Phân loại - Dựa vào bộ phận dẫn hướng: + Kiểu phụ thuộc: là loại hệ thống treo khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng thì dao động một bên của hệ thống treo sẽ ảnh hưởng trực tiế
TỔ NG QUAN V Ề V ẤN ĐỀ NGHIÊN C Ứ U
Tính c ầ n thi ế t c ủa đề tài
Khảo sát các hệ thống treo tích cực trên ô tô hiện đại mang lại nhiều lợi ích và ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực ô tô Đầu tiên, nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về công nghệ và cơ chế hoạt động của các hệ thống treo tích cực, từđó có thểđánh giá được hiệu quả và khảnăng ứng dụng của chúng trong các dòng xe khác nhau
Ngoài ra, còn giúp chúng ta nắm bắt được xu hướng phát triển của công nghệ treo trong tương lai Các nhà sản xuất ô tô luôn nỗ lực để cải thiện tính ổn định, độ êm ái và hiệu suất lái xe Hiểu rõ về các hệ thống treo tích cực sẽgiúp chúng ta định hình được xu hướng công nghệvà đáp ứng tốt hơn với yêu cầu và mong muốn của người tiêu dùng
Vì vậy, chúng em đã chọn đề tài "Khảo sát các hệ thống treo tích cực trên ô tô hiện đại" đểtrình bày rõ sơ bộ kiến thức về hệ thống treo cũng như nói rõ các hệ thống treo tích cực được sử dụng trên xe trên các dòng xe hiện đại.
M ụ c tiêu nghiên c ứ u
Mục tiêu của nghiên cứu là khảo sát các hệ thống treo trên ô tô hiện đại, phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của từng hệ thống treo Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích cách thức hoạt động, cơ chế giảm xóc, tính năng, ưu điểm và khảo sát chuyển động của các hệ thống treo này Nghiên cứu cũng sẽđánh giá các yếu tốảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của từng hệ thống treo.
N ộ i dung nghiên c ứ u
Tổng quan về các hệ thống treo trên ô tô hiện đại
Các lý thuyết cơ bản về hệ thống treo tích cực.
Phương pháp nghiên cứ u
Tham khảo tài liệu: đọc và tìm hiểu các tài liệu, video hướng dẫn và các tài nguyên trực tuyến liên quan đến hệ thống treo để có được kiến thức cơ bản về lý thuyết.tìm hiểu về các loại hệ thống treo để nghiên cứu hiệu quả hệ thống treo, phải hiểu rõ về các loại treo, cách chúng hoạt động và ứng dụng của chúng trong các hệ thống treo
Tham khảo, học hỏi kinh nghiệm, kiến thức và sựhướng dẫn của các thầy cô bộ môn
Đối tượ ng nghiên c ứ u
Nghiên cứu tập trung vào phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và hiệu quả sử dụng của các hệ thống treo này, đánh giá các yếu tốảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của từng hệ thống treo
Vật liệu sử dụng trong hệ thống treo: Nghiên cứu về các vật liệu sử dụng để làm các thành phần trong hệ thống treo, như nhíp lá, bộ phận giảm chấn, v.v để tìm hiểu các tính năng của chúng, như độ bền, độ co giãn, khảnăng chịu tải, v.v.
Gi ớ i h ạn đề tài
Giới hạn đề tài bao gồm khảo sát các hệ thống treo trên ô tô hiện đại và phân tích các yếu tốảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của từng hệ thống treo Đề tài tập trung vào việc phân tích cách thức hoạt động, cơ chế giảm xóc, tính năng và ưu điểm của các hệ thống treo này và khảo sát đồ thị trên matlab Tuy nhiên, đề tài không bao gồm việc thực hiện các thí nghiệm trên các hệ thống treo này hay đưa ra các kế hoạch thực tếđể cải thiện hiệu suất của các hệ thống treo trên ô tô hiện đại Ngoài ra, đềtài không đề cập đến các loại xe ô tô cổđiển hay các loại xe đặc biệt khác ngoài ô tô.
D ự ki ế n k ế t qu ả
Dự kiến kết quả của đề tài sẽđược trình bày trong ba chương chính:
Chương 1 sẽđưa ra tính cần thiết của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài và dự kiến kết quả
Chương 2 sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết về hệ thống treo tích cực, bao gồm các khái niệm cơ bản, cơ chế giảm xóc và tính năng của các hệ thống treo trên ô tô hiện đại
Chương 3 sẽ phân tích chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số hệ thống treo trên ô tô hiện đại
T Ổ NG QUAN V Ề H Ệ TH Ố NG TREO TRÊN Ô TÔ
Gi ớ i thi ệ u h ệ th ố ng treo
Hệ thống treo của ô tô là hệ thống liên kết đàn hồi các cầu xe với khung và thân xe 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… liên kết với bánhxe để truyền lực đẩy từ bánh xe và phản lực của mặt đường lên khung vỏ; cơ cấu này đảm bảo xe có thể chuyển động với tốc độ cao mà không bị xô lệch khung vỏ xe; cơ cấu giảm chấn để dập tắt dao động của bánh xe khi di chuyển, nhất là khi di chuyển ở mặt đường gồ ghề
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 hai bánh dẫn hướng của cầu trước.
