Bài tập lớn mô hình hoá và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.. - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của độ

B Ộ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÀI T ẬP LỚN

Giáo viên hướng dẫn: ThS LÊ NG ỌC DUY

Sinh viên thực hiện :

Lã Văn Ngọc : 2020604691 Đào Văn Mạnh : 2020607989 Nguyễn Văn Nguyên : 2020602010

Hà Nội – 2022

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM (BM01) 3

LỜI MỞ ĐẦU 7

BÀI 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 8

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 9

1.1.1 Định nghĩa 9

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 10

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song 11

1.1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều 12

1.2 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều 12

1.3 Xây dụng phương trình mô tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý13 1.3.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều 13

1.3.2 Phân Tích Vật Lý 17

1.4 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 19

BÀI 2: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ 22

2.1 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô 23

2.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo 23

2.2.1 Công dụng 23

2.2.2 Phân loại 25

2.2.3 Một số hệ thống treo thông dụng 26

2.3 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo 29

2.4 Mô phỏng và đánh giá đặc tính giao động của thân xe 37

BÀI 3: HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC 41

3.1 Giới thiệu mô hình hệ thống con lắc ngược 42

3.1.1 Cấu tạo của con lắc ngược 2 bậc tự do 42

3.1.2 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng 42

3.1.3 Các thông số của hệ thống con lắc ngược 44

3.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc

47

3.2.1 Xây dựng Bond Graph cho con lắc 47 3.2.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính 60

Bài s ố 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ song

song như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt

tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động

cơ như sau:

Yêu c ầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động

cơ điện một chiều

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim

Bài s ố 2

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2 Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 4500kg

- Khối lượng bánh xe: 320kg

Yêu c ầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim

Bài s ố 3

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2 Trong đó: Trong đó: R là tín hiệu đặt góc nghiêng con lắc; 𝜃 là góc nghieng côn lắc; u là tín hiệu điều khiển Các thông số của con lắc như sau:

- Khối lượng thân xe: 0.5kg

- Khối lượng con lắc: 0.2kg

- Chiều dài con lắc : 0.3m

- Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2

- Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s

Hình 2

Hình 1

Yêu c ầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20-sim

TS Nguyễn Anh Tú ThS LÊ NGỌC DUY

Hình 2

L ỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình sản xuất công nghiệp như hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từ chỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã được cải tiến, thiết kế mới thành các sản phẩm tích hợp Các mạch điện tử đã thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí làm cho các

bộ phận cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năng thực hiện chương trình hóa Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được thay thế bằng thiết bị nhỏ gọn, tin cậy hơn nhờ các thành tựu mới trong lĩnh vực điện- điện tử và từ đó tác động trở lại quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí Cùng với sự phát triển nhanh chóng

của khoa học công nghệ về điều khiển, tự động hoá, điện tử và kỹ thuật máy tính cùng với những ứng dụng rộng rãi vào việc thiết kế và chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện

tử tiếp tục phát triển sau này và có nhiều các định nghĩa khác nhau Nhưng chung quy lại

hệ thống cơ điện tử là để sản phẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra Trong bài báo cáo nhóm em xin sẽ làm rõ về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song, hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược bằng cách phân tích vật lí hệ thống đem ra phương trình mô tả

hệ thống, biểu đồ Bond Graph và xây dựng mô hình hóa hệ thống mô phỏng, đánh giá trên phần mềm 20-sim

BÀI 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG

Bài s ố 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ

song song như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động cơ như sau:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim

BÀI LÀM 1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

1.1.1 Định nghĩa

Động cơ điện 1 chiều DC (DC chính là từ viết tắt của từ tiếng Anh “Direct Current Motors”) tức là động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định Hay nói dễ hiểu hơn thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC - nguồn điện áp 1 chiều

Động cơ điện 1 chiều là loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng dòng điện 1 chiều Tốc

độ quay của 1 động cơ điện 1 chiều tỉ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng tỷ lệ thuận đối với dòng điện Chính vì 2 đặc tính trên mà động cơ DC được coi

là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống máy móc kỹ thuật đòi hỏi mô men khởi động lớn

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Gồm có các bộ phận như sau:

Stator: Thông thường được tạo thành từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có khi

là nam châm điện

Rotor: Chính là phần lõi có quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện

Chổi than (còn gọi là brushes): Có nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp

Cổ góp (còn gọi là commutator): Có nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor Số lượng các điểm tiếp xúc thông thường phải tương ứng với số cuộn

có trên rotor

Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều

Stato củ động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn, chúng được nối với nguồn điện 1 chiều Còn bộ phận chỉnh lưu sẽ có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển

động quay của rotor là chuyển động liên tục Thông thường bộ phận này bao gồm có 1 bộ

cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp

Nếu trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực từ bên ngoài, động

cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF) Trong quá trình vận hành bình thường, rotor

sẽ quay và phát ra 1 điện áp (còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter - EMF (CEMF) hoặc còn gọi là sức điện động đối kháng

Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng giống như 1 chiếc máy phát điện Khi đó, điện áp đặt trên động cơ đã bao gồm 2 thành phần đó là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng

Dòng điện chạy qua động cơ lúc này sẽ được tính theo biểu thức sau:

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Thông thường, chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dòng điện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo công thức: I = Iư + I kt Để mở máy, người ta thường dùng biến trở để mở máy (gọi là Rm ở)

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dòng

điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ Phương pháp này hiện đang sử dụng rất

rộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện trong phần

ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều

1.1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều

Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

• Có momem mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

• Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

• Tiết kiệm điện năng

• Bền bỉ, tuổi thọ lớn

Nhược điểm của động cơ điện một chiều:

• Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên

• Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất

là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ

• Giá thành đắt mà công suất không cao

1.2 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều

Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dân cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn

tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn

Điều khiển hệ thống động cơ điện 1 chiều

Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều mà bạn đọc có thể tham khảo dưới đây:

• Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở:

• Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất giúp chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều Chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng,

độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng

• Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển từ thông:

• Điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của động cơ

Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện

Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển điện áp phần ứng: Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ Khi thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc

độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng

1.3 Xây dụng phương trình mô tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật

lý

1.3.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

Khái quát h ệ thống:

• R: tín hiệu đặt góc quay

• α: góc quay của động cơ

• u: tín hiệu điều khiển động cơ

• controller: bộ điều khiển

• plant: hàm truyền

Các thông s ố của động cơ:

• Điện cảm phần ứng Lư: 17.5 H (Armature inductance)

• Điện trở phần ứng Rư: 0.6 (Armature resistance)

• Điện trở mạch kích từ Rkt: 400 (Field resistance)

• Điện cảm kích từ Lkt: 80 H (Field inductance)

Các phương pháp điểu khiển động cơ điện 1 chiều

Ta có phương trình tốc độ quay của động cơ:

.

u uf

u R R U

Từ phương trình trên muốn thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều có 3 phương pháp:

- Thay đổi điện trở phần ứng

- Điều chỉnh từ thông

- Điều chỉnh điện áp U phần ứng

a Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp U chỉ có thể thay

đổi về phía giảm (U<Uđm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ

b Phương pháp thay đổi từ thông động cơ

Để thay đổi từ thông động cơ: ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉ có thể thay đổi

về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn Đặc điểm:

• Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn

• Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

• Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1

• Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

• Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau

và do đó, với tải không lớn (M1<Mc) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải lớn (M2>Mc) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là 0,1% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

c Phương pháp thay đổi từ thông động cơ:

Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng:

• Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

• Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về

• phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)

• Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn

• Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều chỉnh càng nhỏ Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D≈5:1

max min

Mô hình hóa h ệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái

1.3.2 Phân Tích Vật Lý

Xét phần ứng của động cơ

𝑉(𝑡) = 𝑈𝑅ư(𝑡) + 𝑈𝐿ư(𝑡) + 𝐸(𝑡) (01.1) Trong đó:

𝑉(𝑡) là điện áp đầu vào (V)

𝑈𝑅ư(𝑡) là điện áp của điện trở (V)

𝑈𝐿ư(𝑡) là điện áp hai đầu của cuộn cảm (V)

w là vận tốc góc quay của trục (rad/s)

Phương trình chuyển động quay của phần động cơ:

𝜃̈ = 𝐾Φ𝑖 − 𝑏𝜃̇𝐽

Với: 𝐾 là hệ số

𝑏 là hệ số cản của động cơ (Nms/rad)

𝐽 là momen quán tính (Nms/rad)

Vẽ trong biểu đồ 20-sim

Biểu đồ bond grab bao gồm các phần tử:

• Se : là nguồn cung cấp cho hệ thống

• I,I2 tương ứng với giá trị L1,L2 trên sơ đồ

• R,R1 tương ứng với giá trị R1, R2 trên mạch

Controller

Ta có đồ thị vận tốc

Kết luận: vận tốc của động cơ chạy đến một tốc độ cực đại thì sẽ giảm xuống một mức nhất định vào chỉ hoạt động tại vận tốc đó

