Khái quát về hệ thống treo trên xe ôtô

Hệ thống treo trên xe là một bộ phận quan trọng trong thiết kế cơ học của xe. Nó đóng vai trò chủ chốt trong việc đảm bảo chuyển động của toàn bộ kết cấu xe, quyết định đến cảm giác lái và sự thoải mái của người ngồi trên xe. Không chỉ thế, bất kể khi nào bạn có cảm giác mặt đường vô cùng bằng phẳng, (mà thực ra là không phải), thì đó đều là một mối hiểm họa đáng sợ cho một tấn các chi tiết kim loại nếu nó bị rung lên bần bật. Bởi lẽ đó, vai trò của hệ thống treo là không thể thiếu trong thiết kế cơ học của xe.

Khái quát về hệ thống treo trên xe ôtô

Qua loạt bài này, Từ điển xe sẽ đem đến cho các bạn những kiến thức cơ bản về một trong những hệ thống quan trọng nhất trên xe ôtô và cùng với đó là những công nghệ phổ biến của hệ thống treo trên xe ôtô ngày nay.

Hệ thống treo của xe được gắn trên cầu trước và cầu sau của xe. Nó là một bộ phận thuộc khung gầm (chassis) của xe bên cạnh các hệ thống khác ví dụ như : hệ thống bánh xe : bao gồm 4 bánh xe. Hệ thống treo cũng chính là liên kết cơ khí nối bánh xe với khung gầm của xe.

Tùy vào công nghệ được sử dụng mà hệ thống treo có thể có thiết kế và bao gồm các bộ phận khác nhau. Tuy nhiên, dù là với công nghệ nào thì hệ thống treo cũng được thiết kế để đáp ứng những mục đích chính sau :

Mang được sức nặng của xe trong mọi điều kiện địa hình.
Đảm bảo sự tiếp xúc của 4 bánh xe với mặt đường trong hầu hết trường hợp (tăng khả năng kiểm soát).
Đảm bảo sự ổn định và sự linh hoạt của xe trong khi chuyển hướng, vào cua, tăng tốc, giảm tốc (tạo cảm giác lái chân thật và độ an toàn).

Giảm thiểu tối đa sự tác động của bề mặt địa hình lên phần thân trên của xe nhằm đảm bảo sự thoải mái cho người bên trong khoang lái (giảm xóc).

Đảm bảo các điều kiện an toàn tối thiểu trong va chạm.

Trước khi bắt tay vào nghiên cứu, phát triển cho đến lúc sản xuất, các hãng xe cần phải định ra các tiêu chí theo thứ tự ưu tiên cho hệ thống treo để theo đó chọn những công nghệ kỹ thuật phù hợp.

Tiêu chí 1 : ưu tiên trải nghiệm của xe : khả năng kiểm soát xe, sự thoải mái, tiếng ồn/độ rung lắc của hệ thống treo, v.v..
Tiêu chí 2 : dựa trên thiết kế tổng của xe : kết cấu tổng thể của xe, không gian chiếm dụng của hệ thống treo, v.v..
Tiêu chí 3 : ưu tiên giá thành/chi phí sản xuất.
Tiêu chí 4 : về trọng lượng xe.

Một khi đã lựa chọn được tiêu chí của hệ thống treo, qua đó lựa chọn được công nghệ phù hợp nhất với yêu cầu, bước tiếp theo các kỹ sư sẽ phải tiến hành thiết kế hệ thống treo. Trước khi phân tích ảnh hưởng của thiết kế đến sự vận hành của hệ thống treo, hãy cùng điểm qua một vài công nghệ nổi bật cho hệ thống treo.

Ở dạng cơ bản nhất, hệ thống treo bao gồm 2 bộ phận chính :

lò xo : gồm nhiều kiểu lò xo : lò xo xoắn ốc dạng thông thường, lò xo gồm nhiều thanh kim loại xếp chồng lên nhau vận dụng sự đàn hồi và lò xo dạng tuýp vận dụng lực xoắn. Về mặt vật lý, lò xo có nhiệm vụ giúp bánh xe di chuyển lên xuống theo bề mặt địa hình và tích trữ năng lượng từ những chuyển động của thân xe (có được do sự biến đổi của bề mặt địa hình, sự tăng tốc, giảm tốc của xe,v.v..). Năng lượng này được tích trữ dưới dạng lực đàn hồi và lo xò sẽ co ra giãn vào cho tới khi năng lượng này được tiêu hao hết.

giảm xóc : bộ phận quan trọng không kém lò xo, nếu hệ thống treo của xe bạn chỉ có lò xo không thì chiếc xe sẽ lắc lư cho đến tận khi bạn thấy say và không thể chịu được buộc phải rời khỏi xe. Do đó đấy là bộ phận làm nhiệm vụ hấp thụ năng lượng tích trữ bên trong lò xo và tiêu hao nó dưới dạng lực ma sát. Điều này cũng đóng vai trò giúp cho những tác động của bề mặt địa hình không ảnh hưởng lớn đến phần thân trên cũng như khoang lái của xe. Ngoài ra, nó còn giúp cho sự giảm xóc được giữ lâu nhất có thể với từng điều kiện đường đi, qua đó giúp bánh xe luôn bám sát với mặt đường.

thanh ổn định (stabiliziers bars) (màu đỏ) : từ năm 1950 trở đi, đây trở thành một bộ phận không thể thiếu trong hệ thống treo của xe. Được thiết kế dưới dạng một thánh kim loại nối 2 hệ thống treo của 2 bánh xe trên cầu xe. Nó có nhiệm vụ tăng độ ổn định của xe trong quá trình di chuyển. Trong trường hợp hệ thống treo của 1 bánh xe được kích hoạt (do đi vào đoạn đường lồi lõm, vào khúc cua, v.v..) và di chuyển lên xuống. Khi đó, thanh này có tác dụng chống lại xu hướng lật xe do tác động ngược lên bánh còn lại của cầu xe. Điều này giúp tăng sự ổn định của xe đặc biệt trong các khúc cua mà không làm mất đi sự linh hoạt của xe do hệ thống treo trên từng bánh xe vẫn hoàn toàn độc lập.