Phân lo ạ i và yêu c ầ u k ỹ thu ậ t c ủ a h ệ th ố ng treo
- Dựa vào bộ phận dẫn hướng:
+ Kiểu phụ thuộc: là loại hệ thống treo khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng thì dao động một bên củahệ thống treo sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên dao động bên còn lại trên cùng một cầu xe
Hình 2.1 Hệ thống treo phụ thuộc + Kiểu độc lập: là loại hệ thống treo khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng thì dao độngmột bêncủa hệ thống treo sẽ không ảnh hưởng trực tiếp lên dao động của bên cònlạitrên cùng một cầu xe
Hình 2.2 Hệ thống treo độc lập
- Dựa theo loại của bộ phận đàn hồi:
+ 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 + Bộ phận đàn hồi bằng thủy lực: loại ống
+ Bộ phận đàn hồi bằng cao su
- Dựa vào phương pháp dập tắt dao động (giảm chấn):
+ Giảm chấn thủy lực: có loại tác động một chiều và hai chiều
+ Giảm chấn ma sát cơ: có thể là ma sát trong bộ phận đàn hồi hoặc trong bộ phận dẫn hướng
- Dựa vào phương pháp điều khiển:
+ Hệ thống treo bị động (không có điều khiển)
+ Hệ thống treo chủ động (có điều khiển được)
+ Hệ thống treo bán chủ động (sự kết hợp của hai loại trên)
2.2.2 Những yêu cầu kỹ thuật Độ võng tĩnh (độ võng sinh ra do tác dụng của tải trọng tĩnh) phải nằm trong giới hạn đủ đảm bảo được các tần số dao động riêng của vỏ xe và độ võng động (độ võng sinh ra do ô tô chuyển động) phải đủ để đảm bảo vận tốc chuyển động của ô tô trên đường xấu nằm trong giới hạn cho phép Ở giới hạn này không có sự va đập lên bộ phận hạn chế Động học của bánh xe dẫn hướng vẫn giữ đúng khi các bánh xe dẫn hướng dịch chuyển trong mặt phẳng đứng (nghĩa là khoảng cách giữa hai vệt bánh trước và các góc đặt trụ đứngkhông thay đổi)
Dập tắt các dao động của vỏ và các bánh xe
Giảm tải trọng động khi ô tô qua những đường gồ ghề
Các b ộ ph ậ n chính c ủ a h ệ th ố ng treo ô tô
Là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (60-80 lần/ph) Bộ phận đàn hồi có thể bố trí khác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng
Trên xe con bộphận đàn hồi thường gặp là loại: Nhíp lá, lò xo trụ, lò xo côn hoặc lò xo xếp, thanh xoắn, khí nén, thuỷ lực
Hình 2.3 Các bộ phận đàn hồi 2.3.2 Bộ phận dẫn hướng
Bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo xác định tính chất chuyển động (động học) của bánh xe đối với mặt tựa và vỏ xe, đồng thời góp phần vào việc truyền lực và momen giữa các bánh xe và vỏ
Bộ giảm chấn làm cho giao động của thân vỏ xe và bánh xe được tắt nhanh hơn và qua đó nâng cao độ an toàn cũng như độ êm dịu cho xe
Bộ giảm chấn được lắp giữa thân vỏ xe và bộ phận treo bánh xe Thân và vỏ xe có các tần số giao động khác nhau Một bộ phận giảm chấn tốt phải được hiệu chỉnh để có tác dụng với cả hai giao động
Hình 2.4 Một số thanh giảm chấn Các bộ phận khác của bộ phận giảm chấn:
Thanh ổn định: Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đường Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn Cấu tạo chung của nó có dạng chữ U Các đầu chữ U nối với bánh xe còn thân nối với vỏ nhờ các ổ đỡ cao su Thanh ổn định ngang lắp trên ô tô là bộ phận đàn hồi phụ với chức năng hạn chế sự nghiêng thân xe Thanh ổn định chỉ làm việc khi nào có sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe
Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình: treo là các thành phần nhỏđược làm bằng polyurethane hay cao su, đóng vai trò như một giá đỡ giữa các bộ phận của ô tô, kiểm soát mức độ chuyển động của các khớp, giảm tiếng ồn và độ rung trên đường đi, hấp thụ va chạm và giảm ma sát giữa các bộ phận kim loại của ô tô.
