luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển hệ thống treo bán chủ động cho động cơ đốt trong xe du lịch

Phân tích các nguồn tài liệu đã công bố trong lĩnh vực phân tích dao động động cơ đốt trong nói riêng và dao động ô tô của ô tô nói chung cho thấy các nghiên cứu hiện nay đa số tập trung

QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Công dụng, phân loại và yêu cầu đối với hệ đệm cách dao động động cơ đốt trong

Hệ thống đệm cách dao động có vai trò quan trọng trong việc ngăn cách và giảm dao động truyền từ động cơ xuống thân xe, cũng như từ thân xe lên động cơ Ngoài chức năng này, hệ thống còn đảm nhiệm việc điều khiển cân bằng động của động cơ Phân loại hệ thống đệm cách dao động rất đa dạng, tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

- Phân loại theo bộ phận đàn hồi và giảm chấn:

+ Hệ thống đêm cách dao động cao su;

+ Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực;

+ Hệ thống đệm cách dao động cao su điện tử

- Phân loại theo điều khiển tích cực

+ Hệ thống đệm cách dao động bị động;

+ Hệ thống đệm cách dao động bán chủ động;

+ Hệ thống đệm cách dao động chủ động c) Yêu cầu

- Tính đàn hồi cao: đảm bảo giảm các dao động ở các tần số kích thích thấp và cao;

- Dập tắt tốt: đảm bảo dập tắt các dao động ở các tấn số kích thích thấp và cao;

- Làm việc trong môi trường khắc nhiệt;

Bố trí chung các đếm cách dao động trên ô tô

Các đệm cách có chức năng giảm chấn cho ô tô, bao gồm các loại đệm cách dao động như thể hiện trong hình 1.1 và hệ thống đệm cách dao động trên động cơ đốt trong như trong hình 1.2 Những đệm cách dao động này tiếp nhận lực kích thích từ cả tần số thấp và cao, do mấp mô mặt đường và động cơ truyền tới.

Hình 1.1 Hệ thống đệm cách dao động trên xe ô tô

Hình 1.2 Hệ thống đệm cách dao động động cơ đốt trong

Lịch sử phát triển đệm cách dao động động cơ đốt trong được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 Lịch sử phát triển hệ thống đệm cách dao động động cơ đốt trong

1.3 Phân tích các kết cấu đệm cách dao động động cơ Đặc điểm kết cấu và các ưu nhược điểm của các hệ thống đệm cách dao động động cơ đốt trong được phân tích dưới đây: a) Hệ thống đệm cách dao động cao su

Hình 1.4 Hệ thống đệm cách dao động cao su của động cơ đốt trong

+ Kết cấu đơn giản và dễ chế tạo;

Hệ thống đệm cách dao động động cơ đốt trong gặp khó khăn trong việc giảm dao động dưới tác động của tần số kích thích thấp do hệ số cản nhỏ Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng hệ thống treo kết hợp giữa cao su và thủy lực Việc áp dụng dầu thủy lực trong cấu trúc hệ thống đệm giúp tăng hiệu quả cách dao động ở tần số thấp Hình 1.5 minh họa cấu trúc đệm cách dao động cao su kết hợp thủy lực, trong khi hình 1.6 trình bày mô hình dao động của hệ thống này.

Hình 1.5 Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực của động cơ đốt trong[22]

Hình 1.6 Mô hình dao động của hệ thống đệm cách dao động cao su kết hợp thủy lực

* Ưu điểm: Giảm hiệu quả được tiếng ồn và dao động khi tần số kích thích thấp do nâng cao giá trị hệ số cản của hệ thống treo

Mặc dù hệ thống đệm đã cải thiện đáng kể đặc tính cản so với hệ thống cao su thuần túy, nó vẫn mang tính chất bị động Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất hệ thống đệm cách hệ thống treo, kết hợp giữa động cơ đốt trong, cao su và thủy lực có điều khiển hệ số cản Hệ thống đệm cánh dao động bán chủ động sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.

Hình 1.7 Hệ thống đệm động cơ cao su thủy lực bán chủ động[21]

Hình 1.8 Mô hình hóa hệ thống đệm cách dao đông cao su thủy lực bán tự động[21]

Hệ thống treo (đệm cách dao động) mang lại ưu điểm nổi bật là giảm thiểu dao động trong mọi điều kiện làm việc Điều này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh giá trị hệ số cản một cách thuận tiện, giúp cải thiện hiệu suất và sự ổn định của phương tiện.

+ Kết cấu phức tạp và giá thành đắt;

Mặc dù đã giảm đáng kể dao động và tiếng ồn từ động cơ đốt trong, nhưng vẫn chưa kiểm soát được độ cứng của hệ thống Do đó, hệ thống đệm cách dao động điện từ sẽ được trình bày dưới đây, với trọng tâm là hệ thống đệm cánh dao động chủ động.

Xu hướng phát triển hệ thống đệm cách dao động chủ động cho động cơ đốt trong đang được cải thiện, như thể hiện trong hình 1.9 Hệ thống này cho phép điều khiển thông minh cả độ cứng và hệ số cản, phù hợp với các điều kiện làm việc của động cơ Sự ra đời của cấu trúc hệ thống đệm cách dao động điện từ đã mở ra một mô hình hóa mới cho hệ thống đệm cách dao động cao điện từ chủ động, được minh họa trong hình 1.10.

Hình 1.9 Hệ thống đệm cách dao động điện từ chủ động[23]

Hình 1.10 Mô hình hóa hệ thống đệm cách dao đông cao điện từ chủ động [23]

Ưu điểm của hệ thống này là khả năng giảm dao động hiệu quả trong mọi điều kiện làm việc, nhờ vào việc điều chỉnh linh hoạt cả độ cứng và hệ số cản.

Do vậy nó có ưu điểm hệ thống đệm cách dao động cao thủy lực bán chủ động

+ Kết cấu phức tạp và giá thành đắt;

Mặc dù hệ thống đệm cách dao động bán chủ động giúp giảm thiểu dao động và tiếng ồn từ động cơ đốt trong, bài viết này chỉ tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống đệm cách dao động bằng cao su thủy lực bán chủ động.

Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

Trong bối cảnh hội nhập, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã đạt được những tiến bộ đáng kể, đặc biệt trong nghiên cứu dây chuyền lắp ráp và công nghệ sản xuất thân vỏ Năm 2018, thương hiệu ô tô VinFast ra đời, và tháng 6 năm 2019, nhà máy sản xuất ô tô VinFast chính thức hoạt động Nghiên cứu về dao động ô tô cũng được các nhà khoa học Việt Nam chú trọng từ sớm, tuy nhiên, các mô hình dao động thường ít đề cập đến ảnh hưởng của dao động động cơ.

Năm 2003, tác giả Nguyễn Khắc Tuân đã nghiên cứu ảnh hưởng của mô men xoắn động cơ đến hệ thống truyền lực thủy cơ trong luận văn Cao học của mình Nghiên cứu này đã đánh giá tác động của các chế tải khác nhau đến dao động của hệ thống truyền lực.

Năm 2009, tác giả Nguyễn Tân Chính đã trình bày mô phỏng dao động của động cơ đốt trong và phân tích ảnh hưởng của nó đến độ êm dịu chuyển động của ô tô du lịch trong luận văn Cao học Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thông số hệ thống treo động cơ, như độ cứng và hệ số cản, có tác động đáng kể đến độ êm dịu chuyển động Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá được ảnh hưởng của các lực kích thích từ động cơ lên độ êm dịu này.

Năm 2010, Nguyễn Khắc Tuân và Lê Văn Quỳnh đã công bố một nghiên cứu về mô hình và mô phỏng dao động theo phương đứng, phân tích ảnh hưởng của mô men xoắn động cơ và kích thích từ mặt đường đến độ êm dịu chuyển động của ô tô du lịch Kết quả cho thấy khi xe di chuyển trên mặt đường có các thông số như q=0.015m, s=6m, va=1m/s² và ở số 5, gia tốc bình phương trung bình của thân xe tăng 9,7% khi không tính đến kích thích từ mô men xoắn của động cơ đốt trong.

