Đồ án môn học đề tài hệ thống treo chủ động trên ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Họ và tên sinh viên: Mã số sinh viên: Lớp:

4 Ngày giao nhiệm vụ:………

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:………

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Mã số sinh viên: Lớp:

Tên đề tài: Hệ thống treo chủ động Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô.

Họ và tên GV hướng dẫn: Ths Nguyễn Trung Hiếu.

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không được đánh máy)2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục10Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài10

2.

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội…

5Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá10Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: Mã số sinh viên: Lớp:

Tên đề tài: Hệ thống treo chủ động Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô.

Họ và tên GV hướng dẫn: Ths Nguyễn Trung Hiếu.

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không được đánh máy)2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục10Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài10

2.

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội…

5Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá10Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài: Hệ thống treo chủ động

Họ và tên sinh viên: Mã số sinh viên: Lớp:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022.

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại môi trường đại học, chúng em đã học được rất nhiều kiến thức bổ ích về chuyên môn lẫn kiến thức cuộc sống từ các thầy cô, được các quý thầy cô chỉ dạy và giúp đỡ tận tình trong quá trình học tập Từ những kiến thức mà các quý thầy cô chỉ dạy giúp chúng em có cơ sở nền tảng để hoàn thành đồ án của mình một cách tốt nhất.

Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến bố mẹ đã sinh ra và nuôi dưỡng chúng em khôn lớn đến tận giây phút này Chúng con xin hứa sẽ làm tốt nhất những gì mình có thể để không phụ lòng và cũng như là để đền đáp ơn công cha nghĩa mẹ đã nuôi nấng, chúng con xin cảm ơn bố mẹ rất nhiều

Tiếp theo, nhóm em xin cảm ơn Th.s Nguyễn Trung Hiếu đã tận tình và chỉ bảo nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng thầy vẫn dành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn chúng em Thầy đã hỗ trợ cho chúng em rất nhiều kiến thức và tài liệu khi chúng em bắt đầu bước vào thực hiện Trong quá trình thực hiện, thầy luôn định hướng, góp ý và sửa chữa chỗ sai, giúp chúng em kịp thời sửa chữa những sai sót Một lần nữa chúng em cảm ơn Th.s Nguyễn Trung Hiếu đã giúp chúng em hình thành ý tưởng cũng như hiểu về hệ thống treo trên ô tô hiện nay.

Thông qua đồ án này, chúng em xin trình bày lại những gì mà mình đã tìm hiểu về đề tài “Hệ thống treo chủ động” Có lẽ kiến thức là vô hạn mà sự tiếp nhận kiến thức của bản thân mỗi người luôn tồn tại những hạn chế nhất định Do đó, trong quá trình hoàn thành đồ án, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những đóng góp ý kiến đến từ thầy, cô và các bạn đọc để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.5 Đề cương chi tiết 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống treo 5

2.2.2 Hệ thống treo thu hồi điện từ 10

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TREO ¼ TRÊN MATLAB/SIMULINK .11 3.1 Xây dựng mô hình hệ thống treo ¼ 11

3.1.1 Mô hình vật lý 11

3.1.2 Mô hình toán học 12

3.2 Thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống treo ¼ 13

3.2.1 Mô phỏng hệ thống treo ¼ không có bộ điều khiển (hệ thống treo bị động) .13 3.2.2 Mô phỏng hệ thống treo ¼ có bộ điều khiển (hệ thống treo chủ động) 18

3.2.2.1 Bộ điều khiển PID 18

3.2.2.2 Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống treo ¼ 19

3.2.3 Đánh giá kết quả của mô hình mô phỏng bằng Simulink 26

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN CARSIM 28

4.1 Thiết lập bộ điều khiển cho Carsim 28

4.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển 28

4.1.2 Xây dựng bộ điều khiển cho Carsim 29

4.2 Case Studies và phân tích kết quả 31

4.2.1 Thao tác điều chỉnh Carsim 31

4.2.2 Case studies và phân tích kết quả 37

4.2.2.1 Xe qua các khúc cua 37

4.2.2.2 Xe qua đường nhựa nhấp nhô 41

4.2.2.3 Xe đi qua đường đất nhấp nhô ngẫu nhiên 44

4.3 Đánh giá sự ổn định của bộ điều khiển 49

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

EAS: Electronic Air Suspension ECU: Engine Control Unit.

ECASS: Electronically controlled active suspension system PID: Proportional Integral Derivative.

LQR: Linear–Quadratic Regulator.

