Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực

Kết quả nghiên cứu của luận văn làm cơ sở để xây dựng bộ điều khiển trên ô tô, đồng thời sẽ đóng góp một phần không nhỏ trong việc thiết kế hệ thống treo tích cực.. Khi hành trình làm vi

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào

- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Phùng Khắc Sáng

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỞ ĐẦU 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 11

1.1 Các hướng nghiên cứu dao động của ô tô .11

1.1.1 Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường: 11

1.1.2 Nghiên cứu dao động ô tô 11

1.1.3 Nghiên cứu cảm giác con người 12

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động và độ êm dịu chuyển động của ô tô 14

1.2.1 Tần số dao động 14

1.2.2 Gia tốc dao động 14

1.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K) 14

1.2.4 Đánh giá cảm giác theo công suất dao động 15

1.2.5 Đánh giá theo cảm giác gia tốc dao động và thời gian tác động 17

1.2.6 Chỉ tiêu hành trình làm việc của hệ thống treo 18

1.2.7 Chỉ tiêu về độ bám đường 18

1.3 Các loại hệ thống treo không điều khiển và có điều khiển .18

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 22

1.4.1 Các nghiên cứu trong nước 22

1.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước 23

1.5 Mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài .24

1.5.1 Mục tiêu 24

1.5.2 Phạm vi 24

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 25

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 26

TREO TÍCH CỰC 26

3

2.1 Mô hình hệ thống treo tích cực 26

2.2 Mô hình bộ điều khiển thủy lực 27

2.2.1 Mô hình xy lanh thủy lực 28

2.2.2 Mô hình van phân phối 32

2.3 Mô hình mô phỏng hệ thống trong Matlab – Simulink 34

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 41

TREO TÍCH CỰC 41

3.1 Các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển tự động và đề xuất bộ điều khiển cho hệ thống treo .41

3.1.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P 41

3.1.2 Bộ điều khiển tích phân I 42

3.1.3 Bộ điều khiển vi phân D 43

3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI 43

3.1.5 Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân PID 45

3.1.6 Đề xuất bộ điều khiển cho hệ thống treo tích cực 47

3.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 49

3.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols 49

3.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 51

3.3 Sơ đồ mô phỏng điều khiển hệ thống treo tích cực: 53

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55

4.1 Thông số đầu vào của mô phỏng 55

4.2 Kết quả mô phỏng 56

4.2.1 Kết quả mô phỏng trong trường hợp 1 57

4.2.2 Kết quả mô phỏng trong trường hợp 2 60

KẾT LUẬN 64

1 Những kết quả đạt được của luận văn 64

2 Hướng phát triển của đề tài 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

4

MỞ ĐẦU

Nghành công nghiệp ô tô trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ Các nước có nền công nghiệp ô tô phát triển tập trung nghiên cứu theo hướng nâng cao tốc độ chuyển động, tính tiện nghi, độ an toàn chuyển động, an toàn môi trường và chất lượng phương tiện Để đạt được điều đó, hiện nay trên ô tô nhiều hệ thống điều khiển tự động được nghiên cứu phát triển và ứng dụng Nhiều hệ thống cơ học thuần túy được thay thế bởi hệ thống cơ - điện tử, hàm lượng công nghệ thông tin,

kỹ thuật điều khiển tự động và tự động hóa ngày càng tăng lên

Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ô tô, nó có ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ô tô Hệ thống treo điều khiển ra đời từ những năm 1960 đã phần nào thỏa mãn được các tiêu chí trên Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật tính toán và kỹ thuật điều khiển không ngừng phát triển cả về kỹ thuật điều khiển và mô hình điều khiển

Nghành công nghệ ô tô của Việt Nam còn rất non trẻ, gần đây được đảng và nhà nước quan tâm Kế thừa các thành tựu khoa học của thế giới, nghiên cứu phát triển công nghệ và kỹ thuật mới là cần thiết để thúc đẩy nghành công nghiệp ô tô Việt Nam phát triển nhanh

Trên cơ sở thực trạng và phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài

nước, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực”

Việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ mô phỏng Matlab-simulink Kết quả nghiên cứu của luận văn làm cơ sở để xây dựng bộ điều khiển trên ô tô, đồng thời sẽ đóng góp một phần không nhỏ trong việc thiết kế hệ thống treo tích cực

Luận văn có thể được dùng làm tài liệu tham khảo và định hướng cho giảng dạy, các nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống treo nói chung và hệ thống treo tích cực nói riêng