Phân tích s ự ảnh hưở ng c ủ a h ệ th ố ng treo khi xe chuy ển động trên đườ ng
Hệ thống treo phải bảo đảm chuyển động tương đối của bánh xe theo phương thẳng đứng đối với khung xe khi độ phẳng của mặt đường thay đổi
Hệ thống treo hấp thụ lực va đập từ mặt đường trong khi vận hành để lực va đập không tác dụng trực tiếp lên thân xe, nhờ đó tạo sự thoải mái dễ chịu cho người ngồi trên xe trong những đoạn đường không bằng phẳng Với ô tô ưu tiên số một là tạo ra cảm giác thư giãn thay vì cảm giác mệt mỏi, căng thẳng Sự thoải mái giúp người điều khiển xe an toàn hơn
2.4.2 Ảnh hưởng của hệ thống treo đến độ cứng vững và độbám đường của ô tô Ngoài việc đảm bảo sự êm dịu hệ thống treo còn làm nhiệm vụ duy trì sự ổn định của xe khi vào cua và cứng vững theo phương ngang
Hệ thống treo còn ảnh hưởng đến góc đặt bánh xe nếu góc đặt bánh xe không đúng thì xe sẽ bị kéo lệch về một phía, nghĩa là không thể duy trì chuyển động thẳng về phía trước hoặc dẫn đến tình trạng nguy hiểm khác Trên đường đua, hệ thống treo cần thiết lập để tạo ra độ bám đường tối đa
H ệ th ố ng treo tích c ự c
Hệ thống treo tích cực, hay còn gọi là treo thích ứng, nó điều khiên sự chuyển động thẳng đứng của bánh xe thông qua hệ thống vi mạch, thay vì chuyển động của bánh xe đượcxác định hoàn toàn bởi mặt đường Do đó hệ thốngnày 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 tăngthêm độ bám và sựđiều 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 khiên, từ đó sẽ điều khiển hoạt động của hệ thống treo.
Hình 2.7 Mô hình hệ thống treo tích cực trên ô tô
Hệ thống treo tích cực bao gồm:
+ Hệ thống treo tích cực hoàn toàn
+ Hệ thống treo bán tích cực a) Hệ thống treo tích cực hoàn toàn
Hệ thống treo khí nén điện tử
Hình 2.8 Hệ thống treo khí nén điện tử
1 - Giảm xóc khí nén tự động điều chỉnh độ giảm chấn; 2 - Cảm biến gia tốc của xe; 3 - ECU (hộp điều khiên điện tử của hệ thống treo); 4 - Cảm biên độ cao của xe; 5 - Cụm van phân phối và cảm biến áp suất khí nén; 6 - Máy nén khí;7 - bình chứa khí nén; 8 - Đường dẫn khí
Hình 2.9 Cấu tạo hệ thống treo Mercedes Ưu điềm:
- Thông minh và linh hoạt ( khả năng điều chỉnh độ cứng củatừng xi lanh cho phép đáp ứng độ nghiêng khung xe và tốcđộ xe khi vào cua, góc cua)
- Tự thích nghi với tải trọng xe, thay đổi độ cao gầm xe theotừng hành trình
- Thay thế lò xo bằng lò xo khí đểgiảm bớt trọng lượng
- Những chỗ mấp mô ô gà thì không ảnh hưởng nhiều người điềukhiển
- Chi phí cao do có nhiều linh kiện điện tử và sửa chữa khó khăn hơn.
Các xe sử dụng hệ thống treo khí nén điện tử bao gồm các xe như Rolls-Royce Phantom, Mercedes-Benz S-Class, Bentley Continental GT b) Hệ thống treo bán tích cực Đặc điểm:
+ Không sử dụng các van cơ học như các hệ thống treo khác
+ Dùng lưu chất biến từ (MR-Magne Ride), chất lỏng trong giảm chấn có chứa hạt kim loại phản ứng với từ trường.
Nguyên lý hoạt động của giảm chấn dùng lưu chất biến từ:
Hình 2.10 Giảm chấn dùng lưu chất từ biến Dầu trong giảm chấn có chứa các hạt kim loại có từ tính, mục đích làm thay đổi độ nhớt của dầu bằng từ trường gây ra bởi nam châm điện.
Khi có dòng điện được cấp cho nam châm điện nằm trong đầu pistonnhững hạt kim loại tại van tiết lưu sẽ được sắp xếp lại theo đường sức từ gây ra sự cản trở đối với dòng chảy của dầu trong lòng xylanh và nó sẽ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện Dòng điện càng lớn thì từ trường sinh ra càng mạnh khiến những hạt kim loại gần như được khoá chặt lại ứng với giảm chấn ở trạng thái cứng nhất. Ưu điểm: ưu điểm nổi bật nhất của giảm chấn từ biến chính là tốc độ khi nó có thể điều chỉnh lên tới hàng trăm lần mỗi giây với độ biến thiên chính xác mà cơ cấu thay đổi đường kính của van tiết lưu không thể làm được.
Nhược điểm: chi phí cao và phải đi kèm những cảm biến đo điều kiện vận hành cùng bộ xử lí dữ liệudo đó giảm chấn từ biến chỉ xuất hiện trên những mẫu xe sang và xe thể thao như của Cadillac, Ford Mustang, Chevrolet, Audi, Ferrari hay Lamborghini.
