Trong chƣơng này đã trình bày khái niệm về mô hình ¼ xe của hệ thống treo trên ô tô. Từ đó, xây dựng đƣợc các hệ phƣơng trình vi phân dao động của hệ thống treo trên xe ô tô, làm cơ sở lý thuyết để phân tích, mô phỏng và thiết kế hệ thống treo.
Phân tích đƣợc chiều hƣớng ảnh hƣởng của độ cứng C và hệ số giảm chấn K đến dao động thẳng đứng của xe. Đây là cơ sở để lựa chọn phƣơng pháp điều khiển cho hệ thống treo, tức là ta xác định đƣợc cần điều chỉnh thông số nào và theo chiều hƣớng nào để đáp ứng tối ƣu đƣợc các yêu cầu của hệ thống treo.
37
CHƢƠNG 4. HỆ THỐNG TREO BÁN TÍCH CỰC 4.1. Tổng quan về hệ thống treo bán tích cực
Hình 4.1 là mô hình vật lý của hệ thống treo bán tích cực với giảm chấn đƣợc điều khiển.
Hình 4.1. Mô hình vật lý của hệ thống treo bán tích cực Trong đó: Các đại lƣợng có ý nghĩa nhƣ những phần trƣớc đó.
Hệ thống treo bán tích cực tiếp cận khả năng hoạt động của hệ thống treo tích cực, mặc dù nó đòi hỏi ít năng lƣợng hơn để hoạt động. Một lò xo treo thông thƣờng đƣợc sử dụng, kết hợp với một bộ giảm chấn đƣợc điều khiển (có lực giảm chấn thay đổi đƣợc) thay cho bộ giảm chấn thƣờng trong hệ thống treo thƣờng. Lực giảm chấn sẽ đƣợc điều chỉnh phù hợp với điều kiện vận hành hiện tại và đƣợc điều khiển theo một vòng lặp khép kín (closed - loop).
Một số cảm biến đƣợc trang bị để xác định các trạng thái dao động của xe nhƣ: cảm biến gia tốc thân xe, cảm biến vị trí của KLĐT, cảm biến tốc độ xe, cảm biến góc lái,…
Trong khi hệ thống treo tích cực cần có nguồn năng lƣợng lớn bên ngoài để cung cấp năng lƣợng cho bộ truyền động, thì hệ thống treo bán tích cực chỉ sử dụng một năng lƣợng nhỏ để điều chỉnh giảm chấn, vận hành bộ điều khiển và các cảm biến. Bộ điều khiển xác định mức độ giảm chấn dựa trên thuật toán điều khiển đã đƣợc lập trình mà không có sự can thiệp của tài xế, sau đó điều khiển bộ giảm chấn để đạt đƣợc mức độ giảm chấn cần thiết. Ngoài ra, trong trƣờng hợp hệ thống điều khiển bị hỏng thì nó trở lại
38 hoạt động nhƣ một bộ giảm chấn thông thƣờng.
Hiện nay hệ thống treo bán tích cực đƣợc nhiều ngƣời quan tâm vì tiềm năng của nó đƣợc thể hiện qua những ƣu điểm sau:
Năng lƣợng cần cho hệ thống hoạt động thấp.
Đáp ứng tốt nhất cho sự thoải mái và hiệu suất xử lí của phƣơng tiện:
- Hệ thống treo có thể tự động điều chỉnh tƣơng thích với hoàn cảnh cảnh của mặt đƣờng.
- Ngƣời lái có thể lựa chọn ƣu tiên độ cứng của hệ thống treo bán tích cực.
Không có sự thay đổi kích thƣớc từ các hệ thống treo thông thƣờng.
4.1.1. Các thành phần của hệ thống treo bán tích cực
Sơ đồ bố trí các thành phần của hệ thống treo bán tích cực trên xe đƣợc minh họa trên Hình 4.2.
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí của hệ thống treo bán tích cực trên xe
Hệ thống điều khiển của hệ thống treo bán tích cực bao gồm 3 cụm bộ phận chính:
39 xe, cảm biến góc lái, công tắc đèn phanh,…gửi tín hiệu về hộp điều khiển ECU. Trong đó có một số tín hiệu ECU hệ thống không nhận trực tiếp từ cảm biến, mà nó nhận thông qua các bộ điều khiển khác liên quan trên xe. Ví dụ, nhận tín hiệu góc lái thông qua bộ điều khiển cột lái, hay nhận tín hiệu gia tốc ngang từ hộp điều khiển ESP.
- Hộp điều khiển ECU có chức năng nhận và xử lí tín hiệu vào, đƣa ra tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành.
- Bộ phận chấp hành gồm có: đèn báo, cơ cấu chấp hành trong giảm chấn, bộ phận kiểm tra, chẩn đoán.
