Cuối cùng là hệ thống phanh cơ điện tử EMB, trong đó đối tượng điều khiển hay "hệ thống vật lý" chịu tác động của "các quyết định điều khiển" chính là các bộ động cơ điều tiết, kèm theo hộp số kết nối với cơ cấu phanh cơ khí thành những mơ đun riêng biệt, lắp ráp cho lốp trước bên trái, bên phải
và cho lốp sau bên trái cũng như bên phải (hình 2.11). Bàn đạp phanh của
người lái cung cấp một trong số các tín hiệu đầu vào của hệ thống tính tốn trung tâm, thơng qua bộ mơ phỏng Pedal. Ngồi các bộ phân cơ khí như các má phanh, đĩa phanh, bạc đệm cịn có các bộ cảm biến số vịng quay của bánh xe và Chip vi tính trung tâm xử lý tác động thích nghi của lực phanh. Hệ thống mạch gồm các đường dẫn tín hiệu trực tiếp từ các sensor về cụm xử lý trung tâm, các mạch phanh cơ điện tử điều tiết hệ cung ứng năng lượng từ ắc quy 36 von đến các bộ động cơ và đường dẫn nội tại của hệ thống EBM có liên hệ hai chiều giữa cụm xử lý trung tâm và hệ điều khiển động cơ.
Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse".
Trong hệ thống cơ điện tử, các bộ cảm biến đóng vai trị thu thập thơng tin và biến đổi các tín hiệu tương tự của những đại lượng vật lý khác nhau thành tín hiệu số (dạng xung) rồi chuyển về cụm xử lý trung tâm. Nguyên lý phổ biến của các sensor cảm nhận tốc độ quay bánh xe cho đến nay vẫn dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ (hình 2.12).
Hình 2.12. Bộ cảm biến số vịng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ
Có hai kiểu ABS đang được sử dụng trong thực tế, một loại có thể điều chỉnh áp suất dầu trên từng cụm bánh, số cảm biến đo vận tốc góc, module áp suất, đường điều khiển bằng số bánh xe. Loại khác chỉ có hai cảm biến lắp ở bánh sau, 1 thiết bị điều áp chung và 1 đường điều khiển.
ABS được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong khoảng 15 năm trở lại đây và hiện nay giữ vị trí quan trọng trong danh mục thiết bị tiêu chuẩn của xe ôtô.
2.2. Dao động và cân bằng dao động
2.2.1. Giới thiệu
Đã từ lâu dao động và cân bằng trên mô trở thành một trong những chủ đề được quan tâm nhiều nhất của tất cả các hãng xe trên tồn thế giới. Bởi nó nắm vai trị quyết định đến chỉ tiêu đánh giá: an toàn và thoải mái của hành khách cũng như tài xế khi ngồi trên ơtơ. Chính vì vậy trong suốt hơn một trăm năm qua, kể từ khi những chiếc ôtô đầu tiên ra đời, hệ thống giảm xóc cho xe ơtơ đã tốn khơng biết bao nhiêu công sức nghiên cứu của những nhà chế tạo. Cùng với thời gian nó đã khơng ngừng được cải tiến, ngày càng trở lên hoàn thiện.
Khi hệ thống giảm xóc được xử lý tốt, nó sẽ mang lại cảm giác dễ chịu cho người đi ôtô. Tránh được cảm giác mệt mỏi, đau nhức về xương và cơ do đường xấu. Tuy nhiên điều này đòi hỏi sự đầu tư tiền của tốn kém, vì vậy mà phụ thuộc vào giá thành của từng loại xe được bán ra, các nhà sản xuất cung cấp những hệ thống giảm xóc với những tiêu chuẩn khác nhau. Trên những chiếc xe hạng sang như Maybach, Bentley có giá tới ba, bốn trăm ngàn USD các kỹ sư đã xử lý cực tốt khả năng chống rung, lắc của xe. Ngay cả trên
những quãng đường gập ghềnh khó đi, hành khách hầu như khơng cảm thấy bị xóc. Xe gần như luôn luôn trong trạng thái thăng bằng. Tuy nhiên khơng phải ai cũng có nhiều tiền để sở hữu những chiếc xe như vậy. Trên những dòng xe rẻ tiền hơn của Toyota, Nissan, Hyundai, DEAWO,... hệ thống giảm xóc khơng được xử lý tốt như vậy, nhưng chúng ta vẫn cảm nhận được sự êm ái mà chiếc xe mang lại. Khi di chuyển trên những quãng dài, cảm giác mệt mỏi do những dao động của xe được hạn chế rất nhiều.