Hình 3.2: Xét khối lượng treo M1 12

Hình 3.3: Xét khối lượng không được treo M2 13

Hình 3.4: Mô hình tích phân của các gia tốc khối lượng 14

Hình 3.5: Mô phỏng simulink định luật Newton 14

Hình 3.6: Mô phỏng simulink thêm vào lực lò xo 1 và lực giảm chấn 1 15

Hình 3.7: Mô phỏng simulink thêm vào lực lò xo 2 và lực giảm chấn 2 và mặt đường .16

Hình 3.8: Mô phỏng simulink thêm lực đầu vào “U” và đầu ra quảng đường x(t) 17

Hình 3.9: Dao động thân xe khi qua mặt đường gập ghềnh 10cm 18

Hình 3.10: Cấu trúc của bộ điều khiển PID 19

Hình 3.11: Mô hình hệ thống treo ¼ 20

Hình 3.12: Mô phỏng hệ thống treo ¼ có bộ điều khiển PID với đường gập ghềnh cao10cm 21

Hình 3.13: Thời gian dập tắt dao động khi KP = 25000, KI = 0, KD = 0 22

Hình 3.14: Thời gian dập tắt dao động khi KP = 115000, KI = 0, KD = 0 23

Hình 3.15: Dao động thân xe khi KP = 115000, KI = 0, KD = 15000 23

Hình 3.16 Dao động thân xe khi KP = 115000, KI = 0, KD = 70000 24

Hình 3.17: Mô phỏng hệ thống treo ¼ có bộ điều khiển PID với đường nhấp nhô ngẫunhiên 25

Hình 3.18: Độ cao và dao động thân xe đối với mặt đường nhấp nhô 25

Hình 3.19: So sánh dao động thân xe trường hợp đi qua mặt đường gập ghềnh 10cmngẫu nhiên với giữa hệ thống thống treo ¼ có sử dụng bộ điều khiển và không có bộ điều

Hình 3.20: So sánh dao động thân xe trường hợp đi qua mặt đường nhấp nhô ngẫu nhiênvới giữa hệ thống thống treo ¼ có sử dụng bộ điều khiển và không có bộ điều khiển 27

Hình 4.1: Mô hình hệ thống treo 28

Hình 4.2: Mô hình điều khiển Carsim 30

Hình 4.3: Bộ điều khiển 30

Hình 4.4: Giao diện chính của Carsim 31

Hình 4.5: Giao diện tùy chỉnh thông số cơ bản 31

Hình 4.6: Giao diện tùy chỉnh thông số cầu trước 32

Hình 4.7: Giao diện tùy chỉnh thông số cầu sau 32

Hình 4.8: Bảng tùy chỉnh hệ thống treo cầu trước 33

Hình 4.9: Bảng tùy chỉnh hệ thống treo cầu sau 33

Hình 4.10: Mô phỏng loại đường cong lớn 34

Hình 4.11: Độ cong của đường 34

Hình 4.12: Mô phỏng đường nhựa nhấp nhô 35

Hình 4.13: Hình ảnh trực quan về đường nhựa nhấp nhô 35

Hình 4.14: Mô phỏng đường đất nhấp nhô ngẫu nhiên 36

Hình 4.15: Hình ảnh trực quan về đường đất nhấp nhô ngẫu nhiên 36

Hình 4.16: Xe bắt đầu vào cung đường cong phải 37

Hình 4.17: Xe bắt đầu vào cung đường cong trái 37

Hình 4.18: Đồ thị mặt đường của các bánh xe đi qua 38

Hình 4.19: Lực tác dụng thẳng đứng lên lốp xe 38

Hình 4.20: Dao động của giảm chấn 39

Hình 4.21: Lực của các bộ giảm chấn 40

Hình 4.22: Gia tốc phần thân được treo 41

Hình 4.23: Xe chạy trên đường nhựa nhấp nhô 41

Hình 4.24: Đồ thị mặt đường của các bánh xe đi qua 42

Hình 4.25: Đồ thị biểu diễn biên độ dịch chuyển thẳng đứng của bộ giảm chấn theo thờigian 42

Hình 4.26: Đồ thị biểu diễn gia tốc thẳng đứng của tâm khối lượng được treo 43

Hình 4.27: Đồ thị biểu diễn lực pháp tuyến lên các bánh xe theo thời gian 43

Hình 4.28: Xe đi qua đường đất nhấp nhô bất kỳ 44

Hình 4.29: Đồ thị biểu diễn biên độ của bánh xe đi qua các nhấp nhô ngẫu nhiên theothời gian 44

Hình 4.30: Đồ thị biểu diễn lực của bộ giảm chấn trên các bánh xe 45

Hình 4.31: Đồ thị biểu diễn gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của tâm khối lượng đượctreo 46

Hình 4.32: Lực tác dụng thẳng đứng lên lốp xe 47

Hình 4.33: Khi xe chuẩn bị lên dốc ở giây thứ 8 48

Hình 4.34: Khi xe lên dốc 48

Hình 4.35: So sánh gia tốc thẳng đứng thân xe trong trường hợp xe đi qua đoạn đườngcác khúc cua khi có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển 49

