Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể quý thầy côTrường Đại học Công nghệ TP.HCM, cụ thể là quý thầy cô thuộc Viện Kỹ thuậtHUTECH đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức chuyên môn và kỹnăng thực tiễn trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường. Đặc biệt, chúng emxin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy Nguyễn Văn Bản – Giảng viên bộ môn chuyênngành Công nghệ kỹ thuật ô tô đã nhiệt tình hỗ trợ và hướng dẫn chúng em hoàn thànhtốt báo cáo môn học này.Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong xưởng thực hành đã tạo điềukiện thuận lợi nhất cho chúng em được tìm hiểu, đo đạc và khảo sát thực tế các chi tiếtkỹ thuật nhằm phục vụ cho việc hoàn thành báo cáo môn học, giúp chúng em có thêmnhững hiểu biết về ngành nghề cũng như kinh nghiệm cho công việc chuyên môn saunày.Với vốn kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp và kinh nghiệm tích lũy còn có phầnhạn chế nên sẽ không tránh khỏi những sơ suất hoặc thiếu sót trong quá trình hoàn thiện,chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của thầy cô trong suốtquá trình báo cáo môn học. Đó chắc chắn sẽ là những kiến thức và kinh nghiệm cực kìquý báu giúp chúng em hoàn thiện các kỹ năng chuyên môn của bản thân trong tươnglai.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Sự phát triển không ngừng của ngành công nghệ và khoa học kỹ thuật yêu cầu con người phải đảm bảo tốc độ và độ chính xác cao trong việc chế tạo các linh kiện cho ô tô, đáp ứng các tiêu chí như thẩm mỹ, độ bền, hiệu năng và tuổi thọ Trong lĩnh vực công nghệ ô tô, cơ khí ô tô đang trở thành xu thế chủ đạo, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức để tạo ra một chiếc xe hoàn chỉnh Hệ thống treo là một phần quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng di chuyển và cảm giác lái của xe, giúp hạn chế tác động cơ học đến khung xe và mang lại sự thoải mái cho người sử dụng Do đó, các nhà sản xuất hiện nay luôn chú trọng phát triển bộ phận này để nâng cao chất lượng và hiệu suất của ô tô.
Hệ thống treo là một phần quan trọng không thể thiếu trong cấu trúc của ô tô, có chức năng giảm thiểu và dập tắt độ giao động khi xe di chuyển trên các cung đường gập ghềnh Điều này không chỉ đảm bảo sự thoải mái cho người lái mà còn nâng cao an toàn giao thông cho tất cả những người tham gia Nhận thức được tầm quan trọng của hệ thống treo, chúng tôi đã quyết định nghiên cứu, phân tích và mô phỏng động lực học của nó trong báo cáo môn học động lực học ô tô lần này.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu chi tiết về thành phần cấu tạo, công dụng, và phương thức sử dụng của hệ thống treo trong động lực học của xe ô tô Bên cạnh đó, đề tài cũng phân tích tính ứng dụng của hệ thống treo đối với hiệu suất của xe ô tô và vai trò của nó trong công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại.
Mục tiêu của đề tài này là chứng minh sự đa dụng, sức mạnh và tầm ảnh hưởng quan trọng của hệ thống treo trên xe ô tô Đồng thời, chúng tôi hướng tới việc sản xuất, chế tạo và lắp ráp một hệ thống treo hoàn chỉnh, nhằm đáp ứng các nhu cầu đa dạng của người sử dụng trong tương lai.
