báo cáo thiết kế hệ thống treo

TÓM TẮT ĐỀ TÀI Toàn nội dung đề tài tập trung nghiên cứu tương tác động lực học cầu phương tiện nó, với việc dựa tiêu dao động cầu ô tô để thiết kế hệ thống treo vừa thân thiện với cầu, vừa nâng cao tính êm dịu cho xe Việc giải theo hướng làm giảm thiểu phản lực cầu tác dụng lên thân xe ngược lại Nhóm nghiên cứu lựa chọn hệ thống treo bán tích cực với luật điều khiển Skyhook để điều khiển giảm chấn tích cực hệ thống treo tạo lực giảm chấn tối ưu điều kiện khai thác cuối mô tương tác cầu xe sử dụng hệ thống treo nhờ Matlab Simulink Quá trình nghiên cứu rút kết luận: Việc giảm thiểu phản lực cầu tác dụng lên xe cách điều khiển thông số hệ thống treo hoàn toàn khả thi CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO - Nhiệm vụ: nối đàn hồi khung, vỏ xe với cầu (các bánh xe) ôtô, giảm tải trọng động, dập tắt dao động phận treo xe đường không phẳng Dùng để truyền lực moomen tác động bánh xe khung xe (vỏ xe) - Bao gồm phận chính: + Bộ phận dẫn hướng: xác định động học tính chất dịch chuyển bánh xe dẫn hướng so với khung, vỏ ô tô đồng thời để truyền lực kéo, phanh, lực bên moomen phản lực chúng lên khung vỏ xe + Bộ phận đàn hồi: nhận truyền lên khung lực thẳng đứng đường, giảm tải trọng động khu xe chạy đường không phẳng, đảm bảo tính êm dịu ô tô + Bộ phận giảm chấn: với ma sát bên hệ thống treo, phận giảm chấn hấp thụ lượng thân xe (vỏ xe) bánh xe sở biến thành nhiệt - Yêu cầu: + Đảm bảo cho ô tô có tính êm dịu tốt chạy đường cứng phẳng -1- + Đảm bảo cho ô tô chạy với tốc độ giới hạn xe chạy đường mà va đập lên ụ đỡ + Đảm bảo động học bánh xe dẫn hướng chúng dạo động mặt phẳng thẳng đứng + Dập tắt nhanh dao động thùng xe vỏ xe + Giảm độ nghiêng bên thùng xe quay vòng 1.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG CỦA Ô TÔ Hiện có nhiều tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ô tô, nước có công nghiệp ô tô phát triển đưa tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động khác Các công trình nước đưa số tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động ô tô sau: 1.2.1 Tần số dao động Do nhu cầu sinh hoạt hàng ngày phải di chuyển từ chỗ sang chỗ khác người quen với nhịp điệu bước đi, trung bình phút người thực khoảng 60÷90 bước Khi quan niệm người thực bước thực dao động người quen với tần số dao động 60÷90 lần/phút Tần số dao động ô tô nằm giới hạn sau: [4] - Đối với xe con: nk = 60÷90 lần/phút (1÷1.5Hz); - Đối với ô tô tải: nk = 100 ÷ 120 lần/phút (1.6÷2 Hz) Ở Việt Nam, số đề nghị nhỏ 2.5Hz ô tô sản xuất lắp ráp nước 1.2.2 Gia tốc dao động Gia tốc dao động thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động Giá trị gia tốc giới hạn theo phương O x (phương dọc xe), Oy (phương ngang xe), Oz (phương thẳng đứng) xác định thực nghiệm sau: [31] Z < 2.5m / s (1.1a) -2- (1.1b) X x Các lực giảm chấn Skyhook tạo lực tác dụng lên “m” theo hướng âm giảm chấn SA tạo lực tác dụng lên “m” theo hướng dương Trong trường hợp lực giảm chấn mô hình Skyhook lý tưởng ngược hướng với lực giảm chấn mô hình