4.3.1. Giới thiệu tổng quan
Việc kiểm soát tín hiệu phản hồi để thay đổi động lực học của một hệ thống, nó ảnh hƣởng đến tần số tự nhiên, đáp ứng nhất thời cũng nhƣ sự ổn định của nó. Những khía cạnh này phải đƣợc nghiên cứu cẩn thận mỗi khi hệ thống điều khiển vòng kín đƣợc thiết kế. Trong chƣơng 3, ta đã thiết lập đƣợc mô hình treo bán tích cực, với hệ phƣơng trình vi phân mô tả chuyển động của hệ thống là:
{ ̈ ( – )– ( ̇ ̇ )
̈ – ̇ ̇ (4.1)
Theo quan điểm toán học tuyệt đối, bài toán điều khiển hệ thống treo bán tích cực trong trƣờng hợp này có thể đƣợc coi là tìm hàm liên tục K( , ̇, ̈, , ̇ , ̈ ) – là hàm giá trị hệ số giảm chấn K thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào các biến vị trí , vận tốc và gia tốc, với sự ràng buộc bỡi hệ phƣơng trình (4.1) để đạt đƣợc kết quả theo cách đƣợc xác định trƣớc (các kết quả nhƣ: độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển hay gia tốc dịch chuyển của thân xe hoặc cầu xe mà ta mong muốn đạt đƣợc) theo một bộ thông số kỹ thuật thiết kế. Sau khi có đƣợc hàm điều khiển ta tiến hành lập trình cho hệ thống.
52 Thực tế do sự phức tạp trong thiết kế điều khiển, việc giảm thiếu các biến điều khiển là rất cần thiết, đều này đƣợc thể hiện trong các thuật toán điều khiển đƣợc giới thiệu ở phần tiếp theo.
4.3.2. Một số thuật toán điều khiển hệ thống treo bán tích cực
Nhƣ đƣợc giải thích ở trên, do việc thiết kế điều khiển để đạt đƣợc kết quả chính xác theo quan điểm toán học là rất phức tạp, nên trong thực tế hàm điều khiển đƣợc sử dụng với số biến đƣợc giảm thiểu đi nhiều. Và hiện nay đã có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển đƣợc đề xuất và đã đƣợc áp dụng. Để hiểu đƣợc cơ bản về bản chất của các thuật toán này là gì, trong phần này sẽ trình bày về hai phƣơng pháp điều khiển là Skyhood và Groundhood. Thuật toán điều khiển Skyhood tập trung vào mục tiêu êm diu và Groundhood tập trung vào mục tiêu khả năng bám đƣờng.
4.3.2.1. Thuật toán điều khiển Skyhood
Cái tên Skyhook bắt nguồn từ ý tƣởng trong đó một bộ giảm chấn thụ động đƣợc tƣởng tƣợng, nối giữa một điểm cố định trên bầu trời với thùng xe. Nhằm mục đích tạo ra một lực giảm chấn ngƣợc hƣớng với vận tốc tuyệt đối của khối lƣợng đƣợc treo và có độ lớn tỷ lệ thuận với vận tốc tuyệt đối của khối lƣợng đƣợc treo (Hình 4.15 a). Nếu lực giảm chấn của bộ giảm chấn Skyhook là Fsky thì nó đƣợc xác định nhƣ sau:
Fsky = - Ksky. ̇ (4.2)
Trong đó, Ksky là hệ số giảm chấn Skyhood; ̇ là tốc độ dịch chuyển của khối lƣợng đƣợc treo.
53 Dễ dàng thấy rằng, mô hình điều khiển Skyhood lý tƣởng có thể đáp ứng tốt trong việc kiểm soát dao động của thân xe. Vì giảm chấn Skyhood nối thân xe đến một điểm cố định (tức là điểm mà không bị dao động ngay cả khi xe chuyển động), nên việc lựa chọn hệ số giảm chấn KSky không còn phụ thuộc vào chuyển động của cầu xe. Do đó, ta có thể dễ dàng hiểu rằng nếu chọn hệ số giảm chấn KSky càng lớn thì thùng xe càng cố định hơn. Cho ra kết quả là, khi chuyển động dƣờng nhƣ chỉ có cầu xe dao động và làm cho hệ thống treo nén hoặc dãn, còn thân xe thì gần nhƣ không bị dao động.