Nội dung đề tài
Nội dung của đề tài thực hiện các nhiệm vụ cụ thể bao gồm:
- Tìm hiểu về thành phần cấu tạo chính, phương pháp gia công, chế tạo của các chi tiết trong hệ thống treo trên xe ô tô
- Trình bày được cách thức, nguyên lý hoạt động qua từng giai đoạn, chu kỳ trong động lực học hệ thống treo ô tô
- Khảo sát các linh kiện, bộ phận về động lực học trong hệ thống treo ô tô
- Đưa ra kết luận tổng thể về tầm ảnh hưởng và sự quan trọng của động lực học hệ thống treo trên xe ô tô
- Viết báo cáo tổng hợp và hoàn thành báo cáo môn học.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu dựa trên các phương pháp:
Tìm kiếm và thu thập thông tin từ internet, giảng viên chuyên ngành cơ khí, cùng các sách báo và tài liệu chuyên ngành liên quan đến hệ thống treo trên xe ô tô là rất quan trọng Việc phân tích và so sánh các thông tin này giúp giải quyết các vấn đề về thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương pháp chế tạo, gia công, và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống treo.
Nghiên cứu và phân tích hệ thống treo trên xe ô tô thông qua các biểu đồ trạng thái làm việc ở từng giai đoạn, giúp cung cấp cái nhìn trực quan và rõ ràng về hiệu suất và chức năng của hệ thống này.
Tổng hợp dữ liệu từ quá trình nghiên cứu, bài viết phân tích các luận điểm và căn cứ đã tìm hiểu để đưa ra kết luận tổng thể về động lực học của hệ thống treo trên xe ô tô.
Kết cấu của đồ án môn học
Kết cấu của đồ án môn học có tất cả 03 chương, bao gồm:
- Chương 1: Giới thiệu đề tài
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm cơ bản
Hệ thống treo là bộ phận thiết yếu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự êm ái và cân bằng của xe, đặc biệt trên những đoạn đường gồ ghề Nó cũng có nhiệm vụ truyền lực và mô-men từ bánh xe đến khung hoặc vỏ xe, đảm bảo hoạt động hiệu quả của bánh xe.
Hệ thống treo là bộ phận quan trọng giúp giảm thiểu ảnh hưởng cơ học lên khung xe và các chi tiết kim loại, mang lại sự thoải mái cho người sử dụng khi di chuyển mà không cần giảm tốc độ Hiểu rõ công dụng của hệ thống treo, các hãng sản xuất ô tô hiện nay luôn đặc biệt chú trọng vào việc phát triển và cải tiến bộ phận này.
Hình 2.1 Hệ thống treo cơ bản trên xe ô tô
Hệ thống treo xe ô tô, nằm ở cầu trước và cầu sau, là một phần quan trọng của khung gầm xe bên cạnh khung xe, bánh lái và bánh xe Với sự tiến bộ của công nghệ, thiết kế hệ thống treo ngày càng đa dạng và nâng cao tính năng sử dụng, mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn.
Hệ thống treo trên ô tô, bất kể thiết kế hay công nghệ hiện đại nào được áp dụng, đều cần đảm bảo các tính năng cơ bản sau đây.
- Chịu được sức nặng của xe ô tô khi di chuyển trên bất cứ điều kiện địa hình nào
- Bốn bánh xe phải tiếp xúc với mặt đường để đảm bảo khả năng kiểm soát
- Xe vào cua, chuyển hướng, tăng/giảm tốc độ phải đảm bảo được sự ổn định và linh hoạt
- Giảm thiểu tác động của địa hình lên thân xe, giúp người ngồi trong xe không cảm thấy khó chịu vì quá xóc
- Đảm bảo an toàn tối thiểu khi không may xảy ra va chạm
Phân loại hệ thống treo
Hệ thống treo trên xe ô tô rất đa dạng về cấu trúc và phân loại, tùy thuộc vào quy chuẩn thiết kế của từng hãng sản xuất và nhu cầu sử dụng của khách hàng Các dạng cơ bản của hệ thống treo bao gồm nhiều loại khác nhau.
Hệ thống treo phụ thuộc là loại hệ thống trong đó các bánh xe được kết nối trên một dầm cầu liền, với các chi tiết treo nối dầm cầu với thân xe Tên gọi “phụ thuộc” phản ánh bản chất của hệ thống này, vì dao động của hai bánh xe có sự ảnh hưởng và phụ thuộc lẫn nhau.
