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.
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 nhau nên có khả năng chống xoay tốt, nâng cao khả năng ổn định, giảm rung ồn. Hệ này có khả năng hạ thấp trọng tâm.
(ii) Điều khiển giảm chấn.
Bộ giảm chấn Sky-hook:Một hệ thống treo bán tích cực là một hệ thống treo, mà ở đó có bộ giảm chấn, lò xo, hoặc lốp xe được điều khiển tích cực. Nghĩa là các hệ số giảm chấn, độ cứng lò xo, hoặc độ cứng lốp xe được điều khiển. Thường thì người ta hay điều khiển bộ giảm chấn. Ưu điểm hệ thống bán tích cực là giá thành thấp, và tiêu tốn năng lượng thấp. Từ các ưu điểm này mà hệ thống treo bán tích cực được mong đợi nhiều cho sự phát triển của hệ thống treo tự động điều khiển. Ở phần này là nghiên cứu về một hệ thống treo bán tích cực dựa trên lý thuyết bộ giảm chấn Sky-hook. Dựa trên lý thuyết Sky-hook để điều khiển hệ số giảm chấn của hệ thống treo bán tích cực. Lý thuyết bộ giảm chấn Sky-hook 3.16 được quan tâm rộng rải và đã được đề xuất bởi D. Karnopp, những nhà nghiên cứu khác chịu ảnh hưởng về lý thuyết ở sự điều khiển hệ thống treo bán tích cực. Hình 3.17 trình bày một ví dụ về sự phân tích mô phỏng của một hệ thống treo bán tích cực mà nó dựa trên lý thuyết bộ giảm chấn Sky-hook, và đã tạo ra từ việc dùng mô hình 3 bậc tự do hình 3.18 mà nó gần giống mô phỏng một ôtô thực.
Để hiểu rõ sự phân tích bên dưới, ta cần xác định các ký hiệu và một số khái niệm. Zolà vận tốc thùng xe xét theo phương thẳng đứng; Zwlà vận tốc bánh xe xét theo phương thẳng đứng; Zovà
w
Z là các đại lượng vật lý, dấu dương hay âm của
vận tốc cho biết chiều của chúng.. Ta có thể quy ước chiều hướng lên như hình 3.16 là chiều dương. Vậy chiều hướng xuống vận tốc hướng xuống là âm. Khi đó ta xét tích số Zo(Zo Zw) >0 chỉ khi vận tốc thùng xeZovà vận tốc tương đối
w o Z
Z cùng chiều, nghĩa là hại đại lượng vận tốc này cùng âm hoặc cùng dương. Để vận tốc tương đối cùng chiều với vận tốc thùng xe thì rõ ràng vận tốc thùng xe
o
Z phải lớn hơn vận tốc bánh xe
w Z
73
Hình 3.13. Nguyên lý Bộ giảm chấn Sky-hook
Giảm chấn có thể điều khiển thông qua: (i) điều khiển lỗ tiết lưu, (ii) điều khiển độ nhớt của dầu giảm chấn.
Hình 3.14 là giảm chấn điều khiển giảm chấn của Mercedes-Ben E500. Cấu tạo giảm chấn điện hóa treo trước trên xe ô tô con Mercedes-Ben E500.
Hình 3.14. Cấu tạo giảm chấn treo trước xe Mercedes-Ben E500
1.Van vào 2. Van cân bằng 3. Cụm van 4. Buồng điều khiển khí nén 5. Giảm chấn 6. Buồng khí 7. Piston 8. Buồng xếp 9. Chụp bảo vệ 10. Thanh bắt vào thân xe 11. Bộ van dâp tắt dao động
74
Hình 3.15 Vị trí van điện mở
Hình 3.16 Vị trí van điện đóng
75
Hình 3.17. Bộ giảm chấn treo sau xe Mercedes-Ben E500 1. Bộ đàn hồi treo sau 2. Ống giảm chấn 3. Bộ van dập tắt dao động
Hình 3.18. Bộ đàn hồi treo sau trên xe ô tô con Mercedes-Ben E500
1.Bộ đàn hồi 2. Buồng xếp 3. Buồng khí 4. Buồng cấp khí 5. Ống liên kết 6. Van điều khiển 7. Van vào 8. Van cân bằng
76
Hình 3.19 Hoạt động bộ giảm chấn treo sau ô tô Mercedes-Ben E500 (iii) Điều khiển thanh ổn định
Thanh ổn định ngang có tác dụng làm giảm góc nghiêng ngang thân xe, tức là làm tăng tính chất chuyển động ổn định của ô tô. Trong ô tô, thanh ổn dưới tác dung của lực bên như lực ly tâm, gió bên, phản lực thẳng đứng của hai phần tử đàn hồi trên một cầu thay đổi, một bên tăng tải và một bên giảm tải gây nên sự nghiên thân xe. Điều khiển thanh ổn định là điều khiển chống lắc ngang thân xe bằng thanh ổn định tích cực (Active Stabilisator) nhằm ổn định khi xe mất ổn định chuyển động theo phương ngang (y). Nhờ sử dụng thanh ổn định tích cực mà hệ thống treo tăng độ êm dịu chuyển động khi xe quay vòng hay mặt đường không bằng phẳng. Mà các thanh ổn định không có điều khiển không làm được.
Thanh ổn định truyền thống: Thanh ổn định ngang truyền thống không ổn định được thân xe khi phản lực Fz hai bên bánh xe không bằng nhau, trong điều kiện xe quay vòng, khi phanh. Thanh ổn định hình 3.20 dùng để liên kết giữa các bánh xe trên cùng một cầu, nó được bố trí trên mặt phẳng ngang thân xe nhằm tăng khả năng ổn định ngang của xe. Khi xe quay vòng nó nghiêng ra ngoài do lực ly tâm. Thanh ổn định điều khiển việc này bằng lực xoắn của lò xo và giữ cho lốp bám
77
xuống mặt đường. Thanh ổn định cũng hoạt động khi lốp xe ở một bên chạy qua những bề mặt có độ cao khác nhau. Khi xe bị nghiêng và lốp xe bị chìm xuống một phía, thanh ổn định bị xoắn lại và có tác dụng như một lò xo nó nâng lốp xe cùng toàn thân xe ở bên bị chìm xuống lên phía trên. Tất nhiên trong trường hợp các lốp xe ở hai bên đều bị chìm xuống như nhau thì thanh ổn định sẽ không làm việc.
Hình 3.20 Thanh ổn định ngang truyền thống
Thanh ổn định có điều khiển: Hệ thống thanh ổn định ngang có điều khiển giữ thăng bằng với điều kiện phản lực Fz hai bên bánh xe không bằng nhau.
Hình 3.21. Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh ổn định ngang
78
Hình 3.22. Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh cân bằng
1. Van giảm áp 2.Van điều khiển trung tâm 3. Van điều khiển áp suất 4. Bơm dầu 5. Bình chứa dầu
Hình 3.23. Sơ đồ mạch điều khiển thanh ổn định ngang.