Sau đây ta xét dao động của một đoàn xe. Mô đun A là mô hình dao động dọc xe kéo.
Hình 2. 29 Mô đun Động lực học xe kéo trong mặt phẳng (XOZ)
+ Mô đun A mô tả dao động lắc dọc của xe kéo, output là z1, Fkz1 và góc lắc dọc khối lượng được treo 1, xem hình (2.29). Input là lực cản không khí Fwx, lực và mô men tương tác bánh xe Fxij, Fyij, Mij, nội lực hệ thống treo Fcij, Fkị và lực liên kết Fkx2, Fkz2.
60
Hình 2.30 Mô đun Động lực học xe mooc trong mặt phẳng (OXZ)
+ Mô đun B mô tả dao động lắc dọc của mooc kéo, out put là z2, Fkz2 và góc lắc dọc khối lượng được treo2, xem hình (2.30). Input lực và mô men tương tác bánh xe Fxij, Fyij, Mij, nội lực hệ thống treo Fcij, Fkị và lực liên kết Fkx1, Fkz1.
Hình 2.31. Mô đun Động lực học ngang trong mặt phẳng (OYZ)
+ Mô đun C mô tả dao động lắc ngang của các khối lượng được treo và các cầu. Ouput là chuyển vị khối lượng được zCij, góc quay khối lượng được treo Cij, chuyển vị và góc lắc ngang cầu xe Ai, Ai, xem hình (2.31). Input lực tương tác
61
bánh xe Fxij, Fyij, , nội lực hệ thống treo Fcij, Fkịj và lực liên kết Fkx , Fkz, lực đàn hồi hướng kính của lốp FClij, lực liên kết Fkz, Fky.
+ Mô đun D là một khối tính nội lực hệ thống treo và lực đàn hồi hướng kính của lốp và phản lực lốp đường, xem hình (2.32). Input là chuyển vị thẳng đứng trọng tâm khối lượng được treo, góc lắc dọc tương ứng z1, z2 1, 2, chuyển vị thẳng đưng và góc lắc ngang các cầu xe Ai, Ai.
62
CHƯƠNG 3
HỆ THỐNG TREO VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 3.1. Mô hình hệ thống treo không điều khiển
Hệ thống treo là phần tử liên kết giữa bánh xe và thân xe bảo đảm êm dịu cho thân xe và truyền lực ở các phương dọc, phương ngang và phương thẳng đứng. Hệ thống treo gồm 4 phần tử sau đây:
(i) Phần tử đàn hồi: Phần tử đàn hồi có thể là kim loại như nhíp, lò xo, cao su, khí nén. Đặc tính của chúng là tuyến tính.
(ii) Phần tử cản: Phần tử cản gồm cản ma sát và cản thủy lực trong hệ thống treo không điều khiển trang bị giảm chấn thủy lực có đặc tính tuyến tính.
(iii) Cơ cấu hướng: Cơ cấu hướng xác định động học bánh xe, xác lập liên kết giữa bánh xe và thân xe.Thanh ổn định: Hạn chế dao động lắc ngang thân xe. Do vậy hệ thống treo được đặc trưng bởi độ cứng C f z và hệ số cản
K f z , cản ma sát. (iv) Thanh ổn định.
Mô tả tổng quát hệ thống treo truyền thống ở hình 3.1
C K F F R0 z
63
Lực đàn hồi được xác định như sau:
C F t n d d t n dg d n n t d d d C z f khi z f C z khi f z f C z f Cf khi z f (3.1) Trong đó: t d f : Độ võng động (hành trình trả) n d f : Độ võng động (hành trình nén) C : Độ cứng của hệ thống treo.
z : Chuyển vị khối lượng phần được treo.
: Chuyển vị khối lượng phần không được treo. Lực cản giảm chấn được xác định như sau:
n K F K z (3.2) K: Hệ số cản giảm chấn Lực cản ma sát: FR R sign0 z (3.3) 0 R : Hệ số cản ma sát.
Độ cứng C, hệ số cản K của hệ thống treo truyền thống là tuyến tính.