Chi tiết hơn, có thể phân ra được rất nhiều kiểu hệ thống treo khác nhau mà các hãng xe ôtô đã và đang sử dụng. Tuy nhiên, thường hệ thống treo được chia ra theo 2 loại lớn : loại phụ thuộc và loại độc lập, tất cả phụ thuộc vào cấu tạo của cầu xe : 2 bánh ở ở mỗi cầu được nối với nhau bởi 1 trục cứng hay mỗi bánh xe được phép di chuyển độc lập. Trên xe, thông thường sẽ được trang bị 2 hệ thống treo khác nhau riêng rẽ ở cầu trước và cầu sau của xe.
Cầu trước của xe
1) Loại phụ thuộc
Capture d’écran 2015-10-04 à 01.52.50
Trên hệ thống treo phụ thuộc ở cầu trước của xe, có sự xuất hiện của 1 trục cứng, nối liền 2 bánh xe. Về cơ bản, trục này thường nằm bền dưới cầu trước của xe, được giữ tại vị trí nhờ mối liên kết với hệ thống lò xo và giảm xóc. Đây là kiểu công nnhệ cũ và không có hiệu năng cao, do đó đã không còn tồn tại trên các mẫu xe ôtô hiện đại. Ba lý do chính dẫn đến sự biến mất của công nghệ này :
1 – Vì 2 bánh được nối cố định với nhau, nên trục nối có thể sẽ bị rung lắc nếu như 1 bánh lăn phải ổ gà còn bánh còn lại thì không. Hiện tượng này có khả năng tác động lực lên bánh lái của xe và lực tác động có xu hướng bị khuếch đại bởi trục nối, gây ra khó khăn cho người lái trong việc chỉnh hướng.
2 – Trọng lượng của trục nối 2 bánh thường rất lớn, không chỉ thế, vì hạn chế về mặt thiết kế, hệ thống này còn yêu cầu cần lò xo có độ cứng lớn, giảm xóc lớn nhằm đảm bảo sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.
3 – Về lý thuyết, bạn có thể tuỳ chỉnh sao cho 2 bánh của bạn thẳng hàng sau đó đặt trục nối để cố định nó. Tuy nhiên, nếu vì bất cứ lý do gì mà trục nối của bạn bị cong, lệch, thì có thể sẽ ảnh hưởng lớn đến cấu trúc cầu xe của bạn.
2) Loại độc lập

Trong trường hợp này, 2 bánh của cầu trước được cho phép di chuyển một cách độc lập. Nổi tiếng nhất trong các công nghệ hệ thống treo loại độc lập, có thể kể đến hệ thống treo dạng MacPherson, được phát triển bởi 1 kỹ sư người Mỹ, ngài Earle S.MacPherson của hãng General Motors vào năm 1947. Cho đến này hệ thống treo của MacPherson vẫn được sử dụng rất phổ biến trên các xe ôtô đời mới, đặc biệt là các hãng xe châu Âu. Điểm đặc biệt của hệ thống này là sự kết hợp giữa lò xo và giảm xóc thành 1 chi tiết, giúp giảm trọng lượng và đơn giản hoá cấu trúc của hệ thống treo. Bài viết phân tích kỹ hơn về công nghệ của hệ thống treo MacPherson sẽ được giới thiệu trong thời gian tới.
Cầu trước của xe có thể sự dụng hệ thống treo thuộc 1 trong số những công nghệ sau :

MacPherson Strut

coilspring1

Double Wishbone

trailingarm

Trailing arm suspension

transverseleafspring

Transverse leaf spring

beamaxle

Beam axle

Cầu sau của xe
Tương tự như trên cầu trước của xe, cầu sau cũng có thể được trang bị hệ thống treo loại phụ thuộc hoặc loại độc lập.
Một số hệ thống treo loại phụ thuộc có thể được trang bị trên cầu sau của xe bao gồm :

solidaxleleafspring

Leaf spring

solidaxlecoilspring

Coil spring

beamaxle

Beam axle

4barparallel

4-bar

Ngoài ra, nếu xe được trang bị hệ thống treo loại độc lập ở cầu sau thì chúng ta có 1 chiếc xe với 4 bánh có khả năng giảm xóc độc lập, hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau. Khả năng này giúp tăng khả năng bám đường qua đó cải thiện cảm giác lái và khả năng kiểm soát của xe.
Hơn thế, cầu trước và cầu sau có thể được trang bị cùng 1 công nghệ cho 2 hệ thống treo. Hệ thống treo ở cầu sau sẽ hoạt động trên cùng một nguyên tắc nhưng sẽ đơn giản hơn hệ thống ở cầu trước do không có sự xuất hiện của bánh lái.
Loại độc lập của hệ thống treo trên cầu sau của xe được thiết kế hoàn toàn dựa trên thiết kế của hệ thống tương tự cho cầu trước của xe.