(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch

(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, nền kinh tế thế giới và Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc, nâng cao đời sống người dân và thúc đẩy đầu tư vào hệ thống giao thông vận tải Ô tô ngày càng trở thành phương tiện phổ biến, đặc biệt với sự phát triển công nghệ hiện đại, yêu cầu về tính an toàn, tiện nghi và trải nghiệm thoải mái khi lái xe ngày càng cao Các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm về kiểu dáng, độ bền và tính năng tiện nghi để cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu của khách hàng Trong đó, hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ ổn định và sự êm dịu cho hành khách, giúp tối ưu trải nghiệm vận hành xe trong mọi điều kiện đường sá Để nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống treo, các nhà sản xuất đã nghiên cứu và can thiệp vào hoạt động của hệ thống này trong suốt quá trình vận hành, nhằm mở rộng phạm vi đáp ứng và duy trì sự ổn định, êm dịu tối ưu trong các điều kiện không thuận lợi.

Chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên ô tô du lịch” làm đề tài tốt nghiệp vì đây là hệ thống treo hiện đại, thường trang bị trên các dòng xe hạng sang và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần Hệ thống treo này là công nghệ mới mẻ, thu hút sự quan tâm của nhiều người nhưng vẫn còn nhiều người chưa hiểu rõ về nó Việc nghiên cứu này giúp làm rõ các đặc điểm, ưu điểm và tiềm năng phát triển của hệ thống treo bán tích cực, góp phần nâng cao hiểu biết và ứng dụng trong ngành ô tô.

Trong quá trình thực hiện đề tài này, chúng em không chỉ mong muốn nâng cao kiến thức cá nhân và hoàn thành tốt nghiệp đại học mà còn hy vọng tạo ra nguồn tài liệu chất lượng Tài liệu này sẽ giúp ích cho những người có nhu cầu về công việc liên quan đến kỹ thuật ô tô hoặc có sự quan tâm đặc biệt, góp phần mở rộng kiến thức và hỗ trợ học tập hiệu quả.

Mục đích và mục tiêu thực hiện đề tài

1.2.1 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là hoàn thành đồ án tốt nghiệp, nâng cao kiến thức chuyên môn cho bản thân và cung cấp nguồn tài liệu chuẩn cho học sinh, sinh viên trong quá trình học tập Đồng thời, bài viết còn hướng đến việc giúp độc giả nâng cao hiểu biết về hệ thống treo bán tích cực sử dụng trên xe ô tô du lịch, góp phần thúc đẩy lĩnh vực ô tô và kỹ thuật vận hành xe.

1.2.2 Mục tiêu thực hiện đề tài

- Nhằm củng cố kiến thức về phân loại, cấu tạo và chức năng của một hệ thống treo

Hệ thống treo bán tích cực là công nghệ tiên tiến giúp cải thiện khả năng vận hành và cảm giác lái của xe Hiểu biết về cơ sở lý thuyết, cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất Hệ thống hoạt động dựa trên các nguyên tắc điều khiển chính xác, sử dụng các chi tiết và cụm chi tiết điều khiển hiện đại để điều chỉnh độ cứng mềm của hệ treo phù hợp với tình hình đường đi Nắm vững các yếu tố cấu thành và nguyên lý điều khiển của hệ thống treo bán tích cực giúp kỹ thuật viên và nhà thiết kế phát triển các giải pháp tối ưu, nâng cao trải nghiệm lái xe an toàn và thoải mái hơn.

- Hiểu biết về những công nghệ giảm chấn dùng trong hệ thống treo bán tích cực hiện nay

- Tìm hiểu về một hệ thống treo bán tích cực cụ thể đƣợc sử dụng trên ô tô thực tế hiện nay.

Đối tƣợng nghiên cứu

Hệ thống treo bán tích cực trên ô tô du lịch đang ngày càng được chú trọng nhờ khả năng cung cấp sự cân bằng giữa cảm giác lái thể thao và thoải mái cho hành khách Các công nghệ giảm chấn hiện đại như giảm chấn thích ứng tự động giúp tối ưu hóa khả năng vận hành của hệ thống treo bán tích cực, nâng cao trải nghiệm người dùng Ngoài ra, hệ thống treo khí ngày càng phổ biến trên các dòng xe cao cấp như Audi A8 2004, mang lại khả năng điều chỉnh tối ưu về độ cao và độ cứng của hệ thống treo, giúp cải thiện khả năng vận hành và thoải mái cho hành khách.

Giới hạn nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của độ cứng C và hệ số giảm chấn K của hệ thống treo đối với độ êm dịu của xe, nhằm nâng cao trải nghiệm thoải mái cho người ngồi trên xe Đồng thời, bài viết phân tích cách các yếu tố này ảnh hưởng đến lực động giữa bánh xe và mặt đường, góp phần tối ưu hóa khả năng vận hành và ổn định của hệ thống treo Các kết quả nghiên cứu giúp các nhà thiết kế cải thiện cấu trúc hệ thống treo để giảm thiểu rung lắc và tăng cường sự êm ái trong quá trình di chuyển.

- Ứng dụng mụ hỡnh ẳ xe để nghiờn cứu nguyờn lớ điều khiển phần tử giảm chấn trờn

3 hệ thống treo bán tích cực

- Tìm hiểu một số loại giảm chấn sử dụng trong hệ thống treo bán tích cực hiện nay

- Tìm hiểu về khả năng tối ƣu độ êm dịu và ổn định của hệ thống treo khí thích ứng trên dòng xe Audi A8 2004.

Nhiệm vụ đề tài

- Làm rõ những yêu cầu về êm dịu và lực động đối với hệ thống treo

Việc điều khiển chính xác các phần tử đàn hồi và phần tử giảm chấn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả chuyển động của xe Nhờ đó, xe vận hành êm ái và ổn định hơn trên mọi địa hình Điều này giúp cải thiện trải nghiệm người dùng, tăng tính an toàn và đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống treo Hiểu rõ lý do tại sao kiểm soát tốt các bộ phận này là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất của xe.

Hệ thống điều khiển và phương pháp điều khiển của hệ thống treo bán tích cực đã được làm rõ, giúp nâng cao hiệu quả kiểm soát cảm giác lái và ổn định xe Cấu tạo của hệ thống gồm các thành phần chính như giảm chấn và cảm biến, hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh lực giảm chấn phù hợp với điều kiện đường bộ và tải trọng xe Các loại giảm chấn sử dụng trong hệ thống treo bán tích cực hiện nay thường gồm giảm chấn khí nén, giảm chấn thủy lực và các biến thể kết hợp nhằm tối ưu hóa khả năng giảm xóc, mang lại cảm giác thoải mái và an toàn cho người lái Hệ thống này góp phần nâng cao khả năng kiểm soát xe, giảm thiểu rung lật và duy trì liên tục ổn định trong quá trình vận hành.

- Trình bày về cấu tạo và hoạt động của hệ thống treo bán tích cực trên xe thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

- Tìm kiếm tài liệu liên quan đến đề tài từ: giảng viên hướng dẫn, internet, giáo trình trên thư viện trường và từ bạn bè

- Nghiên cứu sơ bộ tài liệu và đề tài, viết đề cương sơ bộ thông qua sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn

- Nghiên cứu lý thuyết theo nội dung đề tài đã đƣợc vạch ra và tiến hành viết đồ án

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO

Đặc điểm hệ thống treo

Hệ thống treo (HTT) trên ô tô là bộ phận liên kết đàn hồi nối giữa thân xe (KLĐT) và các cầu xe (KLKĐT) nhƣ trên Hình 2.1

Hình 2.1 Vị trí hệ thống treo tên xe ô tô

Hệ thống treo là bộ phận liên kết đàn hồi gồm lò xo và giảm chấn, có chức năng giảm xóc và giữ cho thân xe ổn định Thân xe được đỡ bởi các lò xo, tạo thành khối lượng được treo (KLĐT), trong khi các bánh xe, cầu xe và các chi tiết khác không được đỡ bởi các lò xo gọi là khối lượng không được treo (KLKĐT) Hệ thống treo ô tô gồm ba bộ phận chính, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao trải nghiệm lái xe và đảm bảo an toàn.

Hướng của cơ cấu liên kết động học giữa thùng xe và bánh xe đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quỹ đạo dịch chuyển của tâm bánh xe, ảnh hưởng trực tiếp đến dao động và động học chuyển động của ô tô Quỹ đạo này còn ảnh hưởng đến khả năng quay vòng của xe, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành Hệ thống treo có thể được phân thành hệ thống độc lập hoặc phụ thuộc dựa trên cấu tạo của liên kết này, ảnh hưởng đến khả năng giảm xóc và độ bền của xe.

Phần tử đàn hồi là liên kết đàn hồi nối giữa thùng xe và bánh xe, giống như một lò xo có độ cứng C, giúp tạo ra các chuyển động theo hướng nén và dãn Nó chịu trách nhiệm giảm thiểu dao động do tác động của mặt đường bằng cách dập tắt năng lượng dao động sau một số chu kỳ nhất định Đặc tính đàn hồi của bộ phận này đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc kiểm soát dao động của xe, mang lại sự ổn định và thoải mái khi vận hành.

Phần thử giảm chấn đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thụ năng lượng dao động và giúp giảm chấn nhanh chóng, từ đó nâng cao độ êm dịu của xe ô tô Đặc tính hoạt động của bộ phận này ảnh hưởng trực tiếp đến dao động của xe, đảm bảo mang lại trải nghiệm lái mượt mà và ổn định Hiểu rõ về chức năng của bộ giảm chấn giúp cải thiện lực tác động giữa bánh xe và mặt đường, nâng cao an toàn và sự thoải mái cho người lái.

Theo quan điểm động lực học, phần tử đàn hồi và phần tử giảm chấn là hai thành phần

Hệ thống treo gồm sáu thành phần chính, trong đó phần tử đàn hồi và phần tử giảm chấn đóng vai trò quan trọng nhất trong chức năng của cơ cấu hướng Chức năng của hệ thống treo chủ yếu liên quan đến động học chuyển động của ô tô, giúp nâng cao khả năng vận hành và sự thoải mái cho người lái Do đó, nội dung chính của bài viết tập trung vào phân tích các phần tử đàn hồi và giảm chấn của hệ thống treo, nhằm hiểu rõ hơn về vai trò và ảnh hưởng của chúng tới hiệu suất xe.

Hiện nay, hệ thống treo trên ô tô du lịch thường sử dụng các thiết bị đàn hồi như lò xo trụ và phần tử đàn hồi khí cùng với thiết bị giảm chấn ống thủy lực Hiểu rõ đặc tính làm việc của các thiết bị này giúp làm rõ khả năng đáp ứng hai nhiệm vụ chính của hệ thống treo thường trên xe du lịch, từ đó giải thích lý do cần phải cải tiến hệ thống treo để nâng cao hiệu suất và độ bền.