Hệ thống treo phụ thuộc có cấu trúc đơn giản hơn và độ bền cao hơn so với hệ thống treo độc lập, làm cho nó phù hợp với ô tô tải và ô tô con sử dụng khung vỏ rời Tuy nhiên, do khối lượng phần không được treo lớn, hệ thống này thường kém êm dịu và ổn định, dẫn đến hiện tượng rung động Trong xe con, hệ thống treo phụ thuộc thường được áp dụng ở cầu sau của các mẫu xe.
SUV quen thuộc như Toyota Fortuner,
Chevrolet Trailblazer, Ford Everest, Ford
Explorer,… và những chiếc bán tải sử dụng chung khung gầm như Toyota Hilux, Chevrolet
Hình 2.2 Minh họa hệ thống treo phụ thuộc
Hệ thống treo độc lập cho phép các bánh xe gắn với thân xe một cách riêng biệt, giúp chúng có thể chuyển động độc lập mà không ảnh hưởng đến nhau Điều này cải thiện khả năng kiểm soát dao động từ mặt đường lên khung xe, mang lại trải nghiệm lái xe êm ái và ổn định hơn.
Typical types of independent suspension systems include the MacPherson suspension, double wishbone suspension, and multi-link suspension.
So với hệ thống treo phụ thuộc, phần không được treo nhỏ nên khả năng bám đường của bánh xe cao, tính êm dịu chuyển động cao
Do không có dầm cầu liền nối thân xe, trọng tâm xe có thể được bố trí thấp hơn, tuy nhiên, hệ thống treo độc lập lại có cấu trúc và thành phần phức tạp hơn.
Hình 2.3 Minh họa hệ thống treo độc lập
Hệ thống treo độc lập là công nghệ phổ biến trên ô tô, được áp dụng rộng rãi trong nhiều mẫu xe như Honda Civic, Honda CR-V, Toyota Camry, Mercedes C-Class và Mercedes GLE-Class.
❖ Hệ thống treo bán độc lập:
Hệ thống treo cho phép hai bánh xe chuyển động tương đối nhưng vẫn ảnh hưởng lẫn nhau Hiện nay, hệ thống này phổ biến dưới dạng thanh xoắn kết hợp với thanh cân bằng, thường được sử dụng ở cầu sau của một số mẫu xe như Toyota Corolla Altis và Toyota Vios.
Hình 2.4 Hệ thống treo bán độc lập trang bị trên dòng xe Toyota Vios
Bộ giảm chấn có thiết kế đơn giản, nhẹ và nhỏ gọn, bao gồm các thành phần như giảm xóc, lò xo, cánh tay điều chỉnh hướng và đệm cao su giảm chấn Thiết kế này giúp tiết kiệm diện tích cho các bộ phận truyền động khác, rất phù hợp cho xe dẫn động cầu trước (FWD) Hơn nữa, độ ma sát và mài mòn của bộ phận giảm chấn được giảm thiểu, giúp giảm thiểu nhu cầu bảo trì.
Hình 2.5 Hệ thống treo MacPherson
Độ chụm và góc đặt bánh xe không ổn định khiến cho bánh xe và thân xe lắc ngang so với mặt đường, điều này không phù hợp với những xe yêu cầu cao về trải nghiệm lái.
❖ Hệ thống treo thanh chống kép (Double Wishbone – Hai càng chữ A):
Thiết kế góc đặt bánh xe ổn định giúp giảm lắc ngang khi vào cua, nâng cao cảm giác lái Sự linh hoạt trong sắp xếp các thành phần như lò xo và giảm chấn cho phép điều chỉnh động học hệ thống treo dễ dàng, tối ưu hóa quá trình vận hành của xe.
Hình 2.6 Hệ thống treo thanh chống kép – Hai càng chữ A
Cấu tạo của hệ thống treo phức tạp hơn so với MacPherson, dẫn đến chi phí cao hơn và yêu cầu nhiều thời gian cũng như công sức cho việc sửa chữa và bảo trì.