Năm 2015, Lê Văn Quỳnh, Hoàng Anh Tấn và Nguyễn Khắc Minh đã thực hiện một nghiên cứu về ảnh hưởng của thiết kế hệ thống treo đến độ êm dịu chuyển động của ô tô Nghiên cứu tập trung vào các thông số độ cứng và hệ số cản của hệ thống đệm cách dao động động cơ, phân tích tác động của chúng đến độ êm dịu của ô tô Mô hình dao động không gian toàn xe được sử dụng để đánh giá dưới kích thích mặt đường quốc lộ, mà không xem xét ảnh hưởng từ kích thích động cơ.

Năm 2015, tác giả Hoàng Anh Tấn đã trình bày trong luận văn Cao học của mình nghiên cứu về ảnh hưởng của yếu tố dao động từ động cơ đến độ êm dịu của ô tô du lịch Nghiên cứu đã phân tích tác động của kích thích từ động cơ đến độ êm dịu dựa vào mô hình không gian Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, tác giả chỉ tập trung vào việc xem xét đệm cách dao động cao su bị động.

Năm 2019, tác giả Hoàng Anh Tấn đã trình bày nghiên cứu về hệ thống đệm cách dao động cho động cơ đốt trong ô tô du lịch trong báo cáo tổng kết đề tài cấp cơ sở Nghiên cứu này phân tích ảnh hưởng của việc thêm các giá trị hệ số cản thủy lực vào đệm cách dao động cao su đến độ êm dịu, dựa trên mô hình không gian Tuy nhiên, tác giả chỉ tập trung vào đệm cách dao động cao su thủy lực bị động trong nghiên cứu của mình.

Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu hệ thống đệm cách dao động bằng cao su thủy lực bán chủ động, áp dụng mô hình dao động không gian toàn xe với hai nguồn kích thích Nghiên cứu này đóng góp vào hiểu biết quốc tế về công nghệ giảm chấn trong lĩnh vực giao thông vận tải.

Nghiên cứu về dao động động cơ nhằm giảm tiếng ồn và nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô, đặc biệt là xe du lịch, đã thu hút sự quan tâm từ sớm Tài liệu Mitschke[16,17] đề cập đến mô hình dao động của động cơ đốt trong Xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào hai hướng chính: (1) phân tích ảnh hưởng của dao động xoắn của động cơ đốt trong đến hệ thống truyền lực và (2) thiết kế tối ưu hệ thống treo động cơ để cải thiện độ êm dịu chuyển động và giảm thiểu tiếng ồn.

Năm 1984, P.E Geck và R.D Patton đã công bố một mô hình dao động động cơ 6 bậc tự do kết hợp với hệ thống treo cao su trên tạp chí kỹ thuật ô tô thế giới.

Vào năm 1993, Swanson D đã công bố một đánh giá hiệu quả về hệ thống treo cao và hệ thống treo có điều khiển tích cực trên tạp chí kỹ thuật ô tô thế giới Nghiên cứu này đã chỉ ra ảnh hưởng của tần số và hệ số cản của hệ thống treo động cơ đến việc giảm dao động.

Năm 1988, T Ushijima, K Takano và H Kojima đã đề xuất một nghiên cứu hiệu quả về hệ thống treo động cơ kết hợp giữa thủy lực và cao su, nhằm mục đích giảm thiểu dao động và tiếng ồn.

Các giải thuật tối ưu trong điều khiển đang được áp dụng để điều chỉnh các thông số của hệ thống đệm cách dao động, nhằm nâng cao độ êm dịu cho xe và giảm tiếng ồn Nghiên cứu của Truong, T Q và Ahn, K K (2010) cùng với Christopherson J., Mahinfalah M., và Jazar (2012) tập trung vào đặc tính của đệm cách dao động đơn lẻ Đồng thời, Mohammad Elahinia và các cộng sự đã trình bày về đệm cách dao động điện từ chủ động của động cơ đốt trong trong tài liệu của họ.

Trong nghiên cứu này, tác giả phát triển mô hình dao động toàn xe với 10 bậc tự do, kết hợp hai nguồn kích thích là mấp mô mặt đường và lực mô men từ động cơ đốt trong Để cải thiện độ êm dịu trong chuyển động của ô tô, bộ điều khiển Fuzzy logic được thiết kế nhằm điều chỉnh hệ số cản thủy lực của đệm cách dao động cao su thủy lực.

Các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá độ êm dịu chuyển động

Độ êm dịu chuyển động là cảm nhận chủ quan của con người về dao động, được xác định thông qua phỏng vấn trực tiếp các nhóm người khác nhau Khái niệm này thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong các lĩnh vực như cơ kỹ thuật, y tế, an toàn lao động, và kỹ thuật chống rung, chống ồn.

Các nhà khoa học chỉ ra rằng, dao động có ảnh hưởng xấu đến người và hàng hóa, đặc biệt làm giảm khả năng điều khiển của lái xe

Tiêu chí về độ êm dịu được Hiệp hội kỹ sư Đức (VDI) quy định theo tiêu chuẩn VDI-2057, đã được Tổ chức tiêu chuẩn thế giới công nhận thành tiêu chuẩn ISO-2631 Độ êm dịu chuyển động là cảm giác của con người, được đặc trưng bởi nhiều thông số vật lý Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động đến con người, khái niệm "Cường độ dao động KB" đã được đưa ra.

Cường độ dao động KB phụ thuộc:

Phụ lục 1 sẽ trình bày nội dung và phương pháp xác định giá trị KB, cùng với sự phụ thuộc của các tham số liên quan Trong đó, có ba ngưỡng được sử dụng để thực hiện đánh giá.

KB= 20 giới hạn êm dịu KB= 50 giới hạn điều khiển KB= 125 giới hạn gây bệnh lý + Chỉ tiêu về độ êm dịu cho hàng hoá

Hiệp hội đóng gói Đức BFSV đã nêu ra chỉ tiêu về độ an toàn cho hàng hoá Dựa trên nghiên cứu ảnh hưởng của dao động với đường, Mistchke đã đề xuất ngưỡng an toàn cho hàng hoá.

- amax=3 m/s 2 giới hạn cảnh báo

- amax=5 m/s 2 giới hạn can thiệp Giới hạn cảnh báo theo Mitschke, là tại đó hệ thống treo hoặc đường đã hỏng dến mức phải có kế hoạch sửa chữa

Giới hạn cảnh báo theo Mitschke, là tại đó đường đã hỏng nặng đến mức phải sửa chữa ngay

1.4.2 Chỉ tiêu về không gian bố trí treo[10,11]

Chỉ tiêu này thể hiện khả năng lựa chọn độ võng động và độ võng tĩnh, đồng thời xác định vị trí đặt vấu hạn chế hành trình treo Nhiều mô hình trước đây đã bỏ qua yếu tố quan trọng này: f_dyn t ≤ y = max(ξ - z) ≤ f_dyn n (1-1).

Chuyển vị tương đối giữa khối lượng không được treo và được treo được ký hiệu là (ξz) Độ võng động hành trình trả củ hệ thống treo được biểu thị bằng t fdyn, trong khi đó, độ võng động hành trình nén của hệ thống treo được ký hiệu là n fdyn Vị trí đặt vấu hạn chế hành trình trả và hành trình nén cũng là những yếu tố quan trọng trong hệ thống treo.

1.4.3 Gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động

Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1, độ êm dịu của chuyển động ô tô được đánh giá thông qua gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng, dựa trên các nghiên cứu toàn cầu Gia tốc này được xác định bằng công thức cụ thể, giúp đo lường sự thoải mái khi di chuyển.