2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe ơtơ 2.2.2.1 . Nhíp xe
Trước đây, trên ơtơ người ta sử dụng phổ biến những chiếc nhíp xe để làm giảm xóc. Nhíp xe được cấu thành từ nhiều thanh sắt mỏng, được uốn cong và ghép lại với nhau. Ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẽ, chịu tải lớn, do vậy mà trên những xe vận chuyển hạng nặng ngày nay người ta vẫn còn dùng. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của chúng là cứng, đàn hồi kém nên đã khơng chiếm được cảm tình của nhà xuất cũng như người sử dụng. Chính vì vậy mà ở ơtơ du lịch chúng bị đào thải và được thay thế bằng một thế hệ giảm xóc mới tiên tiến hơn là lị xo.
Hình 2.13. Nhíp xe ơtơ 2.2.2.2. Giảm xóc lị xo
Ban đầu cấu tạo của giảm xóc bằng lị xo rất đơn giản. Nó chỉ gồm một chiếc xo được đặt trong một xi lanh vừa dùng để định hướng lò xo, vừa để
bảo vệ lò khỏi các tác động bên ngoài như bụi bẩn, hơi nước gây han rỉ, làm hỏng thiết bị. Qua thời gian hệ thống giảm xóc bằng lò xo bây giờ khá phức tạp. Kết cấu của nó bao gồm lị xo kết hợp với một xi lanh chứa dầu nhớt có tác dụng giảm chấn bằng ma sát nhớt nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững của hệ thống. Mặc dù phức tạp, khó chế tạo, giá thành cao, nhưng những ưu điểm mà nó mang lại thật tuyệt vời. Hệ thống trở lên gọn nhẹ đi rất nhiều, điều này làm giảm khối lượng của xe, đồng thời tăng không gian khoang lái do sự thay thế những chiếc nhíp xe cồng kềnh trước mang lại, và điều quan trọng là sự uyển chuyển, nhịp nhàng của lò xo kết hợp với xi lanh dầu làm tăng hiệu quả giảm chấn, mang lại cảm giác êm ái cho những chiếc xe. Những ưu điểm này làm cho giảm chấn lị xo trở thành thiết bị phổ thơng trong xe ôtô hiện đại.
2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực
Đây là tổng hợp của lị xo đàn hồi có giảm chấn cùng với lị xo khí thủy
lực, trong hệ thống này Piston của phần đàn hồi cũng như trục của nó đồng thời là trục của bộ giảm chấn. Phần lị xo khí nằm trong một khối cầu bao bọc bởi 1 màng cao su đặc biệt (màu xanh trong hình vẽ). Phần tích trữ khí cùng với không gian mặt trên (theo quy ước trên dưới khi ống nhún thẳng đứng) của Piston được nối với nhau bởi 1 đường ống thủy lực (ống màu xanh).
