Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam trong những năm gần đây có vị thế ngày càng quan trọng, đóng vai trò là động lực kéo theo nhiều ngành công nghiệp và dịch vụ khác phát triển. Các hãng sản xuất ô tô không ngừng cải tiến công nghệ, từ xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch đến xe điện, nhằm đáp ứng tiêu chuẩn ngày càng cao của người tiêu dùng. Nhu cầu về nguồn nhân lực kỹ thuật chất lượng cao cho ngành ô tô theo đó cũng tăng lên đáng kể.
Xuất phát từ thực tế giảng dạy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm tác giả nhận thấy rằng việc tiếp xúc trực tiếp với các chi tiết thực của hệ thống lái giúp sinh viên nắm bắt cấu trúc và nguyên lý hoạt động rõ ràng hơn so với việc chỉ học qua bài giảng lý thuyết. Nhu cầu có mô hình trực quan phục vụ giảng dạy từ đó trở thành động lực chính để nhóm thực hiện đề tài.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Thiết kế và thi công mô hình dàn trải chi tiết có khả năng trình bày đầy đủ, hoàn chỉnh các chi tiết của hệ thống lái ô tô.
- Đảm bảo mô hình hoàn thiện đạt yêu cầu về kết cấu vững chắc và tính thẩm mỹ.
- Tạo ra công cụ hỗ trợ giảng viên trong các tiết học liên quan đến hệ thống lái, tăng tính tương tác và sự sinh động của bài học.
- Hỗ trợ sinh viên nhận biết, phân biệt từng chi tiết trong hệ thống lái và nắm rõ nguyên lý hoạt động.
Đối tượng nghiên cứu: Mô hình dàn trải chi tiết của hệ thống lái ô tô, sử dụng các chi tiết và phụ tùng thực tế có sẵn tại xưởng của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm: cơ cấu lái trợ lực thủy lực dạng thanh răng kiểu Koyo của Toyota, cơ cấu lái trợ lực thủy lực dạng bi tuần hoàn, cơ cấu lái thuần cơ khí dạng thanh răng của Hyundai, bơm dầu trợ lực lái, vô lăng, trục lái và các thanh dẫn động lái.
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào quá trình thiết kế và thi công chế tạo mô hình, thể hiện rõ ràng các chi tiết và mối quan hệ giữa các bộ phận trong hệ thống lái ô tô. Thời gian thực hiện kéo dài 3 tháng, từ tháng 10 năm 2023 đến tháng 12 năm 2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và kiến thức nền: Nhóm tác giả dựa trên lý thuyết về hệ thống lái cơ khí và trợ lực, bao gồm nguyên lý hoạt động của hệ thống trợ lực lái thủy lực (HPS — Hydraulic Power Steering), cơ cấu lái kiểu trục răng — thanh răng, cơ cấu lái kiểu bi tuần hoàn, van điều khiển kiểu van quay và kiểu van cánh. Tài liệu kỹ thuật về hệ thống lái của Toyota được sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu bên cạnh các tài liệu kỹ thuật có sẵn tại thư viện của nhà trường.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống lái cơ khí và trợ lực, bao gồm phân loại theo loại trợ lực, theo cơ cấu lái và theo cách bố trí vô lăng.
- Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về hệ thống lái của Toyota.
- Tham khảo tài liệu về kỹ thuật cắt, hàn kim loại để phục vụ thi công.
- Phương pháp thiết kế kỹ thuật có sử dụng phần mềm AutoCAD để lập bản vẽ không gian ba chiều và các hình chiếu tương ứng.
- Thực nghiệm chế tạo trực tiếp tại xưởng đồng sơn của nhà trường.
Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật về hệ thống lái Toyota; tài liệu tại thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; các chi tiết thực tế từ kho xưởng khung gầm của nhà trường.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương này xác lập bối cảnh, lý do chọn đề tài và khung thực hiện. Nhóm tác giả trình bày vai trò của hệ thống lái trên ô tô — một hệ thống giúp người lái thay đổi hướng di chuyển thông qua việc quay hai bánh xe trước — và sự cần thiết của mô hình trực quan trong giảng dạy. Đề tài xác định rõ đối tượng nghiên cứu là các chi tiết thực tế từ kho xưởng nhà trường và phạm vi thực hiện trong 3 tháng (tháng 10–12/2023).