Tuy nhiên, điểm cố định này thực tế không tồn tại, vì thế chiến lƣợc điều khiển Skyhood lý tƣởng không thể đạt đƣợc bằng các thiết bị thực tế. Trong thực tế mô hình Skyhood lý tƣởng đƣợc thực tế hóa bằng cách thay giảm chấn Skyhood bằng một giảm chấn có thể điều khiển, có hệ số giảm chấn Kin (Hình 4.15 b). Để mô hình thực tế có thể tƣơng với mô hình lý tƣởng thì lúc này Kin phải thay đổi đƣợc khi xe chuyển động.
Từ nguyên tắc điều khiển trên cho đến hiện nay đã có rất nhiều chiến lƣợc điều khiển Skyhood đƣợc nghiên cứu và đƣa ra. Hiệu quả của sơ đồ điều khiển Skyhood là giảm thiểu sự dao động của thân xe (êm dịu) bằng cách giảm thiểu sự tác động từ KLKĐT đến KLĐT.
4.3.2.1.1. Điều khiển Skyhood hai trạng thái (SH 2-States)
Điều khiển Skyhook 2 trạng thái là một chiến lƣợc on/off, chuyển đổi giữa hệ số giảm chấn cao và thấp để đạt đƣợc các thông số kỹ thuật về sự thoải mái của thân xe (KLĐT). Quy tắc điều khiển này bao gồm việc thay đổi hệ số giảm chấn Kin của bộ giảm chấn theo tích của tốc độ dịch chuyển của thân xe ( ̇) và tốc độ biến dạng của hệ thống treo ( ̇def), theo logic điều khiển sau:
Kin = { ̇ ̇
̇ ̇ (4.3)
Trong đó: Kmin và Kmax là hệ số giảm chấn tối thiểu và tối đa có thể đạt đƣợc bằng bộ giảm chấn.
Khi tốc độ dịch chuyển của thân xe và tốc độ biến dạng của hệ thống treo có các dấu hiệu ngƣợc dấu (nghĩa là khi khối lƣợng đƣợc treo đang di chuyển lên và hai khối lƣợng
54 ngày càng gần nhau hoặc khi khối lƣợng đƣợc treo đang di chuyển xuống và hai khối lƣợng ngày càng xa nhau), theo lý thuyết của chiến lƣợc này thì Kin = 0 để hạn chế tối đa sự tác động của cầu xe lên thân xe. Tuy nhiên trong thực tế hệ số giảm chấn của bộ giảm chấn bằng 0 là không thể , nên Kin lúc này sẽ bằng một hằng số giảm chấn thấp Kmin có thể đạt đƣợc.
Khi tốc độ dịch chuyển của thân xe và tốc độ biến dạng của hệ thống treo có các dấu hiệu cùng dấu (nghĩa là khi khối lƣợng đƣợc treo di chuyển xuống và hai khối lƣợng ngày càng gần nhau hơn hoặc khi khối lƣợng đƣợc treo di chuyển lên và hai khối lƣợng ngày càng xa nhau hơn), theo lý thuyết của chiến lƣợc này thì Kin bằng vô cùng, để cản trở tối đa sự di chuyển xuống của thân xe. Tuy nhiên hằng số giảm xóc vô hạn không thể đạt đƣợc về mặt vật lý, vì vậy trong thực tế hệ số giảm chấn Kin lúc này sẽ bằng một hằng số giảm chấn cao KMax có thể đạt đƣơc.
4.3.2.1.2. Điều khiển Skyhood tuyến tính
Biến của hàm điều khiển trong phƣơng pháp này tƣơng tự nhƣ trong điều khiển Skyhood hai trạng thái, chỉ khác là hệ số giảm chấn Kin lúc này có thể điều khiển thay đổi liên tục trong một phạm vi rộng, theo logic điều khiển sau:
Kin = { ̇ ̇ ( ̇ ̇
̇ ) ̇ ̇ (4.4) Trong đó:
Kmin và Kmax là hệ số giảm chấn tối thiểu và tối đa có thể đạt đƣợc của giảm chấn. [0 ; 1] là thông số điều chỉnh, sửa đổi hiệu suất của logic điều khiển. Cụ thể khi = 0, quy tắc điều khiển này tƣơng ứng với điều khiển Skyhook 2 trạng thái.
