Các giải pháp nâng cao tính êm dịu, ổn định, an toàn và kinh tế của ô tô trong các hệ thống treo hiện đại

Bài viết giới thiệu một số giải pháp mới làm tăng tính êm dịu, độ ổn định, tính an toàn, tính kinh tế của ô tô, các giải pháp này đã được các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới nghiên cứu và sử dụng trong các hệ thống treo ô tô hiện đại.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH ÊM DỊU, ỔN ĐỊNH, AN TỒN VÀ KINH TẾ CỦA Ơ TÔ TRONG CÁC HỆ THỐNG TREO HIỆN ĐẠI THE SOLUTIONS INCREASE SMOOTHNESS, STABILITY, SAFETY AND ECOMOMIIC EFFICENCY OF AUTOMOBILES IN MODERN SUSPENSION SYSTEMS Lê Hữu Sơn, Trần Văn Trung, Trần Đức Kết Trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh Tóm tắt: Dao động tơ trình chuyển động ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ xe, đến sức khỏe người tham gia phương tiện, tính êm dịu, độ ổn định, tính kinh tế thơng số quan trọng xe Bài báo giới thiệu số giải pháp làm tăng tính êm dịu, độ ổn định, tính an tồn, tính kinh tế tơ, giải pháp hãng sản xuất ô tô lớn giới nghiên cứu sử dụng hệ thống treo tơ đại Từ khóa: Hệ thống treo; tính an tồn; tính êm dịu; tính ổn định; tính kinh tế Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: Automobile oscillating in the motion impacts significantly on the life of the vehicle, to the health of the person sitting in the car, so smoothness, stability, economic efficency are important parameters of the car This paper presents some new solutions increasing the smoothness, stability, safety and ecomonic efficency of the car, these solutions have been studied and used in suspension systems of modern cars by the largest automobile manufacturers in the world Keywords: Suspension system; safety; smoothness; stability; economic efficency Classification number: 2.1 Giới thiệu Khi ôtô chuyển động đường không phẳng, xe phải chịu tải trọng nhiều dao động bề mặt đường gập gềnh, mấp mô sinh Những dao động ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ xe, gây cảm giác không thoải mái người ngồi xe Nếu người phải chịu đựng lâu môi trường dao động ô tô mắc bệnh thần kinh Vì tính êm dịu chuyển động tiêu quan trọng xe Tính êm dịu xe phụ thuộc vào nhiều yếu tố, hệ thống treo có ảnh hưởng định Hệ thống treo xe ngày thường sử dụng hai kiểu chính: Hệ thống treo phụ thuộc hệ thống treo độc lập Hai hệ thống treo khác cấu tạo mục đích làm giảm rung, xóc xe vận hành đường không phẳng, tạo điều kiện cho bánh xe dao động theo phương thẳng đứng, tránh dao động lắc ngang hay lắc dọc đồng thời đảm bảo truyền lực mô men ổn định Với hệ giảm chấn mềm hệ thống treo tạo nhiều rung động đàn hồi làm việc, ngược lại với hệ cứng làm cho xe bị xóc mạnh [1] Giảm chấn chi tiết quan trọng hệ thống treo xe Hệ thống treo sử dụng nhíp lá, lị xo xoắn…làm giảm chấn đời từ sớm chưa thể đáp ứng đòi hỏi cao độ êm dịu xe Hiện chuyên gia dành nhiều thời gian nghiên cứu cải tiến Ứng dụng tiến khoa học để làm giảm chấn Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 [2], tăng hiệu làm việc hệ thống treo như: Sử dụng bạc giảm ma sát, khí áp suất cao, van điện tử, trường điện từ, tận dung lượng thải hệ thống treo v.v Sau số giải phát hãng sản xuất ô tô áp dụng cho hệ thống treo đời Hệ thống treo khí nén – điện tử EAS (Electronic Airmatic System) Hệ thống treo khí xuất từ năm 1950 với hệ thống treo Mc Pherson Ở hệ thống treo khí nén người ta sử dụng gối cao su chứa khí nén thay dùng lị xo xoắn, nhíp hay xoắn