Tiểu luận môn học active suspension modelling and control

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TIỂU LUẬN MÔN HỌC ACTIVE SUSPENSION MODELLING AND CONTROL SVTH MSSV 1 NGUYỄN KHẮC TÂM 20145602 2 NGUYỄN BÌNH QUỐC VINH[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TIỂU LUẬN MÔN HỌC ACTIVE SUSPENSION MODELLING AND CONTROL

3 HUỲNH LÂM NHẬT TÂN 20145605

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***

Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2023

NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN MÔN HỌC

1 Tên đề tài: Active suspension modelling and control

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

4 Sản phẩm:

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay

không?

5 Đánh giá

loại:

6 Điểm:……….(Bằng

chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆ NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực

hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

TÓM TẮT

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Đối tượng nghiên cứu 1

1.3 Mục đích đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Phạm vi đề tài 2

1.6 Kế hoạch thực hiện 3

1.7 Kết quả dự kiến 3

1.8 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan và giới thiệu về hệ thống treo 4

2.1.1 Công dụng của hệ thống treo 4

2.1.2 Phân loại hệ thống treo 4

2.1.2.1 Phân loại theo bộ phận đàn hồi 4

2.1.2.2 Phân loại theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng 4

2.1.2.3 Phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động 5

2.1.3.3 Phần tử dẫn hướng 7

2.2 Tổng quan về hệ thống treo chủ động 8

2.2.1 Cấu tạo hệ thống treo chủ động 8

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống treo chủ động 9

2.2.3 Ưu điểm của hệ thống treo chủ động 9

2.3 Các yếu tố gây dao động oto và sự ảnh hưởng của dao động 9

2.3.1 Các yếu tố gây dao động 9

2.3.2 Ảnh hưởng của dao động đối với con người và hàng hóa 10

2.3.3 Ảnh hưởng của dao động đối với độ bền xe, mặt đường và an toàn chuyển động 10

2.4 Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu và an toàn chuyển động 11

2.4.1 Chỉ tiêu về tần số dao động 11

2.4.2 Tiêu chuẩn về gia tốc và dao động thẳng đứng, rung động 11

2.5 Giới thiệu hệ thống điều khiển tự động 12

2.5.1 Hệ thống điều khiển Open Loop Control System 12

2.5.2 Hệ thống điều khiển Closed Loop Control System 13

2.6 Giới thiệu bộ điều khiển PID 13

2.6.1 Mục đích thiết kế bộ điều khiển PID 13

2.6.2 Các bộ điều khiển 13

2.6.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ P 13

2.6.2.2 Bộ điều khiển tích phân I 14

2.6.2.3 Bộ điều khiển vi phân D 15

2.6.2.4 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI 16

2.6.2.5 Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID 18

2.6.3 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 20

2.7 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 20

2.7.1 Phần mềm Matlab/Simulink 20

2.7.2 Phần mềm Carsim 21

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG TRÊN ¼ XE BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 21

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống treo ¼ bị động 21

3.2 Xây dựng mô hình hệ thống treo ¼ chủ động 23

3.3 Các thông số của xe Toyota Camry 24

3.4 Biên dạng mấp mô mặt đường 25

3.5 Mô phỏng hệ thống treo bị động bằng phần mềm Matlab Simulink 26

3.6 Mô phỏng hệ thống treo chủ động động bằng phần mềm Matlab Simulink 28

3.6.1 Thiết kế bộ điều khiển PID 28

3.6.2 Mô phỏng hệ thống treo chủ động trên phần mềm Matlab Simulink 29

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG TOÀN BỘ XE 31

4.1 Mô phỏng hệ thống treo bị động trên phần mềm Carsim 31

4.2 Mô phỏng hệ thống treo chủ động trên phần mềm Carsim 32

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33

5.1 Kết luận 33

5.2 Kiến nghị 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

HÌNH 2 1 HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ 4HÌNH 2 2 HỆ THỐNG TREO PHỤ THUỘC 5HÌNH 2 3 HỆ THỐNG TREO ĐỘC LẬP KIỂU MACPHERSON 5HÌNH 2 4 BỘ PHẬN ĐÀN HỒI BẰNG KIM LOẠI 6HÌNH 2 5 BỘ PHẬN ĐÀN HỒI LOẠI KHÍ 7