Phần tổng quan cũng đề cập hệ thống lý thuyết nền: phân loại hệ thống lái theo loại trợ lực (thuần cơ khí, trợ lực thủy lực, trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện, trợ lực điện, chủ động), theo cơ cấu lái (trục vít — thanh răng, bi tuần hoàn), và theo vị trí bố trí vô lăng. Nhóm nêu rằng hệ thống lái thuần cơ khí đã không còn được các hãng sản xuất sử dụng do những hạn chế trong hoạt động, trong khi trợ lực thủy lực, trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện và trợ lực điện là ba hệ thống phổ biến nhất hiện nay.
Cấu tạo tổng thể hệ thống lái được phân tích qua bốn thành phần chính: vô lăng, trục lái, cơ cấu lái và dẫn động lái. Nguyên lý hoạt động được mô tả theo chuỗi truyền động từ vô lăng → trục lái → cơ cấu lái → dẫn động lái → bánh xe trước. Các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống lái như độ chính xác và ổn định cao, khả năng quay vòng hẹp, lực lái phù hợp với tốc độ xe cũng được trình bày trong chương này.
Phần lý thuyết chuyên sâu về hệ thống trợ lực lái thủy lực được đề cập bao gồm: cấu tạo và nguyên lý bơm cánh gạt (rotor, cánh gạt, vòng cam, van điều khiển lưu lượng), hoạt động của van điều khiển lưu lượng ở tốc độ thấp (650–1250 vòng/phút) và tốc độ cao (lớn hơn 2500 vòng/phút), cùng hai kiểu van điều khiển thủy lực là van quay và van cánh.
Chương 2: Thiết kế, thi công mô hình
Đây là chương cốt lõi của đồ án, trình bày toàn bộ quy trình từ ý tưởng đến sản phẩm hoàn chỉnh.
Thiết kế: Mô hình được cấu tạo từ hai thành phần chính: (1) các bảng thể hiện chi tiết dùng để gắn và dàn trải các chi tiết hệ thống lái; (2) phần khung chân dạng hộp chữ nhật làm bệ đỡ. Mô hình sử dụng ba mặt bảng — bảng thể hiện chi tiết tháo rã của cơ cấu lái dạng trục răng thanh răng, bảng thể hiện chi tiết tháo rã của cơ cấu lái dạng bi tuần hoàn, và bảng thể hiện các bộ phận tổng thể hệ thống lái (vô lăng, trục lái, cơ cấu lái). Bản vẽ thiết kế được lập bằng phần mềm AutoCAD.
Kích thước phần khung chân: 104 × 50 × 76 cm. Kích thước tổng thể mô hình (gồm cả bảng): 104 × 50 × 149 cm. Một trong ba bảng được thiết kế có thể mở ra và dựng thẳng đứng khi cần sử dụng, giúp tăng lượng thông tin thể hiện mà không làm tăng kích thước tổng thể mô hình.
Nguyên vật liệu: Vật liệu chính để chế tạo khung là thanh sắt vuông 30×30 mm, độ dày 1,2 mm, mỗi thanh dài 6 m (4 cây). Giá đỡ chịu lực chữ L gồm hai loại: loại lớn 120×70 mm, độ dày 2 mm (4 cái) dùng đỡ các chi tiết nặng; loại nhỏ 40×40 mm, độ dày 2 mm (18 cái) dùng đỡ các chi tiết nhỏ hơn. Đai ôm omega với các kích thước ∅30 mm, ∅40 mm, ∅50 mm, ∅70 mm dùng cố định các chi tiết hình trụ. Mặt bảng được làm từ tấm sắt kích thước 200×100 cm, độ dày 1 mm. Bulong sử dụng gồm các kích thước M5 (dài 4 cm và 2 cm), M8 (dài 5 cm), M10 (dài 10 cm và 6 cm). Bản lề cối, chốt gài cửa, móc khóa cửa sổ, thanh nẹp nhôm, bánh xe ∅100 mm (4 cái) và chân đế nhựa vuông cũng được liệt kê trong danh mục vật liệu.
Quy trình thi công được thực hiện tuần tự theo các bước: vệ sinh các bộ phận hệ thống lái (thổi bụi bằng súng khí nén, vệ sinh dầu nhớt bằng dầu hỏa và bàn chải sắt); đo đạc và cắt khung (sử dụng máy cắt sắt bàn, thước thép 1 m, thước cuộn 8 m, thước ê ke thép); hàn khung; cắt chi tiết; khoan khung; gắn các chi tiết lên khung; hàn hoàn thiện và hoàn thiện bề mặt. Trong suốt quá trình thi công, nhóm áp dụng quy trình 5S (Seiri, Seiton, Seiso, Seiketsu, Shitsuke) và tuân thủ đầy đủ quy định an toàn vệ sinh lao động tại xưởng đồng sơn.
Bảng chi tiết kích thước và số lượng thanh sắt cắt ra:
| STT |
Chiều dài (cm) |
Số lượng (thanh) |
| 1 |
98 |
10 |
| 2 |
70 |
7 |
| 3 |
50 |
4 |
| 4 |
90 |
3 |
| 5 |
58 |
2 |
| 6 |
73 |
4 |
| 7 |
45 |
2 |
| 8 |
30 |
1 |
| 9 |
16 |
1 |
| 10 |
6 |
3 |
Chương 3: Hướng dẫn sử dụng và bài tập ứng dụng mô hình
Chương này cung cấp hướng dẫn vận hành mô hình theo ba giai đoạn: lưu ý trước khi sử dụng, lưu ý khi sử dụng và lưu ý sau khi sử dụng. Nội dung được thể hiện qua mô hình bao gồm toàn bộ các chi tiết của hệ thống lái dạng tháo rã và bố trí trực quan, cùng với chú thích tên gọi chi tiết trên từng mặt bảng.
Chương gợi ý các bài tập thực hành sử dụng mô hình, hỗ trợ sinh viên mô phỏng các tình huống và sự cố trong quá trình vận hành xe, từ đó phát triển kỹ năng xử lý và sửa chữa. Phần bài học từ mô hình tổng kết những kiến thức cốt lõi mà sinh viên có thể tiếp thu thông qua tiếp xúc trực tiếp với mô hình.
Thiết kế và triển khai
(Mục này được bổ sung do đồ án thuộc loại thiết kế và chế tạo hệ thống kỹ thuật)
Kiến trúc mô hình: Mô hình được tổ chức theo cấu trúc ba lớp: phần khung chân chịu lực (sắt vuông 30×30 mm hàn thành hộp chữ nhật 104×50×76 cm, được gia cố thêm các thanh dọc tại các vị trí chịu lực lớn), phần ba mặt bảng thể hiện (gắn trên và trong khung chân, một bảng có thể gập vào trong khi không sử dụng), và lớp chi tiết hệ thống lái thực tế gắn lên bảng qua hệ thống giá đỡ chữ L và đai ôm omega.
Các hệ thống chi tiết trưng bày trên mô hình:
| Chi tiết |
Loại/Nhà sản xuất |
Vị trí trên mô hình |
| Cơ cấu lái trợ lực thủy lực dạng thanh răng |
Koyo (JTEKT) / Toyota |
Bảng 1 |
| Cơ cấu lái thuần cơ khí dạng trục răng thanh răng |
Hyundai |
Bảng 1 |
| Cơ cấu lái trợ lực thủy lực dạng bi tuần hoàn |
— |
Bảng 2 |
| Vô lăng, trục lái, bơm trợ lực lái |
— |
Bảng 3 |
Giải pháp kỹ thuật đáng chú ý: Thiết kế bảng thứ ba có khả năng gập vào trong khung chân khi không sử dụng và dựng thẳng đứng khi cần, nhờ hệ thống bản lề cối và chốt gài. Bánh xe ∅100 mm được gắn dưới đáy khung chân cho phép di chuyển mô hình dễ dàng giữa xưởng và phòng học. Thanh nẹp nhôm bọc các mép sắt sắc nhọn vừa đảm bảo an toàn vừa tăng thẩm mỹ. Tỉ số truyền của cơ cấu lái được đề cập trong lý thuyết nằm trong khoảng 18–20:1.