5

Dưới sự hướng dẫn của PGS TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong Bộ môn Ô tô

và xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được hoàn thành Đề tài thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tụy

của PGS TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp để bản

luận văn được hoàn thành

Do thời gian hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2013

Tác giả

Phùng Khắc sáng

6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

13 Dịch chuyển khối lƣợng không đƣợc treo Z1 m

8

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

1 Bảng 3.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường - ô tô - con người”

trong nghiên cứu dao động ô tô

7 Hình 2.3: Mô hình xy lanh thủy lực khi Piston đi xuống 29

8 Hình 2.4: Mô hình xy lanh thủy lực khi Piston đi lên 31

9 Hình 2.5: Mô hình van phân phối khi Xv > 0 32

10 Hình 2.6: Mô hình van phân phối khi Xv < 0 33

11 Hình 2.7: Sơ đồ mô phỏng hệ thống treo tích cực 35

14 Hình 2.10: Sơ đồ mô phỏng lưu lượng QAT 37

15 Hình 2.11: Sơ đồ mô phỏng lưu lượng QPA 37

16 Hình 2.12: Sơ đồ mô phỏng lưu lượng QBT 38

21 Hình 2.17: Sơ đồ mô phỏng nhấp nhô biên dạng mặt đường 40

22 Hình 3.1: Quá trình điều chỉnh các hệ số K khác nhau 42

23 Hình 3.2: Các quá trình quá độ điều chỉnh của quy luật PI 44

10

25 Hình 3.4: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID 46

26 Hình 3.5: Bộ điều khiển PID cho hệ thống treo tích cực 48

37 Hình 4.6: Biến dạng của lốp khi xe di chuyển qua vật cản 59

38 Hình 4.7: Dịch chuyển của khối lƣợng đƣợc treo khi xe di chuyển

qua ổ gà

60

39 Hình 4.8: Gia tốc khối lƣợng đƣợc treo khi xe di chuyển qua ổ gà 61

40 Hình 4.9: Không gian làm việc của hệ thống treo khi xe di chuyển

qua ổ gà

61

41 Hình 4.10: Biến dạng của lốp khi xe di chuyển qua ổ gà 62

độ an toàn chuyển động của ô tô, mà còn ảnh hưởng tới tuổi thọ của đường Đặc biệt trong quá trình chuyển động, sự kích động động học của mấp mô mặt đường làm cho ô tô dao động, khi ô tô dao động làm phát sinh tải trọng động lớn tác dụng nên hệ thống chịu tải của xe (khung vỏ), các chi tiết, cơ cấu tổng thành…ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của chúng

Việc nghiên cứu được chia làm 3 hướng:

- Nghiên cứu về biên dạng mặt đường;

- Nghiên cứu về dao động của ô tô;

- Nghiên cứu cảm giác của con người, sự an toàn của hàng hóa chuyên chở

1.1.1 Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường

Nghiên cứu biên dạng bề mặt đường thường được tiến hành bằng thực nghiệm và lý thuyết nhằm mục đích xác định quy luật kích thích dao động của ô tô Bằng các phương pháp đo ghi biên dạng mặt đường khác nhau, tiến hành sử lý các kết quả nhận được bằng thống kê Các đặc tính thống kê của biên dạng về mặt đường phản ánh sự thay đổi của chúng trong điều kiện sử dụng dưới tác dụng của ô

tô, thời gian điều kiện khí hậu và môi trường v.v…Bằng các đặc tính thống kê về biên dạng đường, người ta xây dựng mô hình về biên dạng đường để làm cơ sở cho các tính toán sau này

1.1.2 Nghiên cứu dao động ô tô

Nghiên cứu dao động ô tô với mục đích cải thiện độ êm dịu chuyển động, chất lượng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hướng, độ ổn định chuyển động, độ bền và độ tin cậy… Vì vậy nghiên cứu dao động ô tô phải xác lập mối quan hệ giữa dao động của ô tô với các chỉ tiêu khai thác trên

Nghiên cứu lý thuyết dao động ô tô thường được tiến hành như sau:

Một trong những bài toán cơ bản khi nghiên cứu dao động ô tô là làm rõ ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số của hệ đến dao động

Việc nghiên cứu thực nghiệm dao động ô tô có ý nghĩa rất quan trọng bởi vì khi tiến hành thử nghiệm người ta cần giải quyết vấn đề như: Bằng cách nào để kích thích cho ô tô dao động, gia công sử lý các số liệu thực nghiệm

Dao động của ô tô nằm trong một dải tần số rộng có thể phân ra dao động của khối lượng treo ở tần số thấp, dao động khối lượng treo ở tần số cao, dao động của than vỏ xe ở dạng rung động và phát ồn

1.1.3 Nghiên cứu cảm giác con người

Nghiên cứu cảm giác của con người trên ô tô là công việc khó khăn, vì phải xác định mức mệt mỏi về thần kinh và thể xác cũng như sự phản ứng của các bộ phận, cơ quan trên cơ thể người lái xe và hành khách

Để có thể tạo ra một hệ dao động có chất lượng cần thiết phải nghiên cứu dao động của ô tô trong mối liên hệ tổng thể “Đường – Ô tô – Con người” (Hình 1.1) Các kết quả nghiên cứu dao động ô tô sẽ góp phần nâng cao chất lượng thiết

kế chế tạo ô tô góp phần nâng cao hiệu quả và năng xuất vận chuyển của ô tô trong nền kinh tế quốc dân