HÌNH 3 1 MÔ HÌNH 1/4 XE HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG 22HÌNH 3 2 MÔ HÌNH 1/4 XE HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG 23HÌNH 3 3 THIẾT LẬP THÔNG SỐ KHỐI STEP 25HÌNH 3 4 BIÊN DẠNG MẶT ĐƯỜNG 25HÌNH 3 5 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG SIMULINK HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG 26HÌNH 3 6 ĐỒ THỊ ĐỘ DỊCH CHUYỂN THÂN XE HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG

26HÌNH 3 7 ĐỒ THỊ ĐỘ BIẾN DẠNG LỐP XE HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG 27HÌNH 3 8 ĐỒ THỊ GIA TỐC THÂN XE HỆ THỐNG TREO BỊ ĐỘNG 27HÌNH 3 9 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO 28HÌNH 3 10 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG TRÊN SIMULINK 29HÌNH 3 11 ĐỒ THỊ DỊCH CHUYỂN THÂN XE 30HÌNH 3 12 ĐỒ THỊ GIA TỐC DỊCH CHUYỂN THÂN XE 30

HÌNH 4 1 NHẬP THÔNG SỐ XE TOYOTA CAMRY 31HÌNH 4 2 NHẬP THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO 31

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Ô tô là một phương tiện cơ động được di chuyển trên nhiều loại biên dạng mặtđường Vì vậy, để đảm bảo về tính êm dịu và an toàn trong quá trình chuyển động của

ô tô, thì một trong những hệ thống để đảm nhiệm vụ đó là hệ thống treo, hệ thống treo

có vai trò rất quan trọng quyết định tính thoải mái và êm dịu, an toàn cho người ngồitrong xe trong quá trình di chuyển Một hệ thống treo bị động có hệ số giảm chấn và hệ

số độ cứng cố định do đó không thể đáp ứng được tính êm dịu, thoải mái khi hoạt độngqua nhiều biên dạng mặt đường khác nhau, thay vào đó hệ thống treo tích cực đượcphát triển và hoạt động thích ứng trên nhiều biên dạng đường khác nhau mà không đemlại sự khó chịu cho hàng khách ngồi trong xe

Việc sản xuất ô tô ngoài giá thành, mẫu mã thì yếu tố quan trọng cũng đượcquan tâm tới chất lượng, tính an toàn, tính ổn định, độ êm dịu khi xe vận hành Mộttrong những yếu tố quan trọng quyết định đánh giá chất lượng của một chiếc xe đó là

hệ thống treo xe ô tô có linh hoạt đáp ứng với nhiều loại biên dạng mặt đường không

Để tăng khả năng thích ứng với nhiều loại biên dạng mặt đường khác nhau nên việc sửdụng hệ thống treo bị động thông thường với trang bị lò xo và bộ phận giảm chấn thìkhông thể đáp ứng được tốt được với nhiều loại biên dạng mặt đường khác nhau nên vìvậy hệ thống treo bán tích cực và tích cực đã được các nhà sản xuất chú trọng pháttriển rông rãi Một hệ thống treo bán tích cực sử dụng bộ giảm chấn với hệ số biến đổi.Trong khi hệ thống treo tích cực là sự kết hợp của lò xo, bộ giảm chấn và cơ cấu bộchấp hành thủy lực ( xy lanh thủy lực) khi một phần hoặc toàn bộ lực tác dụng giữakhối treo và khối không được treo dựa vào tính hiệu điều khiển trực tiếp