WZ a t dt a T (1-2) trong đó: awz - Gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng az - Gia tốc theo phương thẳng đứng theo thời gian

T - Thời gian khảo sát Điều kiện chủ quan đánh giá độ êm dịu ô tô theo độ lệch gia tốc quân phương theo phương thẳng đứng ISO 2631-1 [14] dựa vào Bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng đánh giá chủ quan độ êm dịu ô tô theo ISO 2631-1 a WZ giá trị (m 2 /s) Cấp êm dịu

< 0.315 m.s -2 Thỏa mái 0.315m.s -2 -0.63m.s -2 Một chút khó chịu 0.5m.s -2 - 1 m.s -2 Khá khó chịu 0.8 m.s -2 - 1.6 m.s -2 Không thỏa mái 1.25 m.s -2 - 2.5 m.s -2 Rất khó chịu

Tiêu chuẩn VBI2057 và ISO 2631-1 mang lại nhiều lợi ích trong việc phân tích và đánh giá dao động của xe Sử dụng các mô hình dao động vật lý và toán học, cũng như phần mềm chuyên dụng như MATLAB, ADAMS, và LMS, có thể xác định chính xác gia tốc dao động theo miền thời gian hoặc miền tần số Hiện nay, phương pháp này đã được các nhà khoa học toàn cầu áp dụng để phân tích độ êm dịu của dao động trong các phương tiện giao thông.

Mục tiêu, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu

- Xây dựng mô hình dao động động cơ đốt trong với 2 nguồn kích thích;

- Bộ điều khiển cho hệ thống đệm cách dao động bán chủ động;

- Phân tích hiệu quả của hệ đệm cách dao động bán chủ động cho động cơ đốt trong theo hướng êm dịu chuyển động của xe

Trong nghiên cứu này, một mô hình dao động toàn xe đã được xây dựng với hai nguồn kích thích và một bộ điều khiển, nhằm điều chỉnh hệ số cản của hệ thống đệm sử dụng cao su thủy lực cho động cơ đốt trong Mục tiêu chính là giảm thiểu dao động toàn xe.

Nghiên cứu lý thuyết: mô phỏng và điều khiển hệ thống đệm cách cho động cơ đốt trong

Chương 1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu;

Chương 2 Xây dựng mô hình dao động toàn xe và bộ điều khiển;

Chương 3 Mô phỏng và phân tích hiệu quả bộ điều khiển.

Kết luận chương 1

Chương 1 chúng ta đã phân tích được kết cấu các loại đệm cách dao động động cơ đốt trong, phân tích được tổng quan nghiên cứu dao động động cơ ô tô trong và ngoài nước và cuối cùng phân tích đươck các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu Đưa ra được mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu của luận văn và là cơ sở cho các chương tiếp theo.

Các khái niệm tương đương

Ô tô là một hệ dao động phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận liên kết với nhau, mỗi bộ phận có khối lượng và thông số riêng biệt Để tính toán dao động của xe ô tô một cách hiệu quả, cần thiết phải mô tả ô tô bằng một sơ đồ dao động tương đương, trong đó sơ đồ này phải bao gồm đầy đủ các thông số liên quan đến dao động của ô tô.

Do vậy trước khi lập sơ đồ dao động tương đương cần thống nhất một số khái niệm sau: a Khối lượng động cơ được treo m e

Khối lượng động cơ được đặt trên bốn đệm cao su thủy lực giúp cách dao động hiệu quả, coi như một khối đồng nhất trên tấm phẳng cứng Khối lượng này được treo với ký hiệu M.

Khối lượng được treo M bao gồm các chi tiết như vỏ xe, hệ thống truyền lực và một số bộ phận khác, tất cả đều tác động lên hệ thống treo Chúng được liên kết với nhau bằng các đệm đàn hồi và ổ tựa bằng cao su, dạ, nỉ, giấy công nghiệp Tùy vào sơ đồ bố trí cụ thể của ôtô, khối lượng được treo có thể được chia thành hai hoặc nhiều khối lượng, liên kết với nhau qua các phần tử đàn hồi và giảm chấn Trong luận văn này, khối lượng được treo M được xem như một khối lượng đồng nhất ở dạng phẳng tuyệt đối cứng, trong khi khối lượng không được treo m.

Khối lượng không được treo bao gồm những bộ phận mà trọng lượng của chúng chỉ tác động lên lốp bánh xe mà không ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo Các bộ phận này bao gồm bán trục, dầm cầu, bánh xe, một phần của hệ thống treo, truyền động lái, lò xo, giảm chấn, và một phần của trục các đăng Chúng ta xem khối lượng không được treo như một vật có khối lượng m và có độ cứng tuyệt đối.

Hệ thống treo ôtô kết nối phần được treo và khối lượng không được treo một cách đàn hồi, giúp giảm chấn động từ bề mặt đường Hệ thống này, kết hợp với lốp xe, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sự êm ái khi di chuyển Các bộ phận của hệ thống treo bao gồm nhiều thành phần thiết yếu.

- Bộ phận đàn hồi: được biểu diễn bằng một lò xo có độ cứng K

- Bộ phận giảm chấn: có nhiệm vụ dập tắt các chấn động và nó được đặc trưng bằng hệ số cản giảm chấn C.

Mô hình dao động xe du lịch

a Các giả thiết mô hình dao động

- Chuyển động của ô tô là chuyển động đều, khoảng cách từ trọng tâm đến các cầu không tay đổi trong quá trình xe chuyển động;

- Trọng tâm của xe nằm trên mặt phẳng đối xứng dọc xe;

- Coi khối lượng được treo của xe là một vật rắn tuyệt đối, bỏ qua các biến dạng uốn, xoắn của khung xe;

- Các đặc tính của các thành phần đàn hồi, bánh xe và gối hạn chế coi như tuyến tính;

- Đường tâm trục của các cầu xe chuyển động trong các mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng đối xứng dọc xe;

- Bỏ qua mô men quán tính của các cầu xe đối với trục quay của bánh xe

- Bỏ qua sự mất cân bằng và mô men hiệu ứng con quay của các khối lượng chuyển động quay của xe

- Bỏ qua dao động ngang của xe

- Sự tiếp xúc của bánh xe với đường là tiếp xúc điểm

Bỏ qua sự trượt của bánh xe với mặt đường, xe chịu ảnh hưởng chủ yếu từ phản lực và trọng lực Các phản lực này phát sinh từ sự tương tác giữa bánh xe và nền đường, có thể phân thành lực thẳng đứng và lực nằm ngang Giả thiết xe chuyển động thẳng đều, lực nằm ngang bằng không, do đó, dao động của thân xe trong mặt phẳng thẳng đứng là do các thành phần lực thẳng đứng truyền từ bánh xe lên Mô hình dao động này giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của xe trong điều kiện chuyển động ổn định.

Với các giả thiết trên chúng ta có mô hình dao động không gian của ô tô du lịch với 10 bậc tự do như hình 2.1

Giải thích các ký hiệu trên hình 2.1:

Kie thể hiện độ cứng của hệ thống đệm cách dao động cơ cao su thủy lực bị động, trong khi Cie là hệ số giảm chấn của hệ thống này Kij đại diện cho độ cứng của hệ thống treo ô tô, và Cij là hệ số cản giảm chấn tương ứng Thêm vào đó, K Tij là độ cứng của lốp xe, còn C Tij là hệ số cản giảm chấn của lốp xe.

Z, ,  là chuyển vị theo phương thẳng đứng, theo phương ngang và dọc của thân xe;

Ze, e, và e đại diện cho các chuyển vị theo phương thẳng đứng, ngang và dọc của động cơ Trong khi đó, q ij là chiều cao mấp mô của mặt đường tác động lên các bánh xe Các thông số a và b cũng có vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất hoạt động của hệ thống.