2.1.1 Phần tử đàn hồi (PTĐH)

Các phần tử đàn hồi (gọi tắt là lò xo) đóng vai trò liên kết đàn hồi giữa thùng xe và cầu xe, giúp giảm chấn động và tăng độ ổn định Đặc tính làm việc của lò xo phản ánh mối quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng, trong đó tỷ lệ này gọi là độ cứng của lò xo Độ cứng của lò xo có thể là hằng số, thể hiện đặc tính đàn hồi tuyến tính Các phần tử đàn hồi có thể được cấu tạo từ các vật liệu cơ khí và kim loại như nhíp, thanh xoắn, lò xo hoặc từ các chất phi kim loại như khí hoặc thủy khí, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong hệ thống giảm xóc của xe.

2.1.1.1 Phần tử đàn hồi lò xo trụ

7 Độ cứng của lò xo: C= Gd 4 /8nD (2.1)

Với D là đường kính trung bình, d là đường kính dây lò xo, n là tổng số vòng lò xo, G là modun đàn hồi vật liệu

Nhƣ vậy, độ cứng C là hằng số nếu nhƣ các thông số cấu tạo trong biểu thức (2.1) không đổi

Những phần tử đàn hồi cơ khí tuy đơn giản nhưng thường cho độ cứng không đổi, điều này tạo ra một số bất lợi nhƣ sau:

Trong quá trình vận hành ô tô, khối lượng thay đổi từ không tải đến toàn tải khiến tần số dao động riêng của phần tử đàn hồi thay đổi theo tải trọng Nếu độ cứng của phần tử đàn hồi giữ nguyên (đặc tính tuyến tính, C = const), tần số dao động sẽ biến đổi theo dạng tỉ lệ với căn bậc hai của tải trọng ( = √ ) Điều này gây khó khăn trong việc kiểm soát và tránh hiện tượng cộng hưởng cộng hưởng thùng xe khi tải trọng thay đổi.

Độ cứng không đổi của hệ thống treo gây ra thách thức trong việc tối ưu hóa các thông số, nhằm đảm bảo cân bằng giữa khả năng giảm chấn và độ ổn định của xe Việc điều chỉnh cứng của hệ thống treo cần phải xem xét kỹ lưỡng để duy trì sự thoải mái cho người lái và hiệu suất vận hành tối ưu Do đó, các kỹ sư cần phát triển các giải pháp phù hợp để điều chỉnh độ cứng một cách linh hoạt, phù hợp với đa dạng điều kiện road và yêu cầu về sự êm dịu cũng như lực động của xe.

2.1.1.2 Phần tử đàn hồi khí

Khí trong các phần tử đàn hồi thường là không khí khi phần tử có khối lượng khí thay đổi, còn là khí ni tơ khi phần tử có khối lượng khí cố định Điều này ảnh hưởng đến đặc tính đàn hồi của các phần tử, tùy thuộc vào loại khí bên trong Hiểu rõ sự khác biệt này giúp tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống khí nén và các thiết bị liên quan.

Hình 2.3 Sơ đồ phần tử đàn hồi khí

8 Độ cứng phần tử đàn hồi khí tại thời điểm chịu tải trọng F z là:

Trong đó: S là diện tích đỉnh piston; n là chỉ số nén đa biến; p mt là áp suất môi trường;

V là thể tích khí; Fz là tải trọng tác dụng lên PTĐH

Trong hệ dao động một bậc tự do, nơi chỉ có khối lượng KLĐT dịch chuyển thẳng đứng, chúng ta quan tâm đến trạng thái thay đổi của các đại lượng như tải trọng, áp suất và các thông số liên quan Ban đầu, tải trọng là Fz0 = gM0, cùng các thông số như p0, V0, và S Khi tải trọng thay đổi thành Fz1 = gM1, áp suất sẽ tăng lên thành p1 = (Fz1 + S pₘt) / S, thể hiện sự ảnh hưởng trực tiếp của tải trọng đến áp suất trong hệ.

Trong trường hợp khối lượng khí được duy trì không đổi thì thể tích khí sẽ thay đổi đẳng nhiệt thành:

V‟ 1 = p 0 V 0 /p 1 = V 0 (F z0 + p mt S)/(F z1 +p mt S) (2.3) Độ cứng của PTĐH ở tải trọng F z0 khi dao động sẽ bằng:

C 0 = n(F z0 + p mt S).S/V 0 (2.4) Độ cứng của PTĐH ở tải trọng F z1 khi dao động sẽ bằng:

Sự thay đổi độ cứng theo tải trọng đƣợc thể hiện bằng tỉ số độ cứng ở các tải trọng F z1 và F z0 :

Nhƣ vây, độ cứng của phần tử đàn hồi sẽ thay đổi theo sự thay đổi của tải trọng F z Tải trọng tăng thì độ cứng tăng lên đáng kể

Tần số dao động góc riêng của khối lƣợng cũng theo tỷ lệ:

Như vậy khi tăng tải trọng thì tần số góc riêng của hệ tăng lên (ngược với trường hợp PTĐH tuyến tính)

Trong trường hợp thứ hai, khi tải trọng thay đổi nhưng thể tích khí được duy trì không đổi, tức là V₀ = V¹ Điều này có nghĩa là khối lượng khí sẽ thay đổi theo sự biến đổi của tải trọng, trong khi thể tích vẫn giữ nguyên để đảm bảo tính ổn định của hệ thống khí.

Nhƣ vậy, độ cứng cũng tăng tỷ lệ với tải trọng

Tần số góc riêng của khối lƣợng dao động theo tỷ lệ:

Vậy, khi thay đổi tải trọng và duy trì thể tích không đổi thì tần số góc riêng của hệ gần nhƣ không đổi

Ô tô có tải trọng thay đổi liên tục từ không tải tới toàn tải, ảnh hưởng đến tần số dao động riêng của thùng xe, gây ra nguy cơ cộng hưởng Hệ thống treo khí có ưu điểm duy trì tần số dao động riêng ổn định bất kể tải trọng thay đổi, giúp giảm thiểu rung lắc và gia tăng sự thoải mái Đồng thời, duy trì thể tích khí cố định giúp xe ổn định hơn, tuy nhiên để điều chỉnh thể tích này cần sử dụng hệ thống khí nén điều khiển tự động, bơm hoặc xả khí nhằm giữ thể tích khí không đổi tối ưu cho hoạt động của xe.

 Cấu tạo phần tử đàn hồi khí:

PTĐH khí là một loại vỏ bằng cao su đúc bên trong chứa không khí, có khả năng biến dạng nhưng giữ nguyên chu vi của mặt bất kỳ nhờ vào lớp cao su cứng bên ngoài Độ cứng riêng theo hướng biến dạng thường được bỏ qua so với độ cứng do áp suất khí bên trong quy định Áp suất ban đầu trong PTĐH khí ở trạng thái tĩnh có thể lên tới 0,6 Mpa, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của thiết bị.

Buồng đàn hồi khí nén bao gồm hai loại tiêu chuẩn là buồng dạng sóng và buồng gấp, như hình 2.4 Mặt bích trên của buồng được thiết kế có lỗ bắt bu lông để liên kết chắc chắn với thân xe Đế của buồng thường được kết nối với dầm hoặc giá đỡ nằm trên dầm nhằm đảm bảo sự ổn định và liên kết chắc chắn của hệ thống.

Hình 2.4 Các dạng PTĐH khí: a) Buồng dạng sóng, b) Buồng gấp

2.1.2 Phần tử giảm chấn (PTGC)

Những yêu cầu của hệ thống treo

Trong quá trình phát triển hệ thống treo, ngoài các yêu cầu bắt buộc như độ cứng và độ bền, mục tiêu chính là nâng cao độ êm dịu và giảm lực động tác của xe trong các điều kiện vận hành thay đổi liên tục Độ êm dịu của xe được đo bằng khả năng chuyển động trên đường mà không gây ra va đập cứng, ảnh hưởng đến sức khỏe của người lái, hành khách và các bộ phận của xe Gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của tải trọng là yếu tố quyết định đến mức độ thoải mái, thường phải nhỏ hơn 0.5 m/giây Để đảm bảo sự ổn định, tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe cần đủ để tạo ra lực ma sát truyền lực bên và lực dọc, giúp xe vận hành hiệu quả với độ trượt bánh xe thấp hơn Lực động lực học giữa lốp và mặt đường, F_dyn (Z_r – Z_t), đóng vai trò quyết định trong khả năng bám đường và độ bền mặt đường, thường được xác định dựa trên tải trọng tĩnh hoặc độ võng của lốp.

Khi xe chuyển động do chịu tác động của nhiều tác nhân kích thích, chủ yếu là do độ không phẳng của mặt đường, khiến toàn bộ chiếc xe dao động Sự dao động này liên quan đến các bộ phận được treo và không được treo của xe, ảnh hưởng lớn đến cảm giác lái và độ bền của phương tiện Các tác nhân như độ lún của mặt đường và tác động từ môi trường góp phần làm gia tăng dao động của xe khi di chuyển Hiểu rõ nguyên nhân và cách giảm thiểu dao động giúp nâng cao trải nghiệm lái xe an toàn và thoải mái hơn.

 Sự dao động của khối lƣợng đƣợc treo:

1) Sự lắc dọc: Lắc dọc là dao động lên xuống của đầu và đuôi xe so với trọng tâm của xe Xe bị lắc dọc khi chạy qua rãnh hoặc mô hoặc trên đường mấp mô, có nhiều ổ gà

Hình 2.9 Sự lắc dọc của thân xe

2) Sự lắc ngang: Khi xe chạy vòng hoặc chạy trên đường gồ ghề thì các lò xo của một bên xe giãn ra còn các lò xo ở phía bên kia thì co lại, làm cho xe lắc lƣ theo chiều ngang

Hình 2.10 Sự lắc ngang của thân xe

3) Sự nhún: Chuyển động lên xuống của toàn bộ thân xe khi xe chạy tốc độ cao trên đường gợn sóng

Hình 2.11 Sự nhún của thân xe

4) Sự xoay đứng: Đảo hướng là chuyển động của đường tâm dọc của xe sang bên trái và phải so với trọng tâm xe Khi xe bị lắc dọc thì cũng dễ bị đảo hướng

Hình 2.12 Sự xoay đứng của thân xe

 Sự dao động của khối lƣợng không đƣợc treo:

1) Sự dịch đứng: Sự dịch đứng là chuyển động lên xuống của bánh xe, thường xuất hiện khi xe chạy với tốc độ trung bình và cao trên đường gợn sóng

Hình 2.13 Sự dịch đứng của cầu xe

2) Sự xoay dọc: Sự xoay dọc là dao động lên xuống theo chiều ngƣợc nhau của bánh xe bên phải và bên trái, làm cho bánh xe nhảy lên, bỏ bám mặt đường Hiện tượng này thường dễ xảy ra đối với xe có hệ thống treo phụ thuộc

Hình 2.14 Sự xoay dọc của cầu xe

Các dao động của ô tô trong quá trình chuyển động ảnh hưởng mạnh đến trải nghiệm lái, làm giảm sự êm ái và tăng lực tác dụng lên xe Khi gia tốc dịch chuyển thẳng đứng vượt quá giới hạn cho phép, hành khách và tài xế có thể cảm thấy khó chịu, mất thoải mái, đồng thời gây mất ổn định và nguy cơ làm xe bị đổ Đặc biệt, đối với cầu xe, các dao động làm thay đổi tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe hoặc khiến bánh xe bị nhấc lên, gây nguy hiểm vì bánh xe không còn bám đường tốt, giảm khả năng truyền lực kéo, phanh và kiểm soát hướng chuyển động của xe, đe dọa an toàn trên đường.