BÀI 2: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ

Bài s ố 2

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2 Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 3500kg

- Khối lượng bánh xe: 420kg

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim

BÀI LÀM 2.1 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô

Giới thiệu về hệ thống treo

Hệ thống treo của xe bus cũng như ô tô nói chung, là hệ thống liên kết đàn hồi các cầu xe (cầu chủ động và bị động) với khung và thân xe Hệ thống treo thường bao gồm ba

phần cơ bản: cơ cấu liên kết đàn hồi khung vỏ xe với các cầu xe, đảm bảo khi xe chuyển động cầu xe không va chạm với khung vỏ; cơ cấu truyền lực bao gồm các chốt, trục, thanh đòn, dầm cầu,…

Hình 1: Hệ thống treo xe bus

Hệ thống treo đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chạy với tốc độ cao, đảm bảo các bánh luôn tiếp xúc với mặt đường, nhất là khi hai bánh dẫn hướng của cầu trước Chính trên cơ sở này hệ thống treo được phân ra làm hai loại: hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụ thuộc

2.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo

2.2.1 Công dụng

Hệ thống treo là một tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe với khung xe để đảm bảo độ êm dịu và an toàn chuyển động trên cơ sở tạo ra các dao động của thân xe và

bánh xe theo ý muốn, giảm các tải trọng va đập cho xe khi chuyển động trên địa hình không bằng phẳng Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mô men tác động giữa bánh xe và khung xe (vỏ xe)

Phần tử giảm chấn: năng lượng dao động của thân xe và của các bánh xe được hấp thụ bởi các giảm chấn trên cơ sở biến cơ năng thành nhiệt năng

Phần tử hướng: dùng để truyền các lực ngang, lực dọc và mô men từ mặt đường lên khung xe Động học của phần tử hướng xác định đặc tính dịch chuyển của bánh xe đối với khung xe và ảnh hưởng tới tính ổn định và tính quay vòng của ô tô

Yêu cầu của các bộ phận trong hệ thống treo:

• Đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chuyển động

• Độ êm dịu chuyển động của ô tô được đánh giá qua giá trị cho phép của các thông

số như tần số dao động riêng, biên độ dao động lớn nhất, gia tốc dao động lớn nhất…

• Sự thay đổi quĩ đạo lăn của các bánh xe không đáng kể để đảm bảo độ êm dịu chuyển động thẳng và tính năng thông qua của ô tô

a, Phần tử hướng:

Phần tử hướng có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và mô men từ mặt đường lên khung xe Động học của phần tử hướng xác định đặc tính dịch chuyển của bánh xe đối với khung xe và ảnh hưởng tới tính ổn định và tính quay vòng của ô tô

Độ nghiêng của thùng xe trong mặt phẳng ngang phải bé Phần tử dẫn hướng có ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các phần tử đàn hồi (khoảng cách nhíp), tuỳ theo phần tử dẫn hướng mà ta có khoảng cách này lớn hay bé, phần tử dẫn hướng còn ảnh hưởng đến vị trí tâm của độ nghiêng bên

Phần tử dẫn hướng phải đảm bảo bố trí hệ thống treo trên ô tô được thuận tiện

b, Phần tử đàn hồi:

Phần tử đàn hồi dùng để nối đàn hồi giữa bánh xe và thân xe, làm giảm các va đập đột ngột từ đường lên, đảm bảo độ êm dịu khi ô tô chuyển động

Để thực hiện các nhiệm vụ trên, phần tử đàn hồi phải có độ cứng phù hợp với tải trọng của xe, nhằm tạo ra dao động với tần số thấp của thân xe theo yêu cầu đề ra (do tải trọng của xe thực tế là luôn biến động, có lúc ô tô đủ tải, có lúc ô tô non tải, do vậy cần thiết phải

có phần tử đàn hồi thay đổi độ cứng theo tải trọng)

2.2.2 Phân loại

Có rất nhiều cách phân loại hệ thống treo trên ô tô Dựa vào những căn cứ khác nhau

ta có thể phân loại hệ thống treo trên ô tô thành các loại cơ bản sau:

Dựa theo loại của bộ phận đàn hồi ta có thể chia ra:

• Bộ phận đàn hồi bằng kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn

• Bộ phận đàn hồi bằng khí nén: loại bọc bằng cao su – sợi, màng hoặc loại ống

Hình 2: Bộ phận đàn hồi bằng lò xo

Dựa vào bộ phận dẫn hướng ta chia thành:

• Hệ thống treo phụ thuộc với cầu liền (loại riêng và loại thăng bằng)

• Loại độc lập (một đòn, hai đòn, )

Hình 3: Hệ thống treo phụ thuộc thường được đặt ở trục cầu sau của xe ô tô

H ệ thống treo độc lập

Đặc điểm của hệ thống treo này là:

− Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà lắp trên hai loại cầu rời, sự dịch chuyển của hai bánh xe không phụ thuộc vào nhau (nếu coi như thùng xe đứng yên)

− Mỗi bánh xe được liên kết bởi cách như vậy sẽ làm cho phần khối lượng không được treo nhỏ, như vậy mô men quán tính nhỏ do đó chuyển động của xe êm dịu

Ngoài ra còn có các hệ thống treo độc lập 2 đòn ngang, hệ thống treo khí nén, hệ thống treo MacPherson hoạt động dựa trên nguyên tắc và những bộ phận cơ bản ở trên với công nghệ và độ phức tạp cao hơn

Hình 4: H ệ thống treo độc lập thường ở trục cầu trước của xe ô tô

H ệ thống treo đa liên kết

Về bản chất, treo đa liên kết thuộc loại độc lập Cải tiến từ “đàn anh” đòn chữ A đôi, treo

đa liên kết sử dụng ít nhất 3 cần bên và một cần dọc Những loại cần này không nhất thiết phải dài bằng nhau và có thể xoay theo một góc khác từ hướng ban đầu

Hình 5: H ệ thống treo đa liên kết

Mỗi cần đều có một khớp nối cầu hoặc ống lót cao su ở cuối, nhờ đó chúng luôn ở

trạng thái căng, nén và không bị bẻ cong

H ệ thống treo khí nén

Ngoài các hệ treo đã kể trên thì trong hệ thống treo còn hệ thống treo khí nén Trong bình chứa không khí nén dưới áp suất từ (0,5 – 0,8 MN/M2) Khi bình chứa co lại thì có thể tích ở bên trong của bình giảm, áp suất không khí và độ cứng của hệ thống treo tăng

M ột số ứng dụng về hệ thống treo

Hệ thống treo khí nén chủ động Magic Body Control được áp dụng vào xe của Mercedes:

Sử dụng các camera để theo dõi và phân tích địa hình qua đó điều chỉnh trước hệ thống treo khí nén nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và tính ổn định của xe lên mức tối đa

Hệ thống treo khí nén chủ động sử dụng trí tuệ nhân tạo Audi AI Suspension System

của Audi cũng sử dụng các camera để theo dõi và phân tích dự đoán trước địa hình để điều chỉnh hệ thống treo

Hình 6: Hệ thống treo khí nén chủ động sử dụng camera lập thể

2.3 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo

Phương trình mô tả hệ thống treo sử dụng phương pháp phân tích vật lý

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng trong thiết kế của xe Khi đi qua những đoạn đường "ổ gà" gồ ghề, hệ thống này loại bỏ những dao động thẳng đứng, hạn chế các ảnh hưởng cơ học đến khung và các chi tiết kim loại, tránh việc xe bị "chồm" lên quá nhiều, đồng thời đem lại sự thoải mái cho người ngồi trong xe Thiết kế hệ thống treo ô tô là một vấn thú vị và đầy thử thách Khi hệ thống treo được thiết kế, chúng ta cần mô hình ¼ chiếc

xe (một trong bốn bánh xe) được sử dụng để đơn giản hóa vấn đề lên 1 hệ lò xo giảm chấn

Sơ đồ của hệ thống này được thể hiện như sau:

Hình 7: Cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus

Hình 8: Mô hình hệ thống treo xe bus

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 21 và 22 Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 3500kg

- Khối lượng bánh xe: 420kg

- Độ cứng hệ treo K1 : 80000N/m

- Độ cứng lốp xe K2 : 500000N/m

- Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m

- Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m

Yêu cầu của hệ thống để được coi là ổn định:

- Hệ thống ổn định giao động trong khoảng 05(mm)

- Khoảng thời gian xác lập 0.5( )s

Phân tích h ệ thống treo

Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh)(cho phép trọng lượng được phép bỏ qua)

Ta chọn chiều dương theo hướng x1 và x2 như hình vẽ:

Phân tích Body Mass khối lượng M1, giả sử Suspension Mass khối lượng M2 cố định:

2 2 d1 S1 d2 S2