Cơ sở lý thuy ế t
Khi một chiếc xe đi qua các bề mặt đường không đồng đều, lực tác động được truyền đến bánh xe Những lực này đi qua khung xe thông qua hệ thống treo Mục đích của hệ thống treo là hấp thụ và giảm lực tác động
Hình 2.11 Chuyển động của xe qua các bề mặt đường Chúng ta có thể phân biệt giữa khối lượng được treo và khối lượng không được treo: + Khối lượng không được treo là tổng khối lượng của các thành phần không được treo trực tiếp trên hệ thống treo của xe ô tô Các thành phần này bao gồm bánh xe, phanh, bộ giảm chấn không treo Khối lượng không được treo ảnh hưởng đến khảnăng đáp ứng của hệ thống treo, ổn định và lực tác động lên các bánh xe
+ Phần treo là các thành phần của hệ thống treo ô tô có nhiệm vụ hấp thụ và giảm chấn các lực tác động từ mặt đường Các phần treo bao gồm lò xo, giảm xóc, thanh cân bằng và các thành phần khác giúp duy trì sựổn định và kiểm soát chuyển động của xe + Khối lượng được treo là tổng khối lượng của phần treo của xe ô tô, bao gồm khối lượng của khung xe, động cơ, hành khách, hàng hóa và các thành phần khác được treo trên hệ thống treo Khối lượng treo tác động trực tiếp đến khảnăng định vị và ổn định của xe khi di chuyển và ảnh hưởng đến hiệu suất và sự thoải mái của hệ thống treo
Hình 2.12 Mối quan hệ giữa khối lượng được treo và không được treo
Mục đích là làm giảm khối lượng không được treo và ảnh hưởng của chúng đối với các đặc tính rung động (tần số tự nhiên của khung xe) Những yếu tố này tăng đáng kể sự thoải mái khi lái xe Để giảm khối lượng không được treo:
• Bánh xe hợp kim nhôm rỗng
• Các bộ phận của hệ thống chạy (bạc đạn xoay, giá treo bánh xe, khớp nối, v.v.) được làm bằng hợp kim nhôm
• Bộ phanh hợp kim nhôm
• Lốp được tối ưu hóa trọng lượng
Hình 2.13 Bánh xe, bộ phanh chế tạo từ hợp kim nhôm Rung động
Nếu khối lượng được treo bị lệch khỏi vị trí cân bằng của nó bởi một lực, một lực phục hồi phát triển trong lò xo cho phép phục hồi về vị trí cân bằng Khối lượng dao động vượt qua vị trí cân bằng của nó dẫn đến lực phục hồi tiếp tục được tạo ra Quá trình này lặp lại cho đến khi lực cản không khí và ma sát nội của lò xo gây ngừng rung động
Hình 2.14 Quá trình phục hồi của lò xo về vị trí cân bằng
Tần số tự nhiên của khung xe
Các rung động được xác định bởi mức biên độ và tần số của chúng
Tần số tự nhiên của các bộ phận không được treo nằm trong khoảng từ10 Hz đến 16
Hz Khi đi qua hệ thống treo làm giảm tần số tự nhiên của khung xe ( khối lượng được treo) xuống khoảng từ1 Hz đến 1.5 Hz
Hình 2.15 Hấp thụ dao động khi có giảm chấn và không có giảm chấn
Tần số tự nhiên của khung xe chủ yếu được xác định bởi đặc tính của lò xo (hệ số lò xo) và khối lượng nâng lên
+ Khối lượng được treo lớn hoặc lò xo mềm tạo ra một tần số tự nhiên thấp của khung xe và hành trình lò xo lớn hơn
+ Khối lượng được treo nhỏ hoặc lò xo cứng tạo ra một tần số tựnhiên cao hơn của khung xe và hành trình lò xo nhỏhơn
Tùy thuộc cơ địa mỗi người, tần số tự nhiên của khung xe dưới 1 Hz có thể gây buồn nôn Các tần sốvượt qua 1,5 Hz làm giảm sự thoải mái khi lái xe
Hình 2.16 Tần số tự nhiên khung xe Hành trình lò xo
Hành trình tổng cộng của lò xo S được yêu cầu cho hệ thống treo không có tựđộng cân bằng bao gồm sự nén tĩnh s và hành trình lò xo động gây ra bởi rung động của phương tiện s cho cả xe chở hàng và xe không chở hàng
Khi phương tiện đỗ, thân xe rút lại một hành trình lò xo nhất định tùy thuộc vào tải trọng Trong trường hợp này, chúng ta nói về sựnén tĩnh: S
Hình 2.17 Hệ thống treo bằng thép Trong đó:
H : Chiều cao khi tải trọng đầy đủ
H ∶ Chiều cao ở vị trí thiết kế
H : Chiều cao ở vị trí không tải
Hệ thống treo khí tự cân bằng
Với hệ thống treo không khí, việc đạt được tính tự cân bằng là dễ dàng
Các ưu điểm so với hệ thống treo bằng thép:
• Độnén tĩnh không thay đổi, bất kể tải trọng của xe
• Yêu cầu không gian trong không gian bánh xe để di chuyển bánh xe được giữở mức tối thiểu, điều này mang lại lợi ích cho sử dụng tổng thể của không gian có sẵn
• Thân xe có thểđược treo mềm hơn, cải thiện sự thoải mái khi lái xe
• Việc duy trì quãng đường nén và giãn đều đặn, bất kể tải trọng
• Độ cao từ mặt đường được duy trì, bất kể tải trọng
• Không có sựthay đổi vềđường bánh hoặc góc nghiêng khi xe được tải
• Giá trị cw (hệ sốkháng gió) được duy trì, cũng như diện mạo tổng thể của xe
• Giảm sự mài mòn của khớp bóng do góc làm việc giảm đi.