ứng dụng thực tế Vì trường hợp tốt hệ số cản giảm chấn SA nên đưa giá trị “Không” để không làm tăng lực tác dụng lên “m” Trường hợp cuối xem xét trường hợp x(t) x 0(t) di chuyển xuống dưới, x > x Một lần trường hợp lực giảm chấn Skyhook ngược chiều với hướng giảm chấn SA Do tốt đưa hệ số cản giảm chấn SA giá trị “Không” Tóm tắt trường hợp trên, luật điều khiển hệ thống treo bán tích cực theo mô hình Skyhook đề xuất sau: - 21 - FSA  C Sky x = 0  x( x − x ) ≥ (4.6) x( x − x ) < Nếu tích vận tốc tuyệt đối x “m” vận tốc tương đối x− x dương giảm chấn SA xác định chế độ bật “On” để tạo lực giảm chấn làm giảm vận tốc “m” Nếu tích âm giảm chấn SA xác định chế độ tắt “Off” để không tạo lực giảm chấn Luật điều khiển có mục đích mô chặt chẽ trình hoạt động giảm chấn SA theo nguyên lý mô hình Skyhook lý tưởng Theo luật điều khiển hệ số cản giảm chấn C SA để tạo lực FSA xác định sau: C SA  C x Sky   =  x− x  0 x( x − x ) ≥ (4.7) x( x − x ) < Hình 4.3: Hệ số cản giảm chấn CSA Hình 4.3 giá trị hệ số cản giảm chấn C SA biến thiên liên tục cần có để tạo lực giảm chấn FSA gần lực FSky mô hình lý tưởng Nhìn từ hình thấy, vận tốc tương đối x− x nhỏ lực FSA tăng đột biến có xu hướng tiến tới vô - 22 - cùng, điều tạo giảm chấn tích cực thực tế Từ phương trình 4.7 thấy x( x − x ) < CSA=0, thực tế giảm chấn chế độ tắt khó để đưa hệ số cản “Không” Vì phải thiết lập giá trị cận cận giảm chấn SA Do hệ số cản giảm chấn CSA xác định sau: CSA     C x max C ,  Sky , C   max     = x − x      C  x ( x − x0 ) ≥ (4.8) x ( x − x0 ) < Khi lực giảm chấn FSA từ phương trình 4.6 xác định hình 4.4 Hình 4.4: Biểu diễn giá trị FSA theo x ( x− x0 ) với điều khiển liên tục Skyhook 4.1.2 Điều khiển “On – Off” Skyhook Thuật toán điều khiển liên tục Skyhook xác định hệ số C SA biến thiên liên tục nên phức tạp áp dụng thực tế Để đơn giản hóa hoạt động, luật điều khiển đơn giản “On – Off” Skyhook nghiên cứu Krasnicki tác giả - 23 - Theo luật điều khiển hệ số giảm chấn C SA nhận giá trị cố định trạng thái tắt bật giảm chấn theo trạng thái dao động hệ Và lực giảm chấn xác định bởi: FSA  C On ( x − x ) = 0 x ( x − x ) ≥ x ( x − x ) < (4.9) Trong đó: COn: Hệ số cản giảm chấn “on-off” trạng thái bật Trong thực tế hệ số cản giảm chấn “Không” thực chế độ “Off” Do hệ số cản giảm chấn chuyển đổi từ giá trị cao giá trị thấp Khi luật điều khiển (4.9) diễn tả lại sau: C SA  C Max = C Min x ( x − x ) ≥ x ( x − x0 ) < (4.10) Trong đó: CMax CMin hệ số cản giảm chấn có giá trị lớn nhỏ giảm chấn “On – Off” tương ứng Thông thường hệ số C max trạng thái “On” lớn nhiều hệ số CMin trạng thái “Off”, CMin nên nhỏ tốt Khi lực giảm chấn FSA từ phương trình 4.9 xác định hình 4.5 Hình 4.5: Biểu diễn giá trị FSA theo x ( x− x0 ) với điều khiển Skyhook “on-off” - 24 - Mối quan hệ trạng thái giảm chấn cấu trúc điều kiện luật điều khiển Skyhook tổng quát thể hình 4.6 Nếu cấu trúc điều kiện dương giảm chấn chế độ “On”, giảm chấn tác dụng vào “m” lực để giảm gia tăng gia tốc “m” Nếu cấu trúc điều kiện âm giảm chấn chế độ “Off” Hình 4.6: Quan hệ biến vận tốc trạng thái giảm chấn Cả hai luật điều khiển liên tục Skyhook “On – Off” Skyhook dễ dàng ứng dụng hệ thống treo ô tô Tuy nhiên có khác biệt chúng mà giải thích biên độ pha lực giảm chấn Luật điều khiển liên tục Skyhook 3.6 tạo lực giảm chấn có biên độ, tần số với lực giảm chấn Skyhook - 25 - theo mô hình lý tưởng giảm chấn SA chế độ bật “On” Tuy nhiên hạn chế giảm chấn tích cực thực tế nên luật tạo biên độ tần số xác với mô hình lý tưởng phần trạng thái bật “On” Còn luật điều khiển “On – Off” Skyhook đảm bảo lực giảm chấn F SA dấu với lực giảm chấn Skyhook theo mô hình lý tưởng Do hiệu luật điều khiển liên tục Skyhook nhiều luật điều khiển “On – Off” Skyhook 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.2.1 Các phản hồi hệ thống cầu xe - 26 - Hình 4.7 Phản hồi hệ với phương pháp điều chỉnh khác nhau, v = 20 m/s; Hệ thống treo bị động , skyhook , groundhook a, phản hồi nhịp cầu b, phản hồi thân xe c, phản hồi bánh xe Tác dụng việc điều chỉnh hệ thống treo bán chủ động khía cạnh động lực học hệ cầu-xe biểu diễn hình Trong hình trên, đường nét liền biểu diễn phương pháp điều khiển bị động, đường nét đứt biểu diễn phương pháp skyhook đường chấm phương pháp ground-hook Bộ kết phương pháp biểu diễn hình 4.7: phản lực nhịp dầm, phản lực thân xe phản lực bánh xe Trên hình 4.7a, phương pháp skyhook giảm mức phản hồi cực đại cầu xuống khoảng 20% so với phương pháp điều khiển bị động Trong đó, phương pháp ground-hook tạo biên độ lớn không nên sử dụng phương pháp để điều khiển phản lực cầu Đối với phản lực thân xe hình 4.7b, phương pháp skyhook ground-hook cho kết giống (về biên độ) tỏ ưu việt phương pháp bị động Chúng ta nhận thấy rằng, skyhook làm giảm thiểu phản lực cầu tạo biên độ lớn phản lực bánh xe lực tương tác động lực học Ground-hook phương pháp tốt để giảm thiểu hư hại đến biên dạng mặt đường chứng minh - 27 - 4.2.2 KHI XẢY RA CỘNG HƯỞNG Hình 4.9 Truyền động phản hồi cầu xe với điều khiển bị động (trường hợp cộng hưởng); Cầu , Thân xe , Bánh xe Hình 4.10 Truyền động phản hồi cầu xe với điều khiển bị động (trường hợp có cộng hưởng); Cầu , thân xe - 28 - , bánh xe Hình 4.11 Truyền động phản hồi xe cầu với điều khiền bán tích cực (trường hợp có cộng hưởng), Cầu , thân xe , bánh xe Hình 4.9 biểu diễn phản lực hệ tần số xe không khớp với tần số cầu Trong trường hợp đặc biệt, tần số thấp ω chọn 10 rad/s (chênh lệch lớn với tần số cầu) Trong hình 4.9, truyền động xác định tỷ số biên độ phản lực biên độ kích thích Hình 4.9 4.10 biểu diễn hệ thống bị động Ta thấy hình 4.9, phản hồi khung xe xảy tượng cộng hưởng ω/ω xấp xỉ Khi so sánh hình 4.9 4.10, ta thấy tưởng cộng hưởng xảy ω0 =20 rad/s (khớp với tần số riêng ban đầu cầu), ta thấy phản lực cầu tăng lên đáng kể ω/ω0 xấp xỉ Nói cách khác, cầu đóng vai trò vật hấp thụ rung động xảy tượng cộng hưởng Điều chứng minh thực nghiệm ω/ω xấp xỉ Biên độ phản lực cầu lớn 10 lần so với trường hợp cộng hưởng Đây điều mà kỹ sư không mong muốn thiết kế cầu Cần lưu ý phản lực bánh xe tăng xảy cộng hưởng Hình 4.11 biểu diễn kết sử dụng hệ thống điều khiển bán chủ động skyhook Biên độ phản lực cầu giảm xuống 25% Tuy vậy, tượng hấp thụ rung động Vì vậy, cần có phương pháp điều khiển tinh vi để loại bỏ tượng - 29 - KẾT LUẬN Các nghiên cứu tác dụng việc điều chỉnh hệ thống treo ô tô cho thân thiện với cầu diễn giải Vấn đề toán học cần phải ý dao động hai bậc tự 1/4 xe qua dầm giản đơn có bề mặt không phẳng Sự khác biệt hệ thống giảm xóc bị động bán chủ động (skyhook ) xem xét Kết thu cho ta thấy tác dụng điều khiển phản lực kép xe cầu Đồng thời cho thấy rõ lợi ích việc phát triển hệ thống treo thông minh cho “các xe thân thiện với cầu” Kết nghiên cứu tổng kết lại sau: Việc giảm thiểu phản lực cầu cách điều chỉnh tham số hệ thống treo khả thi Việc giảm thiểu phản lực cầu gây mâu thuẫn với cố gắng giảm thiểu lực bánh xe, hư hại mặt đường thoải mái lái Hệ thống skyhook thích hợp với việc giảm phản lực cầu chưa giải triệt để vấn đề cầu hấp thụ dao dộng Khi tần số dao động riêng xe trùng với tần số tần số riêng cầu tần số kích thích (do bề mặt không phẳng) khiến cầu trở thành vật hấp thụ rung động Những nghiên cứu sâu tiến hành: - (1) phát triển công thức điều khiển tối ưu để giảm thiểu cách hiệu phản lực cầu lực lốp xe, ngăn chặn tượng hấp thụ rung động xảy cộng hưởng - (2) nghiên cứu vấn đề tương tác cầu xe trình bày đề tài - 30 - [...]... “On – Off” Skyhook 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.2.1 Các phản hồi của hệ thống cầu và xe - 26 - Hình 4.7 Phản hồi của hệ với những phương pháp điều chỉnh khác nhau, v = 20 m/s; Hệ thống treo bị động , skyhook , groundhook a, phản hồi ở nhịp giữa của cầu b, phản hồi ở thân xe c, phản hồi ở bánh xe Tác dụng của việc điều chỉnh hệ thống treo bán chủ động trên khía cạnh động lực học của hệ cầu-xe được biểu diễn... Nguyên lý của luật điều khiển này là thiết lập các giá trị liên tục của hệ số cản giảm chấn CSA để lực sinh ra bởi hệ thống bán tích cực gần nhất với lực sinh ra bởi mô hình lý tưởng Skyhook Để mô hình hệ thống treo bán tích cực làm việc tương tự mô hình Skyhook lý tưởng thì các lực của giảm chấn phải bằng nhau Hệ số cản của giảm chấn SA được - 20 - xác định bằng cách thiết lập FSky ở phương trình (4.1)... khi thiết kế cầu Cần lưu ý rằng phản lực của bánh xe cũng tăng khi xảy ra cộng hưởng Hình 4.11 biểu diễn kết quả khi sử dụng hệ thống điều khiển bán chủ động skyhook Biên độ phản lực của cầu giảm xuống 25% Tuy vậy, hiện tượng hấp thụ rung động vẫn còn Vì vậy, cần có phương pháp điều khiển tinh vi hơn để loại bỏ hiện tượng này - 29 - KẾT LUẬN Các nghiên cứu về tác dụng của việc điều chỉnh hệ thống treo. .. cực; CSA là hệ số cản của giảm chấn SA cần thiết để đạt được lực giảm chấn Skyhook mong muốn Giá trị hệ số cản của giảm chấn C SA có thể là một giải giá trị biến thiên liên tục theo các trạng thái của hệ dao động (Điều khiển liên tục Skyhook) hoặc là nhận các giá trị thiết lập cụ thể theo các trạng thái của hệ dao động (Điều khiển On – Off Skyhook) Trên cơ sở thiết lập các giá trị của hệ số cản giảm... 4.1 LUẬT ĐIỀU