Đề tài “Active suspension modelling and control” giúp nhóm nghiên cứu cóthêm cơ hội để tiếp xúc với hệ thống mới trên oto, ngoài mục đích biết cách kiểm tra,bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống một cách thành thạo trong tương lai còn tìm ra nhữnghướng phát triển mới để hoàn thiện hệ thống quan trọng bậc nhất trên oto như hệ thốngtreo chủ động

1.2 Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống treo chủ động và hệ thống treo bị động

- Bộ điều khiển PID dùng để điều khiển lực tác dụng lên hệ thống treo chủ động

- Phần mềm Matlab/Simulink

- Phần mềm Carsim

1.3 Mục đích đề tài

1 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống treo chủ động

2 Tìm hiểu và mô phỏng trên các phần mềm Matlab Simulink, Carsim

3 So sánh các xe có hệ thống treo chủ động và không có hệ thống treo chủ động

4 Phân tích và đánh giá các đồ thị mô phỏng bằng phần mềm

5 Đánh giá, kiến nghị và tìm hướng phát triển cho đề tài

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống treo chủ động trong giáo trình

- Tham khảo các bài báo cáo khoa học trong và ngoài nước

- Nghiên cứu phần mềm Matlab/Simulink dùng để mô phỏng hệ thống treo chủ động

- Vận dụng lý thuyết điều khiển PID để điều khiển lực tác dụng lên hệ thống treo chủ động

1.5 Phạm vi đề tài

- Thời gian hoàn thành báo cáo: 8 tuần

- Chỉ để cập sự ổn định của hệ thống treo chủ động so với hệ thống treo bị động

- Đề tài chỉ mô phỏng và phân tích hệ thống, không thiết kế mô hình thực tế

- Chỉ sử dụng lý thuyết điều khiển PID

- Không xét đến ảnh hưởng của cơ cấu chấp hành thủy lực

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan và giới thiệu về hệ thống treo

2.1.1 Công dụng của hệ thống treo

Hệ thống treo trên oto là bộ phận liên kết đàn hồi nối giữa thân xe (khối lượngđược treo) và các cầu xe (khối lượng không được treo), ngoài ra còn đảm bảo mối liên

hệ hình học chính xác giữa thân và các bánh xe

Hình 2 1 Hệ thống treo trên ô tô

Khi xe chuyển động, hệ thống treo cùng với lốp hấp thụ và cản lại các rungđộng, các dao động và các va đập tác dụng lên xe do mặt đường không bằng phẳng, đểbảo vệ hành khách, hành lý và cải thiện tính ổn định chuyển động

Hệ thống treo giúp truyền lực kéo và lực phanh sinh ra do ma sát giữa mặtđường và các bánh xe, đến gầm và thân xe

2.1.2 Phân loại hệ thống treo

2.1.2.1 Phân loại theo bộ phận đàn hồi

Loại bằng kim loại (gồm có nhíp lá, lò xo xoắn ốc, thanh xoắn)

Loại khí (gồm loại bọc bằng cao su – sợi, loại bọc bằng màng, loại ống)

Loại thủy lực (loại ống)

Loại cao su (gồm loại chịu nén và loại chịu xoắn)

Hình 2 2 Hệ thống treo phụ thuộc

Loại hệ thống treo độc lập

Hình 2 3 Hệ thống treo độc lập kiểu Macpherson

2.1.2.3 Phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động

Loại giảm chấn thủy lực (gồm loại tác dụng một chiều và loại tác dụng hai chiều)

Loại ma sát cơ (gồm ma sát trong bộ phận đàn hồi và trong bộ phận dẫn hướng

2.1.3 Cấu tạo chung của hệ thống treo

2.1.3.1 Phần tử đàn hồi

Bộ phận đàn hồi nằm giữa thân xe và bánh xe (giữa phần khối lượng được treo

và không được treo) Với phương pháp bố trí như vậy, khi bánh xe chuyển động trênđường mấp mô sẽ hạn chế được các lực động lớn tác dụng lên thân xe và giảm được tảitrong động tác dụng từ thân xe xuống mặt đường