Hình 4.3. Sơ đồ khối các cụm chức năng của hệ thống treo bán tích cực
4.1.2. Nguyên lí điều khiển của hệ thống treo bán tích cực
Các cảm biến gửi tín hiệu về hộp điều khiển ECU ở dạng điện áp. ECU của hệ thống sẽ nhận, xử lí và tính toán để xác định các trạng thái động lực học cần thiết của xe. Từ đó thông qua thuật toán điều khiển (đã đƣợc lập trình cho bộ điều khiển của hệ thống), ECU xác định và gửi tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành (trong giảm chấn) điều khiển lực giảm chấn tối ƣu tại hoàn cảnh hiện tại.
Đồng thời ECU sẽ kích hoạt đèn báo lỗi khi hệ thống bị lỗi và đồng thời chuyển sang chế độ hoạt động dự phòng (bộ giảm chấn lúc này nhƣ một bộ giảm chấn thƣờng).
Ngoài ra, ECU còn có chức năng tự kiểm tra lỗi, lƣu mã lỗi và chẩn đoán lỗi. Trên những dòng xe có trang bị hệ thống treo bán tích cực hiện nay thì đều có tích hợp mạng CAN (mạng giao tiếp giữa các hộp điều khiển của các hệ thống trên xe), nhờ vậy ECU điều khiển của hệ thống treo bán tích cực có thể trao đổi với các hộp điều khiển liên quan
40 khác, để xác định các trƣờng hợp chuyển động đặc biệt của xe (nhƣ quay vòng, tăng tốc hoặc giảm tốc,…) để điều khiển lực giảm chấn hiệu quả hơn.
4.1.3. Những thách thức khi thiết kế hệ thống treo bán tích cực
Hệ thống treo bán tích cực đòi hỏi phần cứng cơ khí phải đƣợc cải tiến và yêu cầu đầu vào là các cảm biến để hoạt động trong hệ thống điều khiển cơ điện tử của nó. Hiệu suất của hệ thống treo điều khiển cơ điện tử bán tích cực phụ thuộc vào một số biện pháp về thời gian đáp ứng của giảm chấn và phạm vi hệ số giảm chấn của chúng. Phần cứng cơ khí điều chỉnh hệ số giảm chấn với thời gian đáp ứng dƣới 10 ms là cần thiết cho các hệ thống treo điều khiển cơ điện tử bán tích cực.
Thách thức thứ hai là về thuật toán điều khiển hệ thống. Đầu vào của hệ thống treo điều khiển bán tích cực không mặc định là có bao nhiêu cảm biến mà là tùy thuộc vào từng loại giảm chấn khác nhau và mục đích sản xuất của từng hãng xe, tƣơng ứng với thuật toán điều khiển phù hợp.
4.2. Một số loại giảm chấn bán tích cực hiện nay
Gần đây, các thiết bị giảm chấn bán tích cực khác nhau đã đƣợc phát triển mạnh. Một số loại giảm chấn bán tích cực nhƣ: Giảm chấn có van tiết lƣu đƣợc điều khiển, giảm chấn chất lỏng với độ nhớt có thể điều khiển,...trong phần này sẽ trình bày về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và những ƣu điểm của một số loại mà hiện nay đã đƣợc đƣa vào sử dụng trên ô tô du lịch.
4.2.1. Giảm chấn FM
Giảm chấn FM là giảm chấn ống thủy lực với van áp suất chất lỏng có thể điều khiển đƣợc để thay đổi lực giảm chấn. Thƣờng thì van áp suất chất lỏng đƣợc điều khiển bằng điện hoặc bằng khí nén. Lƣợng dầu trong các buồng làm việc thay đổi liên tục để kiểm soát hoạt động của bộ giảm chấn nhƣ một thiết bị thay đổi lực giảm chấn. Hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn FM có thể thay đổi lực giảm chấn trong 10 - 12 ms, trong khi các hệ thống khác đòi hỏi một khoảng thời gian dài hơn nhiều (khoảng 200 ms) để thay đổi lực giảm chấn. Do đó, kiểm soát đƣợc tần số dao động của bánh xe cũng nhƣ kiểm soát đƣợc mức độ dao động thân xe.
41 Trong trƣờng hợp mất điện hay bị rò rỉ khí nén, van áp suất chất lỏng đƣợc đóng hoàn toàn, do đó bộ giảm chấn FM hoạt động nhƣ một thiết bị thụ động.