Để khắc phục những nhược điểm của hệ thống treo, cần tập trung vào hai nhiệm vụ chính trong thiết kế: giảm thiểu gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của Khối Lượng Động Tác (KLĐT) nhằm đảm bảo cảm giác êm dịu, và hạn chế lực động để nâng cao khả năng kiểm soát và bám đường hiệu quả Các chức năng của hệ thống treo phù hợp với những yêu cầu này được thể hiện rõ trong Hình 2.15, giúp đảm bảo sự cân bằng giữa sự thoải mái và an toàn khi vận hành xe.

Hình 2.15 Mối quan hệ giữa nhiệm vụ và chức năng của hệ thống treo

Ngoài ra, hệ thống treo còn phải đáp ứng các yêu cầu phi chức năng như chi phí hệ thống, không gian thiết kế, độ tin cậy, an toàn, độ bền và khả năng bão dưỡng Khi hệ thống treo được nhìn thấy bên ngoài như một phần của tổng thể, nó cần phải phù hợp với kiểu dáng chung của xe Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của hệ thống treo, các yêu cầu được đặt ra sẽ có trọng số khác nhau và được xem xét kỹ lưỡng để lựa chọn giải pháp tối ưu nhất.

Các chỉ tiêu về độ êm dịu và lực động chuyển động của ô tô

Tính êm dịu và lực động khi xe chuyển động phụ thuộc vào kết cấu của xe, hệ thống treo, đặc điểm và cường độ lực kích động từ mặt đường, cũng như kỹ thuật lái xe Dao động của ôtô thường được đo lường bằng các thông số như chu kỳ, tần số dao động, biên độ, gia tốc và tốc độ tăng trưởng gia tốc, là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ êm dịu và lực động của xe Hiện tại, chưa có chỉ tiêu duy nhất nào đủ chính xác để đánh giá toàn diện độ êm dịu và lực động của ôtô, mà thường phải kết hợp nhiều chỉ tiêu trong số các thông số trên Các thông số này đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá chính xác khả năng vận hành mượt mà và ổn định của xe trong quá trình di chuyển.

2.3.1 Tần số dao động thích hợp

Con người từ nhỏ đã quen với nhịp điệu của bước đi, với tần số dao động trung bình từ 60 đến 85 lần/phút Thói quen này phản ánh qua việc mỗi người thực hiện từ 60 đến 85 bước chân mỗi phút, phụ thuộc vào vóc dáng và thói quen sinh hoạt Khi đi bộ, cơ thể có đặc điểm dao động với tần số này, điều mà các nhà thiết kế hệ thống treo ô tô thường lấy làm tiêu chuẩn để đạt được sự êm ái, phù hợp với từng loại phương tiện như xe du lịch (60-85 lần/phút) và xe tải (85-120 lần/phút) Tần số dao động phù hợp này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và thoải mái khi xe chạy qua các địa hình khác nhau.

2.3.2 Gia tốc dịch chuyển của KLĐT Độ êm dịu chuyển động của ô tô xác định tính thoải mái (comfort) cho hành khách và hàng hóa cũng như tốc độ yêu cầu khi chuyển động trên đường cứng với những lớp phủ mặt đường nhấp nhô khác nhau Thông số cơ bản đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô là giá trị gia tốc bình phương trung bình RMS (Root Mean Square) ̈ [m/ ] và được xác định theo phương pháp đặc trưng của ô tô ̈ = √ ∫ ̈ (2.13)

Trong đó: ̈ (t) là biên độ gia tốc thẳng đứng biến thiên theo thời gian [m/ ]

T là khoảng thời gian đo [s]

Trong thí nghiệm kéo dài 8 giờ, các tần số dao động từ 4 đến 8 Hz được xác định là nhạy cảm với con người Trong khoảng tần số này, các giá trị RMS tác động lên con người có khả năng tạo ra các cảm giác như mệt mỏi hoặc khó chịu Điều này cho thấy tần số dao động trong phạm vi từ 4 đến 8 Hz có tác động đáng kể đến cảm nhận của con người trong suốt quá trình theo dõi Các kết quả nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các tần số dao động đối với sức khỏe và cảm giác của con người.

- Gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe: 0.63 m/

Trong quá trình phân tích dịch chuyển thẳng đứng của thùng xe, gia tốc bình phương trung bình và giá trị cực đại của gia tốc được xác định là những thông số quan trọng cần hạn chế để đảm bảo an toàn Giá trị gia tốc cực đại, thường được xác định trên tuyến đường ở tốc độ gây ra hiện tượng cộng hưởng giữa các thành phần động lực của ô tô, đặc biệt là KLĐT và KLKĐT, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hiệu quả hành trình xe Thường thì, giới hạn tối đa của gia tốc này được đặt ở mức 0.5 m/giây² nhằm hạn chế các tác động không mong muốn và đảm bảo sự ổn định của phương tiện khi vận hành.

Giá trị thấp hơn tại một kích thích đầu vào cụ thể cho thấy hệ thống treo càng tốt trong việc bảo vệ người lái xe khỏi các tác nhân bên ngoài Hệ thống treo tối ưu không chỉ giúp giảm thiểu tác động của các kích thích mà còn nâng cao mức độ thoải mái cho người lái Việc kiểm soát chính xác giá trị này là yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế và cải tiến hệ thống treo nhằm đạt được mục tiêu về độ êm dịu của xe.

2.3.3 Sự thay đổi tải trọng thẳng đứng giữa bánh xe và mặt đường

Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe cần được cố định càng tốt để đảm bảo lực ma sát tiềm năng giữa bánh xe và mặt đường luôn duy trì ổn định, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến lực dẫn hướng dọc và ngang của xe Việc kiểm soát tải trọng này giúp xe dễ dàng điều khiển hơn và giữ hành trình trên quỹ đạo mong muốn một cách chính xác và an toàn.

Hệ số tải trọng động của lốp là tiêu chí quan trọng để đánh giá sự ổn định của lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe Nó được định nghĩa là độ lệch chuẩn của tải trọng động so với tải trọng tĩnh của lốp, phản ánh mức độ biến động của tải trọng khi xe vận hành Chỉ số này càng thấp càng cho thấy lốp xe có khả năng duy trì ổn định tốt hơn, góp phần nâng cao an toàn và hiệu suất vận hành của xe.

Trong đó: F(t) là tải trọng động của lốp biến đổi theo thời gian là tải trọng tĩnh của lốp (khi xe đứng yên)

Hệ số tải trọng động của lốp lên đến 0,33 vẫn đảm bảo khả năng kiểm soát xe tương đối tốt Tuy nhiên, khi hệ số này vượt quá giới hạn này, khả năng kiểm soát trong quá trình vận hành của xe sẽ giảm mạnh, dễ khiến xe lệch khỏi quỹ đạo mong muốn Do đó, việc duy trì hệ số tải trọng động ở mức phù hợp là rất quan trọng để giữ an toàn và ổn định khi lái xe, đồng thời giảm thiểu các hành động điều chỉnh cần thiết trong quá trình di chuyển.

Khi hệ thống treo đạt đến giới hạn hành trình, nó bị chặn hoàn toàn trong hành trình nhỏ nhất có thể, làm giảm rõ rệt hệ số tải trọng động của lốp Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến cảm giác thoải mái khi lái xe, gây ra sự không mấy dễ chịu cho người dùng.

Nhược điểm và các khả năng cải tiến hệ thống treo thường

Hình 2.16 Cấu trúc chung của hệ thống treo

Hệ thống treo hoạt động như một bộ lọc dao động cơ học, giảm tác động của kích thích chủ yếu từ độ không phẳng của mặt đường ảnh hưởng đến đặc tính dao động của klđt và klkđt Nếu mục tiêu thiết kế là tạo cảm giác êm dịu, biến đầu ra thường là gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của klđt, còn nếu ưu tiên khả năng bám đường, biến đầu ra chính là độ võng của lốp hoặc lực động tác.

Hình 2.17 và Hình 2.18 trình bày đáp ứng tần số của hệ thống treo thông thường, với đầu vào là độ nhấp nhô của mặt đường (Z r) và đầu ra là độ dịch chuyển thẳng đứng của KLĐT (Z) cùng độ võng của lốp (Z t - Z r) Các hình ảnh này thể hiện rõ mối quan hệ giữa hệ số giảm chấn và khả năng giảm rung động của hệ thống treo, qua đó giúp tối ưu hóa thiết kế để nâng cao khả năng vận hành ổn định và thoải mái cho phương tiện.

Hình 2.17 Đáp ứng tần số của hệ thống với đầu vào là độ nhấp nhô mặt đường và đầu ra là độ dịch chuyển thẳng đứng của KLĐT

Hình 2.18 Đáp ứng tần số của hệ thống với đầu vào là độ nhấp nhô mặt đường và đầu ra là độ võng của lốp

Đáp ứng tần số trên Hình 2.11 và Hình 2.12 thể hiện phép đo định lượng của tín hiệu đầu ra của hệ thống, cụ thể như độ dịch chuyển thẳng đứng của KLĐT và độ võng của lốp, khi được kích thích bằng tần số, qua đó mô tả động lực học của hệ thống treo Trục tung của đồ thị thể hiện độ khuếch đại biên độ dao động theo decibel (dB), giúp phân tích rõ hơn mức độ phản hồi của hệ thống ở các tần số khác nhau.

Trục hoành là tần số kích thích [Hz]

Những chấm đen trên đồ thị thể hiện các điểm bất biến, nơi đặc tính dao động của hệ thống treo không đổi dù hệ số giảm chấn có thay đổi Đường màu xanh dương, xanh lá và đỏ biểu diễn đáp ứng tần số của hệ thống khi hệ số giảm chấn tăng từ thấp đến trung bình và cao, giúp người xem dễ dàng nhận biết tác động của từng mức giảm chấn đối với dao động của hệ thống.

Nhận xét và kết luận:

Khi hệ số giảm chấn thay đổi, đặc tính đáp ứng tần số của hệ thống treo cũng thay đổi theo, như thể hiện qua các hình 2.17 và 2.18 Mỗi phạm vi tần số kích thích lại yêu cầu một hệ số giảm chấn phù hợp để đạt hiệu quả tối ưu Trong các hệ thống treo thông thường, hệ số giảm chấn được thiết lập cố định trong suốt quá trình vận hành, chỉ đáp ứng tốt trong phạm vi tần số hẹp của hệ thống.

Trên đồ thị xuất hiện hai đỉnh cộng hưởng chính: cộng hưởng của Khớp Lực Động Tơ (KLĐT) với tần số riêng khoảng 0.7 – 5 Hz và cộng hưởng của Khớp Lực Kéo Động Tơ (KLKĐT) với tần số riêng khoảng 10 – 14 Hz Trong hệ thống treo sử dụng giảm chấn có hệ số giảm chấn không đổi, việc tránh xảy ra cộng hưởng là rất khó khăn Khi cộng hưởng xảy ra, cả thân xe và cầu xe đều chịu tác động dao động mạnh, gây mất ổn định thoải mái và giảm khả năng điều khiển của xe.

Trên Hình 2.17 và Hình 2.18, ta có thể thấy rõ rằng hai đặc tính này đối lập nhau, đặc biệt là ở các tần số kích thích khác nhau Cụ thể, ở tần số thấp hơn 5 Hz, chúng ta nên chú ý đến cộng hưởng của Khả năng lực đàn hồi của lốp xe (KLĐT), còn ở tần số cao hơn từ 10 đến 14 Hz, thì cần tập trung vào cộng hưởng của Khả năng lực kéo của lốp xe (KLKĐT) Ngoài ra, khi tăng hệ số giảm chấn ở dải tần số cao trên 10 Hz đến 14 Hz, độ võng lốp giảm theo quan điểm điều khiển, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ dịch chuyển của hệ thống, ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát và ổn định khi vận hành.

Hệ số giảm chấn của hệ thống treo ảnh hưởng trực tiếp đến cảm giác lái và độ êm của xe, đặc biệt là về cảm giác thân xe không tốt theo quan điểm êm dịu Nhận biết về ảnh hưởng của các yếu tố này giúp nâng cao trải nghiệm người dùng và tối ưu hoá hệ thống treo Trong Chương 3, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết hơn về tác động của độ cứng của phần tử đàn hồi đối với đặc tính làm việc của hệ thống treo, giúp người đọc hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa các thành phần và hiệu suất vận hành của xe.

Hệ thống treo thường gặp hạn chế trong việc đáp ứng cùng lúc các yêu cầu về độ êm ái và lực đè nén Trong thực tế, hệ số giảm chấn được lựa chọn dựa trên tiêu chí ưu tiên phù hợp với mục đích thiết kế của xe Điều này ảnh hưởng đến khả năng cân bằng giữa sự thoải mái cho hành khách và khả năng xử lý của xe trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Để thiết kế một chiếc xe có khả năng vận hành êm dịu trên đường và ổn định trong điều kiện thể thao, hệ thống treo truyền thống thường không đáp ứng đủ yêu cầu Hiện nay, nhiều hãng sản xuất ôtô đã phát triển hệ thống treo tự động điều chỉnh, giúp thay đổi các đặc tính hoạt động như hệ số giảm chấn hoặc độ cứng của các phần tử đàn hồi trong quá trình vận hành Công nghệ này nâng cao khả năng mang lại cảm giác lái êm dịu và đảm bảo tính ổn định tối ưu của xe ở nhiều chế độ khác nhau.

Các hệ thống treo điều khiển

Hệ thống treo hoạt động qua nhiều cấp độ khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất lái xe Ở cấp độ của bộ giảm chấn, việc điều chỉnh lực giảm chấn giúp kiểm soát sự rung lắc và ổn định phương tiện Ở cấp độ của bộ phận đàn hồi, điều chỉnh lực lò xo góp phần cải thiện khả năng chịu tải và sự linh hoạt của hệ thống treo Đối với hệ thống treo tích cực, toàn bộ hệ thống đem lại hiệu quả vượt trội bằng cách thay thế các thành phần đàn hồi và giảm chấn truyền thống bằng cơ cấu truyền lực tiên tiến, nâng cao khả năng vận hành và độ bền của xe.

Hệ thống treo điều khiển hiện nay có thể đƣợc phân loại theo hai đặc tính sau:

Theo cấp độ điều khiển: Hệ thống treo điều khiển đƣợc chia thành hai loại: hệ thống treo bán tích cực và hệ thống treo tích cực

Hệ thống treo bán tích cực là loại hệ thống treo điều khiển sự biến đổi của lực giảm chấn hoặc lực lò xo, hoặc kết hợp cả hai trong cùng một hệ thống Đây giúp tăng cường hiệu suất vận hành của xe, đồng thời yêu cầu mức năng lượng nhỏ để vận hành hệ thống điều khiển điện tử Hệ thống này mang lại khả năng thích nghi linh hoạt với điều kiện đường vận, nâng cao sự thoải mái và an toàn cho người lái và hành khách.

Hệ thống treo tích cực là loại hệ thống treo được điều khiển bằng một cơ cấu truyền lực thay thế cho các thiết bị đàn hồi và giảm chấn truyền thống Nhờ đó, hệ thống treo tích cực có khả năng kiểm soát việc nâng và giảm xóc xe một cách chính xác hơn Công nghệ này giúp cải thiện khả năng vận hành và thoải mái của xe trong mọi điều kiện địa hình, đồng thời nâng cao độ bền và an toàn cho người dùng Hệ thống treo tích cực đang ngày càng được ứng dụng phổ biến trong các dòng xe hiện đại nhờ hiệu quả vượt trội trong việc tối ưu hóa trải nghiệm lái.

Trong quá trình vận hành, việc nâng hoặc hạ thân xe (KLĐT) phụ thuộc vào lực được cung cấp vào hệ thống, đòi hỏi mức năng lượng tiêu thụ lớn để duy trì hoạt động hiệu quả.

Dải tần số đáp ứng tối đa của hệ thống treo điều khiển bằng băng thông thể hiện khả năng thay đổi đặc tính của hệ thống nhanh hay chậm, ảnh hưởng đến tốc độ phản hồi của cơ cấu chấp hành Trong hệ thống treo cơ điện tử, tần số đáp ứng của cơ cấu chấp hành thường thấp hơn so với bộ điều khiển, do đó dải tần số đáp ứng của bộ truyền động chính là dải tần số đáp ứng của toàn bộ hệ thống treo Tính năng này xác định rõ khả năng thay đổi nhanh chậm của hệ thống, qua đó thiết lập dải tần số đáp ứng tối đa mà hệ thống có thể đạt được Băng thông điều khiển được thể hiện bằng tần số (Hz), thể hiện tốc độ thay đổi của tín hiệu trong một giây, là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống treo điều khiển điện tử.

Phân loại hệ thống treo có thể điều khiển dựa trên cấp độ điều khiển và băng thông của bộ truyền động Hệ thống này đều thể hiện qua ba đặc điểm chính, giúp phân biệt rõ các loại hệ thống treo có khả năng điều chỉnh tự động và hiệu quả hơn trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của xe.

- Phạm vi điều khiển đƣợc, hay nói cách khác là phạm vi lực mà bộ truyền động có thể cung cấp

- Băng thông điều khiển là thước đo mức độ tác động của bộ truyền động

- Yêu cầu năng lƣợng tùy vào phạm vi điều khiển và băng thông điều khiển

Theo nhƣ phân tích trên, hệ thống treo điều khiển cơ điện tử có thể đƣợc chia thành 5 loại đƣợc thể hiện trong Hình 2.19

Hình 2.19 Các loại hệ thống treo có thể điều khiển

Hệ thống treo thích nghi là loại hệ thống treo bán tích cực với hệ số giảm chấn (K) được điều chỉnh chậm, giúp tối ưu hóa khả năng giảm xóc Tần số hoạt động của hệ thống này dao động quanh vài Hz, phù hợp với các yêu cầu của xe để mang lại cảm giác lái êm ái Ngoài ra, hệ thống treo thích nghi tiêu thụ năng lượng rất thấp, chỉ cần khoảng vài Watts, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng cho xe.

Hệ thống treo bán chủ động (semi-active suspension) sử dụng bộ giảm chấn điện tử có khả năng điều chỉnh hệ số giảm chấn linh hoạt theo dải tần số lớn (khoảng 30-40 Hz), giúp tối ưu hóa khả năng vận hành của xe Công nghệ này yêu cầu năng lượng tương đối thấp, khoảng vài chục Watts, phù hợp với các xe hiện đại đòi hỏi sự ổn định và thoải mái trên mọi địa hình.

Hệ thống treo chống lảo đảo hay còn gọi là load leveling suspension là một trong những nỗ lực đầu tiên trong việc phát triển hệ thống treo tích cực Nó có khả năng điều chỉnh độ cao của thùng xe theo tải trọng tĩnh bằng cách kiểm soát lực tác động vào các phần tử đàn hồi như lò xo khí hoặc bộ truyền động thêm vào Dải tần số hoạt động của hệ thống thường nằm trong khoảng 0,1-0,11 Hz, với yêu cầu năng lượng tiêu thụ khoảng vài trăm Watts để duy trì hiệu quả hoạt động.

Hệ thống treo chủ động chậm (Slow-active suspension) là hệ thống treo tích cực điều chỉnh ở dải tần số nằm giữa tần số riêng của thân xe và cầu xe, giúp cải thiện khả năng vận hành và độ ổn định của phương tiện Biến điều khiển trong hệ thống này là lực treo F, với phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào mức năng lượng yêu cầu, thường dao động từ vài kiloWatts Công nghệ này giúp tối ưu hóa khả năng thích ứng của hệ thống treo theo điều kiện vận hành, mang lại trải nghiệm lái mượt mà và an toàn hơn.

Hệ thống treo fully-active là hệ thống treo tích cực hoạt động với dải tần số lớn từ 20-30 Hz, giúp cải thiện khả năng kiểm soát và độ thoải mái của xe Tương tự như hệ thống treo slow-active, hệ thống này sử dụng lực treo F làm biến điều khiển chính, mang lại hiệu suất tối ưu cho xe Tuy nhiên, hệ thống treo fully-active đòi hỏi nguồn năng lượng tương đối lớn, khoảng hàng chục kiloWatts, để duy trì hoạt động liên tục và hiệu quả.

Hệ thống treo được điều khiển nhằm kiểm soát động lực học dọc của xe, từ đó mở rộng phạm vi đáp ứng và mang lại chuyến đi êm ái, ổn định Xe hơi có hai động lực học dọc chính: động lực học thân xe (KLĐT) với tần số từ 0.7 - 5 Hz và động lực học cầu xe (KLKĐT) với tần số từ 10 - 14 Hz Hiểu rõ đặc điểm này giúp tối ưu hóa hệ thống treo để nâng cao trải nghiệm vận hành.

Hệ thống treo Load leveling có thể điều chỉnh tải trọng tĩnh (tần số thấp) nhƣng không có ảnh hưởng đến động lực học dọc xe

Hệ thống treo Slow – Active và Adaptive thì thích hợp để kiểm soát thân xe nhƣng không có tác dụng đối với động lực học bánh xe

Hệ thống treo Fully Active và Semi-Active có khả năng kiểm soát toàn diện động lực học dọc xe, mang lại khả năng vận hành tối ưu Hệ thống Fully Active có phạm vi điều khiển rộng và thường cung cấp hiệu suất cao nhất, nhưng đi đôi với đó là yêu cầu năng lượng lớn và sự phức tạp trong đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

Hiện nay, ngoài các kiểu hệ thống treo đã được phân loại truyền thống, còn có các hệ thống treo kết hợp hoặc phân loại theo các tiêu chí khác, ví dụ như hệ thống treo thích ứng trên xe Audi A8 2004, là sự kết hợp giữa hệ thống treo Adaptive và Load leveling Hệ thống treo này sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 5, giúp nâng cao khả năng vận hành và thoải mái cho xe.

Kết luận chương 2

Trong chương này, đã trình bày đặc điểm của hệ thống treo thường cũng như định nghĩa và phân loại các hệ thống treo điều khiển, gồm hai loại chính là bán tích cực và tích cực, nêu rõ ưu nhược điểm của từng loại Các mục đích chính của việc phát triển hệ thống treo là tăng độ êm dịu và tính ổn định khi xe chuyển động, với hai nhiệm vụ cơ bản là giảm dao động thân xe và giảm lực động Những ảnh hưởng của các thông số hệ thống treo được giải thích một cách định tính, và nội dung này sẽ được làm rõ hơn bằng các phương trình động học cùng các phân tích đồ thị thực nghiệm qua Chương 3 để tối ưu hóa hiệu quả hệ thống treo.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG TREO

Mụ hỡnh thụ động ẳ xe

Mụ hình Ả xe là mô hình thể hiện hệ thống treo trên một cầu xe, giúp phân tích và nghiên cứu các đặc điểm của hệ thống treo cổ điển và hệ thống treo điều khiển Mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ cấu trúc và hiệu suất của các loại hệ thống treo khác nhau, hỗ trợ các kỹ sư trong việc thiết kế và tối ưu hóa hệ thống treo cho xe cộ.

Hỡnh 3.1 Mụ hỡnh thụ động ẳ xe Trong đó:

M và m lần lƣợt là phần khối lƣợng của KLĐT và KLKĐT

Z và Z t lần lượt là độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của KLĐT và KLKĐT

Z r là độ nhấp nhô của bề mặt đường

C là độ cứng của phần tử đàn hồi

K là hệ số giảm chấn của phần tử giảm chấn

C t là độ cứng của lốp xe

3.1.1 Thiết lập cỏc phương trỡnh dao động từ mụ hỡnh ẳ xe Để thiết lập cỏc phương trỡnh dao động từ mụ hỡnh ẳ xe trờn Hỡnh 3.1, ta tiến hành tách các phần dao động trong hệ và viết phương trình cân bằng cho từng phần đó như sau:

 Phần khối lƣợng đƣợc treo:

Hình 3.2 Phần khối lƣợng đƣợc treo Trong đó: F s là lực đàn của lò xo (PTĐH) và có độ lớn: F s = C.(Z Z t )

F d là lực giảm chấn của PTGC và có độ lớn: F d = K.( ̇ ̇ ) ̇ và ̇ là vận tốc dịch chuyển của KLĐT và KLKĐT

Theo định luật II Newton, phương trình vi phân chuyển động của KLĐT là: ̈ = F s F d (3.1)

Hay: ̈ – – ̇ ̇ (3.2) ̈ là gia tốc dịch chuyển theo phương thẳng đứng của KLĐT

 Phần khối lƣợng không đƣợc treo:

Hình 3.3 Phần khối lƣợng không đƣợc treo

Trong đó: F r là lực đàn hồi của lốp xe và có độ lớn: F r Theo định luật II Newton, phương trình vi phân chuyển động của KLKĐT là: ̈ (3.3)

Từ phương trình (3.2) và (3.4) ta có, hệ phương trình vi phân chuyển động thẳng đứng của mụ hỡnh ẳ xe:

Hệ phương trình (3.5) là mô hình tuyến tính đơn giản, mô tả động lực học của hệ thống treo Mô hình này giúp chúng ta nghiên cứu các đặc tính chuyển động thẳng đứng của xe, tạo nền tảng cho việc thiết kế điều khiển hệ thống treo Ngoài ra, mô hình còn phục vụ cho việc mô phỏng và phân tích hiệu suất của hệ thống treo, từ đó nâng cao hiệu quả và độ ổn định của phương tiện.

3.1.2 Một số phân tích và đánh giá

Trong hệ phương trình (3.5), các thông số chuyển động thẳng đứng của xe như chuyển vị, vận tốc và gia tốc là yếu tố quyết định Để hệ thống treo đáp ứng yêu cầu về sự êm dịu và khả năng bám đường, cần giảm thiểu các thông số chuyển động này khi xe vận hành Việc giảm thiểu chuyển vị, vận tốc và gia tốc của thân xe giúp tăng độ ổn định và thoải mái cho hành khách Đồng thời, giảm các thông số này của cầu xe giúp giảm tác động của tải trọng động lên bánh xe, từ đó nâng cao sự ổn định của xe trong quá trình vận hành.

Các thông số chuyển động của xe chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các thông số kỹ thuật của xe như khối lượng của khối lượng dỡ tải và khối lượng kéo dỡ tải, độ cứng của phần tử đàn hồi, hệ số cản giảm chấn và độ cứng đàn hồi của lốp xe, cùng với độ nhấp nhô của mặt đường Trong đó, một số thông số không thể thay đổi do các ràng buộc kỹ thuật và được coi là những hằng số thiết kế, còn các thông số khác có thể điều chỉnh trong phạm vi giới hạn để tối ưu hóa đặc tính động lực học của xe.

Trong thiết kế hệ thống treo, có 30 biến thiết kế khác nhau, trong đó hai thông số quan trọng là độ cứng phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn Việc chọn độ cứng phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn làm biến thiết kế giúp tối ưu hóa khả năng đáp ứng của hệ thống treo Điều này đảm bảo hệ thống treo hoạt động hiệu quả, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và điều kiện vận hành Tối ưu hóa các biến này là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất và sự ổn định của hệ thống treo trong các điều kiện khác nhau.

Hệ thống treo thường có độ cứng phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn là các hằng số cố định, được lựa chọn phù hợp với mục đích sử dụng của xe Điều này khiến hệ thống treo thông thường gặp khó khăn trong việc đáp ứng tốt các yêu cầu về độ êm dịu và lực động trong các điều kiện chuyển động khác nhau.

Hiện nay, nhiều loại hệ thống treo điều khiển ra đời nhằm tối ưu hóa trải nghiệm lái xe Các hệ thống này cho phép điều chỉnh liên tục các thông số như độ cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn, giúp xe vận hành êm ái hơn và giảm lực động trong các điều kiện chuyển động khác nhau Ảnh hưởng của độ cứng và hệ số cản giảm chấn đến các dao động thẳng đứng của xe sẽ được trình bày chi tiết tại mục 3.2 để làm rõ mối liên hệ giữa các yếu tố này và sự ổn định của hệ thống treo.

Ảnh hưởng của hệ số đàn hồi và giảm chấn riêng biệt trong hệ tuyến tính khi chuyển động qua đoạn đường không bằng phẳng Harmonic hoặc ngẫu nhiên

Trong phần này, chúng ta phân tích ảnh hưởng của độ cứng và hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo đối với dao động của ô tô dựa trên kết quả thực nghiệm, từ hai quan điểm là êm dịu và lực động Kết quả cho thấy việc điều chỉnh độ cứng phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn có thể cải thiện hiệu suất và đáp ứng của hệ thống treo theo các yêu cầu đề ra Lưu ý rằng, khái niệm về độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo khác biệt so với của các phần tử đàn hồi và giảm chấn riêng lẻ, và sự khác nhau này được xác định bởi cơ cấu hướng của hệ thống.

 Trong phần này ta chú ý những thông số cơ bản sau:

Tần số góc riêng phần là tần số dao động của vật khi các thành phần khác trong hệ được giữ cố định Trong đó, ω_T = ⁄ xác định tần số riêng của hệ động lực, còn ω_N = ⁄ biểu thị tần số riêng của hệ cứng Việc hiểu rõ các tần số riêng này là quan trọng để phân tích các chế độ dao động của hệ, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo ổn định.

Hệ số không tuần hoàn riêng phần: Là hệ số thể hiện khả năng dập tắt dao động ΨT = K/2√ của KLĐT ΨN = (K p + K)/2 ( ) ⁄ của KLKĐT

Trong đó: C là độ cứng của phần tử đàn hồi

K là hệ số giảm chấn

M, m lần lƣợc là khối lƣợng của KLĐT và KLKĐT

K p, lần lƣợc là hệ số giảm chấn và độ cứng của lốp

Dưới đây là các thông số cơ bản được thiết lập dựa trên các mô hình đơn giản tham khảo từ giáo trình “Dao động và tiếng ồn ô tô” của Ts Lâm Mai Long, và sẽ được đề cập trong các phần sau của bài viết Trong hệ tuyến tính, đặc tính của hệ không phụ thuộc vào độ không phẳng của kích thích mà chỉ phụ thuộc vào tần số kích thích, giúp phân tích ảnh hưởng của hệ số giảm chấn và độ cứng C đối với dao động Các đặc tính tần số của gia tốc chuyển động của KLĐT và lực động học giữa lốp và mặt đường được xác định khi kích thích dạng Harmonic, còn đặc tính tần số của phương sai gia tốc và phương sai lực động được xác định khi đi qua đoạn đường không phẳng ngẫu nhiên.

3.2.1 Ảnh hưởng của độ ứng C của hệ thống treo

Hình 3.4 a, b chỉ ra đặc tính tần số của gia tốc chuyển động của KLĐT ( ̈

) và lực động giữa bánh xe và mặt đường (

) Thực nghiệm tiến hành khi hệ số cản giảm chấn

K là hằng số liên quan đến các tần số dao động riêng của hệ thống, phản ánh sự thay đổi độ cứng của hệ treo Trong quá trình phân tích, kích thích động học dạng Harmonic với biên độ ξ₀ và tần số f (Hz) được sử dụng để khảo sát phản ứng của hệ thống Việc điều chỉnh các tần số dao động riêng của KLĐT giúp xác định khả năng chịu tải và tính ổn định của hệ treo trong các điều kiện khác nhau Động lực học hệ treo khi chịu tác động của kích thích Sinusoidal giúp dự báo hành vi dao động và tối ưu hóa thiết kế hệ thống để nâng cao hiệu suất hoạt động.

Hình 3.4 c, d chỉ ra giá trị của phương sai của gia tốc và lực động phụ thuộc vào tần số

32 dao động riêng KLĐT fT (khi chuyển động ở tốc độ 20 m/s trên đường bê tông xi măng tốt)

Hình 3.4 trình bày các đặc tính tần số của hệ thống treo, bao gồm biên độ gia tốc của hệ thống lái đ what lực của gia tốc; c – Độ lệch chuẩn của gia tốc thẳng đứng, phản ánh sự ổn định của hệ thống treo; d – Độ lệch chuẩn của lực động, cho thấy khả năng tiêu chuẩn động lực của hệ thống treo trong các điều kiện khác nhau.

Tăng độ cứng C của hệ thống treo sẽ làm cho tần số riêng phần của KLĐT f T = 2 T tăng lên khi các thông số khác giữ nguyên Đồng thời, nếu hệ số giảm chấn K được giữ cố định, việc tăng C sẽ làm giảm sự tắt dần và biểu thị qua hệ số không tuần hoàn Ψ T = K/2√ Những điều này giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống treo, phù hợp với các yêu cầu về hiệu suất và độ bền trong thiết kế ô tô.

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Trên Hình 3.4 c cho thấy, khi tăng tần số riêng f T (tức là tăng C) thì phương sai σ ̈ sẽ

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Để tối ưu hiệu quả của hệ thống, nên điều chỉnh đồng thời độ cứng C và hệ số giảm chấn K nhằm giữ hệ số không tuần hoàn Ψ T của hệ thống ở mức ổn định, như đường nét đứt Ψ T = 0.3 trên hình 3.4 c,d Trong quá trình này, giảm tần số riêng (bằng cách giảm C) sẽ giúp giảm độ rung và tăng tính êm dịu của hệ, trong khi tăng tần số riêng (bằng cách tăng C) sẽ giúp giảm lực động và cải thiện khả năng chịu tải của hệ thống.

Khuynh hướng chọn độ cứng C lớn hay nhỏ phụ thuộc vào động lực học của xe, với xe du lịch thường chọn C nhỏ để phù hợp với yêu cầu yên dịu cao trên đường tốt, trong khi xe tải và xe địa hình cần độ bám chắc chắn hơn nên chọn C lớn Để đáp ứng cả hai mục tiêu này trên các xe du lịch hiện đại, hệ thống treo cần có khả năng tự động điều chỉnh độ cứng, mang lại trải nghiệm lái tối ưu và phù hợp với điều kiện vận hành khác nhau.

3.2.2 Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn K

Hình 3.5 trình bày đặc tính tần số của biên độ gia tốc KLĐT, lực động giữa lốp và mặt đường, và sự phụ thuộc của phương sai gia tốc thẳng đứng cùng lực động vào hệ số không tuần hoàn riêng phần của KLĐT Các kết quả cho thấy rõ mối liên hệ giữa tần số, biên độ gia tốc, lực tác động và hệ số không tuần hoàn, với các điều kiện cụ thể là M/m = 6, f T = 1.4 Hz, f N = 10 Hz, và F stat = 7 KN.

Hình 3.5 Đặc tính tần số quan hệ với hệ số tắt dần Ψ T

Việc tăng hệ số giảm chấn K mà không thay đổi các thông số khác của hệ thống sẽ dẫn đến việc làm tăng hệ số không tuần hoàn Ψ của cả khung liên kết động và khung không liên kết động Điều này cho thấy rằng mức độ giảm ứng suất dao động trong hệ thống sẽ được cải thiện khi hệ số giảm chấn được nâng cao, góp phần nâng cao độ ổn định và hiệu quả hoạt động của cấu trúc.

Sau khi kiềm chế cộng hưởng qua hai vùng cộng hưởng trên Hình 3.5 a, b, biên độ gia tốc KLĐT và lực động giảm xuống trong toàn bộ dải tần số còn lại Tăng hệ số cản giảm chấn K (tăng Ψ) làm biên độ gia tốc tăng và mở rộng vùng ảnh hưởng của cộng hưởng, điều này không tốt theo quan điểm êm dịu Tuy nhiên, theo góc nhìn lực động, kết quả lại phản ánh chiều ngược lại, cho thấy sự phức tạp trong ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đến hành vi động của hệ.

Khi tăng hệ số đàn hồi K, hệ thống sẽ giảm lực động, giúp giảm rung chấn và tăng độ êm dịu Tuy nhiên, nếu K quá lớn, đặc biệt khi Ψ T vượt quá 0.25, biên độ gia tốc sẽ tăng lên, gây ra hiện tượng giảm cảm giác êm ái và khó chịu hơn Do đó, việc điều chỉnh K phù hợp là cần thiết để cân bằng giữa độ êm dịu và khả năng giảm rung chấn của hệ thống.

Mụ hỡnh ẳ xe cho hệ thống treo bỏn tớch cực và tớch cực

3.3.1 Mụ hỡnh ẳ xe cho hệ thống treo bỏn tớch cực

Mô hình xe cho hệ thống treo bán tích cực (Hình 3.6) là phần mở rộng của mô hình ban đầu (Hình 3.1), trong đó giảm chấn thụ động được thay thế bằng giảm chấn có thể điều khiển, còn gọi là giảm chấn bán tích cực Mô hình này giúp cải thiện hiệu suất hệ thống treo bằng cách điều chỉnh lực giảm chấn dựa trên các điều kiện vận hành, mang lại sự cân bằng tốt hơn giữa khả năng kiểm soát và thoải mái cho xe Việc sử dụng giảm chấn bán tích cực trong hệ thống treo là xu hướng mới trong thiết kế để nâng cao khả năng vận hành an toàn và hiệu quả của xe hơi.

Hỡnh 3.6 Mụ hỡnh ẳ xe cho hệ thống treo thường (trỏi) và bỏn tớch cực (phải)

Hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ thống là:

{ ̈ ( – )– ( ̇ ̇ ) ̈ – ̇ ̇ (3.6) Trong đó: K(t) là hệ số giảm chấn của bộ giảm chấn bán tích cực và K(t) thay đổi đƣợc trong suốt quá trình vận hành

3.3.2 Mụ hỡnh ẳ xe cho hệ thống treo tớch cực

Hình 3.7 trình bày mô hình hệ thống treo tích cực hiện đại, trong đó một bộ truyền động được thêm vào để thay thế phần tử giảm chấn và phần tử đàn hồi của hệ thống treo thụ động Bộ truyền động này giúp điều chỉnh lực nâng thân xe phù hợp với điều kiện chuyển động của xe, nâng cao hiệu quả vận hành và cảm giác lái an toàn hơn Chính nhờ vào công nghệ truyền động này, hệ thống treo tích cực mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn, phù hợp với các yêu cầu ngày càng cao của các loại phương tiện hiện đại.

Hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ là:

{ ̈ ( – )– ( ̇ ̇ ) ̈ ( – ) ( ̇ ̇ ) (3.7) Trong đó: F là lực tác động của bộ truyền động.

Kết luận chương 3

Trong chương này đó trỡnh bày khỏi niệm về mụ hỡnh ẳ xe của hệ thống treo trờn ụ tụ

Dựa trên đó, các nhà kỹ thuật đã xây dựng các hệ phương trình vi phân mô tả dao động của hệ thống treo xe ô tô Những phương trình này đặt nền móng lý thuyết để phân tích đồng học, mô phỏng khả năng hoạt động và thiết kế tối ưu hệ thống treo, nâng cao khả năng vận hành và thoải mái cho xe.

Phân tích chiều hướng ảnh hưởng của độ cứng C và hệ số giảm chấn K đến dao động thẳng đứng của xe giúp xác định các yếu tố chính cần điều chỉnh trong hệ thống treo Điều này cung cấp cơ sở để lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng các yêu cầu của hệ thống treo Việc hiểu rõ tác động của các tham số này giúp hướng đến điều chỉnh chính xác, nâng cao khả năng vận hành và sự thoải mái khi lái xe.

HỆ THỐNG TREO BÁN TÍCH CỰC

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 lượng có ý nghĩa như những phần trước đó

Hệ thống treo bán tích cực tối ưu khả năng hoạt động của hệ thống treo bằng cách sử dụng lò xo treo kết hợp với bộ giảm chấn điều khiển thông minh Bộ giảm chấn điều chỉnh lực giảm chấn phù hợp với điều kiện vận hành hiện tại thông qua một vòng lặp khép kín, giúp nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng so với hệ thống treo truyền thống.

Một số cảm biến quan trọng được trang bị trên xe để xác định các trạng thái dao động bao gồm cảm biến gia tốc thân xe, cảm biến vị trí của khung gầm, cảm biến tốc độ xe và cảm biến góc lái Những cảm biến này giúp thu thập dữ liệu chính xác về quá trình vận hành của xe, từ đó nâng cao hiệu suất và an toàn trong quá trình lái Việc lắp đặt các cảm biến này là bước cần thiết để theo dõi và phân tích các dao động của xe một cách hiệu quả, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu của ngành ô tô.

Hệ thống treo bán tích cực chỉ sử dụng nguồn năng lượng nhỏ để điều chỉnh giảm chấn, vận hành bộ điều khiển và cảm biến, giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất Bộ điều khiển tự động xác định mức độ giảm chấn dựa trên thuật toán đã lập trình, không cần sự can thiệp của tài xế Trong trường hợp hệ thống điều khiển bị hỏng, hệ thống sẽ hoạt động ở chế độ hồi phục hoặc chế độ an toàn để đảm bảo an toàn khi vận hành.

38 hoạt động như một bộ giảm chấn thông thường

Hiện nay hệ thống treo bán tích cực được nhiều người 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 phương tiện:

- Hệ thống treo có thể tự động điều chỉnh tương thích với hoàn cảnh cảnh của mặt đường

- Người lái có thể lựa chọn ưu tiên độ cứng của hệ thống treo bán tích cực

 Không có sự thay đổi kích thước từ các hệ thống treo thông thường

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:

- Cụm tín hiệu đầu vào gồm các cảm biến nhƣ: cảm biến gia tốc xe, cảm biến tốc độ

Hệ thống cảm biến như cảm biến góc lái và cảm biến gửi tín hiệu về hộp điều khiển ECU để quản lý các chức năng Tuy nhiên, một số tín hiệu từ ECU không được nhận trực tiếp từ cảm biến mà qua các bộ điều khiển liên quan trên xe, như bộ điều khiển cột lái nhận tín hiệu góc lái hoặc hộp điều khiển ESP nhận tín hiệu gia tốc ngang Điều này giúp hệ thống hoạt động chính xác hơn, tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe.

- 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 dưới dạng điện áp, giúp ECU nhận diện và xử lý các trạng thái động lực học của xe Hệ thống ECU tính toán dựa trên dữ liệu này để điều chỉnh lực giảm chấn tối ưu thông qua thuật toán điều khiển đã lập trình sẵn Khi phát hiện lỗi, ECU sẽ kích hoạt đèn báo lỗi và chuyển sang chế độ hoạt động dự phòng, trong đó bộ giảm chấn hoạt động như một giảm chấn thông thường để duy trì khả năng vận hành an toàn của xe.

ECU không chỉ có chức năng tự kiểm tra lỗi, lưu mã lỗi và chẩn đoán lỗi mà còn tích hợp mạng CAN để giao tiếp giữa các hộp điều khiển trên xe Nhờ mạng CAN này, ECU điều khiển hệ thống treo bán tích cực có thể trao đổi dữ liệu với các hệ thống liên quan, nâng cao khả năng vận hành và an toàn của xe.

Để nâng cao hiệu quả điều khiển lực giảm chấn, hệ thống cần xác định các trường hợp chuyển động đặc biệt của xe như quay vòng, tăng tốc hoặc giảm tốc Việc này giúp tối ưu hóa hoạt động của bộ giảm chấn, đảm bảo an toàn và sự thoải mái cho người điều khiển xe Nhận diện chính xác các trạng thái chuyển động của xe là yếu tố then chốt trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống giảm chấn.

4.1.3 Những thách thức khi thiết kế hệ thống treo bán tích cực

Hệ thống treo bán tích cực yêu cầu phần cứng cơ khí được cải tiến nhằm đáp ứng các cảm biến hoạt động hiệu quả trong hệ thống điều khiển cơ điện tử Hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào thời gian đáp ứng của giảm chấn và phạm vi hệ số giảm chấn, trong đó, phần cứng điều chỉnh hệ số giảm chấn với thời gian phản hồi dưới 10 ms là cần thiết để đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của hệ thống.

Thách thức thứ hai liên quan đến thuật toán điều khiển hệ thống treo, trong đó việc lựa chọn cảm biến phù hợp không cố định mà phụ thuộc vào loại giảm chấn và mục đích sản xuất của từng hãng xe Đầu vào của hệ thống treo điều khiển bán tích cực được tùy chỉnh dựa trên thuật toán điều khiển phù hợp, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất và khả năng vận hành của hệ thống giảm chấn.

Một số loại giảm chấn bán tích cực hiện nay

Gần đây, các thiết bị giảm chấn bán tích cực đã được phát triển mạnh để nâng cao hiệu quả giảm chấn trên ô tô du lịch Một số loại giảm chấn bán tích cực như giảm chấn có van tiết lưu điều khiển và giảm chấn chất lỏng với độ nhớt có thể điều chỉnh đã trở thành phổ biến Các loại giảm chấn này có cấu tạo đặc biệt, nguyên lý hoạt động linh hoạt và mang lại nhiều ưu điểm quan trọng như khả năng thích ứng nhanh với các điều kiện đường xá khác nhau Những công nghệ giảm chấn bán tích cực hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao trải nghiệm lái xe và đảm bảo an toàn tối đa cho hành khách.

Giảm chấn FM là loại giảm chấn ống thủy lực có van áp suất chất lỏng điều khiển được để điều chỉnh lực giảm chấn, thường bằng điện hoặc khí nén Lượng dầu trong các buồng làm việc liên tục thay đổi nhằm kiểm soát hoạt động của bộ giảm chấn, đóng vai trò như một thiết bị điều chỉnh lực giảm chấn một cách linh hoạt Hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn FM có khả năng thay đổi lực trong vòng 10-12 ms, nhanh hơn nhiều so với các hệ thống khác cần khoảng 200 ms để điều chỉnh lực giảm chấn, giúp kiểm soát tần số dao động của bánh xe và mức độ dao động của thân xe một cách hiệu quả.

Van áp suất điều chỉnh lượng chất lỏng trong buồng làm việc là van thường đóng

Trong trường hợp mất điện hoặc khí nén bị rò rỉ, van áp suất chất lỏng sẽ được đóng hoàn toàn để đảm bảo an toàn Bộ giảm chấn FM hoạt động như một thiết bị thụ động, giúp duy trì ổn định hệ thống và tránh các sự cố không mong muốn Việc này giúp bảo vệ thiết bị và đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống trong mọi tình huống.

Dựa trên nguyên lý điều khiển van áp suất chất lỏng, hiện nay có nhiều loại van giảm chấn FM được chế tạo phù hợp với từng hãng xe và loại xe khác nhau Các loại van này giúp kiểm soát áp suất và giảm thiểu rung lắc, mang lại hành trình êm ái cho phương tiện Việc lựa chọn van giảm chấn phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả vận hành cũng như độ bền của hệ thống treo xe.

Hình 4.4 Giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng điều khiển bằng điện

Thanh chống treo FM với giảm chấn có van áp suất chất lỏng điều khiển bằng khí nén trên xe Audi A6 là thành phần quan trọng trong hệ thống treo khí thích ứng, giúp nâng cao khả năng chịu tải và ổn định khi vận hành Trong Chương 5, chúng tôi sẽ phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và khả năng đáp ứng của bộ giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng điều khiển bằng điện, nhằm mang đến hiểu biết rõ hơn về công nghệ tiên tiến này Nguyên lý hoạt động của hệ thống giúp tối ưu hóa khả năng điều chỉnh giảm chấn theo điều kiện đường, nâng cao trải nghiệm lái xe an toàn và thoải mái.

Giảm chấn FM hoạt động dựa trên van áp suất chất lỏng điều khiển bằng khí nén Trong hệ thống này, giảm chấn FM được tách riêng khỏi lò xo khí nén, chỉ tập trung vào nguyên lý hoạt động của van áp suất chất lỏng Đầu vào của giảm chấn là một ống dẫn khí nén trực tiếp từ lò xo khí đến bộ van, giúp điều chỉnh lực giảm chấn dựa trên áp suất khí nén Việc điều chỉnh áp suất khí nén sẽ làm mở hoặc đóng van áp suất chất lỏng, từ đó tăng hoặc giảm lực giảm chấn phù hợp với nhu cầu hoạt động của hệ thống.

 Nguyên lí hoạt động của giảm chấn FM có van áp suất chất lỏng đƣợc điều khiển bằng khí nén:

Trường hợp 1: Khi piston đi lên và áp suất khí nén nhỏ, trên Hình 4.6

Khi van áp suất chất lỏng mở và piston đi lên, dầu trong buồng làm việc 1 sẽ chảy qua lỗ tiết lưu vào van rồi vào buồng phụ, trong khi một phần dầu còn đi qua các lỗ trên piston xuống buồng làm việc 2 Do chênh lệch áp suất, một lượng dầu nhỏ sẽ bị hút từ buồng phụ qua van tiết lưu vào buồng làm việc 2, khiến lượng dầu di chuyển qua các ống trong piston giảm đi Điều này dẫn đến lực giảm chấn nhỏ hơn trong hệ thống.

Hình 4.6 Khi piston đi lên và áp suất khí nén nhỏ

Trường hợp 2: Piston đi lên và áp suất khí nén lớn, trên Hình 4.7

Trong trường hợp này, do áp suất nén lớn, van điều khiển áp suất chất lỏng đóng lại, ngăn không cho dầu chảy từ buồng làm việc 1 sang buồng phụ Hệ quả là piston tại buồng làm việc 1 phải chịu áp lực cao từ lượng dầu bị nén lại, gây ra lực tác động lớn và ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.

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

Trường hợp 3: khi piston đi xuống và áp suất khí nén nhỏ, trên Hình 4.8

Khi áp suất nén thấp, van điều khiển áp suất chất lỏng mở ra và tất cả các buồng đều thông nhau Khi piston đi xuống, dầu trong buồng làm việc 2 sẽ chảy lên buồng làm việc 1 và một lượng dầu khác sẽ qua van tiết lưu ra buồng phụ Do các buồng thông nhau, lực nén dầu trong buồng làm việc 2 giảm, dẫn đến giảm lực giảm chấn.

Hình 4.8 Khi piston đi xuống và áp suất khí nén nhỏ

Trường hợp 4: Khi piston đi xuống và áp suất nén lớn, trên Hình 4.9

Trong trường hợp này, van điều khiển áp suất chất lỏng đóng làm cho các buồng không thông nhau, dẫn đến dầu trong buồng làm việc 2 bị nén với áp suất cao Điều này khiến một lượng dầu qua van điều tiết vào buồng phụ và qua các lỗ ở piston để lên buồng làm việc 1 lớn hơn, dẫn đến lực giảm chấn tăng cao.

Hình 4.9 Khi piston đi lên và áp suất khí nén lớn

Trong các trường hợp nêu trên, van điều khiển áp suất chất lỏng sẽ mở hoặc đóng dựa trên các điều kiện khác nhau Thực tế, mức mở của van có thể linh hoạt từ nhỏ đến lớn, phụ thuộc vào áp suất khí nén cung cấp Khi áp suất khí nén đạt đến mức cực đại, van sẽ đóng hoàn toàn để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.

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

- Phạm vi giảm xóc rộng

Bộ giảm chấn EM bao gồm mô tơ điện tích hợp và cơ cấu vít bi, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giảm chấn Mô tơ EM vừa hoạt động như động cơ điện (DC-AC), vừa là máy phát điện (AC-DC), giúp điều khiển và điều chỉnh chuyển động linh hoạt Cơ cấu vít bi (ball-screw) chuyển đổi chuyển động thẳng đứng của các khối lượng thành chuyển động quay, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả cao trong quá trình vận hành.

Hình 4.10 Cấu tạo giảm chấn EM

 Hoạt động của giảm chấn EM:

ECU thu thập dữ liệu từ các cảm biến để phân tích trạng thái dao động của xe, từ đó điều chỉnh hoạt động của hệ thống Bộ khuếch đại công suất chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành điện áp phù hợp, cung cấp năng lượng cho mô tơ EM hoạt động hiệu quả Quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và đảm bảo an toàn xe, giữ cho các thành phần hoạt động ổn định dưới sự điều khiển chính xác của ECU.

Khi mô tơ EM tuyến tính được cấp điện, nó sẽ quay và tác động lên cơ cấu vít bi, tạo ra các hiệu ứng giảm chấn khác nhau Nếu chiều quay của mô tơ cùng chiều với chiều quay do dao động của các khối lượng, hệ số giảm chấn sẽ giảm, giúp giảm hiệu quả dao động và tăng độ ổn định Ngược lại, nếu chiều quay của mô tơ ngược với chiều dao động, hệ số giảm chấn sẽ tăng lên, làm tăng khả năng kiểm soát rung động Việc điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ cho phép thay đổi liên tục các giá trị giảm chấn, tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

Khi giảm chấn EM hoạt động nhƣ một giảm chấn thụ động (không có sự điều khiển),

Hệ thống nhờ vào cơ cấu vít bi chuyển đổi chuyển động thẳng đứng thành chuyển động quay, giúp mô tơ EM hoạt động hiệu quả Chuyển động quay này được truyền qua bánh răng tăng tốc để tạo ra điện áp xoay chiều, hoạt động như một máy phát AC-DC Điện áp xoay chiều sau đó được chuyển đổi thành điện áp một chiều, lưu trữ trong pin hoặc siêu tụ điện để phục vụ quá trình điều khiển Ưu điểm nổi bật của bộ giảm chấn EM là tiết kiệm năng lượng, điều mà không thể đạt được trên các hệ thống giảm chấn thủy lực hoặc khí nén.

Thuật toán điều khiển của hệ thống treo bán tích cực

Việc kiểm soát tín hiệu phản hồi đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh động lực học của hệ thống, ảnh hưởng đến tần số tự nhiên, đáp ứng nhất thời và sự ổn định của hệ thống Các khía cạnh này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng khi thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín để đảm bảo hoạt động hiệu quả Trong chương 3, chúng ta đã xây dựng mô hình treo bán tích cực dựa trên hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ thống.

Theo quan điểm toán học, bài toán điều khiển hệ thống treo bán tích cực nhằm tìm ra hàm điều khiển liên tục K( , ̇, ̈, , ̇ , ̈ ), trong đó hàm này mô tả sự biến đổi của hệ số giảm chấn theo thời gian dựa trên các biến vị trí, vận tốc và gia tốc Hàm điều khiển này cần phải thỏa mãn hệ phương trình (4.1) để đảm bảo đạt được các mục tiêu đã định trước, như độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển hoặc gia tốc của thân xe hoặc cầu xe mong muốn Sau khi xác định hàm điều khiển, tiến hành lập trình cho hệ thống để thực hiện kiểm soát tối ưu theo bộ thông số kỹ thuật đã thiết kế.

Trong thực tế, do tính chất phức tạp của thiết kế điều khiển, việc giảm thiểu số biến điều khiển là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả hệ thống Các thuật toán điều khiển được giới thiệu ở phần tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa và giảm thiểu các biến điều khiển nhằm đơn giản hóa quá trình điều khiển, đảm bảo tính ứng dụng thực tiễn và hiệu quả hoạt động cao hơn.

4.3.2 Một số thuật toán điều khiển hệ thống treo bán tích cực

Trong điều khiển, việc thiết kế để đạt kết quả chính xác theo quan điểm toán học rất phức tạp, do đó hàm điều khiển thường được giảm thiểu số biến để đơn giản hóa quá trình thực hiện Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển đã được đề xuất và ứng dụng thực tế nhằm tối ưu hiệu quả hệ thống Để hiểu rõ hơn về bản chất các thuật toán điều khiển này, bài viết trình bày hai phương pháp chính là Skyhood và Groundhood Thuật toán điều khiển Skyhood tập trung vào việc mang lại cảm giác êm dịu cho hệ thống, trong khi Groundhood nhấn mạnh khả năng bám đường chính xác, đảm bảo an toàn và ổn định trong vận hành.

4.3.2.1 Thuật toán điều khiển Skyhood

Tên gọi Skyhook xuất phát từ ý tưởng về một bộ giảm chấn thụ động tưởng tượng, kết nối giữa một điểm cố định trên bầu trời và thùng xe để giảm rung lắc hiệu quả Bộ giảm chấn Skyhook tạo ra lực chống lại vận tốc của khối lượng treo nhằm hạn chế dao động, với lực giảm chấn tỷ lệ thuận với vận tốc tuyệt đối của khối lượng đó Trong hệ thống này, lực giảm chấn Skyhook (F_sky) được xác định dựa trên nguyên tắc tạo ra phản lực ngược chiều vận tốc, giúp cải thiện khả năng giảm rung, tối ưu hóa hiệu suất giảm chấn cho xe ô tô và các phương tiện cơ giới.

Trong đó, K sky là hệ số giảm chấn Skyhood; ̇ là tốc độ dịch chuyển của khối lƣợng đƣợc treo

Hình 4.17 Mô hình điều khiển Skyhood lý tưởng (a), thực tế (b)

Mô hình điều khiển Skyhood lý tưởng giúp kiểm soát dao động của thân xe hiệu quả nhờ vào giảm chấn kết nối từ thân xe đến một điểm cố định, không bị dao động dù xe chuyển động Việc lựa chọn hệ số giảm chấn K Sky không phụ thuộc vào chuyển động của cầu xe, cho phép dễ dàng điều chỉnh mức độ cố định của thùng xe Khi hệ số giảm chấn K Sky càng lớn, thùng xe càng ổn định hơn, giảm thiểu dao động của thân xe mặc dù cầu xe vẫn có thể dao động, dẫn đến hệ thống treo nén hoặc dãn chịu ảnh hưởng.

Điểm cố định trong mô hình Skyhood lý tưởng không thực sự tồn tại, khiến chiến lược điều khiển phù hợp không thể đạt được bằng các thiết bị thực tế Để mô phỏng mô hình lý tưởng, người ta thay thế giảm chấn cố định bằng một giảm chấn có thể điều chỉnh, có hệ số giảm chấn K in, nhằm phù hợp với chuyển động của xe Để mô hình thực tế phản ánh chính xác mô hình lý tưởng, hệ số giảm chấn K in cần phải thay đổi linh hoạt theo quá trình xe chuyển động.

Skyhood là chiến lược điều khiển xe hiện nay đã được nghiên cứu và phát triển nhằm giảm thiểu sự dao động của thân xe, mang lại hành trình êm dịu hơn Hiệu quả của sơ đồ điều khiển Skyhood thể hiện qua khả năng giảm tác động của lực tác động từ môi trường bên ngoài đến kết cấu xe, giúp cải thiện cảm giác lái và tăng tính ổn định Từ nguyên tắc điều khiển dựa trên việc kiểm soát tốt các lực tác động, Skyhood đã trở thành một giải pháp tiên tiến trong công nghệ điều khiển xe hiện đại.

Điều khiển Skyhood hai trạng thái (SH 2-States) là một chiến lược on/off, nhằm chuyển đổi giữa hệ số giảm chấn cao và thấp để đảm bảo các thông số kỹ thuật về sự thoải mái của thân xe (KLĐT) Quy tắc điều khiển này dựa trên việc thay đổi hệ số giảm chấn K in 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 cụ thể.

Trong đó: K min và K max là hệ số giảm chấn tối thiểu và tối đa có thể đạt đƣợc bằng bộ giảm chấn

Trong hệ thống treo, tốc độ dịch chuyển của thân xe và tốc độ biến dạng của hệ thống treo có dấu hiệu ngược dấu Khi khối lượng được treo di chuyển lên, hệ thống treo phản ứng bằng cách biến dạng ngược chiều, giúp duy trì ổn định và thoải mái cho người ngồi Hiểu rõ mối quan hệ này là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống treo nhằm tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe.

Trong chiến lược này, khi hai khối lượng ngày càng gần nhau hoặc khi khối lượng treo đang di chuyển xuống và xa dần nhau, lý thuyết đề xuất rằng K in = 0 nhằm hạn chế tối đa tác động của cầu xe lên thân xe Tuy nhiên, trong thực tế, hệ số giảm chấn của bộ giảm chấn không thể bằng 0, do đó K in sẽ lấy giá trị là một hằng số giảm chấn thấp, ký hiệu là K min, đạt được mức giảm xóc tối thiểu phù hợp để giảm thiểu tác động.

Khi tốc độ dịch chuyển của thân xe và tốc độ biến dạng của hệ thống treo có cùng chiều dấu, tức là khi các khối lượng treo di chuyển xuống gần nhau hơn hoặc lên xa nhau hơn, thì theo lý thuyết, hệ số giảm chấn Kin sẽ tiến tới vô cùng để ngăn chặn tối đa sự di chuyển xuống của thân xe Tuy nhiên, trong thực tế, không thể đạt được hằng số giảm chấn vô hạn do giới hạn vật lý của hệ thống, nên hệ số giảm chấn K in sẽ giới hạn ở mức cao nhất mà hệ thống có thể đạt được, gọi là K Max.

4.3.2.1.2 Điều khiển Skyhood tuyến tính

Biến của hàm điều khiển trong phương pháp này tương tự như trong điều khiển Skyhood hai trạng thái, nhưng khác ở chỗ hệ số giảm chấn K có thể thay đổi liên tục trong phạm vi rộng Điều này cho phép điều chỉnh linh hoạt hơn theo logic điều khiển, nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình điều khiển hệ thống.

K min và K max 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 tương ứng với điều khiển Skyhook 2 trạng thái

Sự cải tiến dựa trên thực tế theo biểu thức (4.3) cho thấy khi ̇ ̇ def 0, có thể cung cấp vô hạn các hệ số giảm chấn khác nhau Quy tắc điều khiển này yêu cầu sử dụng bộ giảm chấn được điều chỉnh liên tục để tối ưu hóa hiệu suất, ví dụ như bộ giảm chấn MR Việc điều chỉnh linh hoạt các hệ số giảm chấn giúp nâng cao hiệu quả kiểm soát và giảm rung lắc trong hệ thống.

4.3.2.2 Thuật toán điều khiển Groundhood

Hình 4.18 Mô hình điều khiển Groundhood lý tưởng (a), thực tế (b)

Phương pháp điều khiển Groundhood có ý tưởng tương tự với phương pháp điều khiển Skyhook, nhưng mục đích chính của chiến lược này là giảm thiểu sự thay đổi lực tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường Groundhood sử dụng bộ giảm chấn nối giữa cầu xe và mặt đất nhằm ổn định hệ thống treo và nâng cao khả năng vận hành của xe Chiến lược này giúp giảm rung lắc, cải thiện cảm giác lái và đảm bảo an toàn trên các đường phố biến đổi.

Kết luận chương 4

Trong chương này, chúng tôi đã giới thiệu các thành phần chính và nguyên lý hoạt động của hệ thống treo bán tích cực, giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và đảm bảo sự êm ái khi vận hành Đồng thời, nội dung còn đề cập đến một số loại giảm chấn bán tích cực đang được sử dụng phổ biến trên các loại xe hiện nay, góp phần nâng cao trải nghiệm lái xe an toàn và thoải mái hơn.

Chương đã giải thích rõ cơ chế thiết lập điều khiển cho hệ thống treo bán tích cực, giúp nâng cao sự ổn định và thoải mái của xe Các thuật toán điều khiển được trình bày nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống treo, trong đó thuật toán Skyhood nổi bật với khả năng giảm dao động thân xe đáng kể Nhờ đó, xe giảm tác động của cầu xe lên thân xe, mang lại hành trình êm dịu và thoải mái hơn cho người lái và hành khách.

HỆ THỐNG TREO KHÍ THÍCH ỨNG TRÊN XE AUDI A8 2004