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 các nguyên lý điều khiển Skyhook, Groudhook và các nguyên lý mở rộng của chúng Extended Groundhook hay Hibrid Skyhook/Groundhook. Thứ hai, sử dụng các lý thuyết điều khiển tối ưu để tính toán, phân tích hệ thống giảm xóc. Dựa vào mức độ chủ động của hệ thống, có thể phân chia hệ thống giảm xóc thành 3 nhóm chính sau:
• Hệ thống bị động: Bao gồm các thành phần thông thường của một hệ thống giảm xóc với các đặc tính cố định theo thời gian. Không có năng lượng bên ngoài cung cấp trực tiếp cho loại giảm xóc này.
• Hệ thống bán chủ động: Bao gồm các bộ phận đàn hồi và bộ phận giảm chấn mà đặc tính của chúng có thể thay đổi bởi các điều khiển bên ngoài bằng tín hiệu truyền vào hệ thống.
• Hệ thống chủ động hoàn toàn: Hệ thống chủ động không sử dụng lò xo, nó chỉ có một cơ cấu chấp hành tạo nên lực mong muốn cho hệ thống giảm xóc. Một ví dụ cho hệ thống này là giảm xóc Bose LEM (Linear
lectronmagnetic Motor), sử dụng một động cơ điện từ tuyến tính trên mỗi bánh thay cho các thiết bị lò xo và giảm chấn truyền thống.
Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose
3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động
3.3.1. Các phương pháp điều khiển
Hệ thống giảm xóc bán chủ động được đề xuất bới 2 nhà khoa học Karnopp, Crosby (1973, 1974) và được phát triển bởi nhiều nhà khoa học khác. Cho tới thời gian gần đây, nó vẫn đang giành được sự quan tâm của các hãng sản xuất ôtô, các viện nghiên cứu và các trường đại học trên toàn thế giới.
Về cơ bản, các yếu tố có thể thay đổi của một hệ thống bán chủ động có thể là hệ số giảm chấn, độ cứng của bộ phận đàn hồi, thậm chí cả độ đàn hồi của bánh xe. Trong đó yếu tố hệ số giảm chấn được quan tâm xử lý và trở thành hướng trọng tâm của bài toán cân bằng ôtô. Vấn đề đặt ra là điều khiển hệ số giảm chấn như thế nào để đạt hiệu quả cân bằng dao động mới là mục đích chính của toán. Các nhà khoa học và kỹ thuật trên thế giới đã đưa ra
S m S k mu kt d F u Z S Z r Z
nhiều phương pháp điều khiển hệ số giảm chấn đó, qua các công trình nghiên cứu đó, có thể ra một số phương pháp chung để điều khiển như sau :
• Phương pháp điều khiển Skyhook liên tục • Phương pháp điều khiển Groundhook liên tục
• phương pháp điều khiển lai (giữa Skyhook và Groundhook) • Phương pháp điều khiển mờ
• Các phương pháp điều khiển tối ưu.
Trong luận văn này, chúng ta chỉ nghiên cứu hệ thống giảm xóc bán chủ động điều khiển Skyhook và Groundhook dựa trên mô hình một phần tư ôtô. Hệ thống giảm xóc chủ động và các điều khiển còn lại có thể được tìm thấy trong tài liệu về động lực học ôtô hay điều khiển dao động khác.
Mô hình phần tư ôtô của hệ thống giảm xóc tự động được cho như (Hình 3.8) với Fd là lực của giảm chấn ở hệ thống giảm xóc bán chủ động và bị động hoặc lực của cơ cấu chấp hành ở hệ thống giảm xóc chủ động. Cách thức xác định lực Fd trong mỗi hệ thống giảm xóc để cho phù hợp với điều kiện mặt đường và trạng thái xe phụ thuộc vào phương pháp điều khiển mà hệ thống đó sử dụng, có thể là Skyhook, Groundhook, kết hợp Skyhook/Groundhook hoặc các
phương pháp điều khiển tối ưu.
3.3.2. Điều khiển Skyhook
Điều khiển Skyhook được Karnopp đề xuất vào năm 1986 với mục đích là sự tiện lợi, thoải mái của người ngồi trên xe với ý tưởng gắn vào phần có lò xo một giảm chấn bằng một chiếc móc (hook) vào bầu trời (sky) như (hình 3.9a). Do đó dao động của phần thân xe sẽ được giảm một cách đáng kể, tạo sự thoải mái, tiện lợi cho người ngồi trên xe.
Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b)