L, Bt và Bs là kích thước cơ bản của xe; mij và Mlà khối lượng không được treo và được treo của thân xe; me là khối lượng động cơ (i=1,2,3,4 và j=r,l) (x1,y1); (x2,y2); (x3,y3) ; (x4,y4) tọa độ điểm đặt lực của 4 gối đỡ động cơ theo hệ tọa độ XYZ

(x1e,y1e); (x2e,y2e); (x3e,y3e) ; (x4e,y4e) tọa độ điểm đặt lực của 4 gối đỡ động cơ theo hệ tọa độ X e Y e Z e y e2 x e1 x e2 a b

Hình 2.1 Mô hình dao động của xe du lịch với 10 bậc tự do 2.3 Thiết lập phương trình vi phân miêu tả dao động ô tô du lịch

Dựa trên mô hình dao động, các phương trình vi phân mô tả sự dao động của cơ hệ được khảo sát Hiện nay, có nhiều phương pháp để thiết lập phương trình vi phân chuyển động, bao gồm phương trình Lagrange loại II, nguyên lý D’Alembert, nguyên lý Jourdain kết hợp với phương trình Newton – Euler Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc mô phỏng bằng máy tính, tác giả đã sử dụng nguyên lý D’Alembert kết hợp với lý thuyết hệ nhiều vật nhằm thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả sự dao động của xe.

Dựa vào cơ sở hệ nhiều vật, ta tách các vật ra khỏi cơ hệ và thay thế bằng các phản lực liên kết Sau đó, áp dụng nguyên lý D’Alembert để thiết lập hệ phương trình cân bằng cho từng vật trong cơ hệ, và liên kết chúng thông qua các quan hệ lực và momen.

: là tổng các ngoại lực tác dụng lên vật

: là tổng các lực quán tính tác dụng lên vật

Mô hình dao động hình 2.1 bao gồm bảy thành phần chính: động cơ, thân xe, khối lượng không được treo phía trước bên trái và bên phải, khối lượng không được treo phía sau bên trái và bên phải, cùng với mặt đường.

Mô hình xây dựng gồm 7 vật:

Vật 1 : Động cơ (phần khối lượng được treo) coi như 1 vật có khối lượng me đặt tại trọng tâm và các mô men quán tính: J ye , Jxe, chuyển động của động cơ là hợp của ba chuyển động:

+ Chuyển động tịnh tiến theo phương đứng Ze

+ Chuyển động quay quanh trục Y e : tương ứng tọa độ suy rộng  e + Chuyển động quay quanh trục Xe: tương ứng tọa độ suy rộng  e

Vật 2: Thân xe (phần khối lượng được treo) coi như 1 tấm có khối lượng M đặt tại trọng tâm O và các mômen quán tính: J y , J x Chuyển động của thân xe là hợp của ba chuyển động:

+ Chuyển động tịnh tiến theo phương Z ứng với toạ độ suy rộng Z

+ Chuyển động quay quanh trục Y tương ứng toạ độ suy rộng 

+ Chuyển động quay quanh trục X tương ứng toạ độ suy rộng 

Vật 3,4,5,6: Các khối lượng không được treo trước bên trái, phải và sau bên trái, phải

+ Khối lượng không được treo trước coi như là hai vật có khối lượng bên trái, phải là m m 1 l , 1 r

+ Khối lượng không được treo sau coi như là hai vật có khối lượng bên trái, phải là m m 2 l , 2 r

Mặt đường là yếu tố chính gây ra dao động cho ô tô, bao gồm các mấp mô ngẫu nhiên trải dài trên toàn bộ bề mặt và các dạng kích thích khác nhau.

* Khối lượng không được treo trước:

+ Phương trình dao động của khối lượng không được treo trước trái:

Sơ đồ dao động được thể hiện trên hình vẽ 2.2: m 1l

Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng lên khối lượng không được treo trước trái

+ Lực tác dụng của hệ thống treo: F1l

+ Lực tác dụng của lốp xe:

Thay công thức 2-2 và 2-3 vào công thước 2-5 ta được công thức 2-6 dưới đây

Với phương pháp tương tự các khối lượng m 1r , m 2l , m 2r lần lượt có phương trình dưới đây:

+ Khối lượng không được treo m1r

Thay các giá trị của lực F1r và FT1r vào công thức 2-7 ta được được công thức 2-8

Thay các giá trị của lực F2l và FT2l vào công thức 2-9 ta được được công thức 2-10

Thay các giá trị của lực F2r và FT2r vào công thức 2-11 ta được được công thức 2-12

Từ mô hình dao động trong hình 2.1, chúng ta có thể xác định mối quan hệ hình học giữa dịch chuyển theo phương thẳng đứng (OZ) tại các vị trí chuyển vị Zb1l, Zb1r, Zb2l và Zb2r.

Z1, Z2, Z3 với dịch chuyển theo phương (OZ) tại vị trí trọng tâm của thân xe như sau:

Từ mô hình dao động hình 2.1, chúng ta có thể xác định mối quan hệ hình học giữa dịch chuyển theo phương thẳng đứng (OZ) tại các vị trí Z1e, Z2e, Z3e và dịch chuyển tại vị trí trọng tâm của động cơ.

Thay (2-13), (2-14), (2-15), (2-16) , (2-16) vào (2-6), (2-8), (2-10),(2-12) ta có các phương trình vi phân bậc 2 miêu tả dao động của các khối lượng không được treo dưới đây:

*Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động của khối lượng được treo (thân xe):

Tách liên kết của khối lượng được treo (thân xe) khỏi hệ dao động và thay thế các liên kết bằng phản lực liên kết, ta có sơ đồ lực tác dụng lên phần khối lượng này như thể hiện trong hình vẽ 2.3.

Hình 2.3 minh họa sơ đồ lực tác dụng lên khối lượng treo (thân xe) Bằng cách áp dụng nguyên lý Đalămbe, chúng ta có thể thiết lập phương trình vi phân để mô tả các tọa độ suy rộng tại vị trí trọng tâm của thân xe.

Theo tọa độ suy rông Z:

Thay công thức từ 2-30 đến 2-37 vào công thức 2-29 ta có

Theo tọa độ suy rộng 

I   F  F a  F  F b  F x  F x  F x  F x (2-39) Thay công thức từ 2-30 đến 2-37 vào công thức 2-39 ta có

Theo tọa độ suy rộng 

Thay công thức từ 2-30 đến 2-37 vào công thức 2-41 ta có

*Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động của khối lượng được treo (Động cơ):

Khi động cơ hoạt động, nhiều lực và mô men được sinh ra, ảnh hưởng đến dao động toàn bộ xe Phân tích các dao động từ động cơ giúp hiểu rõ hơn về tác động của chúng đến hiệu suất và sự ổn định của xe.

Lực tác dụng lên khung xe từ động cơ đặt trên 4 gối đỡ gồm:

+ Phản lực từ khung xe: F 1 , F 2 , F 3 , F 4 + Khối lượng của bản thân động cơ: m e + Mô men xoay quanh trục X e , Y e : M x , M y + Phản lực theo phương Ze: Fz

Hình 2.4 Sơ đồ lực tác dụng lên khối lượng được treo động cơ

Trong quá trình động cơ làm việc sinh ra rất nhiều lực làm ảnh hưởng đến dao động toàn xe như:

- Trọng lượng của động cơ

+ Lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến;

+ Lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay;

- Mô men xoắn động cơ;

Phân tích và lựa chọn kích thích dao động

Trong luận văn này, tác giả trình bày về kích thích ngẫu nhiên mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8068 và phương pháp xây dựng hàm ngẫu nhiên Tiêu chuẩn ISO 8068 được các nhà thiết kế đường trên thế giới áp dụng để đánh giá và phân loại các mặt đường quốc lộ Nhiều nghiên cứu đã sử dụng tiêu chuẩn này để phát triển hàm kích thích dao động ngẫu nhiên, phục vụ cho việc khảo sát dao động của phương tiện giao thông Nhiều quốc gia, như Trung Quốc, đã dựa vào tiêu chuẩn này để xây dựng tiêu chuẩn riêng, ví dụ như GB7031(1986) cho phân loại mặt đường, đóng vai trò là tín hiệu kích thích đầu vào trong phân tích dao động ô tô Luận văn này sẽ dựa vào cách phân loại đó để xây dựng các hàm kích thích ngẫu nhiên.