KHIỂN SKYHOOK Hệ thống treo bán tích cực ban đầu chính là hệ thống treo điều khiển Skyhook do Karnopp nghiên cứu Từ ý tưởng sử dụng giảm chấn thụ động có hệ số dập tắt dao động là CSky nối với bầu trời (Sky) ảo như hình 4.1 Hình 4.1: Ý tưởng luật điều khiển Skyhook Thực tế khi ô tô chuyển động không thể xác định được điểm cố định để gắn giảm chấn thụ động có hệ số cản C Sky được, có thể... mặt không bằng phẳng Sự khác biệt giữa hệ thống giảm xóc bị động và bán chủ động (skyhook ) cũng đã được xem xét Kết quả thu được cho ta thấy tác dụng của những bộ điều khiển trên đối với phản lực kép của xe và cầu Đồng thời cho thấy rõ lợi ích của việc phát triển hệ thống treo thông minh cho “các xe thân thiện với cầu” Kết quả chính của nghiên cứu có thể tổng kết lại như sau: 1 Việc giảm thiểu phản... thiên Hình 1 Giản đồ mô phỏng tương tác động giữa cầu và xe Toàn bộ khối lượng được treo, ms, sẽ được đỡ bằng hệ thống treo bị động hoặc bán chủ động và có dịch chuyển zs Khối lượng phần không được treo, mu, có tọa độ zu Bánh xe được mô tả bằng một lò xo thẳng đứng có độ cứng kt và bộ giảm chấn có hệ số Ct, bánh xe được giả thiết là luôn luôn tiếp xúc với bề mặt cầu Biên dạng bề mặt cầu được coi là gồ ghề... tô (nối khối lượng được treo và không được treo) như hình 4.2 và giảm chấn bán tích cực này có thể là: Giảm chấn thủy lực có van tiết lưu thay đổi, giảm chấn ma sát, giảm chấn từ hóa MR, giảm chấn điện hóa ER… Ở đây các tín hiệu kích thích và đáp ứng được đưa vào bộ điều khiển (Controller) để tạo ra lực giảm chấn tức thời như mong muốn - 19 - Hình 4.2: Sơ đồ ứng dụng hệ thống treo bán tích cực Từ hình... của nghiên cứu có thể tổng kết lại như sau: 1 Việc giảm thiểu phản lực của cầu bằng cách điều chỉnh các tham số của hệ thống treo là khả thi 2 Việc giảm thiểu phản lực của cầu có thể gây ra mâu thuẫn với cố gắng giảm thiểu lực của bánh xe, sự hư hại mặt đường và sự thoải mái khi lái Hệ thống skyhook thích hợp với việc giảm phản lực của cầu nhưng chưa giải quyết triệt để vấn đề cầu hấp thụ dao dộng 3... Trong đó: COn: Hệ số cản của giảm chấn “on-off” ở trạng thái bật Trong thực tế hệ số cản của giảm chấn bằng “Không” là không thể thực hiện khi ở chế độ “Off” Do đó hệ số cản giảm chấn chuyển đổi từ 1 giá trị cao và một giá trị thấp Khi đó luật điều khiển trong (4.9) có thể diễn tả lại như sau: C SA  C Max = C Min x ( x − x 0 ) ≥ 0 x ( x − x0 ) < 0 (4.10) Trong đó: CMax và CMin là hệ số cản giảm ... cho cầu, số giải pháp đưa nhằm giảm bớt rung động cầu, muốn bạn tìm hiểu phát minh tương tự “hệ thống treo thông minh dành cho “những xe thân thiện với cầu” Hệ thống treo xe điều chỉnh để giảm... tác động lực học Ground-hook phương pháp tốt để giảm thiểu hư hại đến biên dạng mặt đường chứng minh - 27 - 4.2.2 KHI XẢY RA CỘNG HƯỞNG Hình 4.9 Truyền động phản hồi cầu xe với điều khiển bị động... ω/ω0 xấp xỉ Nói cách khác, cầu đóng vai trò vật hấp thụ rung động xảy tượng cộng hưởng Điều chứng minh thực nghiệm ω/ω xấp xỉ Biên độ phản lực cầu lớn 10 lần so với trường hợp cộng hưởng Đây điều