Theo nguyên lí điều khiển van áp suất chất lỏng thì hiện nay có khá nhiều loại giảm chấn FM và đƣợc chế tạo tùy thuộc vào từng hãng xe, loại xe,…
Hình 4.4. Giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng điều khiển bằng điện
Hình 4.5. Thanh chống treo với giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng điều khiển bằng khí nén trên xe audi A6
Trong Chƣơng 5 “ hệ thống treo khí thích ứng trên xe audi A8” đề tài sẽ phân tích rõ cấu tạo, nguyên lí làm việc, khả năng đáp ứng,… của bộ giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng điều khiển bằng điện. Ở phần này chúng ta sẽ đi tìm hiểu nguyên lí hoạt động
42 của giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng đƣợc điều khiển bằng khí nén. Ở đây chúng ta sẽ tách rời giảm chấn FM và lò xo khí nén thành 2 phần và chúng ta chỉ nói về nguyên lí hoạt động của giảm chấn FM với đầu vào là một ống dẫn khí nén đƣợc dẫn trực tiếp từ lò xo khí đến bộ van áp suất chất lỏng. Tùy thuộc vào áp suất của khí nén để đóng hoặc mở van áp suất chất lỏng làm tăng hoặc giảm lực giảm chấn.
Nguyên lí hoạt động của giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng đƣợc điều khiển bằng khí nén:
Trƣờng hợp 1: Khi piston đi lên và áp suất khí nén nhỏ, trên Hình 4.6.
Lúc này van áp suất chất lỏng mở, piston đi lên nên dầu trong buồng làm việc 1 sẽ đi qua lỗ tiết lƣu đi qua van và vào buồng phụ, một phần dầu đi qua các lỗ ở piston để xuống buồng làm việc 2. Khi piston đi lên, do chênh lệch áp suất nên một lƣợng dầu nhỏ sẽ đƣợc hút từ buồng phụ qua van tiết lƣu để đi vào buồng làm việc 2. Ở trƣờng hợp này, dầu ở các khoang thông nhau nên lƣợng dầu đi qua các ống ở piston để xuống buồng làm việc 2 nhỏ dẫn đến lực giảm chấn nhỏ.
Hình 4.6. Khi piston đi lên và áp suất khí nén nhỏ
Trƣờng hợp 2: Piston đi lên và áp suất khí nén lớn, trên Hình 4.7.
Cũng tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp 1 nhƣng lúc này do áp suất nén lớn nên van điều khiển áp suất chất lỏng đóng lại do đó dầu ở buồng làm việc 1 không thể đi qua van điều khiển áp suất để ra buồng phụ, nên piston nén lƣợng dầu ở buồng làm việc 1 với áp lực lớn, làm
43 cho lƣợng dầu đi qua các ống ở piston xuống buồng làm việc 2 lớn, dẫn đến lực giảm chấn lớn.
Hình 4.7. Khi piston đi lên và áp suất khí nén lớn
Trƣờng hợp 3: khi piston đi xuống và áp suất khí nén nhỏ, trên Hình 4.8.
Lúc này do áp suất nén thấp nên van điều khiển áp suất chất lỏng mở nên tất cả các buồng đều thông nhau. Khi piston đi xuống thì một lƣợng dầu ở buồng làm việc 2 sẽ đi lên buồng làm việc 1, một lƣợng khác sẽ đi qua van tiết lƣu để ra buồng phụ. Do tất cả các buồng thông nhau nên lực nén dầu trong buồng làm việc 2 nhỏ dẫn đến lực giảm chấn nhỏ.
44
Trƣờng hợp 4: Khi piston đi xuống và áp suất nén lớn, trên Hình 4.9.
Tƣơng tự trƣờng hợp 3 nhƣng lúc này van điều khiển áp suất chất lỏng đóng nên các buồng không thông nhau, dẫn đến dầu ở buồng làm việc 2 bị nén với áp suất cao làm cho một lƣợng dầu qua van điều tiết để vào buồng phụ và lƣợng dầu đi qua các lỗ ở piston để lên buồng làm việc 1 lớn, kết quả là lực giảm chấn cao.
Hình 4.9. Khi piston đi lên và áp suất khí nén lớn
Nhận xét:
Bốn trƣờng hợp nêu trên là bốn trƣờng hợp cơ bản nhất khi van điều khiển áp suất chất lỏng mở hoặc đóng. Trên thực tế thì van có thể mở nhỏ hay lớn tùy thuộc vào áp suất khí nén. Van sẽ đóng hoàn toàn nếu áp suất khí nén là cực đại.
Bộ giảm chấn FM có các ƣu điểm sau sau:
- Đặc tính lực giảm xóc có tác động hai chiều
- Hệ số giảm chấn thay đổi liên tục
45
4.2.2. Giảm chấm EM
Bộ giảm chấn EM gồm một mô tơ điện và cơ cấu vít bi (Hình 4.10). Mô tơ EM đóng vai trò vừa là động cơ điện (DC-AC), vừa là máy phát (AC-DC). Cơ cấu vít bi (ball- screw) dùng để chuyển đổi chuyển động thẳng đứng (sự dao động của các khối lƣợng) thành chuyển động quay.