Công cụ thiết kế: AutoCAD (bản vẽ 3D và hình chiếu 2D).
Đánh giá hoàn thành: Mô hình được đánh giá dựa trên hai tiêu chí — độ vững chắc kết cấu và tính thẩm mỹ — không qua quy trình kiểm thử định lượng có ghi nhận số liệu.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính: Nhóm đã hoàn thành mô hình dàn trải chi tiết hệ thống lái trong thời gian quy định (3 tháng, từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2023). Mô hình có kích thước tổng thể 104×50×149 cm, sử dụng 4 cây thanh sắt vuông 30×30 mm (mỗi cây dài 6 m) làm vật liệu khung chính. Mô hình thể hiện được đầy đủ 3 loại cơ cấu lái (trợ lực thủy lực dạng thanh răng, thuần cơ khí dạng thanh răng, trợ lực thủy lực dạng bi tuần hoàn) cùng các bộ phận bổ trợ trên ba mặt bảng riêng biệt, đạt yêu cầu về sự vững chắc kết cấu và tính thẩm mỹ.
Giải pháp và đóng góp thực tiễn: Mô hình trở thành công cụ giảng dạy trực quan tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hỗ trợ giảng viên giải thích nguyên lý làm việc của hệ thống lái và giúp sinh viên nhận biết, so sánh sự khác nhau giữa các loại cơ cấu lái. Thiết kế gập bảng tiết kiệm không gian cho phép linh hoạt sử dụng trong cả xưởng lẫn phòng học. Việc sử dụng chi tiết thực tế từ kho xưởng nhà trường giúp tiết kiệm chi phí và đảm bảo tính xác thực của mô hình.
So với nghiên cứu trước: Nhóm tác giả không đối chiếu trực tiếp với các nghiên cứu cụ thể trước đó trong văn bản. Đóng góp chủ yếu mang tính ứng dụng thực tiễn trong bối cảnh cụ thể của nhà trường, thể hiện ở việc tích hợp nhiều loại cơ cấu lái trên cùng một mô hình di động có kết cấu gập mở linh hoạt.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Nhóm tác giả thừa nhận trong lời cảm ơn rằng do thời gian thực hiện đề tài có giới hạn, báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót. Văn bản không nêu cụ thể các hạn chế về nội dung kỹ thuật hay định hướng phát triển tiếp theo.
Dựa trên phạm vi thực hiện, có thể nhận thấy một số giới hạn tự nhiên của đề tài: mô hình hiện chỉ thể hiện hệ thống lái dạng tĩnh (không có chức năng vận hành), giới hạn ở các chi tiết sẵn có trong kho xưởng nhà trường, và chưa bao gồm các hệ thống trợ lực lái điện (EPS) hay trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện (EHPS) — vốn là những hệ thống đang ngày càng phổ biến trên xe hiện đại. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc tích hợp chức năng vận hành có kiểm soát hoặc mở rộng sang các hệ thống lái thế hệ mới.
Giá trị tham khảo
Đồ án này có giá trị tham khảo trực tiếp cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại các trường kỹ thuật, đặc biệt là những sinh viên đang nghiên cứu về hệ thống lái và muốn hình dung rõ cấu tạo, mối quan hệ giữa các chi tiết qua mô hình thực tế.
- Sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp dạng chế tạo mô hình (bất kể hệ thống nào trên ô tô), đặc biệt là phần quy trình thiết kế, danh mục vật liệu, và các bước thi công có hệ thống từ đo đạc, cắt, hàn đến hoàn thiện.
- Giảng viên và xưởng trưởng đang tìm kiếm phương án phát triển học liệu thực hành cho các học phần liên quan đến hệ thống lái, trợ lực lái và kết cấu ô tô.
Phần đáng tham khảo nhất bao gồm: bảng danh mục vật liệu chi tiết (Bảng 3.1), bảng kích thước thanh sắt (Bảng 3.2), quy trình vệ sinh chi tiết thực tế bằng dầu hỏa và súng khí nén, và phần lý thuyết tổng hợp về cơ cấu lái kiểu trục răng — thanh răng và kiểu bi tuần hoàn cùng hoạt động van điều khiển trong hệ thống HPS.