13

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường - Ô tô – Con người” trong nghiên

cứu dao động ô tô

Nghiên cứu lý thuyết:

- Đặc tính thống kê;

- Biểu diễn toán học biên dạng;

Nghiên cứu lý thuyết

- Hệ dao động tương đương và

- Yêu cầu đối với lái xe

Bệnh nghề nghiệp của lái xe, khả

năng chuyên trở bệnh nhân

Liên hệ với các chất lượng khai thác: độ êm dịu, chất lượng kéo, tính năng thông qua, tính ổn định, tính dẫn hướng, tính kinh tế, độ tin cậy…

Các cơ quan của con người khi

Nghiên cứu thực nghiệm:

- đo nghi biến dạng đường;

- gia công sử lý số liệu;

ô tô, ô tô chuyên dùng

Mô hình hóa:

- Lái xe;

- Hàng hóa chuyên chở;

- Hệ “đường - ô tô – con người”

Bảo vệ:

- Từ dao động;

- Từ rung động, tiếng ồn

14

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động và độ êm dịu chuyển động của ô tô

Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền công nghiệp ô tô phát triển đưa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động khác nhau Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã đưa ra một số chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:

1.2.1 Tần số dao động

Do nhu cầu sinh hoạt hàng ngày phải di chuyển từ chỗ này sang chỗ khác nên con người quen với nhịp điệu bước đi, trung bình một phút con người có thể thực hiện khoảng 60÷90 bước đi Khi quan niệm con người thực hiện bước đi là sự thực hiện một dao động thì con người đã quen với tần số dao động 60÷90 lần/phút Tần số dao động của ô tô nằm trong giới hạn sau:

- Đối với xe con; nk = 60÷90 lần/phút (1÷1,5 Hz)

- Đối với xe tải; nk = 100÷120 lần/phút (1,6÷2 Hz)

Ở Việt Nam, chỉ số này đang được đề nghị là nhỏ hơn 2,5 Hz đối với các ô tô sản xuât lắp ráp trong nước

1.2.2 Gia tốc dao động

Gia tốc dao động là thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động, nó

kể đến ảnh hưởng đồng thời của biên độ và tần số dao động Vì dao động tự do tắt dần chỉ tại trong một số chu kỳ, do vậy viêc xác định gia tốc dao động sẽ có ý nghĩa lớn khi nghiên cứu dao động cưỡng bức với sự kích thích của mặt đường Giá trị gia tốc giới hạn theo các phương OX (phương dọc xe), OY (phương ngang xe), OZ (phương thẳng đứng) được xác định bằng thực nghiệm như sau:

X < 1,0 m/s2; Ÿ < 0,7 m/s2

; Z < 2,5 m/s2

Các số liệu trên có thể coi là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, vì đó là số liệu thống kê, hơn nữa dao động của ô tô truyền cho con người mang tính chất ngẫu nhiên ở dải tần số rộng

1.2.3 Hệ số êm dịu chuyển động (K)

Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao động, vận tốc dao động, phương dao động và thời gian tác dụng của nó đến con

15

người Nếu K là hằng số thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi

Hệ số K được xác định theo công thức:

)(

01,01

)(

1801

,01

.5,12

RMS

0

2)(

1)(   : Với T là thời gian tác dụng

Nếu con người chịu dao động ngang ở tư thế nằm thì hệ số Ky giảm đi một nửa Hệ số K càng nhỏ thì con người càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu càng cao K = 0.1 tương ứng với người kích thích, khi ngồi lâu trên xe giá trị giới hạn (K) = 10 ÷ 25; khi đi ngắn [K] = 25 ÷ 63

Trong thực tế đối với ô tô, dạng điển hình dao động là ngẫu nhiên, khi đó nhờ phân tích phổ dao động, giá trị hệ số K được xác định theo công thức:





i i

K K

1

2

(1.2)

Trong đó: Ki: Hệ số êm dịu của thành phần tần số thứ i;

n: Số thành phần tần số của hàm ngẫu nhiên

Giá trị K có thể xác định bằng tính toán lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm

1.2.4 Đánh giá cảm giác theo công suất dao động

Chỉ tiêu này được dựa trên giả thiết, cảm giác của con người khi chịu dao động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con người

Công suất trung bình truyền đến con người được xác định theo công thức:

(

1lim (1.3)

Trong đó: P(t): Lực tác động lên con người khi dao động;

16

V(t): Vận tốc dao động

Con người có thể xem là một hệ dao động và cảm giác con người phụ thuộc vào tần số dao động, do đó ta có thể đưa vào hệ số hấp thụ Ky có tính đến ảnh hưởng của tần số lực kích động và hướng tác động của nó Khi tác động n thành phần với các giá trị bình phương trung bình của gia tốc RMS (ai) thì công suất dao động có thể xác định theo công thức:

2 1

) ( ( ) ( i)

+ RMS(X ): Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương dọc

+ RMS(Y ): Giá trị bình phương trung bình gia tốc theo phương ngang

Công suất tổng cộng truyền đến con người được xác định theo công thức sau:

i xi

gi zgi

2 2

) ) ( )

( , )

( )

(

Theo thực nghiệm, trị số cho phép [Nc] như sau:

[Nc] = 0,2 ÷ 0,3 (W) - tương ứng với cảm giác thoải mái;

[Nc] = 6 ÷ 10 (W) - giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao

Các nghiên cứu chỉ ra, những tác động phụ truyền qua chân không lớn như những tác động truyền qua ghế ngồi vì trong tư thế đứng tác động của dao động yếu

đi bởi các khớp xương của chân Các dao động con người chịu trong tư thế ngồi sẽ làm tổn thương cột sống

17

1.2.5 Đánh giá theo cảm giác gia tốc dao động và thời gian tác động:

Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa ISO đưa ra năm 1969 cho phép đánh giá tác dụng của dao động lên con người khi đi trên xe Cảm giác được đánh giá theo ba mức: Thoải mái, mệt mỏi (cho phép dao động và vẫn giữ được mức độ cho phép của cường độ lao động) và mức giới hạn (giới hạn theo tác dụng của dao động lên sức khỏe con người) Sự khác nhau của tiêu chuẩn ISO so với tiêu chuẩn khác ở chỗ

có tính đến thời gian tác động của dao động thẳng đứng điều hòa tác động lên người ngồi và đứng trong vòng 8 giờ Nếu tần số tác động ở trong giới hạn nhạy cảm nhất với dao động của con người (4 đến 8 Hz) thì bình phương gia tốc trung bình đối với các giới hạn:

1 ( ) ( )

0

2

t d t a T a

T RMS  (1.6)

- Thoải mái: 0,1m/s2

- Mệt mỏi cho phép: 0,315m/s2

- Mệt mỏi ở trong giới hạn cho phép: 0,63m/s2

Chỉ tiêu về giá trị dao động tới hạn là giá trị ước lượng của gia tốc trung bình bậc 4 VDV (Vibration Dose Value) Tính giá trị gia tốc trung bình bậc 4 theo công thức (1.7):

4 / 1

0

4

) ( ).

4 / 1

4

eVDV  RMS (1.8) Lượng dao động cho N chu kỳ khi ảnh hưởng của chu kỳ khác nhau là cần thiết hoặc một cú va đập xảy ra lặp đi lặp lại như trường hợp của những mấp mô điều khiển tốc độ Giá trị này được mô tả như sau:

18

4 1

n

n

VDV (1.9)

Trong đó: T: Khoảng thời gian khảo sát (s);

a(t): gia tốc thẳn đứng tác dụng lên người ngồi (m/s2

);

VDVn: Lượng dao động ở cho kỳ thứ n

1.2.6 Chỉ tiêu hành trình làm việc của hệ thống treo:

Hành trình làm việc của hệ thống treo được tính bằng giá trị cực đại của hiệu

số giữa dịch chuyển phần được treo và không được treo max (Z2 - Z1) Hay đó chính

là không gian làm việc cần thiết cho hệ thống treo hoạt động không xảy ra va đập lên các ụ hạn chế trong các hành trình nén và hành trình trả của hệ thống Khi hành trình làm việc của hệ thống treo thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi về các thông số dao động của phần không được treo và phần được treo như biên độ, tần số, gia tốc dao động,….Chỉ tiêu này sẽ đảm bảo hành trình làm việc của hệ thống treo nằm trong một khoảng nhất định để ô tô dao động hợp lý

1.2.7 Chỉ tiêu về độ bám đường

Khi ô tô chuyển động trên đường, do xe bị dao động nên lực pháp tuyến tác dụng giữa lốp xe và mặt đường luôn thay đổi Lực pháp tuyến này đặc trưng cho khả năng bám đường của ô tô Ngoài ra các trị số của các thành phần lực như lực ngang, lực kéo, lực phanh phát huy tại vùng tiếp xúc của bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào lực pháp tuyến giữa lốp và mặt đường Do vậy dao động thẳng đứng của bánh xe sẽ ảnh hưởng đến khả năng bám đường, tính điều khiển cũng như tới tải trọng tác dụng lên mặt đường

Do hệ số cản giảm chấn của lốp thường nhỏ hơn nhiều so với hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo, cho nên có thể coi như lực pháp tuyến giữa mặt đường và lốp xe sẽ tỉ lệ thuận với dịch chuyển tương đối giữa lốp xe với mặt đường (Z1 - h1), hay còn gọi là biến dạng động của lốp Trị số biến dạng động càng nhỏ thì lực tác dụng lên mặt đường càng nhỏ (tính bảo vệ đường tốt và ngược lại)