Bộ phận đàn hồi có thể là loại nhíp lá, lò xo, thanh xoắn, buồng khí nén, buồngthủy lực Đặc trưng cho bộ phận đàn hồi là độ cứng, độ cứng liên quan chặt chẽ với tần

số dao động riêng – một thông số có tính quyết định đến độ êm dịu Muốn có tần sốdao động riêng phù hợp với sức khỏe con người và an toàn của hàng hóa cần có độcứng của hệ thống treo biến đổi theo tải trọng Khi xe chạy ít tải độ cứng cần thiết cógiá trị nhỏ, còn khi tăng tải cần phải có độ cứng lớn hơn

Khi tính đến độ êm dịu khi chuyển động, tần số dao động riêng cần thiết n phải

có độ võng tĩnh hiệu dụng f t quyết định Mối quan hệ giữa f t và n theo công thức tính

tần số dao động của hệ thống treo

Độ võng đối với xe du lịch không nhỏ hơn 150-300 mm, dối với xe buýt ftkhông bé hơn 100-200 mm Ứng với độ võng này cả hai loại xe trên có tần số dao độngriêng lần/phút

Để đảm bảo độ êm dịu chuyển động thì tỉ số độ võng tĩnh của hệ thống treo sau

và độ võng tĩnh của hệ thống treo trước phải nằm trong giới hạn sau:

Oto du lịch: ; Đối với oto tải và buýt:

Độ võng động của hệ thống treo:

Oto du lịch: ; Oto buýt: ; Oto tải:

Hình 2 4 Bộ phận đàn hồi bằng kim loại

Hình 2 5 Bộ phận đàn hồi loại khí

2.1.3.2 Phần tử giảm chấn

Nhiệm vụ của bộ phận giảm chấn là dập tắt dao động do phần tử đàn hồi gây ra,giảm tải trộng động cho bộ phận đàn hồi khi xe chuyển động, góp phần bảo vệ bộ phậnđàn hồi của hệ thống treo Bộ phận giảm chấn không những cải thiện độ chạy êm của

xe mà còn giúp cho lốp xe bám đường tốt hơn và điều khiển xe ổn định hơn Giảmchấn được sử dụng phổ biến hiện nay là bộ giảm chấn ống thủy lực tác dụng hai chiều

Hình 2 6 Phần tử giảm chấn

2.1.3.3 Phần tử dẫn hướng

Bộ phận dẫn hướng để truyền lực dọc, ngang và momen từ đường lên khung xe.Động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dao động tương đối của bánh xeđối với khung

Bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo phụ thuộc: Nếu là phần tử đàn hồi là lánhíp thì nhíp sẽ đảm nhận luôn vai trò của bộ phận dẫn hướng Nếu phần tử đàn hồi

không thực hiện chức năng của bộ phận dẫn hướng thì ta dùng cơ cấu đòn 4 thanh haychữ V.

Bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo độc lập: Trong hệ thống treo độc lập, bộ phận đàn hồi và dẫn hướng được làm riêng lẻ Bộ phần đàn hồi thường là các lò xo trụ hay thanh xoắn, còn bộ phận dẫn hướng là các thanh đòn

2.2 Tổng quan về hệ thống treo chủ động

2.2.1 Cấu tạo hệ thống treo chủ động

Hệ thống treo bị động sử dụng nhíp lá, lò xo xoắn kết hợp với giam chẩn thủylực… ra đời từ rất sớm nhưng chưa thể đáp ứng đòi hỏi cao về độ êm dịu của xe con

