MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG SỬ DỤNG PID.

Với đề tài nghiên cứu về hệ thống treo chủ động với bộ điều khiển PID giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hệ thống treo ô tô cũng như nguyên lý hoạt động của một hệ treo chủ động. Đề tài là sự liên hệ giữa lý thuyết điều khiển và mô hình thực tế. Đây là một đề tài hay, kết hợp giữa kỹ thuật thu thập tín hiệu và các bộ điều khiển vòng kín nhằm tạo ra một hệ thống có tính tự động.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ -  -

Msv:1141020168

Mở đầu

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

xe xuất xưởng, đồng thời trang bị kiến thức cho những người dân mua và sử dụng xe có hiệu quả kinh tế cao

Khi xe chuyển động trên đường, có rất nhiều yếu tố tác động như: tải trọng, vận tốc chuyển động, lực cản không khí, điều kiện mặt đường… những yếu tố này luôn thay đổi

và gây ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình chuyển động của xe Chúng làm quá trình chuyển động của xe mất ổn định, gây mệt mỏi cho người sử dụng, làm giảm tuổi thọ của xe… và đặc biệt là gây mất an toàn tính mạng cho người ngồi trên xe Với yêu cầu ngày càng cao của công nghệ vận tải thì tính tiện nghi của ô tô ngày càng phải hoàn thiện hơn, đặc biệt là tính êm dịu chuyển động của xe để tạo cho con người cảm giác thoải mái khi ngồi trên xe, các nhà sản xuất xe hàng đầu thế giới đã và đang không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm của mình về kiểu dáng, độ bền, và đặc biệt sự tiện nghi, thân thiện mang lại sự thoải mái, an toàn cho người sử dụng Và một trong những nghiên cứu nhằm đáp ứng những yêu cầu trên đó là nghiên cứu về hệ thống treo

Với đề tài nghiên cứu về hệ thống treo chủ động với bộ điều khiển PID giúp chúng

ta hiểu rõ hơn về hệ thống treo ô tô cũng như nguyên lý hoạt động của một hệ treo chủđộng Đề tài là sự liên hệ giữa lý thuyết điều khiển và mô hình thực tế Đây là một đề tàihay, kết hợp giữa kỹ thuật thu thập tín hiệu và các bộ điều khiển vòng kín nhằm tạo ramột hệ thống có tính tự động

Trong suốt quá trình thực hiện bài tập lớn, nhóm chúng em đã nhận được sự địnhhướng, chỉ dẫn tận tình của thầy Khổng Minh Vì vậy, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơnsâu sắc đối với thầy trong suốt thời gian vừa qua Do năng lực còn hạn chế nên trong bàitập lớn còn không tránh khỏi nhứng sai xót, nhóm em mong nhận được sự đóng góp ýkiến của các thầy và các bạn để bài tập được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO TRÊN ÔTÔ 3

I.CÔNG DỤNG 3

II.CẤU TẠO 3

1.Bộ phận đàn hồi………4

2.Bộ phận giảm chấn……….5

3 Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định) 6

III.YÊU CẦU 8

IV.HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG 9

1.Hệ thống treo sử dụng lưu chất biến từ 9

2.Hệ thống treo khí nén điện tử 11

3.Hệ thống treo MAGIC BODY CONTROL 13

4.Hệ thống treo điện từ BOSE 14

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 17

I.YÊU CẦU THIẾT KẾ 17

II.THIẾT LẬP VẬT LÝ 17

1.Mô hình vật lý 17

2.Mô hình toán học 18

3.Khảo sát hệ thống hở 19

CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 22

I.ĐIỀU KHIỂN TỈ LỆ 23

II.Điều khiển tỉ lệ -vi phân 24

III ĐIỀU KHIỂN PID 26

+ Khi ô tô chuyển động, nó cùng với lốp hấp thụ và cản lại các rung động, các dao động

và các va đập tác dụng lên xe do mặt đường không bằng phẳng, để bảo vệ hành khách, hành lý và cải thiện tính ổn định