Các công trình khảo sát mấp mô mặt đường thường được phân bố theo dạng Gauss Theo tiêu chuẩn ISO, mấp mô của mặt đường có mật độ phổ Sq(n0), được xác định bằng công thức thực nghiệm.

S (2-49) trong đó: n là tần số sóng của mặt đường (chu kỳ/m), n 0 là tần số mẫu (chu kỳ/m),

Mật độ phổ chiều cao của mấp mô mặt đường được ký hiệu là S q (n), trong khi S q (n 0 ) biểu thị mật độ phổ tại tần số n 0 Hệ số tần số, ký hiệu là , thường được đặt là 2 để mô tả tần số mật độ phổ của mặt đường.

Mấp mô mặt đường được giả định là quá trình ngẫu nhiên Gauss và nó được tạo ra thông qua biến ngẫu nhiên Fourier ngược:

1, với i=1,2,3…n,  i là pha ngẫu nhiên phân bố 02

Dựa trên số liệu từ bảng 2.1, các loại đường được phân cấp theo tiêu chuẩn ISO với vận tốc 20 m/s, tần số f1 là 0.5 Hz, f2 là 30 Hz và n0 là 0.1 m⁻¹ Tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab 2014 để lập trình mô phỏng các mấp mô ngẫu nhiên của mặt đường, như được trình bày trong phụ lục 1 Một số kết quả mô phỏng mấp mô mặt đường được thể hiện dưới dạng đồ thị.

Bảng 2.1 Các lớp mấp mô mặt đường phân loại theo tiêu chuẩn ISO 8068[13]

Rất tốt Tốt Bình thường Xấu Rất xấu Tồi Quá tồi

C hi eu c ao m ap m o q1 (m ) Map mo mat duong ISO cap B

Hình 2.5 Chiều cao mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO B (mặt đường có chất lượng trung bình)

Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ mờ(Fuzzy Logic Control-FLC)

Hệ logic mờ (Fuzzy logic) sử dụng các quy tắc nếu–thì để mô tả mối quan hệ, chẳng hạn như "nếu mở van nóng thì nhiệt độ tăng" Sự không rõ ràng trong định nghĩa của các thừa số ngôn ngữ, như nhiệt độ cao, được thể hiện qua tập mờ.

Hệ logic mờ là công cụ lý tưởng để biểu diễn kiến thức định tính, có thể thu thập từ chuyên gia hoặc tự động từ dữ liệu thông qua quy nạp và học máy Trong trường hợp này, thuật toán xâu chuỗi mờ thường được áp dụng để phân chia dữ liệu thành các nhóm đối tượng tương đồng.

Hình 2.6 Phép xâu chuỗi mờ có thể dùng để rút ra các định tính nếu - thì

2.5.1 Tập mờ và logic mờ

Tập hợp là một khái niệm logic, được định nghĩa là sự tập hợp các đối tượng có chung đặc điểm, gọi là phần tử của tập hợp.

Hỡnh 2.7 Mụ tả hàm phụ thuộc àA(x) của tập cỏc số thực từ-5 đến 5

Trong lý thuyết tập hợp, hàm phụ thuộc aA(x) chỉ nhận hai giá trị "1" nếu x thuộc tập A và "0" nếu x không thuộc A Tuy nhiên, cách biểu diễn này không phù hợp với các tập hợp được mô tả một cách "mờ", chẳng hạn như tập B, bao gồm các số thực gần bằng 5.

Khi xem xét số 4, chúng ta không thể khẳng định chắc chắn nó có thuộc tập B hay không, mà chỉ có thể đưa ra xác suất nó thuộc B với một tỉ lệ phần trăm nhất định Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần xem xét hàm phụ thuộc àB(x) có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1.

Tập mờ B được xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử được biểu diễn bởi một cặp giá trị (x, àB(x)), trong đó x thuộc M và àB(x) là ánh xạ Ánh xạ àB(x) được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ.

B Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ B

2.5.3 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

Dạng hàm thuộc của các tập mờ được lựa chọn dạng hình thang – trapmf, dạng hình chữ “S” – smf và dạng hình chữ “Z”-zmf

Hình 2.8 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

2.5.4 Các phép toán trên tập mờ

Trên tập mờ có 3 phép toán cơ bản là phép hợp, phép giao và phép bù a Phép hợp hai tập mờ

 Phép hợp hai tập mờ có cùng cơ sở

Hình 2.9 Hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở (a) Theo quy tắc Max, (b) theo quy tắc Lukasiewwiez

Hợp của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M tạo thành một tập mờ mới trên cơ sở M, với hàm liên thuộc được xác định thông qua một trong các công thức sau.

Để thực hiện phép hợp hai tập mờ khác cơ sở, cần đưa chúng về cùng một cơ sở Xét tập mờ A với hàm liên thuộc àA(x) trên cơ sở M và tập mờ B với hàm liên thuộc àB(x) trên cơ sở N, hợp của hai tập mờ A và B sẽ được xác định trên cơ sở MxN với hàm liên thuộc: àA∪B(x, y) = Max {àA(x, y), àB(x, y)}.

Với àA(x, y) = àA(x) với mọi y ∈ N và àB(x, y) = àB(y) với mọi x ∈ M b Phép giao của hai tập mờ

 Giao hai tập mờ cùng cơ sở

Hình 2.10 Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở

Giao của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M được xác định trên cơ sở M với hàm liên thuộc àA∩B(x) được tính theo quy tắc Min và theo tích đại số.

Cũng giống như trong phép hợp, trong kỹ thuật điều khiển chủ yếu ta sử dụng công thức 1 và công thức 2 để thực hiện phép giao 2 tập mờ

Để thực hiện phép giao hai tập mờ khác cơ sở, cần đưa chúng về cùng một cơ sở Giao của tập mờ A với hàm liên thuộc àA(x) trên cơ sở M và tập mờ B với hàm liên thuộc àB(x) trên cơ sở N sẽ tạo ra một tập mờ xác định trên cơ sở M x N Hàm liên thuộc của tập mờ giao này được tính bằng công thức: àA∩B(x, y) = MIN{àA(x, y), àB(x, y)}.

Trong đú: àA(x, y) = àA(x) với mọi y ∈N và àB(x, y) = àB(x) với mọi x ∈M c Phép bù của một tập mờ

Bự của tập mờ A cú cơ sở M và hàm liờn thuộc àA(x) là một tập mờ AC xỏc định trờn cựng cơ sở M với hàm liờn thuộc: àA(x) = 1- àA(x)

Tập bù của tập mờ A định nghĩa trên nền X là tập mờ A c cũng xác định trên tập nền X có hàm thuộc  A c(x) thỏa mãn:

Hình 2.17 Bù của tập mờ

Hình 2.11 Phép bù của một tập mờ a- Hàm thuộc của tập mờ A; b- Hàm thuộc của tập mờ A c

2.5.5 Biến ngôn ngữ và giá trị của nó:

Xét tốc độ của xe ô tô ta có các biến ngôn ngữ

- Rất chậm: ký hiệu VS

Gọi x là giá trị của biến tốc độ, ví dụ x0km/h, x`km/h hàm thuộc tương ứng với các biến ngôn ngữ trên là

Luật hợp thành là mô hình R biểu diễn các hàm liên thuộc μA=>B(x, y) cho các mệnh đề hợp thành A ⇒ B Nếu luật hợp thành chỉ có một mệnh đề, nó được gọi là luật hợp thành đơn; ngược lại, nếu có từ hai mệnh đề trở lên, thì được gọi là luật hợp thành phức.