Sự cải tiến dựa trên thực tế là theo biểu thức (4.3), khi ̇. ̇def 0 cung cấp số lƣợng vô hạn các hệ số giảm chấn. Quy tắc điều khiển này yêu cầu một bộ giảm chấn đƣợc điều khiển biến đổi liên tục (ví dụ bộ giảm chấn MR).
55
4.3.2.2. Thuật toán điều khiển Groundhood
Hình 4.18. Mô hình điều khiển Groundhood lý tƣởng (a), thực tế (b)
Phƣơng pháp điều khiển Groundhood với ý tƣởng tƣơng tự với phƣơng pháp điều khiển skyhook. Chỉ khác mục đích là ý tƣởng chính của chiến lƣợc điều khiển Groundhood là nó đƣợc sử dụng để giảm thiểu sự thay đổi lực tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đƣờng. Bằng cách sử dụng một bộ giảm chấn nối giữa cầu xe và mặt đất.
Tƣơng tự nhƣ chiến lƣợc điều khiển Skyhood, Groundhook lý tƣởng không thể đạt đƣợc trong thực tế và cần phải thực tế hóa nhƣ Hình 4.16 b. Ngƣợc lại với thuật toán điều khiển Skyhood, hiệu quả của thuật toán điều khiển Groundhood là giảm thiểu sự tác động của KLĐT đến KLKĐT.
4.3.2.2.1. Điều khiển Groundhood hai trạng thái (GH 2-States)
Quy tắc điều khiển này bao gồm việc thay đổi hệ số giảm chấn Kin của bộ giảm chấn theo tích của tốc độ dịch chuyển của khối lƣợng không đƣợc treo ( ̇ ) và tốc độ biến dạng của hệ thống treo ( ̇def) theo logic điều khiển sau:
Kin = { ̇ ̇
̇ ̇ (4.5)
Trong đó, Kmin và Kmax là hệ số giảm chấn tối thiểu và tối đa có thể đạt đƣợc bằng bộ giảm chấn.
56
4.3.2.2.2. Điều khiển Groundhood tuyến tính (GH Linear)
Trong trƣờng hợp này giảm chấn bán tích cực cho phép ta thay đổi hệ số giảm chấn một cách liên tục, đƣợc thể hiện bỡi logic điều khiển sau:
Kin = { ̇ ̇ ( ̇ ̇
̇ ) ̇ ̇ (4.6)
Trong đó:
Kmin và KMax là các hệ số giảm chấn tối thiểu và tối đa có thể đạt đƣợc bằng bộ giảm chấn
α [0; 1] là tham số điều chỉnh để điều chỉnh hiệu suất của logic điều khiển.
4.4. Kết luận chƣơng 4
Trong chƣơng này, đã trình bày đƣợc các thành phần và nguyên lí hoạt động của một hệ thống treo bán tích cực. Đặc biệt có giới thiệu một số loại giảm chấn bán tích cực đƣợc sử dụng trên xe hiện nay.
Trong chƣơng đã giải thích đƣợc cơ chế thiết lập điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực. Đồng thời đƣa ra một số thuật toán điều khiển đã đƣợc sử dụng. Rõ ràng ta thấy thuật toán điều khiển Skyhood có tác dụng giảm dao động thân xe để thỏa mãn mục tiêu êm dịu bằng cách giảm tác động từ cầu xe đến thân xe (cách li dao động).
