Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống treo ô tô

Do nhu cầu phát triển, yếu tố kích động được bao quát rộng hơn; ảnh hưởng của dao động không những về độ êm dịu cho người và hàng hóa mà còn xét đến tác hại làm hỏng đường; với nhu cầu

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 CÁC YẾU TỐ GÂY RA DAO ĐỘNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ 13

1.1 Các yếu tố gây dao động ô tô 13

1.2 Mô tả mặt đường 14

1.3 Ảnh hưởng của dao động ô tô 16

1.3.1 Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu 16

1.3.2 Tiêu chí về không gian hệ thống treo 19

1.3.3 Tiêu chí an toàn động lực học 20

1.4 Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu 21

1.4.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 21

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 22

1.4.3 Nội dung nghiên cứu 22

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG 23

2.1 Phương pháp nghiên cứu động lực học ô tô 23

2.2 Phương trình động lực học tổng quát 24

2.3 Đặc điểm động lực học ô tô 35

2.4 Các mô đun cơ bản 36

2.5 Phân tích cấu trúc hệ thống treo của ô tô 37

2.6 Mô hình ¼ 42

2.7 Động lực học đoàn xe phương thẳng đứng 51

2.7.1 Động lực học phương dọc của khối lượng được treo 51

2.7.2 Động lực học ngang của khối lượng được treo và không được treo 53

2

2.8 Mô hình dao động xe con 57

2.9 Phương pháp giải 59

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG TREO VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 62

3.1 Mô hình hệ thống treo không điều khiển 62

3.2 Giải pháp điều khiển hệ thống treo 67

3.3 Sơ đồ điều khiển hệ thống treo 78

3.4 Phân tích các loại hệ thống treo theo tính tích cực 80

3.4.1 Hệ thống treo thụ động: 80

3.4.2 Hệ thống treo tự chỉnh chiều cao 80

3.4.3 Các hệ thống treo bán tích cực 80

3.4.4 Các hệ thống treo tích cực: 81

3.5 Ứng dụng khí, thủy khí trong hệ thống treo điều khiển độ cao 82

3.6 Nguyên lý hệ treo thủy khí có điều khiển 83

3.7 Hệ thống treo khí có điều khiển 86

3.8 Hệ thống treo xe chuyên dụng 89

3.8.1 Yêu cầu hệ thống treo xe chuyên dụng 89

3.8.2 Đặc điểm hệ thống treo xe chuyên dụng 89

3.8.3 Nguyên lý trụ treo 93

3.9 Các hệ thống treo điều khiển ở xe chuyên dụng 94

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

kgm Mô men quán tính trục y của cầu sau

m m s m s Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo

6

1 , , 1 1

z z z

2 , / , /

m m s m s Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo trước

2 , 2 , 2

z z z

2 , / , /

m m s m s Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo sau

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân loại tín hiệu ngẫu nhiên 14

Hình 1.2 Lực quán tính ảnh hưởng đến dao động ô tô 16

Hình 1.3 Các định mức độ êm dịu 17

Hình 1.4 Phân bố độ êm dịu các chủng loại xe 18

Hình 1.5 Giới hạn gia tốc các phương 18

Hình 1.6 Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian 19

Hình 1.7 Mô hình dao động 1/4 20

Hình 2.1 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô 24

Hình 2.2 Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) 25

Hình 2.3 Định nghĩa tương quan hệ tọa độ B(Cxyz ) với tọa độ bánh xe 26

Hình 2.4 Định nghĩa hướng chuyển động ô tô trong hệ tọa độ G(OXYZ) 28

Hình 2.5 Hệ cục bộ xe B(Cxyz) và các lực tại tâm vết tiếp xúc bánh xe 28

Hình 2.6 Hệ tọa độ xe B(Cxyz) và hệ tọa độ tâm bánh xe Tj(xj,yj,zj) j=4 29

Hình 2.7 Các lực tương tác tại các tâm vết tiếp xúc lốp – đường 29

Hình 2.8 Các lực trong mặt phẳng nền 30

Hình 2.9 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 37

Hình 2.10 Hệ thống treo cầu sau của Mercedes–Benz 38

Hình 2.11 Hệ thống treo cầu trước của Mercedes–Benz 38

Hình 2.12a Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz 39

Hình 2.12b Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz cân bằng 39 Hình 2.13 Hệ thống treo hai đòn ngang (a) và sơ đồ tương đương (b) 42