+ Xác định động học chuyển động của bánh xe, truyền lực kéo, và lực phanh sinh ra do

ma sát giữa mặt đường và các bánh xe, lực bên và các mô men phản lực tới gầm và thân xe

+ Dập tắt các dao động thẳng đứng của khung vỏ sinh ra do ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng Khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng sẽ chịu những dao động do mặt đường mấp nô sinh ra Những dao động này ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ của xe, hàng hóa và đặc biệt là ảnh hưởng tới hành khách Theo số liệu thống kê cho thấy, khi ôtô chạy trên đường gồ ghề, so với ôtô cùng loại chạy trên đường tốt bằng phẳng thì tốc độ trung bình giảm 40 – 50%, quãng đường chay giữa hai chu kỳ đại tu giảm 35 – 40%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 50 – 70%, do vậy năng suất vận chuyển giảm 30 – 40%, giá thành vận chuyển tăng 50 – 70% Ngoài ra, nếu con người phải chịu đựng lâu trong tình trạng xe chạy bị rung xóc nhiều dễ sinh ra mêt mỏi Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của dao động ôtô tới cơ thể người đều đi tới kết luận là con người nếu phải chịu đựng lâu trong môi trường dao động của ôtô sẽ mắc phải những bệnh về thần kinh và não Vì vậy, tính êm dịu chuyển động là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng xe Tính êm dịu của ôtô phụ thuộc vào kết cấu của xe

và trước hết là hệ thống treo, phụ thuộc vào đặc điểm và cường độ kích thích, và sau đó

là phụ thuộc vào trình độ của lái xe Lực kích thích gây dao động có thể do sự không cânbằng của liên hợp máy hoặc do độ nhấp nhô của mặt đường không bằng phẳng Nếu chỉ xét trong phạm vi khả năng chế tạo ôtô thì hệ thống treo mang tính chất quyết định đến

độ êm dịu chuyển động của ôtô

II.CẤU TẠO

Về cơ bản hệ thống treo gồm 3 bộ phận chính là bộ phận đàn hồi, bộ phận giảm chấn và

bộ phận dẫn hướng

1.Bộ phận đàn hồi

Tạo điều kiện cho bánh xe dao động, có tác dụng đưa tần số dao động của xe phù hợp vớivùng tần số thích hợp với người sử dụng, đảm bảo độ êm dịu khi xe chuyển động

- Nhíp (Chủ yếu trên các xe tải)

- Lò xo (Chủ yếu trên xe con)

- Thanh xoắn (Xe con)

- Khí nén (Xe con hạng sang như Merc S class, BMW 7 xe bus)

- Cao su (Ít gặp)

Bó nhíp (càng nhiều lá nhíp thì khả năng chịu tải càng cao nhưng độ êm dịu sẽ giảm xuống)

2.Bộ phận giảm chấn

Có tác dụng dập tắt dao động của bánh xe và thân xe để đảm bảo cho bánh xe bám đườngtốt hơn, giúp tránh không bị rung lắc mạnh, tăng tính êm dịu và ổn định

- Giảm chấn thủy lực (Đa số các xe hiện nay đều sử dụng loại này)

- Ma sát cơ (các lá nhíp trên hệ thống treo cũng đóng 1 phần vai trò giảm chấn nhờ ma sátgiữa các lá nhíp

3 Bộ phận dẫn hướng (thanh ổn định)

Có chức năng tiếp nhận, truyền lực và mô-men giữa bánh và khung xe Cũng căn cứ theo điều này, hệ thống treo thường được chia làm hai loại chính là treo độc lập và treo phụ thuộc

- Treo độc lập: 2 bánh xe dao động độc lập với nhau,ko có dầm cầu nối giữa 2 bánh

- Treo phụ thuộc: dầm cầu liên kết 2 bánh xe với nhau.Hệ thống treo phụ thuộc:

Các bánh xe được nối trên 1 dầm cầu liền, các chi tiết hệ thống treo sẽ nối dầm cầu với thân xe

So với hệ thống treo độc lập thì các chi tiết ít và đơn giản hơn, độ bền cao và phù hợp vớicác loại ô tô tải Do khối lượng phần không được treo lớn nên kém êm dịu và ổn định, xe

