Động học cơ cấu hướng hệ thống treo:

3.2.1. Khái niệm:

Động học hệ thống treo nghiên cứu mối quan hệ động học giữa bánh xe với khung xe khi bánh xe thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng.

Các thông số chính được xem xét trong động học hệ thống treo là: Sự dịch chuyển (chuyển vị) của bánh xe trong không gian ba chiều khi vị trí bánh xe thay đổi theo phương thẳng đứng. Các dịch chuyển này ảnh hưởng đáng kể đến khả năng truyền các lực (ba chiều) và các momen (theo ba trục) khi bánh xe ở các vị trí khác nhau. Nếu bánh

30

xe dịch chuyển tương đối với khung xe, hoặc thân xe nghiêng đi một góc γ, dịch bên vết bánh xe ∆y, góc tự điều khiển bánh xe β, và thay đổi tâm quay tức thời bánh xe. Các mối quan hệ này gọi là quan hệ động học của hệ thống treo.

Các kết cấu hiện nay rất da dạng về kích thước, hình dáng và vị trí bố trí các đòn treo, bởi vậy quan hệ động học của chúng rất khác nhau.

Sự dịch bên ∆y của bánh xe gây nên mòn lốp và làm giảm khả năng truyền lực bên của bánh xe. Mặc khác sự thay đổi vết lốp liên quan đến khả năng ổn định của xe, do vậy giá trị lệch bên ∆y đã khống chế sao cho nhỏ nhất.

3.2.2. Nhiệm vụ, yêu cầu và cơ sở động học của hệ thống treo:

 Nhiệm vụ: Các bánh xe ô tô phải được liên kết với thùng xe một cách đàn hồi theo hướng gần như vuông góc với mặt phẳng cơ sở của mặt đường sao cho dịch chuyển của bánh xe so với thùng xe càng theo hướng này càng tốt. Lý do ở đây một mặt làm cân bằng các lực thẳng đứng tĩnh và động giữa bánh xe và mặt đường, một mặt là làm tốt hơn tính êm dịu khi chuyển động trên đường không bằng phẳng. Ngược lại với điều này thì trong tất cả các hướng còn lại động học dịch chuyển của bánh xe so với thùng xe lại phải cứng để cho các lực từ mặt đường (các lực ngẫu nhiên, lực kéo, lực phanh, lực lái…) không gây ra một cách đáng kể những hiện tượng như quay vòng, nghiêng, dịch chuyển dọc ngang… Để đảm bảo các yêu cầu trên bánh xe được nối với thùng xe bằng một cơ cấu phù hợp, gọi là giá treo (cơ cấu hướng trong Hệ thống treo).

 Yêu cầu: Cơ cấu treo độc lập theo quan điểm động học chỉ có một bậc tự do trong dịch chuyển tương đối đối với thùng xe, đối với cơ cấu treo phụ thuộc của một cầu thì phải có hai bậc tự do (cả hai đều nằm trong mặt phẳng ngang thẳng đứng của xe). Chuyển động theo hướng các bậc tự do như vậy lại làm phát sinh đồng thời các chuyển động khác theo các hướng còn lại xung quanh chúng (xoay quanh các trục). Cơ cấu giá treo không được cứng tuyệt đối và vì thế tác dụng của ngoại lực từ mặt đường luôn luôn liên quan tới các dịch chuyển và sự quay của các bánh xe theo các hướng không nằm trong các hướng của bậc tự do động học lý thuyết.

31

Các yêu cầu cơ bản về kết cấu của giá treo là các đặc tính động học và đàn hồi của chúng mà có ảnh hưởng tới các thông số động lực học phải phù hợp với chuyển động của xe.

 Cơ sở động học: Các bánh xe độc lập (hệ thống treo độc lập) hay là cặp bánh xe

(hệ thống treo phụ thuộc hoặc bán phụ thuộc) thường được nối với khung bằng một cơ cấu không gian gồm rất nhiều khâu khớp. Đối với một cơ cấu cụ thể mà trên nó không tác dụng bất kì ngoại lực nào (nghĩa là coi hệ cứng tuyệt đối) ta có thể xác định vị trí của bất kì điểm nào trong hệ bằng các quan hệ động học.

Giá treo luôn nối với các phần tử đàn hồi và giảm chấn và nhiều khi phàn tử đàn hồi lại đóng vai trò trực tiếp là một khâu trong hệ, khi đó cần phải sử dụng một cơ cấu thay thế trong đó có tính đến đặc tính động học của phần tử đàn hồi.