❖ Hệ thống treo đa liên kết (Multi Link):
Hệ thống treo đa liên kết là một cải tiến vượt trội so với hệ thống treo tay đòn kép, sử dụng từ ba đến năm thanh điều hướng hoặc kết hợp với càng chữ A Sự đa dạng trong thiết kế và khả năng điều chỉnh các liên kết này mang lại cảm giác điều khiển và xử lý tốt hơn, vượt trội hơn so với hệ thống tay đòn kép.
Hình 2.7 Hệ thống treo đa liên kết
Việc phát triển và thiết kế hệ thống này rất phức tạp, dẫn đến chi phí cao và độ khó trong việc sửa chữa và bảo trì cũng tăng lên đáng kể.
Hình 2.8 Hệ thống treo đa liên kết trên dòng xe của hãng Audi
Cấu tạo cơ bản của hệ thống treo
Bộ phận đàn hồi trong hệ thống treo có vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sức nặng tác động lên khung xe, giúp bánh xe dao động mượt mà hơn và tạo cảm giác êm dịu khi di chuyển Hệ thống treo được thiết kế với các kiểu cơ bản khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất này.
- Nhíp: Kiểu đàn hồi này thường được sử dụng chủ yếu cho loại xe tải, có ưu điểm chịu sức tải cao nhưng độ êm dịu lại hạn chế
Lò xo là kiểu đàn hồi thường được sử dụng cho xe con, với ưu điểm là cấu tạo đơn giản và khả năng mang lại sự êm dịu Tuy nhiên, việc bố trí điểm đặt lò xo trên xe lại gặp khó khăn.
- Thanh xoắn: Trái ngược với kiểu đàn hồi lò xo, kiểu thanh xoắn lại dễ bố trí nhưng lại có kết cấu phức tạp
Hình 2.10 Hệ thống treo sử dụng bộ phận đàn hồi bằng thanh xoắn
Khí nén là loại đàn hồi có khả năng đảm bảo độ êm ái và sức tải tốt, thường được ứng dụng cho xe khách và xe bus Độ cứng của bộ phận đàn hồi này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất vận hành của phương tiện.
Áp suất khí nén có thể điều chỉnh độ cứng của bộ phận đàn hồi, cho phép thay đổi tính năng khi điều kiện vận hành biến đổi Đây là một ưu điểm nổi bật, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Bộ phận giảm chấn có chức năng chính là giảm thiểu sự dao động giữa bánh xe và thân xe, từ đó cải thiện độ bám đường của bánh xe và giúp xe di chuyển ổn định, mượt mà hơn Có hai loại cơ bản của bộ phận giảm chấn.
Giảm chấn thủy lực hoạt động dựa vào lực ma sát giữa các lớp dầu để giảm thiểu dao động Có hai loại giảm chấn thủy lực chính: giảm chấn dạng ống và giảm chấn dạng đòn.
- Giảm chấn ma sát: Tận dụng lực ma sát giữa các lá nhíp để giảm thiểu sự dao động
Hình 2.11 Các loại giảm chấn thủy lực trong hệ thống treo trên ô tô
Bộ phận dẫn hướng, hay còn gọi là thanh ổn định, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống treo của ô tô Vai trò của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng hoạt động của hệ thống treo, đảm bảo sự ổn định và an toàn khi lái xe.
Bộ phận dẫn hướng là yếu tố quan trọng trong việc tiếp nhận và truyền lực, giúp xe di chuyển ổn định và êm ái Có hai loại dẫn hướng chính: nhíp cho xe tải và cơ cấu tay đòn cho xe con Tùy thuộc vào cách bố trí các tay đòn, các nhà sản xuất sẽ phát triển những hệ thống treo khác nhau như hệ thống treo MacPherson, tay đòn kép (Double wishbone), và đa liên kết (Multi-link).
Hình 2.12 Cơ cấu tay đòn trong bộ phận dẫn hướng trên hệ thống treo của ô tô
Động lực học trên hệ thống treo
2.4.1 Hệ thống treo phụ thuộc:
Cách đơn giản và hiệu quả nhất để lắp đặt một cặp bánh xe vào xe là gắn chúng ở hai đầu đối diện của cầu xe, như minh họa trong hình 2.13.