So với hệ thống treo phụ thuộc phần không được treo nhỏ nên khả năng bám đường của bánh xe cao, tính êm dịu chuyển động cao Do không có dầm cầu liền nối thân xe nên có thể bố trị trọng tâm xe thấp đi, nhưng ngược lại hệ thống treo độc lập có cấu trúc phức tạphơn,…

Ngoài ra còn có các hệ thống treo độc lập 2 đòn ngang, hệ thống treo khí nén, hệ thống treo MacPherson hoạt động dựa trên nguyên tắc và những bộ phận cơ bản ở trên với công nghệ và độ phức tạp cao hơn mang lại sự thoải mái, tính êm dịu cho người dùng

III.YÊU CẦU

Đảm bảo cho ôt ô có tính năng êm dịu tốt khi chạy trên đường cứng và bằng phẳng,có nghĩa là thỏa mãn các chỉ tiêu: Đối với xe chở khách - Tần số dao động f= 1÷ 1,5 Hz Tuy nhiên khi tính toán hệ thống treo trên ôtô người ta sử dụng các thông số: Số lần dao động trong 1 phút n: n = 60 ÷ 90 lần/phút

- Đảm bảo gia tốc dao động trong giới hạn cho phép,

- Đảm bảo vận tốc dao động trong giới hạn cho phép

+ Đảm bảo cho xe chạy với tốc độ giới hạn khi chạy trên đường xấu mà không có va đập lên các ụ đỡ,

+ Đảm bảo đúng động học của các bánh xe dẫn hướng khi chúng dao động trong mặt phẳng thẳng đứng,

+ Dập tắt nhanh các dao động của thùng và vỏ xe,

+ Giảm độ nghiêng bên của thùng xe khi quay vòng

1.Hệ thống treo sử dụng lưu chất biến từ

Hệ thống treo cho phép thay đổi được độ cứng của giảm chấn theo điều kiện làm việc dựa trên nguyên lý điện từ, theo đó trong dầu thủy lực của giảm chấn có sử dụng một số hạt kim loại siêu nhỏ Trong quá trình làm việc, từ trường do hệ thống kiểm soát tạo ra sẽ tác động lên các hạt kim loại này và làm thay đổi độ nhớt của dầu thủy lực, từ đó “độ cứng” của giảm chấn sẽ được thay đổi để phù hợp với điều kiện vận hành của xe

Hệ thống này làm việc dựa trên bộ điều khiển cùng 5 cảm biến được bố trí để phát hiệnnhững chuyển động của thân xe Dựa vào dữ liệu của các cảm biến, bộ điều khiển sẽ thực

hiện tăng hoặc giảm độ cứng của giảm chấn theo từng điều kiện cụ thể Ngoài 5 cảm biếnchính, thì còn có thêm một số cảm biến được đặt bên trong giảm chấn để đo vị trí và áp suất thủy lực.

Các hạt điện từ hoat động tự do cho lưu thông dầu tốt hơn (mềm hơn), khi có tác động

từ trường từ hệ thống điều khiển sẽ xếp thẳng hàng, khiến lưu thông dầu khó khăn hơn,

từ đó khiến giảm chấn trở nên cứng hơn.

Công nghệ này không chỉ giúp tăng tuổi thọ hệ thống giảm chấn, tiết kiệm nhiên liệu

mà còn giúp người lái có được cảm giác thoải mái nhất trên đường.Do chất lỏng MR chỉ

có 20-40% là hạt kim loại điện tử nên nó vẫn đảm bảo lưu thông như dầu chịu nén thông thường trong ống giảm chấn mà không gây ra bất kì tác hại nào như các hạt mạt kim loại thông thường, cũng như không gây ra bất cứ bất cập nào như thiếu áp suất, mất áp suất hay rò áp suất như hệ thống khí nén điện tử tự điều chỉnh