Hình 4.36: So sánh gia tốc thẳng đứng thân xe trường hợp xe đi trên đường nhựa nhấpnhô khi có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển 49

Hình 4.37 So sánh gia tốc thẳng đứng thân xe trường hợp xe đi trên đường đất nhấp nhôkhi có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển 50

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số tính toán cho mô hình hệ thống treo ¼ 12Bảng 4.1: Thông số dùng trong bộ điều khiển Carsim 30

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI1.1 Lý do chọn đề tài

Trong vài năm gần đây, nền kinh tế nước ta có những bước phát triển vượt bậc, đời sống người dân được nâng cao, cùng với việc chính phủ đang đầu tư quy hoạch và xây dựng hệ thống giao thông vận tải đã biến ô tô trở thành phương tiện đi lại tiện nghi và phổ biến được nhiều người quan tâm Không như các nước phát triển với nước ta ô tô vẫn là vấn đề mới mẻ đặc biệt là các ứng dụng công nghệ tiên tiến trên xe Vì thế việc nghiên cứu về ô tô là rất cần thiết nó là cơ sở để các nhà nhập khẩu cũng như các nhà sản xuất trong nước kiểm tra chất lượng xe khi nhập khẩu cũng như xuất xưởng đồng thời cung cấp kiến thức cho người dân mua và sử dụng một cánh hiệu quả kinh tế cao.

Khi sử dụng một phương tiện giao thông ngoài những yêu cầu về khả năng thuận lợi trong lưu thông thì một phương tiện gọi là tốt còn phải đảm bảo an toàn trong chuyển động, tính thẩm mỹ cao và độ êm dịu cao trong quá trình sử dụng để đảm bảo sức khỏe cho người tham gia giao thông Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang có những bước đi ban đầu về thiết kế, chế tạo ô tô Song do điều kiện đường xá kém chất lượng, ở các xe này chưa đáp ứng được một số các yêu cầu đòi hỏi về độ êm dịu chuyển động, tính tiện nghi, tính an toàn chuyển động Một trong những nguyên nhân là do chất lượng đường của chúng ta còn hạn chế Chính vì vậy, việc quan tâm đến độ êm dịu cho một chiếc xe khi tham gia giao thông là một quan trọng trong quá trình chế tạo một phương tiện giao thông nói chung và ô tô nói riêng Và một trong những hệ thống ảnh hưởng tới các yếu tố trên là hệ thống treo Vì thế, nhóm em chọn đề tài “Hệ thống treo chủ động” cho đồ án này.

1.2 Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu, tìm hiểu sự phát triển của hệ thống treo chủ động trên ô tô hiện nay - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống treo chủ động.

- Mô hình hóa hệ thống treo ¼ và thiết kế bộ điều khiển qua Matlab/Simulink - Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống treo chủ động trên Carsim - Phân tích, so sánh và đánh giá mức độ hiệu quả của hệ thống treo chủ động.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống treo chủ động trên ô tô.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tập trung nghiên cứu vào hệ thống treo chủ động qua việc phân tích, so sánh đánh giá hiệu quả của hệ thống treo mô hình ¼ và mô phỏng trên Carsim trong các trường hợp xe chạy trên đường để đánh giá độ ổn định của bộ điều khiển cho hệ thống treo.

1.4 Tình hình nghiên cứu

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, ngày nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về ô tô như dao động các loại xe con, mô hình dao động ¼, các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng dao động và tối ưu hệ thống treo, các chỉ tiêu đánh giá dao động ô tô, các phương pháp nghiên cứu lý thuyết chủ yếu dựa vào cơ học cổ điển, gần đây sử dụng phương pháp cơ học hệ nhiều vật Và hệ thống treo là hệ thống rất quan trọng trên ô tô đang được các kỹ sư nghiên cứu và cải tiến.

Dưới đây, nhóm chúng tôi sẽ đưa ra các nghiên cứu ngoài nước đã góp phần giúp hệ thống treo tiên tiến hơn:

Công trình nghiên cứu của Massimo SORLI và Giuseppe QUAGLIA [1] đã phân tích đặc tính hệ thống treo khí nén dùng trên ô tô, nghiên cứu đặc tính phi tuyến hệ thống treo khí nén có lắp thêm bình khí phụ Đánh giá ảnh hưởng các thông số: thể tích, áp suất, diện tích chịu lực của lò xo khí nén trong miền tần số đến đặc tính động lực học hệ thống treo Tuy nhiên công trình này mới chỉ dừng lại ở mô hình dao động ¼ ô tô, chưa áp dụng cho một ô tô có thông số cụ thể Để đánh giá đầy đủ và chính xác ảnh hưởng của hệ thống treo khí nén đến dao động cần mô phỏng cho một ô tô cụ thể.