57
CHƢƠNG 5. HỆ THỐNG TREO KHÍ THÍCH ỨNG TRÊN XE AUDI A8 2004
Hệ thống treo khí thích ứng trên xe audi A8 2004 là hệ thống treo sử dụng một giảm chấn đƣợc điều khiển liên tục kết hợp với lò xo khí nén. Trong đó, lò xo khí nén có chức năng thay đổi chiều cao của gầm xe tùy thuộc vào từng chế độ thiết lập. Sau khi đƣợc thiết lập chế độ thì lúc này lò xo khí nén có nhiệm vụ nhƣ một lò xo khí nén thụ động nhƣng có thể thay đổi độ cao của gầm xe phụ thuộc vào dãy vận tốc đã đƣợc lập trình trƣớc ( Mục 5.3). Giảm chấn là loại giảm chấn ống đôi sử dụng van điện từ để điều chỉnh hệ số giảm chấn phù hợp với điều khiện vận hành. Chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, nguyên lí, chức năng của toàn bộ hệ thống.
5.1. Giới thiệu tổng quan
Audi ra mắt mẫu A8 thế hệ thứ hai vào đầu năm 2004. Dựa trên nền tảng D3 của Tập đoàn Volkswagen, hai phiên A8 thế hệ thứ hai đƣợc cung cấp là A8 (tiêu chuẩn hoặc chiều dài cơ sở ngắn) và chiều dài cơ sở dài (LWB) là A8 L. A8 L thêm 120 mm (4,7 inch) cho chỗ để chân phía sau và 11 mm (0,43 in) cho chiều cao tổng thể của xe. Thân xe của nó đƣợc chế tạo hoàn toàn bằng nhôm. Thiết kế của chiếc xe đã đƣợc tân trang lại và nội thất đƣợc thiết kế lại hoàn toàn. Đây là mẫu xe bốn cửa thuộc phân khúc xe cỡ lớn hàng đầu của Audi có công nghệ và cải tiến mới nhất vào thời điểm đó, bao gồm: Giao diện đa phƣơng tiện (MMI), hộp số tự động 6 cấp (Tiptronic), hệ thống treo khí thích ứng với giảm xóc điều khiển liên tục (CDC), đèn pha bi-xenon với đèn pha cong, hệ thống chiếu sáng phía trƣớc thích ứng tĩnh (AFS), hệ thống định vị GPS với bản đồ DVD, hệ thống nhận dạng ngƣời lái với máy quét dấu vân tay. Chiếc A8 L 2004 là một trong số các dòng xe sang cao cấp cạnh tranh với Mercedes-Benz S-Class và BMW 7 Series và sự mới mẻ này của Audi mang lại cho nó một lợi thế, đặc biệt là so với Mercedes.
58 Hình 5.1. Mẫu xe Audi A8 L 2004
Trƣớc đó, với một chiếc xe nếu điều chỉnh ƣu tiên về thể thao sẽ đạt đƣợc tốc độ cao hơn và xe ổn định hơn.Tuy nhiên, điều này đòi hỏi những hạn chế khi ta quan tâm đến sự thoải mái. Các kỹ sƣ của Audi đã cung cấp cho chiếc A8 L 2004 một hệ thống treo hoàn toàn mới để giải quyết mâu thuẫn kinh điển giữa hệ thống treo sang trọng và thể thao. Một hệ thống treo khí nén thích ứng mang đến cho A8 L một sự kết hợp giữa hiệu suất vận hành và sự thoải mái.
Hệ thống treo khí nén thích ứng trên chiếc A8 L 2004 thay thế hệ thống treo bằng thép thông thƣờng của mẫu trƣớc để cải thiện việc đi xe, xử lý và hiệu suất với khả năng giảm trọng lƣợng đáng kể. Nó cũng cung cấp cho ngƣời lái một lựa chọn cài đặt hệ thống treo để phù hợp với sở thích đi xe và xử lý cụ thể của họ và để phù hợp với các điều kiện đƣờng khác nhau.
Hệ thống treo khí nén thích ứng mới của Audi có các thiết lập giảm xóc biến đổi liên tục và bốn cài đặt đƣợc xác định trƣớc (Automatic, comfort, dynamic và lift) để điều chỉnh lực cản của hệ thống treo với các điều kiện lái xe. Đối với đƣờng trơn và tốc độ cao, hệ thống treo có thể đƣợc làm cứng và hạ thấp để tăng độ ổn định từ trọng tâm thấp hơn và tiết kiệm nhiên liệu thông qua khí động học tốt hơn. Đối với đƣờng không bằng phẳng và vận tốc chuyển động nhỏ thì ƣu tiên các chế độ có gầm cao và thiết lập giảm xóc mềm hơn.