1.3 Các loại hệ thống treo không điều khiển và có điều khiển

Hệ thống treo trên ô tô có nhiệm vụ nối đàn hồi giữa khối lượng không được

Hệ thống treo liên kết mềm giữa khối lượng được treo (m2) và khối lượng không được treo (m1) gồm bộ phận đàn hồi có độ cứng ký hiệu C1 và giảm chấn có

hệ số cản giảm chấn là K1 Lốp xe là một phần tử đàn hồi nên cũng được mô hình hóa thành một lò xo có độ cứng ký hiệu CL1 và một giảm chấn có hệ số cản giảm chấn ký hiệu là KL1

Lực kích động gây ra dao động cho cơ hệ do các nhấp nhô của mặt đường sinh (biên dạng đường h1) 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 thẳng đứng là lớn nhất và là thông số để đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô

Hệ thống treo không điều khiển (bị động) có các thông số đặc trưng là độ cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn của phần tử giảm chấn có giá trị không thay đổi cùng với sự thay đổi liên tục của các kích thích từ mặt đường khi xe

20

di chuyển

Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ô tô hiện vẫn còn sự mâu thuẫn giữa độ an toàn chuyển động và độ êm dịu chuyển động của ô tô Hệ số cản giảm chấn thấp thì độ êm dịu chuyển động tăng nhưng độ an toàn chuyển động giảm Ngược lại hệ số cản giảm chấn cao, độ an toàn chuyển động tăng nhưng độ

êm dịu chuyển động giảm

Độ an toàn chuyển động trên ô tô chủ yếu bị giới hạn bởi dịch chuyển thẳng đứng của bánh xe, dịch chuyển xoay của thân xe, góc lắc dọc và lắc ngang của thân

xe trong quá trình phanh hoặc vào các khúc cua Độ êm dịu chuyển động của ô tô

có thể đánh giá qua dịch chuyển thẳng đứng và gia tốc lắc dọc của thân xe

Ô tô dao động chủ yếu từ kích thích từ mấp mô mặt đường Hiện nay hệ thống treo bị động được coi là tốt nhất chỉ có thể đúng với một loại đường nhất định Do vậy, để thỏa mãn các chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động phù hợp với các đặc tính của đường và vị trí khung vỏ xe được điều khiển nhờ

hệ thống điều khiển tự động Tùy thuộc vào khả năng điều khiển các thông số của

hệ thống treo điều khiển người ta phân làm hai loại: Hệ thống treo bán tích cực và

Khi giảm chấn làm việc, chất lỏng được dồn từ buồng chứa này sang buồng chứa khác qua các lỗ trên van tiết lưu có tiết diện rất bé làm cho chất lỏng chịu lực cản lớn làm dập tắt nhanh các dao động Như vậy, khi kích thước tiết diện các lỗ tiết lưu không đổi thì hệ số cản giảm chấn không đổi Còn khi kích thước các lỗ tiết lưu

có thể điều khiển trong quá trình giảm chấn làm việc thì ta có hệ số cản giảm chấn

có khả năng thay đổi được Đó cũng chính là nguyên lý làm việc chung của giảm chấn có điều khiển được dùng trên hệ thống treo bán tích cực

Để tăng được độ êm dịu và tính ổn định chuyển động tốt hơn, người ta đưa ra

hệ thống treo tích cực (hình 1.4) bao gồm bộ điều khiển thủy lực, bộ điều khiển và các cảm biến

22

Độ cứng lốp; K L1 - Hệ số cản của lốp; h 1 - Biên dạng đường; Z 2 - Dịch chuyển khối lượng được treo; Z 1 - Dịch chuyển khối lượng không được treo

Hệ thống treo tích cực (hình 1.4) được điều khiển bằng một cơ cấu bộ điều

khiển thủy lực F a (Van phân phối + Xy lanh thủy lực) Các áp lực thủy lực cho bộ điều khiển thủy lực được cung cấp bởi một bơm thủy lực áp suất cao Các cảm biến liên tục giám sát độ dịch chuyển của thân xe và chế độ lái, để từ đó liên tục cung cấp dữ liệu cho ECU Sau khi ECU nhận và sử lý dữ liệu, nó điều khiển bộ điều khiển thủy lực Ngay lập tức, hệ thống treo được điều chỉnh bởi bộ điều khiển thủy lực để tạo ra các lực chống lại sự nghiêng ngang của thân xe, sự chúi đầu xe hay chúi đuôi xe trong các chế độ lái xe khác nhau Hệ thống treo tích cực với lực Fa liên tục thay đổi trong suốt quá trình xe di chuyển để ô tô đạt được độ êm dịu chuyển động cao nhất