Công trình nghiên cứu của Katsuya Toyofuku, Chuuji Yamada, Toshiharu Kagawa, Toshinori Fujita [2] đã nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng đặc tính hệ thống treo khí nén trên ô tô có sử dụng bình khí phụ, đánh giá ảnh hưởng của chiều dài đường ống nối giữa bình khí phụ và lò xo khí nén đến đặc tính động lực học trong miền tần số Công trình mới dừng lại ở mô hình đơn giản, để đảm bảo độ chính xác cần mô phỏng cho một ô tô cụ thể.

Công trình nghiên cứu của CHEN Ke, ZHANG Ming and TONG Xuefeng [3] về hệ thống treo khí nén đã xây dựng mô hình dao động ô tô 7 bậc tự do với phần tử đàn hồi phi tuyến, sử dụng điều khiển mờ trong Matlab để điều khiển gia tốc dao động thân xe, tăng tính êm dịu và an toàn chuyển động ô tô.

Công trình nghiên cứu của William Daniel Robinson [4] về hệ thống treo ô tô, tác giả đã nghiên cứu, phân tích và xây dựng các mô hình hệ thống treo tuyến tính, phi tuyến Trong mô hình hệ thống treo khí nén có sử bình khí phụ, sau khi phân tích đặc tính hệ thống treo, tác giả tiến hành xây dựng các bộ điều khiển bán tích cực hệ thống treo, điều khiển phần tử giảm chấn.

Nghiên cứu về hệ thống treo thủy khí, Dongpu Cao [5], tác giả đã xây dựng mô hình toán học cho hệ thống treo thủy khí trên ô tô có tải trọng lớn, khảo sát đánh giá các yếu tố về kết cấu, vị trí bố trí các buồng khí trong hệ thống treo ảnh hưởng đến dao động Ảnh hưởng của áp suất khí nén đến các thông số khai thác sử dụng Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các ô tô có tải trọng lớn.

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Sự phát triển của mạng lưới giao thông hiện nay là điều kiện thuận lợi cho phát triển phương tiện giao thông đường bộ Vì vậy, việc nghiên cứu để cải tiến cho ô tô ngày càng tiên tiến là rất quan trọng Một trong đặc tính quan trọng của ô tô là tính êm dịu ảnh hưởng do hệ thống treo đang được các kỹ sư ô tô nước ta nghiên cứu, học hỏi và cải tiến.

Các công trình nghiên cứu ở Việt Nam về hệ thống treo sử dụng các mô hình dao động để đánh giá:

Mô hình dao động ¼ ô tô được tác giả Nguyễn Văn Trà [6] sử dụng nghiên cứu ứng dụng hệ thống treo bán tích cực ở sơ đồ ¼ để nâng cao độ êm dịu chuyển động của ô tô Tác giả đã xác định được tham số tối ưu cho hệ thống treo bị động và tham số cho giảm chấn của hệ thống treo bán tích cực Ở mô hình này độ cứng của phần tử đàn hồi được tuyến tính hóa bằng một hệ số có giá trị không đổi khi tính toán và khảo sát.

Mô hình dao động ½ ô tô trong mặt phẳng dọc được dùng để khảo sát dao động liên kết của ô tô hai trục Khi có kể đến hệ ghế và người ngồi trên sàn xe thêm vào trong mô hình, được tác giả Đặng Việt Hà [7] sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới tính êm dịu chuyển động của ô tô khách được đóng mới ở Việt Nam Tuy nhiên, khi sử dụng mô hình này không đánh giá được sự phân bố lại tải trọng thẳng đứng theo phương ngang, dao động lắc ngang của khối lượng được treo và không được treo Trong mô hình các hệ số đàn hồi và giảm chấn được tuyến tính hóa bằng các hệ số

Nhận xét chung:

Các nghiên cứu về hệ thống treo về lý thuyết cũng như thí nghiệm đã tương đối hoàn chỉnh, nhiều loại mô hình toán học đã được áp dụng để xây dựng và mô phỏng mô hình dao động, các công trình này được đánh giá có tính tin cậy cao Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu dao động của ô tô ở nước ta thường tập trung nghiên cứu dao động của một số loại ô tô trong một số điều kiện cụ thể, chủ yếu tập trung nghiên cứu xe khách, xe con trên đường giao thông chất lượng cao và việc thiết kế mạch mô phỏng thực tế có giá thành rất đắt và việc đi tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu chưa phù hợp với phạm vi và kiến thức của sinh viên.