Nhưng thời kỳ ngành công nghệ vật liệu chưa đáp ứng độ bền yêu cầu kĩ thuật cho chi tiết hệ thống treo khí nén nên người ta phải dùng lị xo xoắn, nhíp lá, xoắn làm cấu giảm chấn Ngày nhà thiết kế ôtô ứng dụng nhiều thành tựu công nghệ vật liệu, kỹ thuật - điện tử đời hệ thống treo có tính vượt trội Một hệ thống hệ thống treo khí nén - điện tử EAS dùng cho dòng xe cao cấp Audi, BMW, Lexus… Ở hệ thống treo người lái lựa chọn, điều chỉnh độ đàn hồi cho thích hợp với chế độ vận hành xe đường thông qua công tắc điều khiển lựa chọn chế độ “Comfort” hay “Sport” Chế độ "Comfort": Tạo êm dịu tối đa cho người ngồi xe chế độ "Sport" tăng độ ổn định an toàn xe chạy tốc độ cao Hệ thống treo khí nén - điện tử hoạt động dựa nguyên lý khơng khí có tính đàn hồi bị nén Với ưu điểm hiệu giảm chấn khí nén, hấp thụ rung động nhỏ tạo tính êm dịu chuyển động tốt so với lò xo kim loại, dễ dàng điều khiển độ cao sàn xe độ cứng lò xo giảm chấn Khi hoạt động máy nén cung cấp khí tới xi lanh khí theo đường dẫn riêng, độ cao xe tăng lên tương ứng xi lanh tuỳ theo lượng khí cấp vào Ngược lại độ cao xe giảm xuống khơng khí xi lanh ngồi qua van Ở xi lanh khí nén có van điều khiển hoạt động hai chế độ đóng - ngắt (ON - OFF) để nạp xả khí theo lệnh điều khiển điện tử (ECU Eelectronic Control Unit) Do có điều khiển ECU, nên độ cứng, độ đàn hồi giảm chấn bánh xe tự động thay đổi theo độ mấp mơ mặt đường hồn tồn khống chế chiều cao ổn định xe Kết hợp chế độ "giảm chấn, độ cứng lò xo, chiều cao xe" tạo êm dịu tối ưu xe hoạt động Ví dụ: Khi chọn chế độ "Comfort" ECU điều khiển lực giảm chấn "mềm", độ cứng lò xo "mềm" chiều cao xe "trung bình" Nhưng chế độ "Sport" cần cải thiện tính ổn định xe chạy vận tốc cao, quay vòng ngoặt… lực giảm chấn "trung bình", độ cứng lò xo "cứng", chiều cao xe "thấp" v.v Các phận hệ thống treo khí nén - điện tử EAS bao gồm: - Giảm xóc khí nén: Trong xi lanh, có giảm chấn để thay đổi lực giảm chấn theo ba chế độ (mềm, trung bình, cứng), buồng khí buồng khí phụ để thay đổi độ cứng lò xo theo hai chế độ (mềm, cứng), có màng để thay đổi độ cao xe theo hai chế độ (bình thường, cao) ba chế độ (thấp, bình thường, cao) Lượng khí vào buồng bốn xi lanh khí thơng qua van điều khiển độ cao Van điều khiển độ cao có nhiệm vụ cấp xả khí nén vào, TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 khỏi buồng bốn xi lanh khí nén (phía trước bên phải trái, phía sau bên phải trái) Khí nén hệ thống cung cấp máy nén khí Hình Sơ đồ bố trí hệ thống treo khí nén điện tử tơ [5] - Giảm xóc khí nén tự động điều chỉnh độ giảm chấn; - Cảm biến gia tốc xe; - Bộ điều khiển điện tử (ECU); - Cảm biến độ cao xe; - Cụm van phân phối cảm biến áp suất khí nén; - Máy nén khí; - Bình chứa khí nén; - Đường dẫn khí Cảm biến độ cao xe: Cảm biến điều khiển độ cao trước gắn vào thân xe đầu điều khiển nối với giá đỡ giảm chấn Với hệ thống treo sau, cảm biến gắn vào thân xe đầu điều khiển nối với đòn treo Những cảm biến liên tục theo dõi khoảng cách thân xe đòn treo để phát độ cao gầm xe điều khiển thay đổi lượng khí nén xi lanh khí Cảm biến tốc độ: Cảm biến tốc độ gắn đồng hồ đo tốc độ xe, ghi nhận gửi tín hiệu tốc độ xe đến ECU hệ thống treo Bộ điều khiển điện tử: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ tất cảm biến để điều khiển lực giảm chấn độ cứng lò xo, độ cao xe theo điều kiện hoạt động xe thông qua phần tử thực điều khiển hệ thống Phần tử thực đặt đỉnh xi lanh khí Phần tử thực đồng thời dẫn động