm bớt lực trợ lực, tăng cảm giác mặt đường cho người lái.
  • Thiết bị bù không tải: Tăng tốc độ không tải của động cơ khi đánh lái hết cỡ nhằm tránh sụt giảm tốc độ động cơ do áp suất bơm đạt cực đại.
  • Các dạng van phân phối: Van kiểu van trượt, van ống, van quay.

Chương 3: PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM THÔNG SỐ HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE TOYOTA VIOS 2021

Chương 3 là phần tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án, lấy đối tượng tham chiếu là xe Toyota Vios 2021:

  • Khảo sát các thông số đầu vào về kích thước hình học, tải trọng cầu trước/cầu sau, bán kính quay vòng tối thiểu (Bảng 3.1).
  • Xác định hệ thống tỷ số truyền: Tỷ số truyền cơ cấu lái ($i_\omega$), tỷ số truyền dẫn động lái ($i_d = 0{,}9 \div 1{,}2$), tỷ số truyền góc ($i_g$), và tỷ số truyền lực ($i_l$).
  • Tính toán kiểm nghiệm động học hình thang lái 4 khâu: Xác định sai lệch góc quay thực tế so với quan hệ hình học Ackerman tại các góc đánh lái khác nhau.
  • Tính toán động lực học và kiểm bền: Xác định mômen cản quay vòng của bánh xe dẫn hướng khi xe đứng yên tại chỗ và khi chuyển động; xác định lực cực đại đặt lên vành tay lái; tính toán kiểm nghiệm độ bền uốn, bền dập tiếp xúc của cặp bánh răng - thanh răng, kiểm bền xoắn trục lái, kiểm bền đòn kéo ngang, đòn kéo dọc, thanh nối bên và khớp cầu dẫn động.
  • Tính toán trợ lực lái điện: Lựa chọn công suất mô tơ điện trợ lực, xây dựng đường đặc tính cường hóa lái, tính kiểm nghiệm thông số mô tơ điện và xác lập bảng giá trị dòng điện điều khiển theo dải vận tốc chuyển động của xe (Bảng 3.2).

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MỘT SỐ CƠ CẤU CÓ TRÊN HỆ THỐNG LÁI CÓ TRỢ LỰC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG LÁI TRÊN XE DU LỊCH

Chương 4 thực hiện hai nội dung chính về mô phỏng CAD và kỹ thuật bảo dưỡng sửa chữa:

  • Ứng dụng phần mềm CATIA để xây dựng mô hình không gian 3D của các chi tiết: thanh răng, trục thước lái, vỏ thước lái, ống thước lái trái/phải, cụm lắp ghép mô tơ trợ lực và ống thước lái, hai bán trục thước lái, vành vô lăng.
  • Xây dựng quy trình bảo dưỡng kỹ thuật cho hệ thống lái xe Toyota Vios: Phân định nội dung bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ.
  • Phân tích hiện tượng, nguyên nhân và biện pháp khắc phục 10 hư hỏng điển hình trong hệ thống lái trợ lực:
    1. Hành trình tự do của vành lái lớn (độ rơ lớn).
    2. Hệ thống trợ lực hoạt động nhưng lực trợ lực sinh ra nhỏ.
    3. Lực trợ lực nhỏ và không đều khi quay vòng sang hai phía trái/phải.
    4. Mất hoàn toàn tác dụng trợ lực lái.
    5. Xuất hiện tiếng ồn bất thường khi bơm trợ lực làm việc.
    6. Dầu thủy lực trào qua lỗ thông hơi của bình chứa bơm.
    7. Dầu bị quá nhiệt gây hiện tượng lọt dầu, giảm áp suất.
    8. Dây đai dẫn động bơm bị quá căng (gây mòn ổ bi).
    9. Dây đai dẫn động bơm bị chùng (gây trượt đai).
    10. Chảy dầu rò rỉ tại các vị trí gioăng, phớt làm kín.
  • Thiết lập quy trình chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa cụm trợ lực lái điện (EPS).

Chương 5: KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Tổng kết toàn bộ kết quả khảo sát, tính toán kiểm nghiệm và mô phỏng 3D hệ thống lái trợ lực. Đề xuất các kiến nghị và hướng nghiên cứu mở rộng nhằm hoàn thiện các phương pháp đánh giá thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và kết cấu: Làm rõ sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cơ khí và đặc tính làm việc của 3 dạng trợ lực lái (HPS, EPS, EHPS). Xác lập chi tiết cấu tạo bơm phiến gạt (lưu lượng, áp suất $55 \div 80\text{ kG/cm}^2$), van bù không tải và cơ cấu van xoay thanh xoắn biến dạng góc $\pm 7^\circ$.
  • Kết quả tính toán kiểm nghiệm trên xe Toyota Vios 2021:
    • Hoàn thành bộ tính toán kiểm nghiệm động học hình thang lái Đantô, đảm bảo sai số góc quay bánh xe nằm trong giới hạn cho phép ($0^\circ 30' \div 1^\circ$) so với lý thuyết Ackerman.
    • Xác định đầy đủ các thông số bền của cơ cấu lái bánh răng - thanh răng, trục lái, đòn dẫn động và khớp rotuyl chịu lực mômen cản quay vòng cực đại.
    • Xây dựng bảng quan hệ dòng điện điều khiển motor trợ lực điện tương ứng với các cấp vận tốc di chuyển của xe (Bảng 3.2).
  • Mô hình hóa và quy trình công nghệ:
    • Thiết kế thành công bộ dữ liệu mô hình 3D hoàn chỉnh của cơ cấu lái bánh răng - thanh răng trợ lực điện trên phần mềm CATIA.
    • Tổng hợp cẩm nang kỹ thuật về chẩn đoán, xử lý 10 dạng hư hỏng thường gặp ở hệ thống trợ lực và quy trình chuẩn bảo dưỡng, sửa chữa trợ lực điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung trình bày và phạm vi đồ án:

  • Hạn chế: Các kết quả tính toán kiểm nghiệm và đặc tính cường hóa lái dừng lại ở mức độ giải tích lý thuyết và mô phỏng hình học không gian 3D trên CATIA; chưa thực hiện kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử chuyên dụng hoặc đo đạc tải trọng thực tế trên xe vận hành ngoài hiện trường.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Ứng dụng các phương pháp mô phỏng số nâng cao như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để kiểm tra biến dạng, ứng suất động lực học của thanh răng và trục lái trong điều kiện va đập mấp mô.
    • Nghiên cứu sâu thuật toán điều khiển ECU tích hợp thêm các tín hiệu gia tốc ngang và góc lệch quỹ đạo để nâng cao độ ổn định lái ở dải tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực: Tham khảo phương pháp tính toán kiểm nghiệm động học Ackerman, tính toán kiểm bền chi tiết hệ thống lái và phương pháp mô hình hóa 3D cụm cơ cấu lái bằng phần mềm CATIA.
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên xưởng dịch vụ ô tô: Sử dụng trực tiếp bảng tổng hợp chẩn đoán 10 hư hỏng điển hình, nguyên nhân, cách khắc phục và quy trình bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống lái trợ lực trên các dòng xe du lịch.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệm vụ của van điều tiết lưu lượng loại nhạy cảm với tốc độ trên bơm trợ lực thủy lực là gì?
Van điều khiển lưu lượng có nhiệm vụ duy trì lưu lượng dầu cấp tới hộp cơ cấu lái không đổi khi tốc độ động cơ thay đổi. Đồng thời, ở chế độ xe chạy tốc độ cao, van điều chỉnh giảm lượng dầu đưa tới cơ cấu lái để giảm bớt lực trợ lực, giúp tay lái đầm chắc hơn và tăng tính ổn định điều khiển.

2. Điều kiện hình học Ackerman trong hệ thống lái ô tô được biểu diễn bằng công thức nào?
Điều kiện quay vòng không trượt lết Ackerman được xác định bởi công thức $\cot\beta - \cot\alpha = \frac{B_0}{L}$, trong đó $L$ là chiều dài cơ sở, $B_0$ là khoảng cách giữa hai tâm trụ đứng, $\alpha$ và $\beta$ lần lượt là góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài và phía trong.

3. Góc nghiêng dọc trụ đứng (Caster) có tác dụng gì đối với chuyển động của xe?
Góc Caster (thường từ $0^\circ \div 3^\circ$) tạo ra khoảng Caster $c$. Khi xe vào đường vòng hoặc chịu lực ngang, phản lực bên $Y_b$ từ mặt đường sẽ tạo ra mômen ổn định $M = Y_b \cdot c$ có xu hướng tự động đưa bánh xe dẫn hướng trở lại vị trí trung gian khi thôi đánh lái.

4. Khả năng trợ lực của cụm van xoay trong hệ thống trợ lực điện - thủy lực (EHPS) phụ thuộc vào yếu tố nào?
Khả năng trợ lực phụ thuộc vào độ cứng và sự biến dạng xoắn của thanh xoắn đàn hồi. Khi đánh lái, thanh xoắn bị biến dạng (cho phép xoay tối đa $7^\circ$ về mỗi phía) làm xoay tương đối giữa thân van trong và thân van ngoài, từ đó mở thông các đường dầu cao áp cấp vào khoang xylanh lực tương ứng.

5. Đồ án đã tính toán kiểm bền những chi tiết nào của hệ thống lái trên xe Toyota Vios 2021?
Tác giả đã tính toán kiểm nghiệm bền cho: cơ cấu lái bánh răng trụ - thanh răng, trục lái, đòn kéo ngang, đòn kéo dọc, thanh nối bên của dẫn động lái và các khớp cầu (rotuyl).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trương Quốc Mạnh đã hoàn thành toàn diện việc khảo sát, phân tích lý thuyết và tính toán kiểm nghiệm hệ thống lái có trợ lực trên xe du lịch, lấy mẫu xe tham chiếu Toyota Vios 2021. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích cơ học, động học hình thang lái Ackerman với mô phỏng không gian 3D trên phần mềm CATIA và xây dựng quy trình chẩn đoán hư hỏng thực tế. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho công tác học tập, thiết kế và sửa chữa bảo dưỡng hệ thống lái ô tô.