Vì vậy, sau khi tìm hiểu các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài hệ thống treo chủ động trên ô tô, sử dụng mô hình dao động cụ thể là sử dụng mô hình hệ thống treo ¼, tiến hành thiết lập mô hình, thiết kế bộ điều khiển và dùng các thông số cụ thể để mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của hệ thống treo chủ động đến dao động ô tô thông qua việc so sánh giữa hệ thống treo có bộ điều khiển và không có bộ điều khiển trên các điều kiện mặt đường khác nhau Từ đó thấy được tầm quan trọng của hệ thống treo có bộ điều khiển (hệ thống treo chủ động).

1.5 Đề cương chi tiết

Đề tài này được thực hiện gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Xây dựng hệ thống treo ¼ trên Matlab/Simulink Chương 4: Mô phỏng trên Carsim

Chương 5: Kết luận

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Giới thiệu chung về hệ thống treo

Hệ thống treo là bộ phận đặt phía trên cầu trước và cầu sau của xe, kết nối vỏ khung ô tô với các cầu, nhờ đó xe có thể vận hành êm ái và ổn định Ngoài ra, chúng còn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lực và mô-men từ bánh xe lên đến khung hoặc vỏ xe Điều này giúp bánh xe đảm bảo hoạt động đúng quy trình.

Hình 2.1: Hệ thống treo

Hệ thống treo có cấu tạo gồm 3 bộ phận khác nhau Mỗi bộ phận lại đảm nhận một nhiệm vụ riêng biệt, cụ thể như sau:

- Bộ phận đàn hồi: cấu tạo gồm lò xo, thanh xoắn, nhíp và khí nén, giữ nhiệm vụ hấp thụ dao động từ mặt đường, làm giảm tác động của sức nặng lên khung xe, giúp bánh xe di chuyển êm ái, ổn định.

- Bộ phận giảm chấn: Có hai loại giảm chấn là giảm chấn thủy lực và giảm chấn dùng ma sát Chúng đóng vai trò trong việc hạn chế dao động của bánh xe và thân xe Nhờ đó, đảm bảo độ bám đường tốt hơn.

- Bộ phận dẫn hướng: Giống như tên gọi của nó, bộ phận này đóng vai trò đảm bảo động học của xe, hướng bánh xe chỉ di chuyển theo phương thẳng đứng Ngoài ra, chúng còn giữ vai trò tiếp nhận, truyền lực và mô-men từ bánh xe lên khung, vỏ xe.

2.1.1 Công dụng

Hệ thống treo là một hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe hoặc vỏ xe, liên kết ở đây là liên kết đàn hồi Hệ thống treo có những chức năng chính sau:

- Đỡ thân xe lên cầu xe, cho phép bánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng với vỏ xe hoặc khung xe Hạn chế những chuyển động không mong muốn khác của bánh xe như: chuyển động lắc ngang hay lắc dọc của bánh xe.

- Những bộ phận của hệ thống treo làm nhiệm vụ hấp thụ và dập tắt những dao động, rung động, va đập từ mặt đường truyền lên đảm bảo tính êm dịu trong chuyển động của bánh xe.

- Hệ thống treo còn có nhiệm vụ truyền lực và momen giữa bánh xe và khung xe: bao gồm lực thẳng đứng (tải trọng xe, phản lực từ trường), lực dọc (lực kéo hoặc lực phanh, lực đẩy hoặc lực đẩy với khung vỏ) lực ngang (lực ly tâm, lực gió bên hoặc phản lực ngang…), momen chủ động hoặc momen phanh.

- Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay các loại đường khác nhau).

- Bánh xe có thể dịch chuyển trong một giới hạn nhất định.

- Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá hỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe.

- Không gây tải trọng tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ - Có độ tin cậy lớn, độ bền cao và không gặp hư hỏng bất thường.

2.1.2 Yêu cầu

Hệ thống treo phải đảm bảo phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe như trên đường tốt hoặc có thể chạy trên nhiều địa hình khác nhau.

- Bánh xe phải đảm bảo khả năng linh hoạt trong một phạm vi giới hạn.

- Quan hệ động học bánh xe phải hợp lý đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của hệ thống treo làm mềm dịch chuyển theo phương thẳng đứng nhưng không ảnh hưởng đến quan hệ động học và động lực học của bánh xe theo phương dịch chuyển.

- Không gây các tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung vỏ xe.

- Hệ thống treo phải có độ bền cao, độ tin cậy sử dụng lớn, trong điều kiện sử dụng phù hợp với tính năng kỹ thuật không gây ra những hư hỏng bất thường.

- Đảm bảo giá thành thấp, mức độ phức tạp liên kết không quá lớn.

- Có khả năng chống rung, chống ồn từ bánh xe lên thùng xe, vỏ xe tốt, nâng cao tiện nghi cho xe.