Câu hỏi thường gặp
1. Mô hình sử dụng loại cơ cấu lái nào và lấy từ nguồn nào?
Mô hình sử dụng ba loại cơ cấu lái thực tế: cơ cấu lái trợ lực thủy lực dạng thanh răng kiểu Koyo của Toyota (nay là JTEKT), cơ cấu lái thuần cơ khí dạng trục răng thanh răng của Hyundai, và cơ cấu lái trợ lực thủy lực dạng bi tuần hoàn. Tất cả đều là chi tiết thực tế lấy từ kho xưởng khung gầm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
2. Tại sao mô hình được thiết kế với ba mặt bảng, và bảng thứ ba có gì đặc biệt?
Ba mặt bảng tương ứng với ba nhóm nội dung: tháo rã cơ cấu lái dạng trục răng thanh răng, tháo rã cơ cấu lái dạng bi tuần hoàn, và bố trí tổng thể hệ thống lái. Bảng thứ ba có kích thước nhỏ hơn, được thiết kế gập vào trong khung chân khi không sử dụng và dựng thẳng đứng khi cần, giúp tăng lượng thông tin thể hiện mà không làm tăng kích thước tổng thể mô hình.
3. Kích thước và vật liệu khung chính của mô hình là gì?
Khung mô hình được chế tạo từ thanh sắt vuông 30×30 mm, độ dày 1,2 mm, dùng 4 cây mỗi cây dài 6 m. Kích thước phần khung chân là 104×50×76 cm; kích thước tổng thể gồm cả bảng là 104×50×149 cm. Mặt bảng được làm từ tấm sắt 200×100 cm, độ dày 1 mm.
4. Van điều khiển lưu lượng trong hệ thống HPS hoạt động khác nhau như thế nào ở tốc độ thấp và tốc độ cao?
Ở tốc độ thấp (650–1250 vòng/phút), chênh lệch áp suất P1 và P2 qua lỗ tiết lưu tăng theo tốc độ bơm; khi chênh lệch vượt sức căng lò xo, van dịch chuyển sang trái mở khoang thông với phía hút để giữ lưu lượng dầu đến cơ cấu lái không đổi. Ở tốc độ cao (lớn hơn 2500 vòng/phút), ống điều khiển bị đẩy hết sang phải, đóng một nửa lỗ tiết lưu, van an toàn mở rộng đường dầu hồi về phía hút, lưu lượng đến cơ cấu lái vẫn được duy trì không đổi.
5. Nhóm xử lý an toàn lao động trong quá trình thi công tại xưởng như thế nào?
Nhóm tuân thủ nội quy xưởng đồng sơn, sử dụng đầy đủ trang thiết bị bảo hộ (quần áo, khẩu trang, tai nghe chống ồn, bao tay), áp dụng quy trình 5S (Seiri, Seiton, Seiso, Seiketsu, Shitsuke), trang bị kiến thức sơ cứu y tế cơ bản và xử lý các tình huống tai nạn phổ biến tại xưởng như điện giật, bỏng, xỉ sắt bay vào mắt.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng mô hình dàn trải chi tiết của hệ thống lái phục vụ cho giảng dạy" của sinh viên Lê Thái Bình và Nguyễn Trọng Lượng, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, trình bày toàn bộ quy trình từ nghiên cứu lý thuyết hệ thống lái đến thiết kế bằng AutoCAD và thi công thực tế tại xưởng trong thời gian 3 tháng (tháng 10–12/2023). Sản phẩm hoàn thành là mô hình kích thước 104×50×149 cm, thể hiện đồng thời ba loại cơ cấu lái thực tế trên ba mặt bảng, trong đó có một bảng gập mở linh hoạt giúp tiết kiệm không gian. Mô hình được thiết kế phục vụ trực tiếp cho hoạt động giảng dạy, giúp sinh viên tiếp cận chi tiết thực tế, so sánh các loại cơ cấu lái và hiểu sâu hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô — những nội dung mà bài giảng lý thuyết đơn thuần khó truyền đạt hiệu quả.