3.2.3. Động học hệ thống treo:

Bộ phận đàn hồi (gọi tắt là lò xo) và giảm chấn trong hệ động học xe tạo sự liên kết (tác động) giữa 2 khối lượng nhưng thường không trực tiếp mà thông qua một dẫn động xác định (cơ cấu hướng). Trường hợp điển hình là hệ thống treo độc lập (hình 3.1).

32

Bài toán đơn giản: Các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe cho ô tô có hệ thống treo độc lập.

Hình 3.2. Sơ đồ lực tác dụng lên hệ thống treo độc lập G - Trọng lượng toàn bộ ô tô.

lt

F - Lực li tâm.

t1 t 2 p1 p2

Z , Z , Z , Z - Các phản lực thẳng góc của đường tác dụng lên bánh xe trái và phải ở cầu trước và sau. Zt Zt1Zt 2 và Zp Zp1Zp2

t1 t 2 p1 p2

Y , Y , Y , Y - Các phản lực ngang của đường tác dụng lên bánh xe trái và phải ở cầu trước và cầu sau. Ys Yt 2Yp2 và Yt Yt1Yp1

b – Chiều rộng cơ sở của ô tô. R- Bán kính quay vòng của ô tô.

c- Khoảng cách giữa hai lò xo - giảm chấn.

t

33

1

h - Khoảng cách từ mặt đường đến trọng tâm xe.

2

h - Khoảng cách từ mặt đường đến đầu trên của lò xo - giảm chấn. Trường hợp ô tô chuyển động ổn định:

Giả thiết rằng, xe chuyển động ổn định (v = const), độ cứng lò xo không thay đổi (C= const) phần tử đàn hồi tuyến tính, xe không bị trượt ngang và bỏ qua momen quán tính khối lượng Mj.

Trong thực tế, ô tô làm việc ở những điều kiện khác nhau tùy thuộc vào điều kiện đường xá và người lái. Do đó trị số các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên các bánh xe cũng bị thay đổi theo. Tuy nhiên, các hợp lực Zt Zpvẫn luôn bằng trọng lượng của xe.

Ta tách ra làm hai khối lượng:

Thứ nhất: phần khối lượng được treo.

Hình 3.3. Sơ đồ khối lượng phần được treo

Gt- Trọng lượng phần khối lượng được treo.

lt

F - Lực li tâm phần khối lượng được treo . R- Bán kính quay vòng của ô tô.

34

c- Khoảng cách phía trên của hai đầu lò xo - giảm chấn. d- Khoảng cách phía dưới của hai đầu lò xo - giảm chấn.

1

h - Khoảng cách từ mặt đường đến trọng tâm xe. α- Góc nghiêng của lò xo-giảm chấn.

lxt lxp

F , F là các lực của lo xo tác dụng lên phần khối lượng được treo bên trái và bên phải.

Ta có:

Phương trình cân bằng moment tại A:

A M 0 t lt 1 lxp d G . F .h F .d.cos 0 2      lxp t lt 1 1 d F G . F .h d.cos 2           t lt 1 lxp G F .h 1 F cos 2 d           (3.1)

Phương trình cân bằng moment tại B:

B M 0 t lt 1 lxt d G . F .h F .d.cos 0 2       lxt t lt 1 1 d F G . F .h d.cos 2           t lt 1 lxt G F .h 1 F cos 2 d           (3.2)

Từ hai phương trình trên ta tính được giá trị đàn hồi bên trái và bên phải của xe. Thứ hai: phần khối lượng không được treo.

35

Hình 3.4. Sơ đồ khối lượng phần không được treo

lxt lxp

F , F là các lực của lo xo tác dụng lên phần khối lượng không được treo bên trái và bên phải.

t1 t 2 p1 p2

Y , Y , Y , Y - Các phản lực ngang của đường tác dụng lên bánh xe trái và phải ở cầu trước và cầu sau. Ys Yt 2Yp2 và Yt Yt1Yp1

R- Bán kính quay vòng của ô tô. b – Chiều rộng cơ sở của ô tô.

c - Khoảng cách giữa hai lò xo - giảm chấn.

d - Khoảng cách phía dưới của hai đầu lò xo - giảm chấn.

2

h - Khoảng cách từ mặt đường đến đầu trên của lò xo – giảm chấn. α- Góc nghiêng của lò xo-giảm chấn.

Để xác định trị số các phản lực bên phải, ta lập phương trình cân bằng momen đối với đường thẳng đi qua hai điểm tiếp xúc của các bánh xe bên trái với mặt đường, ta có:

Phương trình cân bằng moment tại A:

36

lxt lxt 2 lxp lxp 2 p

b c b c

F .cos F .sin .h F .cos F .sin .h Z .b 0

2 2

 

   

         

   

Thay (3.1) vào phương trình trên ta được:

t lt 1 t lt 1 t lt 1 t lt 1 2 2 p G F .h b - c G F .h G F .h b c G F .h - . - - tan .h .tan .h - Z .b 0 2 d 2 2 d 2 d 2 2 d                                         t lt 1 lt 1 t lt 1 p 2 G F .h F .h G F .h 1 b c b c Z . 2. tan .h b 2 d 2 d 2 d 2                             (3.3)

Phương trình cân bằng moment tại B:

B

M 0

lxp lxt 2 lxt lxp 2 t

b c b c

F .cos F .sin .h F .cos F .sin .h Z .b 0

2 2

 

   

          

   

Thay (3.2) vào phương trình trên ta được:

t lt 1 t lt 1 t lt 1 t lt 1 t 2 2 G F .h b c G F .h G F .h b c G F .h Z .b . tan .h .tan .h 0 2 d 2 2 d 2 d 2 2 d                                         t lt 1 lt 1 t lt 1 t 2 G F .h F .h G F .h 1 b c b c Z . 2. tan .h b 2 d 2 d 2 d 2                             (3.4)

Từ các phương trình trên, ta tìm được phản lực bánh xe bên trái Ztvà phản lực bánh xe bên phải Zp, ta tìm được lực đàn hồi lò xo bên trái Flxtvà lực đàn hồi lò xo bên phải Flxp. Vậy biến dạng của lò xo sẽ thay đổi như thế nào? Ta có thể biện luận để tính toán như sau:

37

Nếu dịch chuyển điểm 1 một lượng u1 do tác dụng của lực F1 thì lò xo sẽ có lực nén F2 với một dịch chuyển là u2. Theo nguyên tắc công ảo ta có:

F1.du1 – F2.du2 = 0 (3.5)

Trong đó chú ý rằng F2 = f(u2) tùy thuộc vào đặc tính của phần tử đàn hồi, quan hệ giữa các dịch chuyển u1, u2 sẽ được rút ra tùy thuộc vào quan hệ động học cơ cấu hướng và tổng quát thì u2 = φ(u1). Như vậy ta có thể có quan hệ giữa lực F1 và dịch chuyển u1 ở dạng:

F1 = f [φ(u1)] du2

du1 (3.6)

Độ cứng của hệ thống treo khi dịch chuyển là u1 được xác định:

C1 = dF1 du1 = d

du1{ f[ φ(u1)] du2

du1 } (3.7)

Trường hợp đơn giản nhất là khi u2 = æu1 tức là tỉ số truyền động giữa u1 và u2 bằng hằng số (æ) hoặc khi lò xo là tuyến tính F2 = C2.u2. Khi thay thế vào chúng ta dễ dàng có quan hệ: C1 = æ2C2 tức là độ cứng của hệ tại điểm 1 bằng tích số của bình phương tỉ số dẫn động nhân với độ cứng riêng của lò xo.

Các quan hệ tương tự có thể rút ra đối với trường hợp sử dụng lò xo xoắn (thanh xoắn) như hình 3.2:

F2du1 – m2 dα2 = 0 (3.8) Ở đây m2 = f(α2) và α2 = φ(u1).

Trong trường hợp tuyến tính đơn giản nhất thì m2 = Ct α2, α2 = æα. u1 (æα = const) thì C1 = const = Ct . æα2 .

Về mặt lý thuyết thì có đạt được một đặc tính phi tuyến của hệ thống treo ngay cả khi đặc tính của lò xo là tuyến tính, tuy nhiên thực tế phổ biến hiện nay trên xe là các dẫn động khi đó nếu đặc tính lò xo là tuyến tính thì đặc tính hệ thống treo cũng là tuyến tính.

Tương tự đối với giảm chấn, nó phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển. Chúng ta giả thiết lực cản giảm chấn là F2 = f(u′2). Sự phụ thuộc của các tốc độ u′1và u′2được rút ra từ quan hệ u2= φ(u1) hay u′2= 𝑑

38

F1= f[ψ(u′1, u2) 𝑑u2

𝑑u1 ] (3.9)

Lượng tăng (dF1 /du′1) u1 = (k1) u1 được gọi là hệ số tắt dần của hệ khi có dịch chuyển là u1 bằng:

K1 = dF1 du′1= 𝑑

du′1{ f[ ψ(u′1,u1)] 𝑑u2

𝑑u1 } (3.10)

Trong trường hợp đơn giản nhất khi truyền động hằng số u2 = æu1 và đặc tính giảm chấn là tuyến tính F2= k2u′2 thì chúng ta lại có: k1 = æ2 k2 .

Kết luận:

Góc nghiêng thùng xe phụ thuộc vào biến dạng thẳng đứng của hệ thống treo, tức là dịch chuyển thẳng đứng của tâm bánh xe so với thùng xe.

Tuy nhiên có sự khác biệt giữa dịch chuyển nói trên so với biến dạng lò xo. Mối liên hệ này thông qua tỉ số æ.

Nhưng trong trường hợp tính toán đơn giản ta cho æ = 1, nghĩa là dịch chuyển của tâm bánh xe chính bằng dịch chuyển của biến dạng lò xo.

39

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NGANG THÙNG XE TRONG THỰC TẾ

4.1. Hệ thống treo khí điều khiển điện tử:

Hình 4.1. Các chi tiết trong hệ thống treo

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: dường dẫn khí.

Hệ thống treo khí nén - điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý không khí có tính đàn hồi khi bị nén. Với những ưu điểm và hiệu quả giảm chấn của khí nén, nó có thể hấp thụ những rung động nhỏ do đó tạo tính êm dịu chuyển động tốt hơn so với lò xo kim loại, dễ dàng điều khiển được độ cao sàn xe và độ cứng lò xo giảm chấn. Khi hoạt động máy nén cung cấp khí tới mỗi xi lanh khí theo các đường dẫn riêng, do đó độ cao của xe sẽ tăng lên tương ứng tại mỗi xi lanh tuỳ theo lượng khí được cấp vào. Ngược lại độ cao của xe giảm xuống khi không khí trong các xi lanh được giải phóng ra ngoài thông qua các van. Ở mỗi xi lanh khí nén có một van điều khiển hoạt động ở theo hai chế độ bật - tắt (on - off) để nạp hoặc xả khí theo lệnh của ECU. Với sự điều khiển của ECU, độ cứng, độ đàn hồi của từng giảm chấn trên các bánh xe tự động thay đổi theo độ nhấp nhô của mặt đường và do đó hoàn toàn có thể khống chế chiều cao ổn định của xe. Tổ hợp các chế độ của của "giảm chấn, độ cứng lò xo, chiều cao xe" sẽ tạo ra sự êm dịu tối ưu nhất khi xe

40

hoạt động. Ví dụ: Bạn chọn chế độ "Comfort" thì ECU sẽ điều khiển lực giảm chấn là "mềm", độ cứng lò xo là "mềm" và chiều cao xe là "trung bình". Nhưng ở chế độ "Sport" cần cải thiện tính ổn định của xe khi chạy ở vận tốc cao, quay vòng ngoặc… thì lực giảm chấn là "trung bình", độ cứng lò xo "cứng", chiều cao xe "thấp".

Hình 4.2. Giảm xóc khí nén được sử dụng trên xe

Trong mỗi xi lanh, có một giảm chấn để thay đổi lực giảm chấn theo 3 chế độ (mềm, trung bình, cứng), một buồng khí chính và một buồng khí phụ để thay đổi độ cứng lò xo theo 2 chế độ (mềm, cứng). Cũng có một màng để thay đổi độ cao xe theo 2 chế độ (bình thường, cao) hoặc 3 chế độ (thấp, bình thường, cao). Lượng khí vào buồng chính của 4 xi lanh khí thông qua van điều khiển độ cao. Van này có nhiệm vụ cấp và xả khí nén vào và ra khỏi buồng chính trong 4 xi lanh khí nén (phía trước bên phải và trái, phía sau bên phải và trái). Khí nén trong hệ thống được cung cấp bởi máy nén khí.

Cảm biến độ cao xe: Cảm biến điều khiển độ cao trước được gắn vào thân xe còn đầu