59
5.2. Những thành phần của hệ thống
5.2.1. Sơ đồ bố trí các thành phần của hệ thống
Hình 5.2. Sơ đồ bố trí các thành phần của hệ thống treo trên xe audi A8 2004
5.2.2. Cấu tạo và hoạt động của các thành phần của hệ thống 5.2.2.1. Bộ điều khiển J197 5.2.2.1. Bộ điều khiển J197
Bộ điều khiển J197 là bộ não của hệ thống, nó nhận các tín hiệu từ các cảm biến sau đó xử lí và tính toán. Kết hợp với các chế độ chọn đƣợc thiết lập trƣớc, những tín hiệu này đƣợc so sánh với những giá trị tính toán trƣớc trong thuật toán để điều khiển máy nén, van điện từ và giảm chấn. Do sự khác biệt giữa thiết lập chạy tiêu chuẩn và thể thao, bộ điều khiển đƣợc sản xuất thành hai phiên bản với ứng dụng phần mềm tƣơng ứng.
60 Mã số phụ tùng chính xác vào 6/2002:
Phần cứng: 4E0 907 553 C = Tiêu chuẩn 4E0 907 553 D = Thể thao
Phần mềm: 4E0 907 553 C = Tiêu chuẩn 4E0 907 553 D = Thể thao
5.2.2.2. Thanh chống treo
Tất cả bốn thanh chống treo đều có cấu trúc nhƣ nhau, chỉ khác là ở thanh chống treo sau có thêm bình khí bổ sung. Giảm chấn ống đôi và lò xo khí đƣợc thiết kế lồng đồng trục với nhau, đƣợc bao bọc bỡi xi-lanh bằng nhôm (Hình 5.4). Các lò xo khí đƣợc điều áp từ một bể chứa không khí ở phía sau xe (bình tích áp), đƣợc cung cấp bởi một máy nén khí trong khoang động cơ. Giảm chấn ống đôi đƣợc điều khiển điện liên tục thông qua việc điều khiển các van tiết lƣu.
Hình 5.4. Thanh chống treo cầu trƣớc (trái) và cầu sau (phải)
5.2.2.2.1. Lò xo khí nén
61
Cấu tạo: Lò xo khí nén đƣợc bọc trong một xi lanh bằng nhôm. Để ngăn bụi bẩn lọt
vào giữa xi lanh và ống thổi khí, khu vực giữa piston và xi lanh đƣợc bịt kín bằng ống bọc ngoài. Ống bọc ngoài có thể đƣợc thay thế trong quá trình bảo dƣỡng, nhƣng ống thổi khí không thể đƣợc thay thế riêng biệt. Trong trƣờng hợp có lỗi, phải thay thế toàn bộ thanh chống treo.
Hoạt động: Áp suất khí trong ống thổi đƣợc điều khiển bỡi bộ điều khiển thông qua
việc điều khiển các van điện từ. Khi khí đƣợc bơm vào làm cho ống thổi khí căn lên và cao lên giúp nâng thân xe lên hoặc tăng độ cứng của lò xo khí. Ngƣợc lại khi khí đƣợc xả ra làm cho ống thổi khí xẹp xuống và thấp xuống giúp hạ thân xe.
Chức năng: Việc nâng hạ thân xe giúp xe đạt đƣợc khí động học chuyển động và sự
ổn định của thân xe tối ƣu khi xe chuyển động trong các điều kiện khác nhau. Lò xo khí nén thay thế lò xo thép giúp làm giảm tổng trọng lƣợng xe. Việc bao bọc lò xo khí nén trong một xi lanh nhôm cho phép giảm độ dày thành ống thổi. Điều này dẫn đến một phản ứng nhạy hơn với địa hình đƣờng gập ghềnh.
5.2.2.2.2. Giảm chấn CDC (Continuous Damper Control)
Giảm chấn CDC là loại giảm chấn ống đôi có van tiết lƣu đƣợc điều khiển bằng điện.