Hình 2.16 Mô hình dao động ¼ 44

Hình 2.17 Sơ đồ đặc tính treo 45

Hình 2.19 Hàm truyền 51

Hình 2.20 Quan hệ giữa độ êm dịu và tải trọng động 51

8

Hình 2.21 Động lực học xe kéo phương z 52

Hình 2.22 Động lực học lắc dọc mooc 53

Hình 2.23 Động lực học ngang cầu 1 54

Hình 2.24 Động lực học ngang cầu 2 55

Hình 2.25 Động lực học ngang cầu 3 56

Hình 2.26 Động lực học ngang cầu 4 57

Hình 2.27 Mô hình dao động xe con 58

Hình 2 28 hệ thống treo cân bằng liên tiếp nhiều cầu container 59

Hình 2 29 Mô đun Động lực học xe kéo trong mặt phẳng (XOZ) 59

Hình 2.30 Mô đun Động lực học xe mooc trong mặt phẳng (OXZ) 60

Hình 2.31 Mô đun Động lực học ngang trong mặt phẳng (OYZ) 60

Hình 2 32 Mô đun Động lực học bánh xe trong mặt phẳng (OXZ) 61

Hình 3.1 Mô hình hệ thống treo truyền thống 62

Hình 3.2 Đặc tính đàn hồi hệ thống treo truyền thống 64

Hình 3.3 Đặc tính giảm chấn thủy lực 65

Hình 3.4 Đường đặc tính không đối xứng của giảm chấn tác dụng hai chiều với van giảm tải 66

Hình 3.5 Hệ thống treo khí với phần tử đàn hồi loại buồng chứa 68

Hình 3.6 Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz 69

Hình 3.7 Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động 70

Hình 3.8 Hệ treo khí cầu treo phụ thuộc cầu chủ động 70

Hình 3.9 Hệ treo khí cầu dẫn hướng 70

Hình 3.10 Hệ treo khí cầu dẫn hướng 71

Hình 3.11 Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động 71

Hình 3.12 Hệ treo khí 4 túi khí để hạ thấp trọng tâm 71

Hình 3.14 Cấu tạo giảm chấn treo trước xe Mercedes-Ben E500 73

Hình 3.15 Vị trí van điện mở 74

9

Hình 3.16 Vị trí van điện đóng 74

Hình 3.17 Bộ giảm chấn treo sau xe Mercedes-Ben E500 75

Hình 3.18 Bộ đàn hồi treo sau trên xe ô tô con Mercedes-Ben E500 75

Hình 3.19 Hoạt động bộ giảm chấn treo sau ô tô Mercedes-Ben E500 76

Hình 3.20 Thanh ổn định ngang truyền thống 77

Hình 3.21 Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh ổn định ngang 77

Hình 3.22 Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh cân bằng 78

Hình 3.23 Sơ đồ mạch điều khiển thanh ổn định ngang 78

Hình 3.24 a Hệ thống treo tích cực Hình 3.24 b Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực 79

Hình 3.25 Hệ thống treo tích cực hoàn toàn 79

Hình 3.26 Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực 79

Hình 3.27 Nguyên lý hệ thống treo tích cực 82

Hình 3.28 Nguyên lý hệ thống treo thủy khí điều khiển độ cao 83

Hình 3.29 Nguyên lý treo thủy khí 83

Hình 3.30 Hệ treo thủy khí có điều khiển 85

Hình 3.31 Hệ treo khí có điều khiển 88

Hình 3.32 Các dạng sơ đồ treo xe nhiều cầu 90

Hình 3.33 Hệ thống treo hai đòn ngang thanh xoắn 90

Hình 3.34 Hệ treo thủy khí truyền lực cơ khí 91

Hình 3.35 Hệ thống treo truyền động độc lập 91

Hình 3.36 Hệ thống treo độc lập cần bằng ngang 91

Hình 3.37 Hệ thống treo bánh xe độc lập và quay vòng độc lập 92

Hình 3.38 Hệ thống treo bánh xe độc lập và quay vòng độc lập ( c của Hãng Nicolas, d,e của Hãng Cometter) 93

Hình.3.39 Trụ treo thủy khí Hình 3.40 Trụ treo thủy lực 94 Hình 3.41 Hê thống treo khí tích cực điều khiển hành trình tĩnh và động 95

10

Hình 3.42 Hệ thống treo thủy khí điều khiển cơ khí 96

Hình 3.43 Hệ thống treo Cơ khi- Thủy lực điều khiển cơ khí 96

Hình 3.44 Hệ thống treo tích cực lò xo-thủy lực điều khiển điện tử 97

Hình 3.45 Hệ thống treo thủy khí điều khiển tích cực 98

Hình 3.46 Bố trí chung hệ treo tích cực 99

lượng động lực học và tính tiện nghi

Chất lượng độ êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng hệ thống treo, việc bố trí chung của ô tô, điều kiện mặt đường và chế độ chuyển động của ô tô Ngày nay điều kiện các loại đường của Việt Nam tuy được ngày càng hoàn thiện về chất lượng nhưng vẫn chưa đảm bảo tối ưu cho tất cả các hoạt động của ô tô Xuất phát từ những lý do trên, việc nghiên cứu các giải pháp hệ