- Đảm bảo tính điều khiển và tính chuyển động của xe tốt ngay cả khi ở tốc độ cao.

2.1.3 Phân loại hệ thống treo trên ô tô

Theo dạng bộ phận dẫn hướng, hệ thống treo được chia làm các loại: - Phụ thuộc.

- Độc lập.

Theo loại phần tử đàn hồi, gồm có:

- Loại kim loại, gồm: nhíp lá, lò xo xoắn, thanh xoắn - Loại cao su: chịu nén hoặc chịu xoắn.

- Loại khí nén và thuỷ khí.

Theo phương pháp dập tắt dao động, chia ra:

- Loại giảm chấn thuỷ lực: tác dụng một chiều và hai chiều.

- Loại giảm chấn bằng ma sát cơ: gồm ma sát trong bộ phận đàn hồi và trong bộ phận dẫn hướng.

Theo sự thay đổi đặc tính điều chỉnh, có: - Hệ thống treo không tự điều chỉnh.

Hệ thống treo chủ động (Active Suspension Control System) là một công nghệ ô tô, nó điều khiển sự chuyển động thẳng đứng của bánh xe thông qua hệ thống vi mạch, thay vì chuyển động của bánh xe được xác định hoàn toàn bởi mặt đường Do đó hệ thống này hầu như loại bỏ được vấn đề nghiêng ngang, sự chúi đầu hay đuôi xe trong những trường hợp xe vào cua, phanh hoặc tăng tốc.

Công nghệ này giúp chiếc xe đạt được tính êm dịu và tính năng lái cao hơn, bằng cách giữ cho bánh xe vuông góc với mặt đường khi vào cua, nhờ đó tăng thêm độ bám và sự điều khiển xe.

Vi mạch điều khiển sẽ phát hiện chuyển động của thân xe từ các cảm biến gắn trên xe và dùng các dữ liệu được tính toán bởi thuật toán điều khiển, từ đó sẽ điều khiển hoạt động của hệ thống treo.

Hệ thống treo chủ động sử dụng các bộ chấp hành riêng biệt để tạo ra các lực đến từng bộ phận đàn hồi một cách độc lập ở mỗi bánh xe để cải thiện tính năng vận hành Nhược điểm của thiết kế này là chi phí cao, làm tăng thêm sự phức tạp cũng như tăng khối lượng cho toàn hệ thống, và phải bảo dưỡng khá thường xuyên và sửa chữa khi cần phải cài đặt Việc bảo dưỡng cũng là một vấn đề, vì chỉ có các đại lý ủy quyền của hãng mới có dụng cụ và kỹ thuật viên đủ khả năng sửa chữa cũng như chẩn đoán hư hỏng một cách chính xác.

Hình 2.2: Hệ thống treo chủ động

2.2.1 Hệ thống treo khí nén điện tử

Ban đầu, hệ thống treo trên ô tô chỉ bao gồm các bộ phận như lò xo, nhíp lá sau đó được thay thế bằng các gối cao su có chứa khí nén Tuy nhiên, hệ thống này vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về việc giảm xóc, tạo sự êm ái cho chiếc xe Thế nên, các nhà thiết kế xe hơi đã ứng dụng công nghệ vật liệu và kỹ thuật cơ - điện tử để tạo ra hệ thống treo cải tiến hơn, đó là hệ thống treo khí nén điện tử.

Hệ thống treo khí nén điện tử (Electronic Air Suspension - EAS) là hệ thống treo thông minh, cho phép người lái có thể điều chỉnh độ đàn hồi của giảm xóc phù hợp với từng chế độ vận hành của xe Đây là hệ thống treo khí nén tân tiến nhất hiện nay, chủ yếu được sử dụng trên các dòng xe cao cấp.

2.2.1.1 Cấu tạo hệ thống EAS bao gồm các bộ phận chính:

- Giảm xóc khí nén:

Hệ thống treo khí nén - điện tử EAS bao gồm 4 giảm xóc khí nén đặt ở các bánh xe và hoạt động như một lò xo thông thường Cấu tạo của lò xo khí nén này bao gồm 1 màng cao su bao bọc bên ngoài và lớp khí được bơm từ máy nén ở bên trong Tùy vào lượng khí bơm vào, lực giảm chấn sẽ khác nhau với 2 hoặc 3 mức độ mềm, trung bình, cứng để phù hợp với từng loại địa hình.

- Cảm biến độ cao:

Cũng như giảm xóc, hệ thống treo khí nén điện tử được trang bị 4 cảm biến độ cao Các bộ cảm biến này được gắn trên thân xe để theo dõi khoảng cách giữa thân xe và hệ thống treo, giúp đo lường độ cao gầm xe Dựa vào đó, máy nén sẽ bơm một lượng khí thích hợp vào xi lanh.