Xét luật hợp thành R gồm 3 mệnh đề hợp thành:

R1: Nếu x = A1 Thì y = B1 hoặc R2: Nếu x = A2 Thì y = B2 hoặc R3: Nếu x = A3 Thì y = B3 hoặc Các luật cơ bản:

+ Luật Max-Min + Luật Max-Prod + Luật Sum-Min

Phương pháp cực đại cho rằng giá trị rõ y’ đại diện cho tập mờ là giá trị có xác suất thuộc tập mờ lớn nhất Quy trình thực hiện phương pháp này bao gồm hai bước chính.

+ Xác định miền G chứa giá trị rõ y’, là miền mà tại đó hàm thuộc có giá trị cực đại

+ Xác định y’ có thể chấp nhận được, có ba nguyên lý: nguyên lý trung bình; nguyên lý cận trái; nguyên lý cận phải

- Nguyên lý trung bình: y’ là giá trị trung bình của giá trị cận trái và phải của

Hình 2.12 Minh họa quy tắc hợp thành mờ

(a) Hàm thuộc vân tốc pistion và độ cứng giảm chấn;

(b) Quy tắc hợp thành MIN; (c) Quy tắc hợp thành PRO Nguyên lý cận trái: y’ là giá trịcận trái của G (hình 2.13b)

Nguyên lý cận trái: y’ là giá trịcận phải của G (hình 2.13c)

Hình 2.13 Giải mờ bằng phương pháp cực đại

(a) Nguyên lý trung bình; (b) Nguyên lý cận trái; (c) Nguyên lý cận phải

2.5.8 Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

Thực hiện tổng hợp bộ điều khiển mờ phải tiến hành theo các bước sau: a Định nghĩa biến vào/ra:

Trong thiết kế bộ điều khiển, việc xác định biến vào/ra là rất quan trọng và phụ thuộc vào đối tượng điều khiển cũng như mục đích sử dụng Đối với hệ thống treo bán tích cực nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô, biến vào có thể bao gồm vận tốc piston giảm chấn, dịch chuyển và vận tốc của thân xe, cũng như gia tốc của nó Biến ra của bộ điều khiển sẽ là hệ số cản và lực giảm chấn.

Bước tiếp theo là xác định biến ngôn ngữ vào/ra, bao gồm các tập mờ và các dạng hàm thuộc về chúng Để thực hiện điều này, cần phải xác định rõ ràng các yếu tố liên quan.

Miền giá trị vật lý của biến ngôn ngữ vào/ra

Xây dựng bộ điều khiển mờ hệ thống đệm cách động cơ

- Vận tốc tương đối giữa khối lượng động cơ và thân xe (z e z b )

- Biến ra là hệ số cản thủy lực của đệm, ký hiệu C dk

2.6.2 Xác định tập mờ a Miền giá trị vật lý:

- Vận tốc tương đối giữa khối lượng động cơ và thân xe (z e z b )

- Biến ra là hệ số cản thủy lực của đệm, ký hiệu Cdk b Biến ngôn ngữ

Mỗi biến vào có 3 giá trị ngôn ngữ Các giá trị ngôn ngữ được kí hiệu ngắn gọn như sau: “Âm” –N; “Bằng 0” – Z “Dương–P c Xác định các hàm thuộc:

Dạng hàm thuộc của các tập mờ được lựa chọn dạng hình thang-trapmf, dạng hình tam giác – trim

Hình 2.14 Hàm thuộc trong Matlab

Luật bộ điều khiển mờ Fuzzy được phát triển dựa trên suy luận trực quan nhằm tối ưu hóa việc cách ly dao động Để giảm thiểu dao động, tổng lực tác động lên khối lượng treo cần được tối ưu hóa Trong quá trình dao động, các lực ảnh hưởng đến khối lượng bao gồm lực cản và lực đàn hồi Giá trị và dấu của lực cản phụ thuộc vào vận tốc tương đối, trong khi lực đàn hồi phụ thuộc vào dịch chuyển tương đối giữa khối lượng treo và không treo.

Trên cơ sở suy luận trực quan đó, tập luật gồm 9 luật của bộ điều khiển mờ Fuzzy thể hiện trong bảng 2.3, nguyên tắc điều khiển như sau:

The relationship between the variables (z e - z b) determines the value of Cdk based on specific conditions When (z e - z b) equals N, Cdk can be S, M, or L depending on the second variable's value If the second variable is Z or P, Cdk is M or L, respectively When (z e - z b) is Z, Cdk consistently results in M regardless of the second variable, while if (z e - z b) is P, Cdk can be L or M based on the second variable Lastly, if both variables are P, Cdk returns to S.

Bảng 2.3 Bảng luật điều khiển Fuzzy

Kết luận chương 2

Chương này đã xây dựng mô hình dao động toàn xe với hai nguồn kích thích từ mặt đường Dựa trên lý thuyết điều khiển mờ, bộ điều khiển mờ đã được phát triển để điều chỉnh hệ số cản thủy lực của đệm cách dao động động cơ đốt trong Luận văn phân tích các bộ điều khiển Fuzzy Logic, từ đó áp dụng lý thuyết này trong điều khiển bán chủ động đệm động cơ Hiệu quả của phương pháp điều khiển này sẽ được làm rõ trong chương tiếp theo.

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG TREO ĐIỀU KHIỂN BÁN CHỦ ĐỘNG

Mô phỏng

Trong luận văn thạc sĩ, tác giả không có điều kiện thực hiện thí nghiệm để xác định các thông số mô phỏng Thay vào đó, tác giả đã sử dụng các thông số của xe ô tô du lịch 5 chỗ ngồi từ tài liệu tham khảo [24, 25] làm dữ liệu cho quá trình mô phỏng.

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của xe [24, 25]

TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

1 Khối lượng được treo M 1300 kg

2 Khối lượng không được treo trước trái m1t 40 kg

3 Khối lượng không được treo trước phải m1p 40 kg

4 Khối lượng không được treo sau trái m2t 35 kg

5 Khối lượng không được treo sau phải m2p 35 kg

6 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước a 1 m

7 Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau b 1.59 m

8 Vết bánh xe cầu trước Bt 1.6 m

9 Vết bánh xe cầu sau Bs 1.6 m

10 Độ cứng của HTT trước trái C1t 178000 N/m

11 Độ cứng của HTT trước phải K1r 178000 N/m

12 Độ cứng của HTT sau trái K2l 178000 N/m

13 Độ cứng của HTT sau phải K2r 178000 N/m

14 Độ cứng của lốp xe trước trái K T1l 200000 N/m

15 Độ cứng của lốp xe trước phải KT1r 200000 N/m

16 Độ cứng của lốp xe sau trái KT2l 200000 N/m

17 Độ cứng của lốp xe sau phải KT2r 200000 N/m

18 Hệ số cản giảm chấn trước trái C 1l 3530 N.s/m

19 Hệ số cản giảm chấn trước phải C1r 3530 N.s/m

20 Hệ số cản giảm chấn sau trái C2l 3530 N.s/m

21 Hệ số cản giảm chấn sau phải C 2r 3530 N.s/m

22 Hệ số cản của lốp xe trước trái CT1l 0 N.s/m

23 Hệ số cản của lốp xe trước phải CT1r 0 N.s/m

24 Hệ số cản của lốp xe sau trái CT2l 0 N.s/m

25 Hệ số cản của lốp xe sau phải CT2r 0 N.s/m

26 Mô men quán tính với trục X Jx 800 N.m 2

27 Mô men quán tính với trục Y Jy 2100 N.m 2

28 Mô men quán tính của động cơ với trục

30 Vận tốc khi khảo sát V 20 m/s

31 Tọa độ lực F1 theo phương X x 1 0.85 m

32 Tọa độ lực F1 theo phương Y y1 -0.74 m

33 Tọa độ lực F2 theo phương X x 2 -0.65 m

34 Tọa độ lực F2 theo phương Y y2 -0.5 m

35 Tọa độ lực F3 theo phương X x 3 0.7 m

36 Tọa độ lực F3 theo phương Y y3 0.68 m

37 Tọa độ lực F4 theo phương X x4 0.6 m

38 Tọa độ lực F4 theo phương Y y4 0.62 m

39 Khối lượng động cơ me 220 kg

40 Độ cứng phần tử treo động cơ C1 4156 N/m

43 Hệ số cản của phần tử treo động cơ K1 3000 N.s/m

46 Tọa độ theo phương Xe của lực F1 x1e 0.45 m

47 Tọa độ theo phương Ye của lực F1 y1e -0.28 m

48 Tọa độ theo phương Xe của lực F2 x2e -0.45 m

49 Tọa độ theo phương Ye của lực F2 y2e -0.28 m

50 Tọa độ theo phương X e của lực F 3 x 3e 0 m

51 Tọa độ theo phương Ye của lực F3 y3e 0.52 m

52 Tọa độ theo phương Xe của lực F4 X4e -0.3 m

53 Tọa độ theo phương Y e của lực F 4 Y 4e 0.5 m

54 Công suất động cơ Ne 130.56 HP

55 Số vòng quay lớn nhất ne 5700 v/ph

59 Đường kính xi lanh D 82.5 mm

61 Chiều dài thanh truyền ltt 144 mm

62 Khối lượng piston thanh truyền mc 0.82 kg

63 Bán kính quay trục khuỷu r 0.06 m

64 Mô men cực đại ở số vòng quay Memax/nema x

3.1.2 Khối mô phỏng tổng thể

Mô hình tổng thể mô phỏng trong Matlab/Simulink được sử dụng để giải phương trình vi phân như đã mô tả ở chương 2 Hình 3.1 bao gồm các khối như mặt đường, khối không được treo, khối lượng được treo, khối động cơ và khối điều khiển Fuzzy Logic dựa trên các luật điều khiển đã trình bày trước đó.

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng tổng thể Matlab/simulink

Mô phỏng các chế độ theo tốc độ của động cơ

Mô phỏng diễn ra trong các điều kiện hoạt động khác nhau của động cơ và xe với hệ thống đệm cách dao động cơ cao su thủy lực bị động Trường hợp đầu tiên là khi ô tô dừng lại với vận tốc V=0 km/h, lúc này động cơ hoạt động ở chế độ không tải với tốc độ nev0(v/p).

Các gia tốc theo miền thời gian tại vị trí trọng tâm thân xe với đệm cách dao động cao su thủy lực bị động khi ô tô đứng yên (V=0) và động cơ ở chế độ không tải (nev0(v/p)) được thể hiện trong hình 3.2 Kết quả từ hình 3.2 cho thấy biên độ gia tốc giảm bắt đầu từ t=3s, sau đó duy trì dao động cân bằng.

(a) Gia tốc theo phương thẳng đứng tại vị trí trọng tâm thân xe

Thoi gian(s) G ia t oc goc a w  (ra d/ s)

(b) Gia tốc góc lắc dọc tại vị trí trọng tâm thân xe

Thoi gian(s) G ia t oc goc a w  (ra d/ s) c Gia tốc góc lắc ngang tại vị trí trọng tâm thân xe

Hình 3.2 trình bày các gia tốc theo miền thời gian tại vị trí trọng tâm của thân xe khi vận tốc là 0 km/h và trong trường hợp động cơ hoạt động với tải n e 00(v/p) Trong trường hợp này, xe dừng ở vị trí số trong chế độ an toàn, và việc tăng tốc độ động cơ sẽ ảnh hưởng đến các gia tốc này.

Tại vị trí trọng tâm thân xe, các gia tốc theo miền thời gian với đệm cách dao động cao su thủy lực bị động được phân tích khi ô tô có vận tốc V=0 và động cơ tăng tốc ở chế độ lên ne00(v/p), như thể hiện trong hình 3.3 Kết quả từ hình 3.3 cho thấy biên độ gia tốc giảm bắt đầu từ t=3s, sau đó duy trì dao động cân bằng xung quanh vị trí cân bằng thấp hơn so với trường hợp 1.

(a).Gia tốc theo phương thẳng đứng tại vị trí trọng tâm thân xe

Hình 3.3 thể hiện các gia tốc theo miền thời gian tại vị trí trọng tâm thân xe khi ô tô dừng ở vận tốc V=0 km/h, sử dụng đệm cách dao động cao su thủy lực bị động Trong trường hợp này, khi động cơ tăng tốc ở chế độ tải lên chế độ trung bình ne600 (v/p), các gia tốc sẽ có sự thay đổi đáng kể.

Tại vị trí trọng tâm thân xe, các gia tốc theo miền thời gian với đệm cách dao động cao su thủy lực bị động khi ô tô có vận tốc V=0 km/h và động cơ tăng tốc ở chế độ tải trung bình ne600(v/p) được thể hiện trong hình 3.4 Kết quả cho thấy biên độ gia tốc giảm sau thời điểm t=3s, sau đó dao động ổn định xung quanh vị trí cân bằng thấp hơn so với trường hợp 1 Đồng thời, biên độ dao động tại vị trí cân bằng trong chế độ này lại cao hơn so với trường hợp 2.

Thoi gian(s) G ia t oc goc a w  (ra d/ s)

(c) Gia tốc góc lắc ngang bình phương trung tại vị trí trọng tâm thân xe

Hình 3.4 trình bày các gia tốc theo miền thời gian tại vị trí trọng tâm thân xe khi vận tốc ô tô V=0 km/h, với đệm cách dao động cao su thủy lực bị động Trong trường hợp này, khi xe dừng ở chế độ an toàn, việc tăng tốc độ động cơ lên chế độ tải cao n e T00(v/p) sẽ được thực hiện.

Tại vị trí trọng tâm thân xe với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bị động, khi ô tô có vận tốc V=0 km/h và tăng tốc độ của động cơ theo hình 3.5, biên độ gia tốc giảm sau thời điểm t=3s Sau đó, dao động giữ ổn định xung quanh vị trí cân bằng, với biên độ thấp hơn so với trường hợp 1 Tuy nhiên, biên độ dao động tại vị trí cân bằng trong chế độ này lại cao hơn so với trường hợp 3.

(c) Gia tốc góc lắc ngang tại vị trí trọng tâm thân xe

Hình 3.5 trình bày các gia tốc theo miền thời gian tại vị trí trọng tâm thân xe, với điều kiện xe không di chuyển (V=0 km/h) và tốc độ động cơ neT00 (v/p) khi sử dụng đệm cách dao động cao su thủy lực bị động Trong trường hợp 5, xe di chuyển trên mặt đường ISO cấp B với tốc độ Vr km/h và tốc độ động cơ ne00 (v/p).

Các gia tốc theo miền thời gian tại vị trí trọng tâm thân xe với đệm cách dao động cao su thủy lực bị động khi xe di chuyển trên điều kiện mặt đường ISO cấp B đã được thể hiện Kết quả cho thấy biên độ của gia tốc không giảm và dao động tại vị trí cân bằng Điều này chứng tỏ rằng mấp mô mặt đường có ảnh hưởng lớn đến dao động và chất lượng êm dịu của ô tô.

Để cải thiện độ êm dịu trong chuyển động và giảm thiểu tiếng ồn của ô tô, tác giả đã tiến hành điều khiển hệ số cản thủy lực của hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực tại vị trí trọng tâm thân xe, như thể hiện trong Hình 3.6 với các gia tốc theo miền thời gian (Vr km/h và neT00 v/p).

Phân tích đánh giá hiệu quả đệm cách dao động bán chủ động

a Trường hợp 1: Khi vận tốc ô tô V=0 km/h (xe dừng vị trí số ở chế độ an toàn), tốc độ của động cơ ở chế độ không tải nev0(v/p)

Bảng 3.2 Kết quả so sánh hiệu quả hệ đệm cách dao động bán chủ động ở trường hợp 1

Thông số a bwz / ( m s / 2 ) a bw  / ( rad s / 2 ) a bw  / ( rad s / 2 ) Đệm bị động 0.0382 0.0208 0.0371 Đệm bán chủ động 0.0359 0.0203 0.0350

Theo Bảng 3-2, giá trị gia tốc bình quân tại trọng tâm xe theo phương thẳng đứng, góc lắc dọc và lắc ngang với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động giảm lần lượt 6.4%, 2.5% và 6.0% so với hệ thống bị động Điều này chứng tỏ rằng hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động cải thiện đáng kể chất lượng êm dịu của ô tô Kết quả so sánh giữa hai hệ thống được minh họa qua đồ thị hình 3.6 trong trường hợp 1.