thống treo trên ô tô là một vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu và giải quyết Với

yêu câù của đề tài, tác giả đã trình bày các vấn đề cơ bản về phương pháp lập mô hình dao động, phương pháp tính và các hệ thống treo Mục tiêu của trình bày này

là giúp học sinh sinh viên có một cái nhìn tổng thể khi chọn vấn đề nghiên cứu Việt Nam đang hội nhập toàn diện trên các lĩnh vực đặc biệt là ngành công nghệ ô tô và nhu cầu đi lại và vận chuyển ngày càng gia tăng Sự lựa chọn của người sử dụng hướng vào xe có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến sự an toàn động lục và thoái mái tiện nghi khi sử dụng

Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố gây dao động làm mất tính an toàn

và êm dịu chuyển động Đây là tiêu chí rất quan trọng, không thể tách rời nhưng lại mâu thuẫn với nhau trong quá tình chuyển động, được quyết định chủ yếu bởi chất lượng của hệ thống treo Tuy nhiên, trong hầu hết các thiết kế mới ô tô và nghiên cứu hệ thống treo ô tô ở nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu êm dịu và ít quan tâm đến an toàn chuyển động

Dao động ô tô chịu 3 nguồn kích động là mấp mô của đường, gió bên, gió dọc

và các lực và mô men quán tính Hầu hết các nghiên cứu về dao động chỉ xét yếu tố mấp mô đường, còn hai yếu tố sau ít được quan tâm Gió ảnh hưởng lớn đến an toàn

12

chuyển động, còn các lực và mô men quán tính ảnh hưởng tức thời là thay đổi tải trọng làm mất an toàn động lực học và là tăng đột biến hệ số phá đường Xuất phát

từ những thực trạng trên, đề tài “Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống

treo ô tô ” tìm ra các giải pháp tối ưu cho điều khiển hệ thống treo

Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng dưới sự giúp đỡ của Viện đào tạo sau đại học trường đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt

là dưới sự hướng dẫn của PGS TS Võ Văn Hường đã tạo điều kiện giúp đỡ để đề

tài được hoàn thành

Do thời gian và trình độ còn có mặt hạn chế, trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong muốn sự đóng góp ý kiến của các Thầy để đề tài được hoàn thiện

13

CHƯƠNG 1 CÁC YẾU TỐ GÂY RA DAO ĐỘNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU

ĐÁNH GIÁ

1.1 Các yếu tố gây dao động ô tô

Trong nhiều tài liệu cũ, chương này có tên là dao động ô tô; nội dung là nghiên cứu dao động dưới tác động kích động mặt đường và các giải pháp về êm dịu chuyển động Do nhu cầu phát triển, yếu tố kích động được bao quát rộng hơn; ảnh hưởng của dao động không những về độ êm dịu cho người và hàng hóa mà còn xét đến tác hại làm hỏng đường; với nhu cầu nghiên cứu động lực học và động lực học điều khiển, các nhu cầu phát triển ô tô cơ điện tử, mô hình dao động đầy đủ cũng được phát triển đa dạng, phức tạp hơn, chính xác hơn Trong chương này, ba vấn đề cơ bản được trình bày theo quan điểm động lực học phương thẳng đứng “Vertical Dynamics” là:

- Nguồn gây dao động;

- Các yếu tố ảnh hưởng của dao động;

- Các mô hình đặc trưng cơ bản

Các mô hình cũng phải phù hợp cho các mục tiêu nghiên cứu sau:

1) Mô hình nghiên cứu tối ưu hệ thống treo truyền thống;

2) Mô hình hệ thống treo điều khiển đơn và mô hình điều khiển hệ thống (hệ thống treo cân bằng);

3) Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của dao động về độ êm dịu đến người, hàng hóa, tải trọng động bánh xe và áp lực đường;

4) Mô hình nghiên cứu áp lực đường là mô hình dao động tích hợp để xác định các yếu tố ảnh hưởng lực quán tính Như vậy, mô hình cho mục đích nghiên cứu này là mô hình động lực học

Dao động ô tô theo phương thẳng đứng được gây ra bao gồm ba nguồn chủ yếu là:

 Mấp mô mặt đường;

14

 Lực cản không khí;

 Các lực, mômen quán tính khi xe tăng tốc, phanh, quay vòng

Các yếu tố này đều có tính chất ngẫu nhiên, nhưng độc lập lẫn nhau

Hình 1.1 Phân loại tín hiệu ngẫu nhiên

1.2 Mô tả mặt đường

Khi nghiên cứu dao động ô tô, việc mô tả mặt đường có ý nghĩa quan trọng Mặt đường trong thực tế là ngẫu nhiên; khi nghiên cứu quan hệ “Đuờng – Xe – Người” người ta mô tả đường bằng các quy luật ngẫu nhiên; các nghiên cứu cơ bản

có thể sử dụng các mô tả tường minh như hàm tuần hoàn, hàm xung Tính chất của các đại lượng ngẫu nhiên có thể phân loại như sau: với các nghiên cứu về đường ô

tô người ta thừa nhận đường có tính chất “Dừng” và “Ergodit”; kích động mặt đường có thể biểu diễn theo thời gian h(t) hay theo hàm vị trí h(x)