van quay giảm chấn van khí xi lanh khí nén để thay đổi lực giảm chấn độ cứng hệ thống treo Hệ thống treo khí nén - điện tử có ưu điểm bật điều khiển "thơng minh" "linh hoạt" Khả điều chỉnh độ cứng xi lanh khí cho phép đáp ứng với độ nghiêng khung xe tốc độ xe vào cua, góc cua góc quay vơ lăng người lái Như vậy, xe chạy, độ cứng ống giảm xóc tự động thay đổi cho chế hoạt động hệ thống treo thích hợp hiệu hành trình Ví dụ phanh, độ nhún bánh trước cứng bánh sau, cịn tăng tốc ngược lại Hệ thống treo khí nén - điện tử tự động thích nghi với tải trọng xe, thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình Ví dụ: Độ cao bình thường tự động xác lập vận tốc xe đạt 80 km/h Nếu tốc độ xe đo vượt mức 140 km/h hệ thống tự động hạ gầm xe xuống 15mm so với tiêu chuẩn [5] Ở hệ thống treo khí nén - điện tử lị xo xoắn thay túi khí cao su nên giảm bớt phần trọng lượng xe Bớt khối lượng xe cho phép lốp xe chịu tải tốt điều kiện mặt đường không phẳng mà ảnh hưởng đến độ cân xe, cảm giác lái nhẹ nhàng dễ chịu Hệ thống treo khí nén điện tử, đảm bảo xe đường mấp mô hay ổ gà, không ảnh hưởng nhiều đến người ngồi xe Hệ thống treo khí nén điện tử có nhược điểm cần phải có thêm máy nén khí hệ thống khí nén, làm cho kết cấu hệ thống phức tạp tăng giá thành xe Hệ thống treo động học Hệ thống treo động học ứng dụng thủy lực cho phép xe vận hành tốt 6 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 Từ phát minh kỹ sư người Úc Chris Heyring việc kiểm soát chuyển động bánh xe thân xe ô tô, công ty Tenneco phát triển công nghệ thành hệ thống treo động học piston hai hiệu lực Van điều chỉnh lưu lượng dầu (4) hiệu chỉnh điện tử Ở hệ thống treo động học giảm chấn thủy lực truyền thống sử dụng thêm lỗ phun hạn chế dòng dầu chảy qua piston để tạo hiệu ứng hãm Thông thường yêu cầu khác hệ thống treo mâu thuẫn với như: tác động từ bánh xe (xóc) cần đáp ứng mềm hệ thống treo, tác động sức nặng xe địi hỏi cứng cáp hệ thống treo Hình thể hệ thống treo động học dựa ý tưởng Heyring Ở hệ treo này, tám buồng thủy lực bên bốn xi lanh thủy lực (1) kết nối với Buồng phía bên xe kết nối thủy lực tới buồng phía bên đối diện ngược lại, hai buồng ngăn piston Khi bánh bị xóc, chuyển động hệ thống treo động học tương ứng hút dầu vào buồng đẩy dầu khỏi buồng bên piston Để giảm thiểu nhiễu tới góc cịn lại xe, hai bầu góp đóng vai trị bình điều hịa Lực hãm sinh dòng dầu phun qua lỗ phun gắn ống thủy lực Khi xe vào cua, bố trí ống chéo tạo đáp ứng khác hoàn toàn so với tượng bánh bị xóc Dịng dầu chảy từ bốn khối thủy lực dồn vào bầu góp Để thỏa mãn êm thăng xe, hệ thống treo động học sử dụng hệ thống ống dẫn dầu kết nối bốn xi lanh tới hai bầu góp thủy lực (3) (bầu kín chứa khí ni-tơ dầu áp suất cao ngăn cách màng đàn hồi) Phiên đặc biệt hệ thống treo động học có sử dụng thêm bơm để điều chỉnh áp suất bên bầu góp thủy lực Lượng khí ni-tơ bầu góp đóng vai trị lị xo kháng lại tác động dịng dầu Do đó, không cần chống lật hay hệ treo cứng để giữ xe không nghiêng vào cua Bởi chức giảm xóc chống nghiêng hoạt động độc lập, hệ thống treo động học điều chỉnh để kiểm soát tốt qua ổ gà, êm qua gờ cân thân xe tốt vào cua gấp Hệ thống treo chủ động bán chủ động xe ô tô Hình Hệ thống treo động học [2], [4] – Xi lanh thủy lực; – Đường ống dầu thủy lực; – Bình tích năng; – Van điều chỉnh lượng dầu Bầu góp (3) đóng vai trị bình điều hịa Các xi lanh thủy lực (1) máy thủy lực kiểu Khi thiết kế hệ thống treo cho xe tơ, thơng thường