Hình 2.13 Hệ thống treo phụ thuộc
Cầu xe cần được gắn vào thân để có thể di chuyển lên xuống theo hướng z và xoay quanh trục x, trong khi không được phép dịch chuyển ngang, tiến về phía trước hay xoay quanh trục z Nhiều kết hợp liên kết và lò xo có thể đáp ứng các yêu cầu về động học và động lực học Thiết kế đơn giản nhất là kẹp trục giữa hai lò xo lá với hai đầu được buộc vào khung xe, như thể hiện trong sơ đồ hình 2.14 Hệ thống treo có sự kết nối chắc chắn giữa bánh xe bên trái và bên phải được gọi là hệ thống treo phụ thuộc.
Hình 2.14 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng lá nhíp
Nhíp là một bộ phận được cấu tạo từ nhiều lá thép mỏng ghép lại, mang lại độ đàn hồi cao Các lá thép này có kích thước giảm dần từ lá lớn nhất, được gọi là lá nhíp chính hay lá nhíp gốc Hai đầu của lá nhíp được uốn cong thành hai tai để kết nối với khung.
Hình 2.15 Nhíp lá dưới dạng tổng quát
Khối lượng treo M bao gồm các bộ phận như khung, cabin, động cơ và các chi tiết liên quan, ảnh hưởng đến hệ thống treo Trong mô hình dao động tương đương, khối lượng này được coi là một vật thể đồng nhất và cứng, được biểu diễn dưới dạng thanh AB với khối lượng M tập trung tại trọng tâm T Điểm A và B tương ứng với vị trí cầu trước và cầu sau của xe, trong đó khối lượng phân bố lên cầu trước là M1 và cầu sau là M2.
Hình 2.16 Mô hình hóa trạng thái khối lượng được treo
Khối lượng không được treo m bao gồm các chi tiết mà trọng lượng của chúng không ảnh hưởng đến hệ thống treo Phần không được treo được coi là một vật thể đồng nhất và cứng, với khối lượng m tập trung tại tâm bánh xe.
Hình 2.17 Trạng thái của khối lượng không được treo
Hệ thống treo phụ thuộc với lò xo lá dọc có nhiều nhược điểm, chủ yếu do các lò xo này đóng vai trò như bộ định vị Khi chịu tải, lò xo bị uốn cong nhưng chỉ theo một hướng, trong khi bản chất của lò xo lá là xoắn và uốn cong theo phương ngang Điều này dẫn đến việc lò xo không thích hợp để tiếp nhận các lực kéo và phanh, khiến chúng dễ bị uốn cong theo hình chữ S.
Sự biến dạng của lò xo lá khi tăng tốc và phanh tạo ra một góc caster âm và tăng sự bất ổn
Để hạn chế sự dịch chuyển của nhíp lá khi xe tăng tốc và phanh, người ta lắp thêm một thanh chống dịch chuyển, như thể hiện trong hình 2.19.
Hình 2.19 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp lá có thanh chống dịch chuyển
Mặc dù thanh chống dịch chuyển giúp kiểm soát hình dạng của lò xo lá khi xe tăng tốc hoặc phanh, nhưng nó cũng gây ra vấn đề về góc xoắn khi cầu xe di chuyển lên và xuống.
Hình 2.20 Trạng thái của thanh chống dịch chuyển khi cầu xe dịch chuyển lên (a) và xuống (b)
Các bánh trước cần có không gian để lái sang trái và phải, vì vậy lò xo lá không thể gắn gần bánh xe mà phải đặt gần giữa trục Điều này dẫn đến chiều dài và không gian của lò xo lá bị thu hẹp, khiến khối lượng treo dao động mạnh khi có lực ngang tác động, gây khó chịu cho hành khách và giảm hiệu quả lái.