Hình 4.10. Cấu tạo giảm chấn EM
Hoạt động của giảm chấn EM:
ECU nhận dữ liệu từ các cảm biến để xác định trạng thái dao động của xe, sau đó bộ khuếch đại công suất chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành thành điện áp cung cấp cho mô tơ EM làm việc dƣới sự điều khiển của ECU.
Khi mô tơ EM tuyến tính đƣợc cấp điện thì nó quay (trƣờng hợp này nó là động cơ) và tác động lên cơ cấu vít bi. Nếu chiều quay của nó cùng với chiều quay đƣợc tạo ra do sự dao động của các khối lƣợng thì trƣờng hợp này tƣơng ứng với hệ số giảm chấn giảm. Ngƣợc lại, nếu chiếu quay của nó ngƣợc với chiều quay đƣợc tạo ra do sự dao động của các khối lƣợng thì trƣờng hợp này tƣơng ứng với hệ số giảm chấn tăng. Vì vậy, với việc thay đổi điện áp cung cấp cho động cơ, thì ta sẽ có đƣợc dãy các giá trị giảm chấn thay đổi liên tục.
46 nhờ vào cơ cấu vít bi đã chuyển đổi chuyển động thẳng đứng (sự dao động của các khối lƣợng) thành chuyển động quay, lúc này mô tơ EM đƣợc dẫn động bởi chuyển động quay thông qua một bánh răng tăng tốc độ (bánh răng giữa cơ cấu vít bi và mô tơ) tạo ra điện áp xoay chiều (trƣờng hợp này nó là máy phát AC-DC). Điện áp xoay chiều đƣợc tạo ra, đƣợc chuyển sang điện áp một chiều và đƣợc lƣu trữ trong pin lƣu trữ hoặc một siêu tụ điện để sử dụng trong trƣờng hợp điều khiển. Điều này giúp hệ thống ít tiêu tốn năng lƣợng, đây cũng là ƣu điểm quan trọng của bộ giảm chấn EM, điều mà không thể thực hiện đƣợc trên bộ giảm chấn thủy lực hay khí nén.
4.2.3. Giảm chấn MR
Trong các hệ thống treo sử dụng giảm chấn FM, các van áp suất chất lỏng đƣợc điều khiển bằng điện tử đƣợc sử dụng để thay đổi tốc độ dòng chảy. Nhƣợc điểm của bộ giảm chấn này là phải điều khiển van áp suất nên tốc độ thay đổi lực giảm chấn chậm (10 -12 ms). Để khắc phục đƣợc nhƣợc điểm đó ngƣời ta đã tạo ra một loại giảm chấn có thể loại bỏ các van áp suất, đó là giảm chấn MR.
Giảm chấn MR là giảm chấn mà bên trong buồng làm việc là một loại chất lỏng có thể thay đổi độ nhớt một cách nhanh chóng khi có từ trƣờng tác dụng. Ngƣời ta đã phát hiện ra rằng, chất lỏng lƣu biến từ tính (MRF), chất lỏng từ hóa nano (NMRF) hoặc chất đàn hồi lƣu biến từ tính (MRE) có thể đƣợc thiết kế để trở thành bộ truyền động kiểm soát rung rất hiệu quả. Các hệ thống treo sử dụng giảm chấn MR đang trở nên phổ biến hơn vì chúng cung cấp cả độ tin cậy và tính linh hoạt của điều khiển mà không áp đặt nhu cầu năng lƣợng lớn.
MRF đƣợc đặt tên theo lƣu biến học, khoa học xử lý sự biến dạng và dòng chảy của vật chất. MRF bao gồm các hạt sắt siêu nhỏ hình cầu lơ lửng trong chất lỏng gốc hydrocarbon tổng hợp. Nó có thể thay đổi tính nhất quán của dầu thành tính nhất quán giống nhƣ nhựa dẻo trong vòng 1 ms khi từ trƣờng đƣợc áp dụng.
Không có từ trƣờng, chất lỏng không bị từ hóa và các hạt sắt đƣợc phân tán ngẫu nhiên. Nhƣng khi có tác dụng từ trƣờng, các hạt kim loại sắp xếp thành các cấu trúc sợi, thay đổi lƣu biến chất lỏng. Điều này về cơ bản làm loãng hoặc làm đặc chất lỏng tức thời điều chỉnh các đặc tính giảm xóc của thanh chống. Về bản chất chúng cứng hơn khi
47 chuyển từ lỏng sang rắn. Việc loại bỏ từ trƣờng cho phép MRF trở về trạng thái lỏng tự do ban đầu. Mức độ thay đổi trong MRF phụ thuộc vào độ lớn của từ trƣờng áp dụng.
Hình 4.11. Ảnh hƣởng của từ trƣờng lên hỗn hợp MRF