Hình 2.3: Cấu tạo hệ thống treo khí nén điện tử

Cảm biến tốc độ:

- Có chức năng ghi nhận và gửi tín hiệu tốc độ xe đến ECU của hệ thống treo, cảm biến tốc độ mang đến những ưu điểm nổi bật để giúp người điều khiển nắm bắt được tình hình tốc độ khi di chuyển.

ECU hệ thống treo:

- 2 bộ điều khiển điện tử (ECU) được đặt ở đỉnh của 2 xi lanh khí ECU có chức năng nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển lực giảm chấn, độ cứng giảm xóc phù hợp với từng điều kiện.

2.2.1.2 Nguyên Lý Hoạt Động

Hệ thống treo khí nén điện tử hoạt động dựa trên tính đàn hồi của không khí khi bị nén Bộ giảm xóc khí nén có khả năng hấp thụ những rung động nhỏ, dễ dàng điều chỉnh được độ cao của khoảng sáng gầm xe.

Khi di chuyển trên đường không bằng phẳng, tải trọng khác nhau ở mỗi bánh xe sẽ làm thay đổi độ cao của xe Lúc này, các cảm biến sẽ truyền tín hiệu về ECU Bộ điều khiển điện tử này sẽ tự động nạp hoặc xả khí trong các xi lanh để điều chỉnh và khống chế độ cao ổn định của bánh xe

Theo đó, độ cao của xe sẽ tăng khi khí nén được bơm vào xi lanh và ngược lại, khi khí nén được giải phóng, độ cao của xe sẽ giảm xuống.

Sự êm ái và ổn định của chiếc xe phụ thuộc vào độ đàn hồi của lượng khí nén bơm vào xi lanh Khi khí nén có độ đàn hồi tốt, hiệu quả giảm chấn sẽ tối ưu giúp xe di chuyển mượt mà, ổn định.

2.2.2 Hệ thống treo thu hồi điện từ

Hệ thống treo chủ động kiểu thu hồi điện từ (Electronic recuperative suspension) sử dụng một mô tơ gắn liền với từng bánh xe độc lập, giúp tạo ra các phản ứng cực kỳ nhanh chóng và tái sinh năng lượng thông qua việc tận dụng các mô tơ như máy phát điện Thiết kế này gần như đã khắc phục được các nhược điểm của hệ thống thủy lực là thời gian đáp ứng chậm và tiêu thụ năng lượng cao Ưu điểm này chỉ mới được công nhận trong thời gian gần đây từ sự kiểm chứng của một mẫu xe concept của công ty Bose, người sáng lập ra công ty này đã phát triển hệ thống treo mới lạ này trong nhiều năm từ khi ông là một giáo sư ở trường Đại học MIT Hệ thống treo tích cực điều khiển bằng điện tử (ECASS) đã được cấp bằng sáng chế bởi Đại học Trung tâm Texas cho ngành Cơ điện tử trong những năm 1990 và đã được phát triển bởi hệ thống điện tử L-3 sử dụng trên các xe quân sự Các xe HMMWV (Humvee) được trang bị ECASS đã thể hiện sự vượt trội về đặc tính kỹ thuật trong tất cả các đánh giá đặc tính về sự tác động của giảm chấn đến người lái, đến sự ổn định của xe và tính năng lái.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TREO ¼ TRÊN MATLAB/SIMULINK3.1 Xây dựng mô hình hệ thống treo ¼

3.1.1 Mô hình vật lý

Hình 3.1: Mô hình hệ thống treo ¼.

Phương pháp xây dựng phương trình vi phân mô tả dao động của hệ thống treo trên cơ sở mô hình ¼.

Khối lượng được treo ký hiệu là M1 gồm các khối lượng như thân xe, khung xe, động cơ, hàng hóa và hành khách

Khối lượng không được treo ký hiệu là M2 gồm khối lượng vành bánh xe, cầu xe Hệ thống treo liên kết giữa khối lượng M1 và M2 gồm lò xo có độ cứng ký hiệu là K1 và giảm chấn có hệ số cản giảm chấn là b1

Lốp xe là một phần tử đàn hồi nên cũng được mô hình hóa thành một lò xo có độ cứng ký hiệu là K2 và một giảm chấn có hệ số cản giảm chấn ký hiệu là b2.

Các dao động của ô tô sinh ra khi di chuyển gồm: dao động thẳng đứng, dao động lắc ngang và lắc dọc của thân xe Trong đó dao động theo phương thẳng đứng là lớn nhất và là thông số đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô.