, , C f z K f z (3.4)
Hệ số cứng của hệ thống treo truyền thống (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ số độ cứng C của hệ thống treo sẽ được thiết lập như sau:
0 ( ) ( ) ( ) t n d d n d t d C khi f Z f C C khi Z f C khi Z f (3.5) Trong đó: t f : Độ võng tĩnh t d f : Độ võng động hành trình trả
64
n d
f : Độ võng động hành trình nén
Hình 3.2. Đặc tính đàn hồi hệ thống treo truyền thống
Đặc tính giảm chấn
Giảm chấn ống thủy lực có tác dụng hai chiều trả và nén. Ở hành trình bánh xe dịch chuyển đến gần khung vỏ gọi là hành trình nén của giảm chấn, giảm chấn bớt xung lực va đập truyền từ bánh xe lên khung. Ở hành trình bánh xe đi xa khung vỏ gọi là hành trình trả của giảm chấn, giảm chấn giảm bớt xung lực va đập của bánh xe trên nền đường, tạo điều kiện đặt êm bánh xe trên nền và giảm bớt phản lực truyền ngược từ mặt đường tới thân xe.
Lực cản trong hệ thống treo trực tiếp ảnh hưởng đến việc dập tắt các dao động của vỏ cầu, các dao động này phát sinh khi ô tô chạy trên đường không bằng phẳng. Lực cản chính là lực ma sát trong phần tử đàn hồi, như ma sát giữa các lá nhíp, bạc lót, chốt nhíp, ma sát trong các khớp dẫn hướng, ma sát trong vật liệu của lốp và các chi tiết bằng cao su trong hệ thống treo.
Co = tg VÊu h¹n chÕ trªn ft d m C z -z fn d - mg FC -ft fn d Hµnh tr×nh nÐn Hµnh tr×nh tr¶
65 1 3 2 zt Z1 Z3 Z2 Za Hình 3.3. Đặc tính giảm chấn thủy lực
Để hệ thống treo vừa mềm lại vừa dập tắt nhanh dao động, cần giảm ma sát cơ đến tối thiểu, để cho giảm chấn thủy lực đóng vai trò chính trong việc dập tắt các dao động. Nếu đảm bảo ma sát giữa các lá nhíp ít hơn 5% tải trọng tĩnh ôtô sẽ chuyển động êm dịu. Nhưng trong thực tế dầu cho bôi trơn tốt, giới hạn này vượt quá 10-13% nên nhíp vẫn cứng. Các lực va đập bé hơn lực ma sát trong hệ thống treo, nhíp sẽ không giữ được nó, và cho phép các lực này truyền trực tiếp lên khung. Vì những lý do trên giảm chấn dùng để dập tắt các dao động vỏ xe và lốp xe bằng cách chuyển cơ năng của các dao động thành nhiệt năng. Giảm chấn trên ôtô hiện nay chủ yếu là giảm chấn thủy lực nên ma sát giữa chất lỏng và các lỗ tiết lưu là ma sát chủ yếu để dập tắt chấn động.
Giảm chấn ở hệ thống treo thụ động sử dụng phổ biến là giảm chấn hai chiều có đường đặc tính không đối xứng và có van giảm tải. Trường hợp này lực cản giảm chấn trong hành trình nén tăng chậm hơn hành trình trả. Trong các giảm chấn hiện nay Kt =(2-5) Kn. Độ lồi lõm của đường càng nhỏ và càng dày thì hệ số Kn và Kt càng phải khác nhau. Khi bánh xe qua chỗ lồi thì vận tốc khối lượng không được
66
treo sẽ trừ phần tử đàn hồi ra lực truyền qua giảm chấn sẽ lớn. Có thể giảm lực này bằng cách hạ thấp hệ số Kn. Khi ôtô qua chỗ lõm thì va đập truyền lên bánh xe ít hơn qua chỗ lồi. Trên các đường có độ lồi và lõm dài và đường lượn giữa chỗ lồi và chỗ lõm tương đối êm dịu thì không cần Kt và Kn thật khác nhau. Vì khi ôtô qua chỗ lõm có thể bánh xe không tiếp xúc với mặt đường.
Đường đặc tính của giảm chấn thủy lực:
Lực cản chấn động Fg do giảm chấn sinh ra phụ thuộc vào vận tốc tương đối của các dao động thùng xe đối vói bánh xe.
( )n
D A
F k z (3.6) Ở đây: K là hệ số cản của giảm chấn.
Hàm số FD biểu diễn đường đường đặc tính của giảm chấn. tùy theo giá trị của số mũ n mà đường đặc tính của giảm chấn có thể là tuyến tính: đường thẳng 1 (nếu n bằng 1) ở hình 3.3. Đường cong lõm (nếu n>1) và đường cong lồi (nếu n<1). Đường cong có dạng này hay dạng khác phụ thuộc trước tiên ở kích thước lỗ thông qua rồi đến độ nhớt của chất lỏng và kết cấu của các van. Chú ý là với các đường đặc tính trên hình 3.3. Ta thấy tại giá trị lớn nhất của vận tốc tương đối, giá trị công suất tiêu hao (tỉ lệ với diện tích nằm dưới đường đặc tính) bằng nhau. Thông thường n dao động trong khoảng 1,5 – 2,5.