• Giảm sự mài mòn của khớp bóng do góc làm việc giảm đi.
Hình 2.18 Hệ thống treo khí tự cân bằng
Với sự hỗ trợ của tự cân bằng, xe (khối lượng được treo) được duy trì ở một mức (vị trí thiết kế) nhất định vì áp suất lò xo khí được điều chỉnh tương ứng Độnén tĩnh do đó luôn giữ nguyên nhờ vào hệ thống tự cân bằng và không cần xem xét khi thiết kế khoảng trống bánh xe
Một đặc điểm khác của hệ thống treo không khí tự cân bằng là tần số tự nhiên của thân xe được duy trì gần như không thay đổi giữa trạng thái không tải và tải đầy
Ngoài các lợi ích chính của tự cân bằng, việc thực hiện nó bằng hệ thống treo khí (Audi A6) còn mang đến một lợi ích quan trọng khác
Khi áp suất không khí trong lò xo khí được điều chỉnh theo tải trọng, tỷ lệ lò xo thay đổi tương ứng với khối lượng được treo Kết quả tích cực là tần số tự nhiên của thân xe và sự thoải mái khi lái xe vẫn gần như không thay đổi, bất kể tải trọng
Hình 2.19 Biểu đồ lò xo khí tự cân bằng
Lực hỗ trợ là lực được tạo ra bởi áp suất khí trong lò xo khí Khi lực nén tăng lên (biên độ bắt đầu dương), áp suất trong lò xo cũng tăng, do đó lực hỗ trợ trên trục tung tăng lên Điều này làm cân bằng, ổn định lực tác dụng lên lò xo và hệ thống treo
Khi biên độlò xo tăng lên, lực hỗ trợcũng tăng lên và ngược lại
Hình 2.20 So sánh lò xo thép và lò xo khí
Khi lực hỗ trợtăng (độnén tăng):
+ Độ cứng của lò xo khí càng tăng, cho thấy khảnăng điều chỉnh độ cứng của nó dựa trên lực tác động
+ Độ cứng của lò xo thép tương đối ổn định và không thay đổi theo chiều tác động
+ Trong lò xo khí tần số tự nhiên phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính nén và nở của chất khí trong lò xo Khi áp suất tăng, lò xo khí sẽ nén một cách linh hoạt và biến dạng dễ dàng hơn so với lò xo thép Điều này dẫn đến một độ cứng tổng thể của lò xo khí thấp hơn so với lò xo thép Khi có một lực hỗ trợtăng lên, lò xo khí có khả năng biến dạng linh hoạt hơn để chống lại lực tác động, do đó tần số tự nhiên của lò xo khí giảm ít hơn.
+ Trong khi đó lò xo thép có đặc tính cơ học khác biệt Lò xo thép có khảnăng chịu đựng và duy trì biến dạng tốt hơn trong một phạm vi nhất định Khi có một lực hỗ trợtăng lên, lò xo thép cần phải chống lại lực này bằng cách tạo ra một lực đàn hồi ngược lại tương ứng Do đó, tần số tự nhiên của lò xo thép có xu hướng giảm mạnh hơn so với lò xo khí
CẤ U T Ạ O, NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘ NG M Ộ T S Ố H Ệ TH Ố NG
T ổ ng quan h ệ th ố ng treo khí trên Audi A6 Quattro Drive
Bao gồm các thành phần chính sau:
+ Lò xo khí dạng U-bellow
+ Bộ phận cung cấp khí nén với bộ sấy không khí tích hợp, các van điều khiển và bộ điều khiển
+ Cảm biến tựđộng cân bằng
Hình 3.1 Hệ thống treo tự động, A6 quattro drive Ưu điểm hệ thống treo trên xe Audi A6:
• Dao động gần như không phụ thuộc vào tải trọng
• Bộ giảm chấn tự cân bằng ngay cảkhi động cơ tắt
• Thời gian nâng và hạ nhanh chóng
• Thân thiện với môi trường, sử dụng không khí
• Độ an toàn vận hành tốt do tính ổn định cao
• Hệ thống điều khiển điện tử với chức năng tự chẩn đoán toàn diện
• Độ cao gầm xe được duy trì, bất kể tải trọng
• Giá trị𝑐 (hệ số cản không khí) được duy trì, cũng như diện mạo hình thức của xe
• Giảm mài mòn của các khớp cầu do giảm góc làm việc
• Khảnăng chịu tải tăng lên nếu cần thiết
3.1.1 Lò xo khí a) Cấu tạo
Hình 3.2 Cấu tạo lò xo khí xe Audi A6