Hệ thống treo phụ thuộc được coi là khối lượng không được treo, và việc sử dụng hệ thống này sẽ làm tăng khối lượng không được treo, ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của xe Mặc dù việc giảm trọng lượng của trục có thể cải thiện một số yếu tố, nhưng điều này cũng có thể làm giảm độ bền của trục, dẫn đến nguy cơ gãy trục Do đó, trục cần phải đủ mạnh để đảm bảo không bị gãy trong mọi điều kiện tải.
Theo ước tính, 90% khối lượng nhíp lá là khối lượng không được treo, khiến hệ thống treo phụ thuộc không còn phổ biến trên xe du lịch, nhưng vẫn được sử dụng trên xe tải do ảnh hưởng ít đến tỷ lệ khối lượng Khi xe có bánh sau là bánh chủ động và sử dụng hệ thống treo phụ thuộc, nó được gọi là hệ thống treo trục dẫn động, bao gồm vi sai và hai trục truyền động Cầu dẫn động có thể nặng gấp ba đến bốn lần so với cầu không dẫn động Để giảm khối lượng không được treo và tăng tính linh hoạt, hệ thống treo phụ thuộc thường được trang bị lò xo cuộn, như mô hình trong hình 2.21, với cấu trúc gồm bốn thanh dọc giữa trục và khung xe.
Hình 2.21 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng lò xo cuộn
Hệ thống treo phụ thuộc hiện nay được ưa chuộng nhờ vào cấu trúc đơn giản và chi phí thấp Nhíp trong hệ thống này không chỉ có tác dụng đàn hồi mà còn giảm chấn và dẫn hướng Bên cạnh đó, hệ thống treo phụ thuộc dễ bảo trì và sửa chữa, đồng thời giúp lốp xe ít bị mòn hơn, vì khi xe quay vòng, chỉ có thùng xe nghiêng trong khi cầu vẫn giữ thăng bằng.
Hệ thống treo phụ thuộc có nhược điểm là khi nâng một bánh xe lên, vệt bánh xe sẽ thay đổi (ΔB), dẫn đến sự phát sinh lực ngang Y, làm giảm khả năng bám đường của ô tô và tăng nguy cơ trượt ngang.
Hình 2.22 Tác động đến hệ thống treo phụ thuộc khi nâng một bánh xe lên
2.4.2 Hệ thống treo độc lập:
Hệ thống treo độc lập là hệ thống treo sao cho một bánh xe di chuyển lên xuống mà không ảnh hưởng đến bánh xe đối diện
Hình 2.23 Hệ thống treo độc lập
Hệ thống treo độc lập có nhiều hình thức và thiết kế khác nhau, trong đó hệ thống treo thanh chống kép và MacPherson là hai kiểu phổ biến nhất trên các dòng xe ô tô hiện nay Ngoài ra, còn nhiều cơ chế hệ thống treo độc lập khác phù hợp với từng loại xe hoặc nhu cầu sử dụng, như hệ thống treo đa liên kết, hệ thống treo trục xoay và tay đòn di động.
2.4.2.1 Hệ thống treo thanh chống kép (A-arm) – Hai càng chữ A:
Hình 2.24 Hệ thống treo độc lập sử dụng thanh chống kép A-arm
Với một cơ chế lò xo cuộn trong hệ thống treo độc lập sử dụng thanh chống kép:
- Lò xo cuộn có thể nằm giữa cánh tay dưới và khung máy (1)
- Lò xo cuộn có thể đặt ở giữa cánh tay trên và khung xe (2)
- Lò xo cuộn có thể đặt ở giữa cánh tay chữ A trên và dưới (3)
Trong trường hợp (1) và (2), cánh tay dưới hoặc cánh tay trên được làm mạnh hơn và cánh tay kia hoạt động như một cánh tay kết nối
2.4.2.2 Hệ thống treo MacPherson: Đây là biến thể của hệ thống treo sử dụng thanh chống kép
Cấu trúc cánh tay trên có chiều dài bằng 0 và cánh tay dưới có chiều dài khác 0 tạo ra không gian rộng rãi bên trong, thuận lợi cho việc bố trí hệ thống truyền lực hoặc khoang hành lý.