Vt mạnh Mạnh Nhẹ Ztmax Zt Zn 2 Nén Nhẹ Trả Znmax Zg zn zt zt zn 1
Hình 3.4. Đường đặc tính không đối xứng của giảm chấn tác dụng hai chiều với van giảm tải
Trên hình 3.4 ta thấy tại hai điểm 1 và 2 đường biểu diễn hoặc là đi thẳng (đường nét đứt) hoặc là đường gãy khúc (đường liền). Trong trường hợp có van
67
giảm tải đường biểu diễn sẽ là đường gãy khúc và điểm 1, điểm 2 là điểm mở van giảm tải nên diện tích cho chất lỏng đi qua tăng lên.
Tóm lại: Hệ thống treo không có điều khiển việc tối ưu các thông số C, K là rất phức tạp và khó khăn. Để giải quyết vần đề này các nhà chế tạo cần phải tối ưu hai thông số trên bằng phương pháp sử dụng hệ thống treo có điều khiển.
Trong hệ thống treo có điều khiển trang bị balon khí nén(C), giảm chấn có điều khiển (K) hai thông số trên dễ dàng tối ưu và có đặc tính phi tuyến. Trong các hệ treo điện tử các lực cản được điều khiển bởi một CPU tùy theo điều kiện dao động của ô tô.
3.2. Giải pháp điều khiển hệ thống treo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các bộ phận đàn hồi truyền thống: nhíp lá, lò xo xoắn ốc, thanh xoắn, giảm chấn thủy lực có các đặc tính tuyến tính và được coi là hệ thống đàn hồi“ thụ động”. Xuất phát từ các yêu cầu hoàn thiện hệ thống treo ngày nay đã và đang hình thành các hệ thống treo có chất lượng cao hơn và điều khiển đươc chúng theo nhu cầu sử dụng làm tăng tính tiện nghi cho con người.
Các hệ thống treo của ô tô hiện đại cần thiết phải đáp ứng các yêu cầu sau: Tính tiện nghi trong hoạt động cao, hay cụ thể là ổn định sàn xe: Gia tốc dao động thân xe nhỏ. Tần số dao động riêng nhỏ, không phụ thuộc vào tải trọng đặt lên. Đặc tính giảm chấn phụ thuộc vào tải trọng và trạng thái hoạt động.
Tính an toàn trong chuyển động cao, cân bằng và ổn định chiều cao sàn xe: Biến động giá trị tải trọng động sinh ra phải nhỏ. Động học của chuyển vị cầu xe không phụ thuộc vào tải trọng. Có khả năng điều chỉnh chiều cao thân xe. Chuyển vị biến dạng đàn hồi và giảm chấn phải thích hợp. Đảm bảo khoảng sáng gầm xe.
Không gian bố trí các bộ phận kết cấu hệ thống treo nhỏ gọn: Có kích thước bao ngoài nhỏ. Chiều dài kết cấu ngắn, hay có thể sử dụng truyền dẫn bằng dây điện (drive-by-wire)
Có khả năng đảm bảo thay đổi chiều cao thân xe: Hạ thấp trọng tâm khi chuyển động ở tốc độ cao. Nâng cao khoảng sáng gầm xe khi chuyển động trên
68
đường xấu. Có khả năng điều chỉnh độ nghiêng dọc thân xe giảm lực cản không khí và ổn định chuyển động.
Có khả năng loại trừ khả năng điều khiển sai của người lái (điều khiển thông minh) trong một số trường hợp: Khi kít xe thay thế bánh xe trên đường. Khi có sự cố của bộ phận đàn hồi, giảm chấn, đường dẫn. Khi có sự cố của hệ thống điều khiển điện tử. Các kết cấu truyền thống không thể thực hiện được yêu cầu này, bởi vậy phải cần thiết sử dụng các loại hệ thống treo có khả năng tự động điều chỉnh.
Hệ thống treo được điều khiển thông qua điều khiển lực đàn hồi hoặc giảm chấn. Phần tử đàn hồi bằng kim lại hầu như không có khả năng điều khiển. Với khí nén ta có khả năng điều khiển độ cứng: tải phụ thuộc áp suất, cũng có thể điều khiển độ cao. Thông thường ta điều khiển hệ thống treo thông qua giảm chấn. Với hệ thống treo thủy khí, dầu điều khiển độ cao còn khí điếu khiển êm dịu quanh vị trí cân bằng.
(i) Phần tử đàn hồi khí có tác dụng nhiều trong các ô tô có trọng lượng phần được treo lớn và thay đổi nhiều.
8 T 7 6 5 4 3 80 140 120 100 Vào không khí Từ máy nén G 4 3 Gb x 1 2 2 Vg/ph 1 f = 5,9cm 2 3 8,3cm f= 10,5cm 10,1cm f = 12,0cm
Tải trọng lên cầu
Tầ n số ri ên g f = 4,4cm
Hình 3.5. Hệ thống treo khí với phần tử đàn hồi loại buồng chứa
Ưu điểm của loại này là có thể tự động thay đổi độ cứng hệ thống treo bằng cách thay đổi áp suất khí bên trong phần tử đàn hồi, nhằm đáp ứng các tải trọng tĩnh khác nhau và độ võng tĩnh và tần số dao động riêng của phần tử được treo không thay đổi. Giảm được độ cứng của hệ thống treo sẽ làm độ êm dịu chuyển động tốt hơn, một là giảm biên độ dịch chuyển của buồng lái trong vùng tần số thấp. Hai là
69
đẩy được sự cộng hưởng xuống vùng tần số thấp hơn, giảm được gia tốc thẳng đứng của buồng lái, và làm giảm được sự dịch chuyển của vỏ và bánh xe.
Đường đặc tính của hệ thống treo khí là phi tuyến không phải là đường thẳng và tăng đột ngột trong cả hành trình nén và trả, nên cho dù khối lượng phần được treo và phần không được treo bị giới hạn cho các dịch chuyển tương đối đi nữa thì độ êm dịu hệ thống treo vẫn lớn.
Hệ thống treo khí còn có ưu điểm là không có ma sát trong phần tử đàn hồi, trọng lượng phần tử đàn hồi nhỏ và giảm được chấn động cũng như giảm tiếng ồn từ bánh xe lên buồng lái. ứng dụng phần tử đàn hồi loại màng hệ thống treo có khả năng thu được đường đặc tính mong muốn.
Khi sử dụng hệ thống treo khí có thể thay đổi được vị trí của vỏ xe đối với mặt đường nghĩa là thay đổi chiều cao tải và ở hệ thống treo độc lập có thể thay đổi khỏang sáng gầm xe.
Hình 3.6. Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz
Trong hình 3.7 là kết cấu hệ treo khí của Hãng SAF-Holland, thiết kế cho cầu chủ động, chịu tải 7000 đến 9000 kg. Có cơ cấu chống xoay, bảo đảm hạn chế dao động xoắn của cầu chủ động và vì vây tăng khả năng ổn định cho xe. Cơ cấu chống xoay có thể giảm đến 85% lực xoay ngang cầu. Với kết cấu này không những nâng cao khả năng ổn định mà còn giảm rung ồn, giảm áp lực đường. Balon khí là loại đẳng tích, không cần phải chăm sóc bảo đưỡng nhiều. Do có độ cao thấp nên vẫn có thể sử dụng cho các xe con. Hình 3.8 cũng là một thiết kế cho cầu chủ động loại
70
ngằn, tải 10500 đến 13500 kg. Cũng có cơ cấu chống xoay, giảm được dao động xoắn cho hệ truyền lưc, giảm rung ồn, có tuổi thọ cao.
Hình 3.7. Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động
Hình 3.8. Hệ treo khí cầu treo phụ thuộc cầu chủ động
Hình 3.9 là một thiết kế cho cầu dẫn hướng bị động, động cơ đặt sau cho xe bus. Balon khi đặt trực tiếp giữa dầm cầu và khung, có độ cứng vững cao và nâng cao được khả năng ổn định.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
71
Hình 3.10 là kiểu treo khí độc lập hai đòn ngang, có khả năng hạ thấp trong tâm xe, balon khí có chiều cao thấp, hành trình động không lớn, thân xe ít lắc ngang. Tải của loại này là 5 000...6 500 kg.
Hình 3.10 Hệ treo khí cầu dẫn hướng
Hinh 3.11 là hệ thống treo khí phụ thuộc, 4 balon khí, có cơ cấu chống xoay, có thể đỡ 10500 đến 12000 kg tải. Balon khi đặt trực tiếp dưới dầm dọc nên khả năng bánh xe tiếp đường tốt.
Hình 3.11. Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động
72
Hình 3.12 là kiểu treo 4 balon khí, có không gian lớn, các balon khi đặt xa