Bề mặt ngoài và bên trong được làm từ vật liệu elastomer, chúng giúp hấp thụ và giảm các va đập và rung động từ bề mặt đường, cung cấp sự thoải mái và ổn định khi lái xe, có khảnăng chống thấm nước, chất lỏng và khí, giữ cho các hệ thống hoạt động hiệu quả và ngăn ngừa rò rỉ, cách nhiệt và cách âm tốt, có khảnăng chịu mài mòn và tồn tại trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao, dầu mỡ và hóa chất
Các mảnh polyamide được dệt (thanh ổn định) cung cấp cho U-bellows tính chống xoắn tốt và phản ứng nhạy của hệ thống lò xo
Tùy thuộc vào thiết kế trục, lò xo không khí có thể hoạt động độc lập với bộ giảm chấn hoặc kết hợp như một cụm treo (sắp xếp trùng trục)
22 b) Các thông số của lò xo khí Độđàn hồi / Tỉ lệ lò xo
Hình 3.3 Pistion và Xi lanh
Lực đàn hồi F của lò xo khí được xác định bởi tích của diện tích làm việc A và áp suất dư p trong lò xo khí:
Diện tích làm việc A được xác định bởi đường kính hiệu quảd
Trong trường hợp cấu trúc cứng như piston và xi lanh, đường kính hiệu quả tương ứng với đường kính piston
Trong trường hợp lò xo khí với U-bellows, đường kính hiệu quảđược xác định bởi điểm thấp nhất của nếp gấp
Như công thức cho thấy, lực đàn hồi của lò xo không khí có mối quan hệ trực tiếp với áp suất khí trong lò xo và diện tích hiệu quả Việc thay đổi lực đàn hồi tĩnh (không di chuyển của khung xe) bằng cách thay đổi áp suất trong lò xo khí rất dễ dàng
Các áp suất khác nhau, tùy thuộc vào tải trọng, dẫn đến các đường cong đặc trưng tương ứng của lò xo
Hình 3.4 Mối tương quan giữa lực hỗ trợ và biên độ Đường cong đặc trưng của lò xo
Do nguyên lý hoạt động, đường cong đặc trưng của một lò xo khí là lũy tiến (trong trường hợp piston trụ), đường cong đặc trưng của lò xo (góc nghiêng phẳng/đứng) được xác định bởi thể tích lò xo
Thể tích lò xo lớn (lò xo mềm), đường cong đặc trưng có dạng lũy tiến thoải hơn Thể tích lò xo nhỏ (lò xo cứng), đường cong đặc trưng có dạng lũy tiến dốc hơn.
Lũy tiến của đường cong đặc trưng của lò xo có thể bịảnh hưởng bởi hình dạng của piston Thay đổi hình dạng của piston làm thay đổi đường kính hiệu quảvà do đó thay đổi lực đàn hồi
Có các tùy chọn sau để phù hợp lò xo không khí sử dụng U-bellows:
• Kích thước của diện tích hiệu quả
• Kích thước thể tích lò xo
Hình 3.5 So sánh áp suất của lò xo khí ở các thể tích khác nhau
3.1.2 Bộ giảm chấn PDC (Pneumatic Damping Control) a) Chức năng Để duy trì mức độ giảm chấn và tính năng vận hành ổn định ở mức tải không đầy đủ và đầy đủ, hệ thống treo tựđiều chỉnh độ cao bằng khí của Audi A6 quattro drive được trang bị hệ thống nhận diện tải liên tục cho trục sau (vì tải chủ yếu ở phía sau) Cùng với tần số tựnhiên không đổi của thân xe, thân xe duy trì đặc tính rung động gần như không đổi bất kể tải trọng nhờ vào lò xo khí
Khi xe chỉ tải một phần, độ thoải mái khi lái tốt được đạt được và các chuyển động của thân xe được giảm chấn đủ mạnh ở tải đầy đủ Điều này do van điều chỉnh giảm chấn PDC đảm nhận Lực giảm chấn có thểthay đổi dựa vào áp suất lò xo khí
Hình 3.6 Giảm chấn PDC và giảm chấn thường
Giảm chấn PDC thường có dạng đường thẳng song song trục hoành cho thấy sự linh hoạt của hệ thống giảm chấn PDC trong việc điều chỉnh độ giảm chấn dựa trên tải trọng Khi tỷ lệ trọng lượng khung xe tăng, độ giảm chấn cũng tăng theo tỷ lệ tương ứng, giúp duy trì mức độ giảm chấn ổn định và tính năng vận hành tốt
Giảm chấn thường có dạng giảm dần khi tỷ lệ trọng lượng khung xe tăng biểu thị sự phụ thuộc của độ giảm chấn vào các yếu tốkhác như đặc tính của lò xo và hệ thống giảm chấn, làm giảm tính ổn định và tính năng vận hành của xe
Có thể thấy rằng giảm chấn PDC có lợi thế trong việc duy trì mức độ giảm chấn ổn định và tính năng vận hành tốt dựa trên tỷ lệ trọng lượng khung xe Đồng thời, nó cũng cho thấy sự linh hoạt và điều chỉnh của hệ thống giảm chấn PDC dựa trên tải trọng