Một bộ truyền động có khả năng tạo ra lực điều khiển U để điều khiển chuyển động của thân xe

Thống số tính toán cho mô hình hệ thống treo ¼:

Bảng 3.1: Thông số tính toán cho mô hình hệ thống treo ¼.

b1 damping constant of suspension system 350N.s/m b2 damping constant of wheel and tire 12500N.s/m K1 spring constant of suspension system 52000N/m K2 spring constant of wheel and tire 200000N/m

u control force

3.1.2 Mô hình toán học

Đối với khối lượng được treo, các ngoại lực tác dụng là: Lực do phần tử đàn hồi của hệ thống treo tác dụng lên:

Xét khối lượng được treo M1:

∑ F=U −FK 1−Fb 1=M1 ´X1

↔ U−K1.(X1−X2)−b1.(X´1− ´X2)=M1 ´X1

→U −K1.(X1−X2)−b1.(X´1− ´X2)

M1 = ´X1 (3.5)

Xét khối lượng không được treo M2:

∑ F=−U −FK 2−Fb 2+FK 1+Fb1=M2 ´X2

↔−U −K2.(X2−W)−b2.(X´2− ´W)+K1.(X1−X2)+b1.(X´1− ´X2)=M2 ´X2 →−U −K2.(X2−W)−b2.(X´2− ´W)+K1.(X1−X2)+b1.(X´1− ´X2)

3.2 Thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống treo ¼

3.2.1 Mô phỏng hệ thống treo ¼ không có bộ điều khiển (hệ thống treo bị động)

Hệ thống này sẽ được mô hình hóa bằng cách tổng hợp các lực tác dụng lên cả hai khối lượng (khối lượng được treo và khối lượng không được treo) và tích phân gia tốc của mỗi khối lượng hai lần để đưa ra vận tốc và vị trí Đầu tiên chúng ta sẽ lập mô hình tích phân của các gia tốc khối lượng.

Hình 3.4: Mô hình tích phân của các gia tốc khối lượng.

Tiếp theo, chúng ta sẽ bắt đầu mô hình hóa định luật Newton Định luật Newton cho mỗi khối lượng này có thể được biểu thị như sau:

Hình 3.5: Mô phỏng simulink định luật Newton.

Thêm vào lực từ lò xo 1, giảm chấn 1

Hình 3.6: Mô phỏng simulink thêm vào lực lò xo 1 và lực giảm chấn 1.

Thêm vào lực từ lò xo 2, giảm chấn 2 và khối Step (W) mô phỏng mặt đường đường gập ghềnh 10cm bằng cách điều chỉnh thông số Final value = 0,1.

Hình 3.7: Mô phỏng simulink thêm vào lực lò xo 2 và lực giảm chấn 2 và mặt đường “W”.

Thêm lực đầu vào “U” – lực điều chỉnh giảm chấn, ở trường hợp mô phỏng hệ

thống treo bị động U = 0 và đầu ra dao động thân xe x(t) (hình 3.8).

Hình 3.9: Dao động thân xe khi qua mặt đường gập ghềnh 10cm.

3.2.2 Mô phỏng hệ thống treo ¼ có bộ điều khiển (hệ thống treo chủ động)

Một hệ thống treo trên ô tô tốt phải có khả năng bám đường tốt, đồng thời vẫn mang lại sự thoải mái khi lái xe qua các đoạn đường gồ ghề và hố sâu Khi xe gặp bất kỳ sự xáo trộn nào trên đường (ví dụ như hố chậu, vết nứt và mặt đường không bằng phẳng), thân xe không được có dao động lớn và dao động đó phải nhanh chóng biến mất.

Từ biểu đồ dao động thân xe không có bộ điều khiển khi đi qua mặt đường gập ghềnh 10cm, dao động thân xe tại thời gian đầu xấp xỉ 6cm và thời gian dập tắt dao động khoảng 10s Để đáp ứng nhu cầu về sự êm dịu tối ưu nhất, chúng tôi muốn thiết kế một bộ điều khiển để khi đi qua mặt đường gập ghềnh 10cm dao động thân xe sẽ nhỏ hơn 6mm và thời gian dập tắt dao động dưới 3 giây.

3.2.2.1 Bộ điều khiển PID

Hàm truyền của bộ điều khiển PID là:

s +KDs=KDs2+KPs+KI

s (3.11) - KP: là độ lợi của khâu tỷ lệ.

- KI: Là độ lợi của khâu tích phân.

- KD: Là độ lợi của khâu vi phân.

Hình 3.10: Cấu trúc của bộ điều khiển PID

- r: Tín hiệu mong muốn - y: Ngỏ ra mong muốn.

- e: Sai số giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu mong muốn - u: Tín hiệu điều khiển.

3.2.2.2 Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống treo ¼

Để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống treo ¼, đầu tiên ta sẽ thay đổi lực “U”, mặt đường “W” thành đầu vào hệ thống “input”, dao động thân xe x(t) thành đầu ra hệ thống “output”.