Hệ thống treo không điều khiển (bị động) với các thông số của bộ phận đàn hồi và giảm chấn không thay đổi tương ứng với kích thích từ mặt đường khi xe di chuyển sẽ chỉ đáp ứng được chuyển động êm dịu của ô tô trên những địa hình nhất định Do đó nếu xe di chuyển trên những mặt đường khác thì hệ thống treo cũ lại trở nên không thích hợp Hệ thống treo hiện nay chỉ đảm bảo độ êm dịu của ô tô trong một vùng tần số nhất định Như vậy nghiên cứu hệ thống treo có điều khiển, nhất là

hệ thống treo tích cực giúp ô tô đạt độ êm dịu chuyển động cao nhất, làm việc được trong nhiều vùng tần số khác nhau, đáp ứng với nhiều loại địa hình khác nhau là một yêu cầu cấp thiết đặt ra

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Các nghiên cứu trong nước

Về hệ thống treo điều khiển, các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu phát triển hai hệ thống: Hệ thống treo tích cực và hệ thống treo bán tích cực, trong đó hệ thống treo bán tích cực được các tác giả trong nước quan tâm nhiều hơn Tác giả Trần Văn Như [8], [9] đưa ra mô hình điều khiển mờ (Fuzzy Control) với mô hình ½ ô tô trong mặt phẳng dọc để nâng cao độ êm dịu chuyển động và mô hình ¼ cho các hệ thống treo trên ô tô tải tải trọng lớn để giảm phá hủy

23

đường

Những kết quả nghiên cứu về hệ thống treo tích cực trên ô tô ở việt nam đến nay còn rất nhiều hạn chế Một số công trình đã được thực hiện ở Việt Nam hoặc ở nước ngoài của các tác giả Việt Nam như đề tài: “Phương pháp điều khiển tối ưu trong hệ thống treo chủ động ô tô” do Nguyễn Đức Ngọc, Deng Zhaoxiang – The College of mechanical Engineering of Chongqing University, China 400030 Đề tài nghiên cứu thông qua việc thiết lập xây dựng mô hình tổng thể hệ thống treo ô tô với bảy bậc tự do, ứng dụng lý thuyết phương pháp điều khiển tối ưu thiết kế bộ điều khiển tuyến tính để kiểm soát hoạt động hệ thống treo của xe Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển hệ thống treo Kết quả mô phỏng so sánh với hệ thống treo bị động, cho thấy việc kiểm soát hệ thống treo chủ động với bộ điều khiển tuyến tính cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống treo, làm cho người ngồi trên xe cảm thấy thoải mãi hơn

1.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, nghiên cứu các dao động trên ô tô được tiến hành từ lâu, với rất nhiều công trình của nhiều tác giả khác nhau Càng về sau này, từ khoảng những năm 90 cho đến nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử với sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán như Matlab Simulink, ANSYS, việc nghiên cứu dao động của ô tô trở nên dễ dàng hơn nhiều Cũng vì thế mà có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành tập trung nhiều vào việc nghiên cứu khả năng điều khiển hệ thống treo, tối ưu hóa các thông số kết cấu của ô tô đặc biệt là ở hệ thống treo giảm dao động, nâng cao chất lượng phương tiện Một số nghiên cứu điển hình:

Luận văn thạc sỹ khoa học “xây dựng luật điều khiển cho hệ thống treo ô tô chủ động” của tác giả Chiny Yue, học viện công nghệ Massachusetts, hoa Kỳ (năm 1987);

Luận án tiến sỹ “phát triển hệ thống treo hoàn toàn bán chủ động thông qua

mô hình động học” của tác giả Jukka Pekk Hyva hyvärinen, trường Đại học Oulo, Phần Lan (năm 2004);

bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID Các mô hình nghiên hệ thống treo mà các tác giả đưa ra hầu hết chỉ dừng lại ở mô hình ¼ và mô hình ½

1.5 Mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

1.5.1 Mục tiêu

Từ những phân tích ở trên nhận thấy rằng cần tiếp tục nghiên cứu phát triển

hệ thống treo có điều khiển để đáp ứng tốt hơn sự làm việc của ô tô Xuất phát từ

đó, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực” được thực

hiện với mục tiêu sau:

* Mục tiêu:

- Đề xuất bộ điều khiển hệ thống và mô phỏng hệ thống treo tích cực

* Nội dung:

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống treo tích cực với mô hình dao động

25

tích cực với mô hình dao động 1/4

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu

Việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ mô phỏng Matlab-simulink

và điều khiển PID

26

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

TREO TÍCH CỰC 2.1 Mô hình hệ thống treo tích cực

Đối với một chiếc xe ô tô, hệ thống treo là một trong những bộ phận phức tạp và rắc rối nhất trên xe Hệ thống treo đóng vai trò thiết yếu trong việc giữ ổn định xe và giúp người sử dụng cảm tháy thoải mãi Hệ thống treo tích cực là một trong những bộ phận quan trọng nhất trên ô tô hiện đại Ưu điểm hệ thống treo tích cực: Có khả năng tự động điều chỉnh độ cứng và cơ chế hoạt động của hệ thống treo