Lò xo xoắn hình trụ Ống thủy lực Lị xo xoắn hình trụ Ống giảm chấn thủy lực
Khi ống nhún và lò xo bị đè xuống, dầu bị ép chạy theo ống đó (màu xanh) chạy sang buồng khí nén, khi bị nén mạnh, tăng áp suất, làm tăng thêm sức đàn hồi của lị xo khí, lị xo này cùng với lị xo kim loại tác động trực tiếp lên khung xe, tạo sức đàn hồi tổng hợp thay đổi được theo tải trọng. Không những thế, trên đường ống dẫn dầu và khi về để ép túi khí, người ta cịn bố trí thêm van điều khiển nhằm chủ động thay đổi mức tác động của dầu và khí nén lên túi khí, đưa đến việc thay đổi độ cứng đàn hồi tổng hợp của cả hệ thống nhún. (quan sát các xe tải lớn, có thẻ thấy rõ túi khí lớn cỡ thùng dầu ăn nằm kề bên bánh xe). Cũng nhờ cơ chế hồi tiếp như vậy, mà khoảng cách giữa trục bánh xe và khung xe gần như được giữ nguyên bất chấp tải trọng, khi xe nặng dầu ép mạnh làm túi khí đội lên mạnh hơn, khi xe nhẹ thì áp lực dầu giảm và túi khí mềm đi, giảm bớt tác động lên khung xe.
Tài xế có thể tự điều chỉnh van điều khiển cho phù hợp tình trạng tải trọng và đường sá.
Loại ống nhún -giảm chấn trên đây giá thành cao, vận hành phức tạp, lại thêm hệ thống nén khí cao áp rất đắt đỏ, nên hầu như không dùng cho xe con và xe hạng trung.
2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại
Hệ thống giảm chấn hiện đại là một hệ thống hết sức phức tạp. Nó bao gồm các thiết bị cơ khí kết hợp với các linh kiện điện tử và được điều khiển bằng các chương trình máy tính. Có thể nói nó là một trong những hệ thống cơ điện tử điển hình và được gọi chung là hệ thống giảm xóc tự động.
Các hệ thống giảm xóc tự động được phát triển độc lập ở các hãng ơtơ khác nhau, do đó ngồi những đặc điểm chung về hệ thống cơ điện tử, cấu trúc của chúng nói chung là khác nhau. Chúng có thể khác nhau ở cơ cấu chấp hành như giảm chấn thủy lực, khí nén hay giảm chấn từ biến hoặc khác nhau ở phương pháp điều khiển bán chủ động hay chủ động. Chính vì vậy cấu trúc của chúng có những điểm khác nhau nhưng vẫn mang những đặc điểm của cấu trúc chung. Sau đây là các thành phần của một hệ thống giảm xóc tự động sử dụng khí nén Airmatic của hãng Mercedes.
• Các ống giảm xóc bằng hơi trước và sau: đây là các thiết bị giảm xóc trực tiếp, chúng có thể thay đổi độ đàn hồi thơng qua áp suất của khí nén.
• Bình nén khí trung tâm: nơi cung cấp khí nén cho các ống giảm xóc • Máy nén khí: tạo ra áp suất của khí trong các ống giảm xóc.
• Van điện tử: đóng mở các ống dẫn khí với tốc độ, và độ chính xác cao. • Cảm biến: đưa các thơng tin về tốc độ, tải trọng, góc xoay của bánh lái, áp suất của lốp, độ rung lắc về hộp điều khiển trung tâm.
• Hộp điều khiển trung tâm: sau khi nhận các tín hiệu được truyền đến từ các cảm biến nó sẽ thay đổi áp suất trong các ống giảm xóc thơng qua việc điều khiển hoạt động của máy nén khí và van điện tử.
7 7 7 8 7 8
Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes
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. Đường dẫn khí.
Các thành phần của Airmatic liên hệ với nhau bởi các đường dẫn khí và được nối vào bộ điện của xe thông qua lớp tiếp xúc đa chức năng của hệ truyền dữ liệu điện tử CAN (Controller Area Network). Nhờ chức năng "
Wake-up", Airmatic được kích hoạt ngay khi mở cửa xe, nhằm điều chỉnh độ
cao gầm xe và độ đàn hồi của các ống giảm xóc trước khi xe khởi hành. Tiếp theo, tài xế cũng có thể điều chỉnh hoạt động của Airmatic. Thứ nhất là, có thể tăng giảm khoảng sáng gầm xe (clearance): nâng khung xe cao lên, hoặc hạ thấp (chẳng hạn vào lúc đỗ để tiện cho việc xếp hành lý hay nối rơ moóc vào xe). Thứ hai là, có thể chọn chế độ Comfort hay Sport cho hoạt động của hệ thống treo. Chế độ Comfort tạo sự êm dịu tối đa cho người đi trên xe, còn
Sport tăng cường sự thăng bằng và an tồn vì xe sẽ có độ bám đường tốt hơn.
Vậy ưu điểm hệ thống treo khí nén - điện tử nổi trội hơn so với các hệ
• “Thơng 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 vơ 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, cịn 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.
• Một lợi thế nữa của hệ thống treo này là các lị xo xoắn được thay thế bằng túi khí cao su nên giảm bớt một phần trọng lượng xe. Bớt được khối lượng này sẽ cho phép các lốp xe chịu tải tốt hơn trên các điều kiện mặt đường khơng bằng phẳng mà ít ảnh hưởng đến độ cân bằng của xe, vì vậy cảm giác khi lái sẽ nhẹ nhàng và dễ chịu hơn.
• Với hệ thống treo khí nén điện tử, những chỗ mấp mơ hay ổ gà trên mặt đường hầu như không ảnh hưởng nhiều đến người ngồi trong xe.
Tuy vậy, đối với bất cứ loại hệ thống treo nào, tác dụng giảm xóc của lốp cũng rất quan trọng. Kiểu dáng lốp và áp xuất lốp ln có vai trị hỗ trợ tác dụng giảm xóc của bất kỳ loại hệ thống treo nào: phụ thuộc hay độc lập.
Kết luận chương 2: Trong chương đưa ra được các phần sau.
- Xu hướng tích hợp cơng nghệ cơ điện tử trong ơtơ, trình bày được khuyunh hướng phát triển của công nghệ ôtô trong sản xuất với công nghệ cao và sản phẩm thông minh.
- Giới thiệu cấu trúc cơ điện tử trong hệ thống phanh ABS (Antilock Brake System). Bài toán điều khiển hệ thống ABS được đặt ra với giả thiết ma sát Counlomb tác động khi phanh.
- Giới thiệu về giao động và cân bằng dao động trên ôtô, giới thiệu từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đại. Nó bao gồm các thiết bị cơ khí kết hợp với linh kiện điện tử và được điều khiển bằng chương trình máy tính.
Những hệ thống đã giới thiệu trên được lắp đặt trong ơtơ. Mục đích của nó làm cho ơtơ ngày càng tiện nghi và an tồn. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên ơtơ.
Chương 3. THIẾT LẬP CÁC MƠ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ƠTƠ 3.1. Mơ hình hệ thống giảm xóc của xe ơtơ
Như đã giới thiệu ở chương trước, hệ thống giảm xóc hay cịn gọi là hệ thống treo là một phần quan trọng của một chiếc xe ôtô ngày nay. Đây là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe. Hình 3.1 là một ví dụ cho hệ thống giảm xóc của xe ơtơ du lịch, bao gồm hai thành phần chính là hệ thống giảm xóc trước và sau.
Các chức năng cơ bản của một hệ thống giảm xóc:
• Tạo điều kiện cho bánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động ở độ có thể chấp nhận được.
• Truyền lực giữa bánh xe và khung xe, bao gồm trọng lực của xe, lực kéo hoặc đẩy đối với khung hoặc vỏ.
Hình 3.1. Xe ơtơ du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau
Về cơ bản, một hệ thống giảm xóc bao gồm hai thành phần chủ yếu: • Bộ phận đàn hồi: là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và khung xe. Bộ phận này có thể là nhíp lá, lị xo, thanh xoắn, khí nén, thủy lực. Chức năng của chúng là đảm bảo cho khung xe dao động êm trên địa hình nhấp nhơ.
• Bộ phận giảm chấn: là bộ phận hấp thụ năng lượng dao động cơ học giữa bánh và thân xe. Bản chất của việc hấp thụ năng lượng này là biến cơ năng thành nhiệt năng. Các bộ phận giảm chấn chủ yếu hiện nay là giảm chấn thủy lực.