nhà sản xuất dựa vào đặc điểm xe xe thể thao, xe sedan (xe khách ba thân) hay xe thể thao đa dụng, hay xe SUV (Sport Utility Vehicle)… để lựa chọn độ cứng thích hợp cho hệ thống treo Nếu hệ thống treo có độ cứng lớn dễ dàng điều khiển, vào cua hay quay vòng nhiên khả bám đường ngược lại Chính việc lựa chọn độ cứng thích hợp cho hệ thống treo ln tốn quan trọng nhà thiết kế TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 Các nhà sản xuất ô tô thiết kế hệ thống treo ln phải hài hịa tính ổn định, dễ lái khả bám đường xe Vì hệ thống treo chủ động hệ thống treo bán chủ động đời để đáp ứng yêu cầu xe Ở hệ thống treo chủ động có sử dụng lỗ phun điện tử, cho phép điều chỉnh q trình giảm chấn đồng với tốc độ xe phong cách lái Ngồi hệ thống ln ln bơm thêm dầu thủy lực vào ống thủy lực, làm cho giảm xóc cứng McLaren gọi hệ thống kiểm soát khung gầm chủ động dựa vào tảng động học Tenneco sử dụng cho siêu xe McLaren MP4-12C Delphi nhà sản xuất phụ kiện ô tô hàng đầu giới tiên phong việc đưa hệ thống treo cho phép thay đổi độ cứng giảm chấn theo điều kiện làm việc, gọi “hệ thống treo bán chủ động” lắp đặt số xe như: Chevy Corvette, Cadillac ATS Ferrari 458 italia [2], [6] Hệ thống treo bán chủ động Delphi làm việc dựa nguyên lý điện từ Theo dầu thủy lực giảm chấn có sử dụng số hạt kim loại nhỏ, trình làm việc từ trường hệ thống tạo tác động lên hạt kim loại làm thay đổi độ nhớt dầu thủy lực, “độ cứng” giảm chấn thay đổi để phù hợp với điều kiện vận hành xe Ngoài ra, để thay đổi đặc tính làm việc giảm chấn người ta tăng cường áp suất thủy lực bên giảm chấn, cách làm Mercedes hệ thống kiểm soát thân xe chủ động “Active Body Control” (ABC) Hệ thống kiểm soát thân xe chủ động ABC điều khiển điều khiển với năm cảm biến bố trí thân xe để kiểm xốt chuyển động thân xe như: Chuyển động theo phương ngang, chuyển động theo phương dọc chuyển động theo phương thẳng đứng thân xe Dựa vào liệu cảm biến, điều khiển thực tăng giảm độ cứng giảm chấn theo điều kiện cụ thể Ngồi năm cảm biến hệ thống kiểm sốt thân xe chủ động ABC cịn có thêm số cảm biến đặt vào bên giảm chấn để đo áp suất thủy lực vị trí điều khiển Trong hệ thống kiểm sốt thân xe chủ động ABC sử dụng bơm thủy lực có áp suất cao để điều chỉnh áp suất bên giảm chấn vòng 10 giây, phạm vi độ nhạy điều chỉnh độ cứng giảm chấn theo điều kiện thực tế mặt đường tăng lên Hệ thống treo tái tạo lượng Trong triển lãm “Ơ tơ Audi tương lai” năm 2015, Audi thức trình làng công nghệ hệ thống treo tái tạo lượng giới cho phép khai thác nguồn lượng bị trình tỏa nhiệt.Bộ giảm xóc điện xoay chiều eROT thay cho giảm xóc thủy lực truyền thống Nhược điểm giảm xóc thủy lực để lãng phí phần lượng ngồi mơi trường xe di chuyển địa hình khúc khuỷu Hệ thống treo tái tạo lượng Audi bao gồm cánh tay đòn bẩy mạnh, di chuyển lên xuống với khớp van giảm xóc với việc sử dụng tập hợp bánh răng, từ tạo dịng điện sử dụng để sản lưu trữ lượng pin giúp vận hành xe Nhóm nghiên cứu Audi tiến hành thực nghiệm với ba loại địa hình khác nhau: Đường cao tốc, đường nông thôn đường đua Nurburgring Kết thực nghiệm đạt dịng điện có cơng suất 3W (đối với đường cao tốc Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 phẳng) 613W (đối với đường nông thôn) [7] Hệ thống treo tái tạo lượng có ưu điểm vượt trội có khả làm giảm lượng phát thải CO lên đến 2g Một ưu điểm khác giảm xóc eRot khơng gian sử dụng nhiều so với giảm xóc thủy lực, có thêm khơng gian để trang bị tính cần thiết