Khi chuyển động trên đường, ô tô dao động ở tất cả các phương: phương dọc, phương ngang, phương thẳng đứng và ba dao động góc là dao động lắc dọc, lắc ngang và quay quanh trục thẳng đứng Thông thường khi xét dao động ô tô ta chỉ quan tâm dao động phương thẳng đứng, dao dao động lắc dọc và lắc ngang cũng rất quan trọng Xét chuyển động của ô tô dao động ô tô là tích hợp Dao động ô tô cũng chịu đồng thời nhiều yếu tố kích động ngẫu nhiên Vì vậy ta chỉ có thể lập mô hình và xét các yếu tố riêng rẽ Trước tiên ta xét các yếu tố gây dao động Có 3 nguồn gây dao động:

Mấp mô mặt đường: Trong thực tế mấp mô mặt đường mang tính chất ngẫu

nhiên, chúng thay đổi trong quá trình xe chuyển động về độ cao mấp mô, khoảng

15

cách giữa các mấp mô Mấp mô được mô tả theo hàm thời gian h(t) hoặc hàm

chuyển vị của xe h(x); h là chiều cao mấp mô, t là thời gian chuyển động, x là

quãng đường xe chạy trong thời gian khảo sát Nếu cho trước vận tốc v thì ta có

quan hệ x(t)=vt Như vậy hai biến x và t là tương đương

Trường hợp đơn giản nhất ta chọn hàm tuần hoàn h  h0sin(2  ft ),trong

đó f là tần số kích động của mặt đường Nếu  là bước sóng đường ta có thể viết

lại như sau: h  h0sin(2  x / ) 

Gió: Ở nước ta, gió có cường độ mạnh, tác động đến ô tô đa phương đa chiều

với tính chất ngẫu nhiên, làm thay đổi xe chuyển động và về cơ bản tâm tác động

của gió không trùng với trọng tâm của xe Yếu tố đầu tiên gây dao động cho ô tô là

lực cản gió, tác động lên xe theo các phương chính diện và lực gió ngang

Lực quán tính: Khi ô tô chuyển động, lái xe thực hiện điều khiển xe theo ba

chức năng là phanh, tăng tốc, quay vô lăng riêng rẽ hoặc tích hợp, làm xuất hiện gia

tốc dọc, ngang, gây dao động lắc dọc và lắc ngang Ngoài ra, khi xe chạy, tải của

động cơ thay đổi, mô men quán tính của động cơ cũng gây dao động cho ô tô

16

Hình 1.2 Lực quán tính ảnh hưởng đến dao động ô tô

1.3 Ảnh hưởng của dao động ô tô

Dao động ô tô có ảnh hưởng đến sức khẻo con người, đặc biệt khả năng điều khiển của lái xe, ảnh hưởng đến hàng hóa Dao động của xe cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền lực của ô tô, làm mất ổn định chuyển động của nó Ngoài ra, tải của

bánh xe lên đường là yếu tố chính gây hư hỏng đường Sau đây ta xét các Tiêu chí

đánh giá dao động ô tô Phần lớn các tài liệu viết về dao động ô tô đều dùng khái

niệm “Chỉ tiêu về dao động” Hiện tại trên thế giới không có chỉ tiêu đánh giá dao động mà chỉ đánh giá theo một số Tiêu chí, xe này tốt xe kia không tốt Đã là chỉ

tiêu thì phải đạt ngưỡng mới được lưu hành

1.3.1 Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu

Hiện tại, người ta sử dụng “ISO 2631” của “International Standard Organization” và “VDI – 2057” của Tiêu chuẩn Công nghiệp Đức “Verein Deutsches Industrie Norm” để xác định về độ êm dịu cho người Tiêu chí đánh giá ảnh hưởng của dao động đến người là một hàm tích hợp của gia tốc, tần số kích động và thời gian tác động của dao động

- Tiêu chí đánh giá êm dịu cho người: k  f(z, f, t) (1.4)

Người ta dùng các công thức trên để đưa ra các đồ thị trong hình 1.3 Với các

ô tô thì 0,8 < k < 6,3 Hình 1.4 là biểu đồ phân bố k của một số loại xe Hình 1.5 là

đồ thị gia tốc ngưỡng tham số thời gian và phụ thuộc tần số kích động các phương

Tổn hại sức khỏe sau 1 phút, ISO 2631 Cảm giác mạnh Thoải mái sau 24h ISO 2631

Cảm giác tốt Cảm giác được Không cảm giác

1.3.2 Tiêu chí về không gian hệ thống treo

Hệ thống treo là bộ phận nối mềm giữa khối lượng được treo và không được treo mô tả như hình 1.7; chuyển động tương đối thường được hạn chế bởi vấu hạn chế hành trình Hạn chế hành trình xác định khoảng giá trị hành trình động nén và trả Giới hạn hành trình là không gian treo, xác định bởi các vấu hạn chế trên và dưới Để bảo đảm khả năng ổn định, không gian treo không được lớn quá Vì vậy tiêu chí không gian treo (1.5) rất khó đạt

20

z F h

m

L C A

An toàn động lực học được xác lập từ các lực tương tác bánh xe giữa lốp và

đường phương x và y; các lực đó lại phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng Fz Ta biết

F là giới hạn can thiệp; bánh xe tách khỏi mặt đường

Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho một bánh xe:

Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho toàn xe với i bánh xe:

Đối với sức khoẻ của người đặc biệt là của lái xe, dao động của xe có thể gây mệt mỏi, căng thẳng cho lái xe ảnh hưởng đến hoạt động lái xe, đặc biệt là phản xạ

để xử lý tình huống Đối với hàng hoá, dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng hoá như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay đổi tính chất của hàng hoá Đối với đường: khi

xe chạy trên đường, dao động của ô tô gây ra tải trọng động cùng với tải trọng tĩnh của xe làm hư hỏng đường và cầu cống Đối với ô tô, tác động từ mặt đường lên xe gây ra dao động làm va đập và gây ra tải trọng thay đổi đối với các chi tiết ô tô ảnh hưởng đến độ bền lâu của chi tiết vì vậy xuất hiện các dạng hỏng mỏi chi tiết Ngoài

ra dao động ô tô cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cũng như tính điều khiển hướng chuyển động của ô tô Thật vậy, dao động ô tô tạo lên các tải trọng động theo phương thẳng đứng trên các bánh xe làm thay đổi lực bám đường của bánh xe và tạo ra các gia tốc lắc làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe Chuyển động tương đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không gian cho hệ treo khi thiết

kế ô tô Từ các phân tích trên, người ta có thể dựa vào các tiêu chí sau để đánh giá ảnh hưởng của dao động đến ô tô Không thể có tiêu chí nhất quán cho tất cả xe ô

tô Tùy theo loại xe mà ta chọn các tiêu chí thích hợp

1.4 Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu dao động của ô tô tác động lên

mặt đường nhằm xác định ảnh hưởng các thông số sử dụng đối với các chỉ tiêu về

êm dịu, an toàn động lực học và độ thân thiện với môi trường Để từ đó tìm ra được quy luật phân bố tải trọng lên các cầu xe, hệ số bám tại từng bánh xe, và ổn định của hệ thống treo Làm cơ sở để từ đó tìm ra các giải pháp điều khiển hệ thống treo

cho phù hợp

22

Trong các hệ thống của ô tô thì hệ thống treo có vai trò hết sức quan trọng vì

nó liên quan đến vấn đề an toàn chuyển động của ô tô và vấn đề an toàn giao thông

và độ êm dịu, tính tiện nghi cho người ngồi trên ô tô Trên cơ sở đề tài “Nghiên

cứu các giải pháp điều khiển hệ thống treo ô tô” được chọn nghiên cứu để có một

các nhìn toàn diện khi xem xét vấn đề dao động, giúp học viên có cái nhìn đúng đắn khi chọn vấn đề nghiên cứu

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là Hệ nhiều vật MBS, tách cấu trúc, mô tả theo mô đun thuận tiện trong việc xác định các quan hệ nội hàm phù hợp cho phương pháp lập trình công nghiệp trong Matlab và phù hợp cho tư duy điều khiển Ô tô là một

hệ nhiều vật, các liên kết có và các nội lực liên kết có tính phi tuyến hình học và vật

lý, vì vậy phương pháp tách cấu trúc cho phép thay thế các đại lượng trước đây được mô tả bằng hệ số tuyến tính nay được thay bởi các hàm phi tuyến Ngoài ra tác giả còn sử dụng phương trình Newton-Euler và hệ tọa độ tương đối, thuận tiện cho

các sinh viên không chuyên cơ học và thuận tiện trong lập trình và mô phỏng

Thông qua việc nghiên cứu tổng quan, đề tài góp phần hoàn thiện phương pháp nghiên cứu hệ thống treo nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động ô tô theo quan điểm điện đại, đồng thời giới thiệu các phương pháp lập mô hình và tổng quan

các giải pháp điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống treo ô tô

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

Với mục tiêu đặt ra, đề tài “Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống

treo ô tô”, được trình bày theo 3 nội dung như sau: (i) các yếu tố gây dao động và

tiêu chí đánh giá dao động, (ii) phương pháp lập mô hình dao động và các mô hình dao động cơ bản và (iii) các hệ thống treo và diều khiển hệ thống treo

23

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG

Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực ngang, thẳng đứng và động lực học phương dọc:

hệ cố định G (OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B (Cxyz) Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý

hệ nhiều vật MBS

2.1 Phương pháp nghiên cứu động lực học ô tô

Chuyển động của ô tô là chuyển động phức hợp, gồm ba chuyển động tịnh tiến phương x, y, z và ba chuyển động góc    , , Để mô tả chuyển động phức hợp đó

ta cần thiết lập một hệ tọa độ cố định G(OXYZ), trong đó nó có quan hệ với các hệ tọa độ vật B(Cxyz) như là các hệ tọa độ con B(Cxyz) có thể quay với các góc

Hình 2.1 chỉ ra các lực và mô men làm ô tô chuyển động tịnh tiến, quay thân xe: (1) phản lực thẳng đứng từ đường lên bánh xe, (2) lực phanh, (3) lực kéo, (4) lực

24

bám ngang, (5) mô men chủ động phát ra từ động cơ, (6) mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng, (7) mô men quay thân xe trục y, (8) mô men quay thân xe trục x

Hình 2.1 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô

là một vài phép chuyển đổi cơ bản trong cơ học được trình bày Giả sử có một véc

tơ Br trong hệ B(Cxyz), chuyển sang hệ G(OXYZ) là Gr, được xác định qua ma trận xoay G R

25

Một điểm P trong hệ con B(Cxyz) có vec tơ gốc G

P

d so với hệ G(OXYZ) có vị trí trong hệ G như sau:

Gr GR rB Gd

Với G p , G L là động lượng và mô men động lượng trong hệ cố định G, ta xác định lực và mô men trong hệ G Biểu thức động lượng và mô men động lượng như (2.5):

26

Hình 2.3 Định nghĩa tương quan hệ tọa độ B(Cxyz ) với tọa độ bánh xe

Hệ tọa độ đặc biệt: Trong lĩnh vực động lực học ô tô, chúng ta chọn hệ có trục song song Cz và OZ như hình 2.2 Thân xe quay quanh trục oz góc , quay quanh trục oy góc  và quay quanh trục ox góc  Vec tơ G r trong hệ G được xác định từ

(2.11)

28

hợp thành lực F ,F , M X Y Z tại tâm C, xem hình (2.5) và (2.8) Hệ tọa độ cũng được định nghĩa trong hình gồm hệ B(Cxyz) tại tâm C của xe và tọa độ 4 bánh xe T Hình 2.7 trình bày sơ đồ các lực tại tâm vết tiếp xúc lốp – đường, chiếu xuống mặt phẳng nền ta có các cặp Fxj, Fyj, Mzj như hình 2.8 Như vậy, ta cần hệ phương trình Newton–Euler để mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng nền Phản lực nền lên bánh xe theo phương thẳng đứng Fzj có ảnh hưởng gián tiếp đến động lực học ô tô,

có thể tách riêng trong mô hình động lực học phương thẳng đứng mặt dù chúng liên kết với động lực học phương ngang

Hình 2.4 Định nghĩa hướng chuyển động ô tô trong hệ tọa độ G(OXYZ)

Hình 2.5 Hệ cục bộ xe B(Cxyz) và các lực tại tâm vết tiếp xúc bánh xe

29

Hình 2.6 Hệ tọa độ xe B(Cxyz) và hệ tọa độ tâm bánh xe T j (x j ,y j ,z j ) j=4

Hình 2.7 Các lực tương tác tại các tâm vết tiếp xúc lốp – đường

Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B(Cxyz):

Véc tơ gia tốc tương ứng được suy ra từ (2.18):

v

C    v v vx y z  (2.19) Véc tơ vận tốc quay thân xe:

31

1 2 3

y z

(2.22)

Thay các véc tơ từ (2.18 đến 2.22) vào phương trình tổng quát (2.16, 2.17) ta

có phương trình Newton (2.24) và Euler (2.26):

Trong mặt phẳng nền G(OXY), ta chỉ quay một góc  quanh trục OZ nên các

phép tính đơn giản hơn

x z y x

v (v v ) cos (v v )sin (2.42)

Phương trình (2.24) và (2.27) là hệ phương trình Newton–Euler tổng quát mô

tả động lực học ô tô (tích hợp) Tuy nhiên, để đơn giản tính toán và cũng phù hợp với ý tưởng lập trình và điều khiển, người ta tách ra hai hệ độc lập: động lực học trong mặt phẳng nền được xác lập bởi hệ phương trình Newton–Euler đơn giản (2.37) và (2.38);