để đáp ứng với độ nghiêng khung xe khi vào cua, độ nhấp nhô của mặt đường, giữ thăng bằng khi phanh và tăng tốc đột ngột, có khả năng tự động thích nghi với tải trọng của xe và thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình Mục đích đem lại cho xe có một hệ thống treo thích hợp và hiệu quả nhất

Hệ thống treo tích cực của ô tô là một hệ thống động lực rung động phức tạp,

để phân tích nghiên cứu nó ta cần đơn giản hóa mô hình Mô hình hệ thống treo ¼

là mô hình cơ bản nhất để khảo sát dao động của ô tô thích hợp cho việc nghiên cứu dao động theo phương thẳng đứng của thân xe hay của một bánh xe Do đó đối tượng được lựa chọn mô phỏng là mô hình ¼ thể hiện trên hình (2.1)

Hệ thống treo tích cực là hệ thống treo có lắp thêm bộ điều khiển thủy lực ở

mỗi bánh xe để tạo ra lực đến từng bộ phận đàn hồi một cách độc lập ở mỗi bánh xe

để cải thiện tính năng vận hành

Phương trình vi phân động lực học của mô hình:

L

a

F Z h C Z h K Z Z K Z Z C

Z

m

F Z Z K Z Z C

Z

m

) (

) (

) (

) (

.

) (

) (

.

1 1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1

1

1

2 1 1 2 1 1

- m1: Khối lượng không được treo (kg);

- Fa: Lực của bộ điều khiển thủy lực (N);

- Z2: Dịch chuyển khối lượng được treo (m);

- Z1: Dịch chuyển khối lượng không được treo (m);

- Z2: Vận tốc dịch chuyển khối lượng được treo (m/s);

- Z2: Gia tốc khối lượng được treo (m/s2

);

- Z1: Vận tốc dịch chuyển khối lượng không được treo (m/s);

- Z1: Gia tốc khối lượng không được treo (m/s2)

2.2 Mô hình bộ điều khiển thủy lực

Mô hình bộ điều khiển thủy lực như trên hình (2.2)

28

Hình 2.2: Mô hình bộ điều khiển thủy lực (Van phân phối + Xy lanh thủy lực)

A - Khoang dưới xy lanh thủy lực; B - Khoang trên xy lanh thủy lực; P - Đường dầu vào từ bơm đến van phân phối; T - Đường dầu từ van phân phối đi ra;

Q 1 , Q 2 - Lưu lượng dòng chất lỏng đến khoang A và đi khỏi khoang B ; P 1 , P 2 – Áp suất các khoang A, B; P b – Áp suất dầu từ bơm cung cấp cho van; P T – Áp suất Đường dầu ra khỏi van; Z 2 - Dịch chuyển khối lượng được treo; Z 1 - Dịch chuyển khối lượng không được treo; X v : Dịch chuyển của van phân phối

Bộ điều khiển thủy lực được lắp vào hệ thống treo có cấu tạo gồm van phân phối (van trượt piston phân phối) và xy lanh thủy lực Dầu thủy lực được cung cấp

từ bơm qua cửa P đến van phân phối và đi ra khỏi van qua của T Khi bộ điều khiển thủy lực làm việc thông qua dịch chuyển Xv của van phân phối làm đóng mở các cửa từ van phân phối đến các khoang A và B của xy lanh thủy lực làm thay đổi lưu lượng và áp suất các khoang A và B của xy lanh làm piston của xy lanh thủy lực dịch chuyển lên xuống

2.2.1 Mô hình xy lanh thủy lực

Xy lanh thủy lực chuyển áp suất chất lỏng công tác thành lực và chuyển áp năng của chất lỏng thành cơ năng nó gây ra chuyển động tịnh tiến khứ hồi

Van phân phối Xy lanh thủy lực

29

+ Trường hợp 1: Khi Xv dịch chuyển đi lên (Xv > 0), dòng chất lỏng chảy đến khoang B và chảy khỏi khoang A, piston dịch chuyển từ trên xuống dưới như hình (2.3)

Hình 2.3: Mô hình xy lanh thủy lực khi Piston đi xuống

Khi Xv dịch chuyển đi lên (Xv > 0), lực Fa do xy lanh thủy lực tạo ra được xác định như sau:

1 1 2

2 S P.S P

F a   (2.2) Trong đó:

- S1: Diện tích piston phía không cần (m2

);

- S2: Diện tích piston phía có cần (m2);

-P1, P2: Áp suất các khoang A, B của xy lanh (N/m2)