khác cho xe [7] Ngoài để thay giảm xóc hệ thống treo thủy lực, Audi phát triển hệ thống điện 48V để chủ động tách rời hệ thống treo đối thông qua cụm bánh hoạt động ba giai đoạn Hệ thống có khả tách rời hệ thống treo vận hành (ngay tốc độ thấp) để tạo cảm giác lái xe thoải mái vào khúc cua sau đưa hệ thống treo trở lại trạng thái ban đầu đồng thời sản mô men xoắn 1.200 Nm để cải thiện khả xử lý điều khiển xe [3] Tương tự hệ thống treo tái tạo lượng eROT, hệ thống treo EAWS (Electromechanical Active Roll Stabilisation) bù đắp lượng bị từ hệ thống bánh lái EAWS có khả hoạt động máy phát điện thu lại phần lượng lãng phí bị tỏa nhiệt bên ngồi Audi kỳ vọng công nghệ hệ thống treo tái tạo lượng đại trà tất dịng xe năm 2026 Kết luận Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, người ngày hoàn thiện chức ô tô có hệ thống treo Việc ứng dụng tiến khoa học như: Điều khiển "Thông minh" hệ thống treo khí nén - điện tử, ứng dụng lỗ phun điện tử hệ thống treo chủ động, ứng dụng nguyên lý điện từ hệ thống treo bán chủ động cho phép điều chỉnh trình giảm chấn đồng với tốc độ xe chế độ lái, đảm bảo nâng cao tính an toàn, ổn định độ êm dịu xe Trong hệ thống treo tái tạo lượng chế tạo nghiên cứu để đưa vào sử dụng đại trà, tận dụng lượng hệ thống treo xe di chuyển, góp phần nâng cao tính kinh tế xe, đáp ứng đòi hỏi ngày cao người sử dụng ô tô Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Nước, Lý thuyết ô tô, NXB Giáo Dục, Tp HCM, 2001; [2] Đồn Quốc Tuấn, Lý thuyết khung gầm tô, ĐH Công nghiệp Tp.HCM, 2011; [3] Audi, “Audi SQ7 TDI – 48 Volt electrical subsystem with electromechnical active roll stabilization”, internet: https://www.auditechnology-portal.de/en/mobility-for-thefuture/technology-modules/audi-sq7-tdi-48-voltelectrical-sub-system-with-electro-mechanicalactive-roll, August 2014; [4] Product expert, How does the Land Cruiser’s Kinetic Dynamic Suspension System work, internet: http://blog.toyota.co.uk/how-doeskinetic-dynamic-suspension-system-work, FEBRUARY 17, 2017; [5] Product expert, The AIRMATIC air suspension system, Innovative driving dynamics in the new C-Class Internet: https://www.mercedesbenz.com/en/mercedes-benz/innovation/theairmatic-air-suspension-system November 24th, 2015; [6] RMT Technical Support, “Mercedes-Benz ABC (Active Body Control) Hydropneumatic Suspension Problems & Solutions” Internet: http://www.rebuildmastertech.com/blog/mercede sbenz-abc-active-body-control-hydropneumaticsuspension-problems-solutions/, May 09, 2016; [7] Stephen Edelstein, “This Audi suspension system uses bumpy roads to generate electricity”, internet: http://www.digitaltrends.com/cars/audierot-energy-recovering-suspension, 08/10/2016 Ngày nhận bài: 14/12/2018 Ngày chuyển phản biện: 17/12/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 7/1/2019 Ngày chấp nhận đăng: 14/1/2019 ... nâng cao tính an tồn, ổn định độ êm dịu xe Trong hệ thống treo tái tạo lượng chế tạo nghiên cứu để đưa vào sử dụng đại trà, tận dụng lượng hệ thống treo xe di chuyển, góp phần nâng cao tính kinh. .. hệ thống treo v.v Sau số giải phát hãng sản xuất ô tô áp dụng cho hệ thống treo đời Hệ thống treo khí nén – điện tử EAS (Electronic Airmatic System) Hệ thống treo khí xuất từ năm 1950 với hệ thống. .. KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 Các nhà sản xuất tô thiết kế hệ thống treo phải hài hịa tính ổn định, dễ lái khả bám đường xe Vì hệ thống treo chủ động hệ thống treo bán chủ