35

2.3 Đặc điểm động lực học ô tô

Ô tô thuộc hệ nhiều vật, có các vật liên kết bởi các phần tử đàn hồi và các khớp đa dạng Lấy một ví dụ đơn giản là xe con, có thân xe “khối lượng được treo”liên kết với bánh xe “khối lượng không được treo” thông qua hệ thống treo Nói đơn giản, đây là hệ động lực học gồm năm khối lượng của hệ và một khối lượng tĩnh là nền đường Các lực liên kết giữa khối lượng được treo và không được treo có tính phi tuyến mạnh do: tính chất vật lý của giảm chấn và phần tử đàn hồi và phi tuyến hình học Liên kết giữa bánh xe với đường là liên kết dạng “khớp – đàn hồi – ma sát”; đặc trưng bởi truyền khớp, truyền đàn hồi và trượt: trượt đàn hồi và trượt lết/trượt quay Một hệ nhiều vật MBS, khi nghiên cứu, ta dùng phương pháp tách cấu trúc, các điểm cắt là các nội lực của hệ, khi tách ra, nó được coi là ngoại lực ảo của vật đó, và được sử dụng để viết phương trình chuyển động bởi hệ phương trình Newton – Euler Một vật chuyển động trong không gian tham gia ba chuyển động tịnh tiến được định nghĩa trong hệ tọa độ G(OXYZ) và B(Cxyz) và ba chuyển động góc vì các vật có mô men quán tính theo ba góc được định nghĩa trong

hệ tọa độ trong hình 2.2 Trong hệ trục thuận đó ta dùng các hệ phương trình (2.24), (2.27) để mô tả Như vậy, một mô hình động lực học ô tô phải được phân tích cấu trúc trước khi lập mô hình Mô hình theo cấu trúc có ba dạng: vỏ chịu lực như xe con, xe tăng, xe bọc thép; khung chịu lực như xe tải có hai dầm dọc và hai khối lượng được treo, cứng theo chiều uốn nhưng mền theo chiều xoắn và loại hỗn hợp như xe khách Hệ thống treo liên kết bánh xe – khung vỏ cũng phải được phân tích

và mô tả Hiện có bốn loại hệ treo: hệ thống treo độc lập, khi mô tả cần chú ý cả phi tuyến hình học lẫn phi tuyến vật lý; hệ thống treo phụ thuộc là loại liên kết động lực học; hệ thống treo cân bằng hai cầu; hệ thống treo cân bằng ba cầu liên tiếp

Hệ thống treo độc lập có liên kết động học còn các loại treo khác liên kết động lực học Khi mô tả đặc tính treo ta cần chú ý yếu tố phi tuyến vật lý và hình học của chúng Yếu tố hình học do “sin, cos” tạo ra, còn yếu tố phi tuyến vật lý do các phần tử đàn hồi, giảm chấn như khí nén, cao su, giảm chấn thủy lực gây ra Như vậy, tùy theo cấu trúc khung vỏ và kiểu hệ thống treo chúng ta có thể có nhiều mô hình động

36

lực học khác nhau như mô hình động lực học xe con, xe tải, xe kéo moóc và kéo bán moóc Chuyển động của ô tô khi chạy ở vận tóc lớn và phanh gấp, nhất là trên đường có hệ số bám thấp, các lực truyền là phi tuyến Vì vậy, phải chọn một mô hình lốp phù hợp

Lập mô hình động lực học/dao động ô tô gồm các bước sau:

(i) Phân tích đặc điểm cấu trúc khung vỏ, kiểu hệ thống treo, kiểu lốp;

(ii) Tách cấu trúc và xác định nội lực hệ thống treo, lực tương tác lốp–đường; (iii) Viết phương trình Newton–Euler cho các vật và liên kết các vật theo các

mô đun;

(iv) Giải hệ phương trình vi phân cấp 2 bằng phương pháp số

2.4 Các mô đun cơ bản

Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động góc Thân xe liên kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con Như vậy, động lực học

ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật, liên kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp Động lực học của ô tô được mô tả trong hệ

cố định G(OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B(Cxyz) Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS Trong sơ đồ hình (2.9) là cấu trúc hệ động lực học ô

tô

(i) Mô đun chính “XY” là mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng nền XOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương dọc x, phương ngang y và chuyển động quay thân xe; thông số đầu vào là các lực/mô men tương tác bánh xe F ,F , Mxj yj zj mà thông số ra là các đại lượng x, y, ; mx,my, J  z

(ii) Mô đun “Mô hình lốp” xác định lực/mô men tương tác bánh xe F ,F , Mxj yj zj Thông số đầu vào cho mô hình lốp là hệ số trượt dọc và hệ số lệch bên bánh xe Để xác định các hệ số trượt dọc ta cần mô đun động lực học “bánh xe” với thông số ra

37

là vận tốc góc  Các thông số động học bánh xe “vận tốc dọc, vận tốc ngang

wj wj

x , y ” được xác định qua ma trận xoay giữa hai hệ tọa độ cố định và cục bộ

Hình 2.9 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô

(iii) Mô đun bánh xe “R” mô tả động lực học (quay) của bánh xe trong mặt phẳng thẳng đứng

(iv) Mô đun “Động lực học ô tô phương thẳng đứng” nhằm xác định các phản lực Fzj bao gồm các mô đun con: mô đun dao động dọc; mô đun dao động ngang; mô đun dao động ngang cầu xe; mô đun hệ thống treo Trong mô đun bánh

xe “lốp” có thông số vào F zj, vì vậy ta cần thiết lập mô hình động lực học phương thẳng đứng z Trong mô đun này có mô đun động lực học thẳng đứng thân xe dọc

và ngang, cầu xe, mô đun “hệ thống treo”

2.5 Phân tích cấu trúc hệ thống treo của ô tô

Mô hình dao động của ô tô phần lớn là phi tuyến Yếu tố phi tuyến bao gồm hai nguồn:

Hình 2.10 Hệ thống treo cầu sau của Mercedes–Benz

1 Dầm cầu, 2 Giá cầu, 3 Đòn trên cơ cấu hướng, 4 Bánh xe, 5 Đòn trên, 6 Thanh ổn định, 7 Điều chỉnh độ chụm, 8 Đòn dưới, 9 Đòn dưới điều chỉnh

góc,Camber, 10 May ơ bánh xe

Hình 2.11 Hệ thống treo cầu trước của Mercedes–Benz

1 Dầm cầu trước, 2 Bánh xe, 3 Đòn kéo thanh ổn định, 4 Hình thang lái, 5 Cơ cấu lái bánh răng thanh răng, 6 Đòn cân bằng, 7 Thanh ổn định, 8 Ổ cầu, 9.Giá

đỡ, 10 Cụm treo

39

Hình 2.12a Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz

Hình 2.12b Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz cân bằng

Khi thành lập mô hình dao động, chúng ta phải xem xét cấu trúc hệ thống treo Theo cơ cấu hướng chúng ta có ba loại hệ thống treo là:

(i) Hệ thống treo độc lập;

(ii) Hệ thống treo phụ thuộc;

40

(iii) Hệ thống treo cân bằng 2 cầu hoặc 3 cầu

Nếu xét về loại phần tử đàn hồi ta có hệ thống treo có phần tử đàn hồi kim loại, cao su hoặc khí nén, hình 2.12 Xét về tính chất điều khiển chúng ta có hệ thống treo truyền thống, treo bán tích cực và treo tích cực

Thân xe được gọi là khối lượng được treo, có ba loại kết cấu:

 Vỏ chịu lực như xe con, xe bọc thép;

 Khung xoắn chịu lực như xe tải;

 Khung vỏ chịu lực hỗn hợp như xe khách

Với ba loại kết cấu khung vỏ, ba loại hệ thống treo chúng ta có thể thiết lập 9 loại mô hình dao động ô tô Việc thành lập mô hình nào là dựa vào mục đích nghiên cứu và cấu trúc ô tô Sau đây chúng ta nêu ba loại mô hình cơ bản làm cơ sở cho các lựa chọn khi nghiên cứu động lực học:

(i) Mô hình động lực học 1/4 là mô hình cơ bản, nghiên cứu tối ưu hệ thống treo cổ điển, nghiên cứu hệ thống treo điều khiển;

(ii) Mô hình dao động 1/2 dọc và ngang dùng để nghiên cứu dao động liên kết, bài toán ổn định dọc và ngang, bài toán động lực học phanh ô tô và tăng tốc; (iii) Mô hình 4/4 chủ yếu dùng trong nghiên cứu động lực học và đánh giá tổng thể dao động ô tô

Bộ phận đàn hồi đặc trưng bởi độ cứng C Bộ phận cản đặc trưng bởi độ cản K

là bộ phận cơ bản của hệ thống treo, nằm giữa khối lượng được treo và không được treo Hệ thống treo còn có một bộ phận quan trọng nữa là cơ cấu hướng, đó là các thanh đòn liên kết khối lượng được treo với khối lượng không được treo, nó xác lập quan hệ hình học giữa bánh xe và khung xe Do đặc tính liên kết khác nhau mà ta có thể phân ra ba loại treo:

 Hệ thống treo độc lập, thường có ở xe con và xe tăng

 Hệ thống treo phụ thuộc, thường có ở xe tải

 Hệ thống treo cân bằng, thường có ở xe nhiều cầu: hai cầu cân bằng và ba cầu cân bằng