2.Hệ thống treo khí nén điện tử

Hệ thống treo khí nén - điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý không khí có tính đàn hồikhi bị nén Với những ưu điểm và hiệu quả giảm chấn của khí nén, nó có thể hấp thụ những rung động nhỏ do đó tạo tính êm dịu chuyển động tốt hơn so với lò xo kim loại, dễdàng điều khiển được độ cao sàn xe và độ cứng lò xo giảm chấn

Khi hoạt động máy nén cung cấp khí tới mỗi xi lanh khí theo các đường dẫn riêng, do

đó độ cao của xe sẽ tăng lên tương ứng tại mỗi xi lanh tuỳ theo lượng khí được cấp vào Ngược lại độ cao của xe giảm xuống khi không khí trong các xi lanh được giải phóng ra ngoài thông qua các van Ở mỗi xi lanh khí nén có một van điều khiển hoạt động ở theo hai chế độ bật - tắt (on - off) để nạp hoặc xả khí theo lệnh của ECU Với sự điều khiển của ECU, độ cứng, độ đàn hồi của từng giảm chấn trên các bánh xe tự động thay đổi theo

độ nhấp nhô của mặt đường và do đó hoàn toàn có thể khống chế chiều cao ổn định của xe

Hình1: Sơ đồ bố trí hệ thống treo khí nén điện tử.

Các chi tiết trong hệ thống treo: 1: Giảm xóc khí nén tự động điều chỉnh độ giảm chấn; 2: cảm biến gia tốc của xe; 3: ECU (hộp điều khiển điện tử của hệ thống treo); 4: Cảm biến 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: dường dẫn khí.

Ưu điểm hệ thống treo khí nén - điện tử

"Thông minh" và "linh hoạt" đó là những gì có thể nói về hệ thống treo khí nén - điện

tử Khả năng điều chỉnh độ cứng của từng xi lanh khí cho phép đáp ứng với độ nghiêng khung xe và tốc độ xe khi vào cua, góc cua và góc quay vô lăng của người lái Như vậy, khi xe chạy, độ cứng các ống giảm xóc có thể tự động thay đổi sao cho cơ chế hoạt động của hệ thống treo được thích hợp và hiệu quả nhất đối với từng hành trình Ví dụ khi phanh, độ nhún các bánh trước sẽ cứng hơn bánh sau, còn khi tăng tốc thì ngược lại

Hệ thống treo khí nén - điện tử tự động thích nghi với tải trọng của xe, thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình Ví dụ: Độ cao bình thường được tự động xác lập khi vận tốc xe đạt 80 km/h Nếu các cảm biến tốc độ ghi nhận được rằng kim đồng hồ tốc độ đã vượt qua mức 140 km/h thì hệ thống tự động hạ gầm xe xuống 15mm

so với tiêu chuẩn

3.Hệ thống treo MAGIC BODY CONTROL

Hệ thống sử dụng một máy quay stereo được đặt phía sau kính chắn gió "Máy quay này đo đạc đường đi cách 15 mét phía trước xe với độ chính xác đo đạc chiều cao cao hơn khoảng 3 mm" Quá trình này cung cấp một bức tranh chính xác về tình trạng mặt đường Cùng với thông tin về điều kiện lái, thiết bị điều khiển liên tục tính toán chiến lược điều khiển tốt nhất để giải quyết mặt đường gồ ghề Dựa trên thông tin này, hệ thốngtreo chủ động có thể khiến bộ giảm chấn cứng hơn hoặc mềm hơn trong vòng một phần giây trước đó và cho từng bánh xe riêng biệt, đồng thời tăng hoặc giảm tải trọng trên từngbánh xe thông qua hệ thống thủy lực chủ động Điều này có thể giảm đáng kể chuyển động của thân xe Do ROAD SURFACE SCAN là hệ thống hoạt động dựa trên máy quay, hệ thống này hoạt động vào ban ngày trong tình trạng khả năng quan sát tốt và trên các mặt đường phù hợp cũng như ở vận tốc tối đa 130 km/h