Hình 3.7 So sánh áp suất lò so khí ở quá trình dãn và nén
Ta có thể thấy rằng lực giảm chấn và tốc độ piston có mối quan hệ đặc biệt với áp suất trong quá trình dãn và nén Áp suất cao cung cấp lực giảm chấn mạnh hơn và giảm tốc độ piston, trong khi áp suất thấp cung cấp lực giảm chấn yếu hơn và tăng tốc độ piston b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Van PDC ảnh hưởng đến kháng cự dòng chảy của buồng làm việc phía thanh trục piston (buồng làm việc 1)
Buồng làm việc 1 được kết nối với van PDC qua lỗ khoan
Lực giảm chấn phụ thuộc vào kháng cự dòng chảy của van giảm chấn tương ứng (dãn/nén) cộng với van PDC
Hình 3.8 Cấu tạo của giảm chấn Nguyên lý làm việc của giảm chấn:
Chức năng trong quá trình dãn với áp suất lò xo khí thấp:
Trục piston đi lên, một phần dầu chảy qua van piston, phần còn lại chảy qua các lỗ khoan trong buồng làm việc 1 đến van PDC Khi áp suất khí thấp và kháng cự dòng chảy của van PDC thấp, lực giảm chấn được giảm đi.
Hình 3 9 Quá trình dãn với áp suất lò xo khí thấp
Chức năng trong quá trình dãn với áp suất lò xo khí cao: Áp suất khí trong lò xo lớn đẩy van PDC đóng lại và do đó kháng cự dòng chảy của van PDC là cao Hầu hết dầu trong giảm chấn buộc chảy qua van piston, từđó tăng lực giảm chấn
Hình 3.10 Quá trình dãn với áp suất lò xo khí cao
Chức năng trong quá trình nén với áp suất lò xo khí thấp:
Trục piston được đẩy xuống và lực giảm chấn được xác định bởi van đáy và đến một mức độ nhất định là kháng cự dòng chảy của piston Dầu bịđẩy ra bởi thanh trục piston chảy qua van đáy một phần, và một phần chảy qua van piston Phần còn lại chảy qua các lỗ khoan trong buồng làm việc 1 đến van PDC Vì áp suất khí trong lò xo thấp, van PDC mở, do đó kháng cự dòng chảy thấp của van PDC, lực giảm chấn được giảm đi.
Hình 3.11 Quá trình nén với áp suất lò xo khí thấp
Gi ớ i thi ệ u t ổ ng quan h ệ th ố ng treo trên xe Porche Panamera
Đểđạt được các mục tiêu phát triển liên quan đến hiệu suất cao và yêu cầu đặc biệt của mẫu xe Panamera, cả hệ thống khung gầm và hệ thống treo đã được thiết kế và tinh chỉnh một cách đặc biệt Đểđảm bảo hiệu suất vượt trội và độ thoải mái khi lái xe, Porsche đã trang bị Hệ thống treo chủđộng (PASM) cho Panamera, kết hợp với hệ thống treo khí thích ứng
3.2.1 Tổng quát hệ thống treo trên xe Porsche Panamera
Hình 3.36 Hệ thống treo cầu trước + Trục trước với hệ thống treo tay đòn kép bằng hợp kim nhôm
+ Bộ lò xo/giảm xóc trước tích hợp PASM
+ Ổtrượt thủy lực giúp cải thiện khảnăng giảm rung theo hướng dọc và kết quả là ít rung động gián đoạn hơn được truyền tới hệ thống lái
+ Cơ cấu lái với tỷ sốlái thay đổi và được điều khiển bơm trợ lực lái
Hình 3.37 Hệ thống treo cầu sau + Trục sau với hệ thống treo đa liên kết Cho xe ổn định khi lái xe đặc biệt là khi tăng tốc và phanh cũng như thay đổi làn đường linh hoạt và thay đổi tải trọng
+ Bố trí lò xo/giảm xóc riêng biệt Lò xo khí và giảm xóc được gắn riêng, từđó tăng thể tích khoang hành lý và tối đa hóa chiều rộng tải
+ Hệ thống treo chủđộng của Porsche (PASM) kiểm soát giảm xóc chủđộng và liên tục kiểm soát van điều tiết trên trục trước và sau với kiểm soát mức độ
3.2.2 Cấu tạo, hoạt động của hệ thống treo khí điều khiển điện tử trên xe Porsche Panamera
3.2.2.1 Sơ đồ cấu tạo chung
Một sơ hệ thống treo khí điều khiển bằng điện tửPorsche Panamera có sơ đồ bố trí cụm chi tiết như hình:
Hình 3.38 Sơ đồ bố trí các cụm chi tiết hệ thống treo khí