Passive Engine Mount Semi-Active Engine Mount

Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động và bị động được so sánh hiệu quả trong trường hợp ô tô dừng lại với vận tốc V=0 km/h Khi xe ở chế độ an toàn, việc tăng tốc độ động cơ ở chế độ tải lên ne00(v/p) sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc bình quân tại trọng tâm của xe theo phương thẳng đứng, cùng với góc lắc dọc và lắc ngang đã được trình bày trong chương 1 Bảng 3.3 so sánh hiệu quả của hệ thống đệm cách dao động bán chủ động với bộ điều khiển Fuzzy logic và hệ thống đệm cách dao động bị động.

Thông số a bwzs / ( m s / 2 ) a bw  / ( rad s / 2 ) a bw  / ( rad s / 2 ) Đệm bị động 0.0363 0.0273 0.0368 Đệm bán chủ động 0.0352 0.0264 0.0356

Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động và bị động được so sánh hiệu quả trong trường hợp ô tô dừng ở vận tốc V=0 km/h Khi xe ở chế độ an toàn, động cơ được tăng tốc lên chế độ trung bình n e 600 (v/p).

Từ kết quả mô phỏng, gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm của thân xe đã được xác định theo phương thẳng đứng, cùng với các góc lắc dọc và lắc ngang như đã trình bày trong chương 1 Bảng 3.4 so sánh giá trị của hệ thống đệm cách dao động bán chủ động với bộ điều khiển Fuzzy logic và hệ thống đệm cách dao động bị động.

Kết quả từ Bảng 3-4 cho thấy giá trị gia tốc bình quân tại vị trí trọng tâm của xe trong các phương thẳng đứng, góc lắc dọc và lắc ngang với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động giảm lần lượt 6.2%, 3.5% và 5.8% so với hệ thống bị động Điều này chứng tỏ hiệu quả của hệ thống bán chủ động trong trường hợp 3 tốt hơn so với trường hợp 2 Đồ thị hình 3.8 minh họa sự so sánh hiệu quả giữa hai hệ thống đệm cách dao động trong trường hợp 3.

Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động và bị động được so sánh hiệu quả trong trường hợp ô tô dừng ở vận tốc V=0 km/h Khi xe ở chế độ an toàn, việc tăng tốc độ động cơ lên chế độ cao neT00(v/p) sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm của thân xe theo phương thẳng đứng, cùng với góc lắc dọc và lắc ngang của xe đã được trình bày trong chương 1 Bảng 3.5 thể hiện sự so sánh giữa hệ thống đệm cách dao động bán chủ động với bộ điều khiển Fuzzy logic và hệ thống đệm cách dao động bị động.

Hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động và bị động được so sánh hiệu quả trong trường hợp 4 Trong trường hợp 5, xe di chuyển trên mặt đường ISO cấp B với tốc độ Vrkm/h và tốc độ động cơ ne00(v/p).

Kết quả mô phỏng cho thấy gia tốc bình phương trung bình tại trọng tâm của thân xe theo phương thẳng đứng, cùng với góc lắc dọc và lắc ngang đã được trình bày trong chương 1 Bảng 3.6 so sánh hệ thống đệm cách dao động bán chủ động với bộ điều khiển Fuzzy logic và hệ thống đệm cách dao động bị động.

Kết quả từ Bảng 3-6 cho thấy giá trị gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm xe theo phương thẳng đứng, góc lắc dọc và lắc ngang với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động giảm lần lượt 3.9%, 5.6% và 4.2% so với hệ thống bị động Điều này chứng tỏ rằng hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động có hiệu quả trong việc giảm dao động, đặc biệt trong trường hợp 5, khi xe di chuyển trên đường, cho thấy sự ảnh hưởng lớn của dao động động cơ đến lắc dọc và ngang của thân xe Sự so sánh hiệu quả giữa hai hệ thống được minh họa qua đồ thị hình 3.10.

Hình 3.10 So sánh hiệu quả của hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động và bị động ở trường hợp 5.

Kết luận

Chương này trình bày kết quả mô phỏng cơ hệ dao động, cho thấy ảnh hưởng của dao động động cơ đến hệ thống đệm cách dao động bị động và bán chủ động Nghiên cứu phân tích hiệu quả của hệ thống đệm cách động cơ bán chủ động so với hệ thống đệm bị động trong các chế độ tải khác nhau của động cơ và ô tô, nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô trong các điều kiện khác nhau.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

ThS Bùi Văn Cường và các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Ô tô – Máy Động lực,

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, nhờ sự động viên từ bạn bè và đồng nghiệp, tôi đã hoàn thành cơ bản nội dung luận văn thạc sĩ của mình Luận văn đã đạt được một số kết quả quan trọng.

- Phân tích và chỉ ra được tính cấp thiết của để tài;

- Xây dựng được mô hình dao động không gian toàn xe với 10 bậc tự do có xét ảnh hưởng của dao động động động cơ đốt trong

-Phân tích được các hàm kích thích dao động như mấp mô mặt đường và kích thích động cơ đốt trong;

- Xây dựng được bộ điều khiển Fuzzy Logic để điều khiển hệ số cản của giảm chấn thủy lực

- Phân tích hiệu quả của hệ thống treo bán chủ động so với hệ thống treo bị động trong năm điều kiện làm việc cụ thể:

Các giá trị gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm của xe theo phương thẳng đứng, góc lắc dọc và lắc ngang giảm lần lượt 3.1%, 3.4% và 3.4% khi sử dụng hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động so với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bị động trong trường hợp 2.

Các giá trị gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm của xe cho thấy rằng hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động giảm 6.2% về phương thẳng đứng, 3.5% về góc lắc dọc, và 5.8% về lắc ngang so với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bị động trong trường hợp 3.

Các giá trị gia tốc bình phương trung bình tại vị trí trọng tâm của xe cho thấy sự cải thiện rõ rệt khi sử dụng hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động Cụ thể, hệ thống này giảm 5.5% gia tốc theo phương thẳng đứng, 7.2% theo góc lắc dọc và 7.3% theo lắc ngang so với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bị động trong trường hợp 4.

Giá trị gia tốc bình quân tại trọng tâm xe theo phương thẳng đứng, góc lắc dọc và lắc ngang giảm lần lượt 3.9%, 5.6% và 4.2% khi sử dụng hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bán chủ động so với hệ thống đệm cách dao động cao su thủy lực bị động trong trường hợp 5.

Tuy nhiên luân văn còn một số hạn chế, hy vọng trong tương lai sẽ hoàn thiện theo các hướng sau đây:

- Phân tích các hàm theo tần số để xem xét các hiện tượng cộng hưởng do kích thích động cơ gây ra

- Phân tích mô hình toán và tối ưu điều khiển hệ thống

- Áp dụng thuật toán tối ưu một hay nhiều hàm mục tiêu để tối ưu các thông số hệ thống đệm cách dao động bị động

- Thí nghiệm thực tế để so sánh với kết quả mô phỏng.

Tiêu đề	Nghiên Cứu Điều Khiển Hệ Thống Treo Bán Chủ Động Cho Động Cơ Đốt Trong Xe Du Lịch
Tác giả	Đinh Công Hào
Người hướng dẫn	PGS.TS. Lê Văn Quỳnh
Trường học	Đại học Thái Nguyên
Chuyên ngành	Kỹ thuật cơ khí động lực
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Thái Nguyên

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	2,93 MB