MAGIC BODY CONTROL được phát triển dựa trên hệ thống treo ABC (Active BodyControl (Kiểm soát Thân xe Chủ động)) có hệ thống treo chủ động, cải thiện cả sự thoải mái lẫn linh động khi lái xe Đối với Active Body Control từ Mercedes-Benz, bốn thanh chống lò xo được lắp các xy lanh thủy lực để lực trong từng thanh chống lò xo có thể được điều chỉnh riêng biệt Kết quả là, các chuyển động dọc, lăn và trượt mà thân xe phảichịu gần như đều được bù trừ Thiết bị điều khiển nhận thông tin về điều kiện lái hiện tại

từ nhiều cảm biến tăng tốc khác nhau rồi so sánh với dữ liệu từ cảm biến áp lực trong thanh chống lò xo và cảm biến mức độ trên cần điều khiển Sau đó, hệ thống tính toán tín hiệu điều khiển cho các van thủy lực trợ lực trên cầu trước và cầu sau, nhằm đo lưu lượngdầu thích hợp Tất cả các kết quả này mang đến sự kết hợp kỳ diệu giữa sự thoải mái tối

ưu và linh hoạt khi lái xe

4.Hệ thống treo điện từ BOSE

Hệ thống sử dụng một động cơ tuyến tính dựa trên của một củ loa phóng thanh với thành phần gồm có một cục nam châm và một cuộn dây điện từ, thứ có nhiệm vụ đẩy phần vành loa ra và vào, có thể được “thổi phồng” kích cỡ lên để di chuyển hẳn một chiếc xe hơn 450 kg ở mỗi góc Nó được tính toán sử dụng những mô tơ điện từ, bộ khuếch đại công suất, thuật toán điều khiển, và bộ vi xử lý công suất tốt hơn và mạnh mẽ

- tất cả những thừ mà ông tin tưởng rằng sẽ có trong tương lai

Thông qua bài thử nghiệm, ngườt xem đã có thể nhận một sự khác biệt rất rõ ràng khi đoạn đường gồ ghề đã khiến chiếc Lexus nguyên bản bị rung lắc khó chịu ra làm sao, nhưng dường như không gây nên một chút cảm giác gì với chiếc đã lắp hệ thống treo Bose Project Sound không những làm giảm độ xóc trên đường gồ ghề mà còn chủ động đối phó với chúng

Hệ thống treo điện từ Bose được lắp đặt ở chiếc Lexus LS400

Sự khác biệt giữa hai xe Lexus LS400, bên trên là nguyên bản và bên dưới có hệ thống treo Bose, khi đi qua đường gồ ghề

Mô tơ tuyến tính được lắp đặt ở mỗi góc thay thế cho lò xo và giảm xóc truyền thống

CHƯƠNG II:

PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

I.YÊU CẦU THIẾT KẾ

Một hệ thống treo của xe tốt nên đạt yêu cầu chắc chắn, trong khi vẫn cung cấp sự thoải mái khi đi qua các ổ gà, gờ giảm tốc, các vệt lồi lõm trên đường Khi xe đang gặp bất kỳ

sự xáo trộn đường (các vết lồi lõm, vết nứt và không đồng đều vỉa hè), thân xe nên không

có dao động lớn và các dao động nên tiêu tan một cách nhanh chóng Vì khoảng cách

X1-W là rất khó khăn để đo lường và biến dạng của lốp (X2-X1-W) là không đáng kể, chúng ta

II.THIẾT LẬP VẬT LÝ

1.Mô hình vật lý

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng trong thiết kế của xe Khi đi qua những đoạn đường

"ổ gà" gồ ghề, hệ thống này loại bỏ những dao động thẳng đứng, hạn chế các ảnh hưởng

cơ học đến khung và các chi tiết kim loại, tránh việc xe bị "chồm" lên quá nhiều, đồng thời đem lại sự thoải mái cho người ngồi trong xe.Thiết kế hệ thống treo ô tô là một vấn thú vị và đầy thử thách Khi hệ thống treo được thiết kế, chúng ta cần mô hình ¼ chiếc xe(một trong bốn bánh xe) được sử dụng để đơn giản hóa vấn đề lên 1 hệ lò xo giảm chấn

Sơ đồ của hệ thống này được thể hiện như sau: