2.2.2.1 . Nhíp xe
Trước đây, trên ôtô 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 không chiếm được cảm tình của nhà xuất cũng như người sử dụng. Chính vì vậy mà ở ôtô du lịch chúng bị đào thải và được thay thế bằng một thế hệ giảm xóc mới tiên tiến hơn là lò xo.
Hình 2.13. Nhíp xe ôtô 2.2.2.2. Giảm xóc lò xo
Ban đầu cấu tạo của giảm xóc bằng lò 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 lò 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 lò xo trở thành thiết bị phổ thông trong xe ôtô hiện đại.
2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực
Đây là tổng hợp của lò xo đàn hồi có giảm chấn cùng với lò 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 lò 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 Lò 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 lò xo khí, lò xo này cùng với lò 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 còn 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 ôtô khác nhau, do đó ngoài 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 thông 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 thông 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 thông 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 toàn 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
• “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.
• Một lợi thế nữa của hệ thống treo này là các lò 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 không 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 mô 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 luôn có vai trò 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 công nghệ cơ điện tử trong ôtô, 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 ôtô. Mục đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và an toàn. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên ôtô.
Chương 3. THIẾT LẬP CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ÔTÔ 3.1. Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô
Như đã giới thiệu ở chương trước, hệ thống giảm xóc hay còn 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 ôtô 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 ôtô 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, lò xo, thanh xoắn, khí nén, thủy lực. Chức năng của chúng là đảm bảo cho khung xe dao động êm trên địa hình nhấp nhô.
• 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.
Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh 3.1.1.Mô hình giao động của ôtô
Một chiếc ôtô trên thực tế với rất nhiều chi tiết và bộ phận không phải là một mô hình dẽ dàng trong nghiên cứu dao động. Do đó để nghiên cứu dao động, cần lược bỏ các bộ phận không cần thiết và tập trung vào các liên kết, kết cấu chính trong dao động của xe ôtô.
Sau đây là ba mô hình thường được dùng cho bài toán cân bằng dao động trong ôtô, đó là mô hình bốn bánh (toàn bộ ôtô), mô hình hai bánh (một nữa ôtô), mô hình một bánh (một phần tư ôtô).
3.1.2. Mô hình bốn bánh
Mô hình bốn bánh của một hệ thống giảm xóc với 7 bậc tự do được biểu diễn trong (hình 3.4). Thân xe được biểu diễn bằng vật có lắp lò xo ms, trong khi khối lượng phần giữa trục và bánh xe được biểu diễn bằng các khối lượng: mu1, mu2, mu3 , mu4. Độ Cứng của các lò xo và hệ số cản của các giảm
chấn lắp trên các bánh: ( ks1, bs1 ), ( ks2, bs2 ), ( ks3, bs3 ), ( ks4, bs4 ). Các bánh xe cũng có độ đàn hồi nhất định và được đặc trưng bởi các độ cứng: kt1, kt2, kt3, kt4.
kS2 bS2 mu2 k t2 kS1 bS1 mu1 kt1 kS3 bS3 mu3 kt3 k S4 b S4 mu4 kt4 m S Z y x
Bảy bậc tự do của mô hình trên bao gồm: chuyển động theo phương thẳng đứng, quay quanh trục x, trục y của thân xe ( ms ); chuyển động theo phương thẳng đứng của các vật mu1, mu2, mu3 , mu4.
Mô hình ở (Hình 3.4) là một mô hình bốn bánh đơn giản. Trên thực tế có những mô hình bốn bánh với nhiều bậc tự do hơn mô hình ở trên. Việc chọn mô hình nào và mức độ phức tạp tới đâu là phụ thuộc vào bài toán đặt ra cũng như mục tiêu của việc giải quyết của bài toán đó.
3.1.3. Mô hình một nửa ôtô
Mô hình hai bánh của một hệ thống giảm xóc được biểu diễn trong (Hình 3.5). Với việc mô hình với 2 bánh, số bậc tự do của hệ chỉ còn lại là 4 với chuyển động quay và chuyển động thẳng đứng của thân xe, chuyển động thẳng đứng của 2 bánh mu1, mu2. Có 2 dạng mô hình hai bánh, đó là hai bánh bên (Hình 3.5a) và hai bánh đồng trục (Hình 3.5b), đối với dạng thứ nhất chuyển động quay là quanh trục y, còn đối với dạng thứ hai chuyển động quay là quanh trục x.
Hình 3.4. Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc
Y kS1 bS1 m u1 kt1 k S2 b S2 mu2 kt2 z X kS2 bS2 mu2 kt2 kS1 bS1 mu1 kt1 z
3.1.4. Mô hình một phần tư ôtô
Một mô hình một phần tư ôtô 2 bậc tự do được biểu diễn như (hình 3.6)
Hình 3.6. Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc
Đây là một hệ thống giảm xóc bao gồm lò xo ks, giảm chấn bs, độ đàn hồi
của bánh xe được cho bởi kt. Các khối lượng ms, mu là khối lượng các phần gắn lò xo và không gắn lò xo. Các thông số zu, zs, zr là độ dao động theo
u m S b mS S k kt Z
phương thẳng đứng của các phần gắn lò xo, không gắn lò xo và nhấp nhô của mặt đường.
3.2. Hệ thống giảm xóc tự động
Như đã thấy ở chương 1 và 2, hệ thống giảm xóc tự động là một bước tiến trong thiết kế ôtô. Nó có những tính năng vượt trội so với hệ thống giảm xóc thông thường, có khả năng đáp ứng nhiều yêu cầu về tính năng kỹ thuật hơn, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người dùng. Quá trình nghiên cứu hệ thống điều khiển giảm xóc đã diễn ra trong hơn 4 thập kỷ qua và cho tới những năm cuối của thập kỷ 80, hệ thống giảm xóc tự động đã trở thành một trong những thành phần của ôtô hiện đại. Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển của hệ thống giảm xóc bán chủ động và chủ động đã được tiếp cận với nhiều phương pháp khác nhau, từ những phương pháp thông thường đến những phương pháp hiện đại. Có hai hướng chính trong các phương pháp đó, thứ nhất, đó là sử dụng