Khi Xv dịch chuyển đi lên (Xv > 0), áp suất các khoang A và B của xy lanh được xác định như sau:

iA ZeA

Zi AT

V

Ke P

1

1   (2.3)

iB ZeB

Zi PB

V

Ke P

- Z1: Vận tốc dịch chuyển khối lượng không được treo (m/s);

- Z2: Vận tốc dịch chuyển khối lượng được treo (m/s);

- PiA, PiB: Áp suất ban đầu trong các khoang A và B (N/m2)

Bỏ qua lưu lượng dòng chất lỏng chảy từ khoang A sang khoang B do khe hở giữa piston và xy lanh (tổn thất lưu lượng bên trong) (QZi= 0), lưu lượng dòng chất lỏng chảy từ khoang A, B ra bên ngoài (tổn thất lưu lượng bên ngoài) do sự không kín tuyệt đối của kết cấu xy lanh (QZeA= QZeB=0) Coi áp suất ban đầu trong các khoang A và B là bằng không (PiA = PiB = 0) Ta được áp suất các khoang A và B của xy lanh như sau:

dt Q S Z Z V

Ke P

Ke P

Hình 2.4: Mô hình xy lanh thủy lực khi Piston đi lên

Khi Xv dịch chuyển đi xuống (Xv < 0), lực Fa do xy lanh thủy lực tạo ra được xác định như sau:

2 2 1

1 S P.S P

F a   (2.7) Khi Xv dịch chuyển đi xuống (Xv < 0), áp suất các khoang A và B của xy lanh được xác định như sau:

iA ZeA

Zi PA

V

Ke P

1

1   (2.8)

iB ZeB

Zi BT

V

Ke P

2

2   (2.9)

Trong đó:

- V1, V2: Thể tích các khoang A, B của xy lanh (m3);

- QPA, QBT: Lưu lượng dòng chất lỏng đến khoang A và đi khỏi khoang B (m3/s);

Bỏ qua lưu lượng dòng chất lỏng chảy từ khoang B sang khoang A do khe hở giữa piston và xy lanh (tổn thất lưu lượng bên trong) (QZi= 0), lưu lượng dòng chất lỏng chảy từ khoang A, B ra bên ngoài (tổn thất lưu lượng bên ngoài) do sự không kín tuyệt đối của kết cấu xy lanh (QZeA= QZeB=0) Coi áp suất ban đầu trong các

32

khoang A và B là bằng không (PiA = PiB = 0) Ta được áp suất các khoang A và B của xy lanh như sau:

dt S Z Z Q V

Ke P

Ke P

2

    (2.11)

2.2.2 Mô hình van phân phối

Van phân phối (van trượt piston phân phối) hình (2.5), (2.6) gồm piston bậc (con trượt) di chuyển trong vỏ (xy lanh), vỏ có các lỗ thông với lưới ống của hệ thống để dầu thủy lực lưu thông Khi piston bậc chuyển động trong xy lanh, các bậc của piston sẽ đóng, mở các cửa lưu thông Van phân phối được chọn là van 3 vị trí (Xv > 0, Xv = 0, Xv < 0), 4 cửa (cửa P, T lần lượt nối với đường dầu vào và đi ra khỏi van, cửa A, B lần lượt nối với các khoang A, B của xy lanh thủy lực)

Lưu lượng dầu chảy qua van phân phối phụ thuộc vào độ dịch chuyển Xv của con trượt, độ chênh áp suất trước và sau van Giả sử không có sự dò rỉ giữa các cửa không thông nhau của van phân phối, lưu lượng qua van phân phối có thể xác định như sau:

+ Trường hợp 1: Khi con trượt van phân phối dịch chuyển đi lên (Xv > 0) thì cửa P thông với B, cửa A thông với T như hình (2.5)

XV

A

TP

B

Hình 2.5: Mô hình van phân phối khi Xv > 0

33

Khi con trượt van phân phối dịch chuyển đi lên (Xv > 0), lưu lượng qua van phân phối (QPB, QAT) có thể xác định như sau:

) (

) (

P

P P X

X Q P sign P

P P X

X Q Q

dn b Vdn

V dn dn

B p Vdn

V dn

X Q P sign P

P P X

X Q Q

dn T Vdn

V dn dn

T A Vdn

V dn

độ dịch chuyển danh nghĩa Xvdn (m) và độ chênh áp suất trên hai cửa van bằng độ chênh áp suất P dn (N/m2)

+ Trường hợp 2: Khi con trượt van phân phối dịch chuyển đi xuống (Xv < 0) thì cửa P thông với A, cửa B thông với T như hình (2.6)

XV

A

TP

B

Hình 2.6: Mô hình van phân phối khi Xv < 0

Khi con trượt van phân phối dịch chuyển đi xuống (Xv < 0), lưu lượng qua van phân phối (QPA, QBT) có thể xác định như sau:

P

P P X

X Q P sign P

P P X

X

Q

Q

dn p Vdn

V dn dn

A p Vdn

V dn