1 - Lò xo khí và giảm chấn cầu trước; 2 - Lò xo khí cầu sau; 3 - Giảm chấn trục sau;4 - Cảm biến độ cao; 5 - Máy nén khí; 6 - Khối van điều khiển; 7 - Bình khí;
8 - Bộđiều chỉnh độ cao PASM; 9 - Công tắc điều khiển hệ thống treo
Cấu tạo chung của hệ thống treo khí điều khiển bằng điện tử bao gồm ba cụm bộ phận chính:
Cụm tính hiệu vào: bao gồm các cảm biến và các nút nhấn chọn chếđộđể chọn chức năng hoạt động và nhận biết các tình huống chuyển động của ô tô, gửi tín hiệu trực tiếp hoặc thông qua mạng CAN về bộđiều khiển PASM đểđiều khiển hệ thống hoạt động
Bộ phận điều khiển trung tâm: nhận biết và xử lý các tín hiệu đầu vào, đưa ra các tín hiệu điều khiển của bộ chấp hành
Bộ phận chấp hành: bao gồm các bộ chấp hành điều khiển lực lò xo và lực giảm chấn, độcao xe thay đổi phù hợp với điều kiện và chếđộ chuyển động của ô tô
Sơ đồ khối thể hiện các thành phần chính của hệ thống treo khí:
Hình 3.39 Tín hiệu đầu vào, đầu ra 3.2.2.2 Bộ chấp hành điều khiển độ cứng lò xo và lực giảm chấn a) Lò xo khí Porche Panamera
Hệ thống treo khí của xe Porsche Panamera đời mớicó 3 buồng nén hơi, vận hành dựa vào tính chất nén của không khí để điều chỉnh độ cứng của lò xo Thể tích buồng nén càng lớn thì khả năng nén càng cao, độ cứng của lò xo càng giảm và ngược lại. Để có thể thay đổi độ cứng của lò xo, hệ thống treo khí nén 3 buồng làm biến thiên thể tích buồng nén tùy biến theo từng chế độ làm việc.Buồng 1 có thể tích lớn nhất, buồng
2 có thể tích bé hơn và buồng 3 có thể tích bé nhất.
Ba buồng hơi được kết nối với nhau bằng các van điều chỉnh Những van điều chỉnh này được điều khiển đóng mở bằng ECU Có 2 van điều chỉnh, một van nối giữa buồng 1 với buồng 2, van thứ hai sẽ nối giữa buồng 1 với buồng 3.
Vì không khí khi nén sẽ có một độ trễ nhất định nên việc kết nối buồng 1 có thể tích lớn nhất với buồng 2 và buồng 3 bằng hai van riêng biệt sẽ giúp cho việc điều chỉnh thể tích buồng nén được xảy ra nhanh và nhạy hơn Qua đó giúp cho hệ thống treo hoạt động êm ái hơn.
Hình 3.40 Lò xo khí Porsche Panamera Nguyên lý hoạt động
Hệ thống treo khí nén 3 buồng hơi làm biến thiên thể tích buồng nén đểlàm tăng giảm độ cứng của lò xo khí Khi xe di chuyển trên địa hình cần độ cứng là nhỏ nhất Cả hai van điều chỉnh lúc này đều mở, 3 buồng nén lúc này được thông với nhau Thể tích buồng nén lớn nhất làm độ cứng của treo giảm xuống thấp nhất
Hình 3.41 Nguyên lí hoạt động của lò xo khí + Khi cần tăng độ cứng của treo, một trong hai van điều chỉnh sẽ đóng lại Lúc này buồng 1 sẽ được thông với buồng hai hoặc thông với buồng 3 Thể tích buồng nén giảm xuống so với trường hợp ban đầu nên độ cứng của treo được tăng lên đáp ứng yêu cầu di chuyển của xe.
+ Thể tích buồng 2 khác thể tích buồng 3 nên độ cứng của treo cũng sẽ khác nhau khi thông buồng 1 với một trong hai buồng 2 hoặc buồng 3 Thể tích buồng 2 lớn hơn nên khi
50 thông buồng 1 với buồng 2 sẽ cho ra độ cứng của treo nhỏ hơn so với trường hợp buồng 1 thông với buồng 3.
+ Khi xe cần độ cứng của treo là lớn nhất, cả hai van điều chỉnh lúc này đều đóng lại Các buồng nén không được thông với nhau, buồng 1 sẽ hoạt động độc lập, thể tích của buồng nén là bé nhất nên sẽ cho ra độ cứng của treo là lớn nhất.
Hình 3.42 Các cảm biến giúp ECU điều khiển hệ thống treo Các van điều chỉnh sẽđược điều khiển đóng mở bằng PASM Các cảm biến trên xe như cảm biến độ cao gầm xe, cảm biến gia tốc thân xe, cảm biến gia tốc bánh xe,…sẽ gửi tín hiệu về cho bộđiều khiển PASM sẽ phân tích trạng thái đang hoạt động của xe và điều khiển van điều chỉnh hoạt động sao cho phù hợp