Hệ thống treo chủ động cũng không phải là một phát minh mới, nó xuất hiện từ nhữngnăm 1955 cùng với hệ thống treo McPherson Nhưng ở thời kỳ này ngành công nghệchưa đáp ứng tốt được yêu cầu kĩ thuật cho các chi tiết trong hệ thống treo chủ độngnên người ta vẫn phải dùng lò xo xoắn, nhíp lá, thanh xoắn làm cơ cấu giảm chấn.Ngày nay các nhà thiết kế ôtô đã ứng dụng nhiều thành tựu mới của công nghệ vật liệu,

kỹ thuật cơ - điện tử để cho ra đời hệ thống treo có tính năng kỹ thuật tiên tiến, đó làcác hệ thống treo chủ động thủy lực - khí nén; khí nén- điện tử EAS (hình 2); Hệ thốngtreo điện từ Các hệ thống này hiện đang dùng cho dòng xe cao cấp như Audi, BMW,Lexus… Với hệ thống treo chủ động trang bị trên xe người lái có thể lựa chọn , điềuchỉnh độ đàn hồi cho thích hợp với chế độ vận hành của xe trên đường thông qua côngtắc điều khiển lựa chọn chế độ Comfort hay Sport

1: Giảm xóc khí nén; 2: Cảm biến gia tốc của xe; 3: ECU (hộp điều khiển điện tử của hệ thống treo); 4: Cảm biến độ cao của xe; 5: Cụm van phân phối và cảm biến áp suất khí nén; 6: Máy nén khí; 7: bình chứa khí nén; 8: đường dẫn khí

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống treo chủ động

Các cảm biến độ cao xe liên tục theo dõi khoảng cách giữa thân xe và các đòntreo để phát hiện độ cao gầm xe, cảm biến tốc độ ghi nhận và gửi tín hiệu tốc độ xe đếnECU hệ thống treo ECU hệ thống treo: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ tất cả các cảmbiến để điều khiển lực của giảm chấn và độ cứng của lò xo, độ cao xe theo điều kiệnhoạt động của xe thông qua bộ chấp hành điều khiển hệ thống, đồng thời dẫn động vanquay của giảm chấn và van khí của xi lanh khí nén để thay đổi lực giảm chấn và độcứng hệ thống treo Bộ chấp hành điều khiển điện tử phản ứng chính xác với sự thayđổi liên tục về điều kiện hoạt động của xe

2.2.3 Ưu điểm của hệ thống treo chủ động

Có khả năng điều chỉnh độ cứng để đáp ứng với độ nghiêng khung xe và tốc độ

xe khi vào cua, góc cua và góc quay vô lăng của người lái; Có thể tự động thay đổi saocho cơ chế hoạt động của hệ thống treo được thích hợp và hiệu quả nhất đối với từnghành trình Như khi phanh độ nhún các bánh trước sẽ cứng hơn bánh sau, còn khi tăngtốc thì ngược lại; Có khả năng tự động thích nghi với tải trọng của xe, thay đổi độ caogầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình

2.3 Các yếu tố gây dao động oto và sự ảnh hưởng của dao động

2.3.1 Các yếu tố gây dao động

Khi oto chuyển động có nhiều yếu tố gây ra dao động như: tăng tốc, phanh, quay vòng và sự mấp mô mặt đường Sự mấp mô mặt đường là nguyên nhân chính gây

ra dao động của oto

Hình 2 8 Độ không phẳng của mặt đường dạng Harmonic

2.3.2 Ảnh hưởng của dao động đối với con người và hàng hóa

Sự ảnh hưởng của dao động ô tô đối với cơ thể con người phụ thuộc vào rấtnhiều yếu tố: thời gian tác động, hướng tác động, đặc tính của hàm kích dao động (làngẫu nghiên, liên tục, gián đoạn có chu kỳ hay không có chu kỳ…) cũng như các đạilượng đặc trưng cho dao động như : Tần số, biên độ, vận tốc, gia tốc dao động Daođộng của ô tô cũng gây ảnh hưởng đến hành hóa chuyên chở trên xe, có thể gây ra sự

Ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của ô tô và đường Khi dao động, gia tốc dao động

gây ra các tải trọng quán tính và có thể xẩy ra hiện tượng cộng hưởng làm cho hư hỏng các chi tiết, khung vỏ của xe

Đối với mặt đường và an toàn chuyển động : khi ô tô chuyển động trên đường sẽgây ra sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa mặt tiếp xúc của bánh xe với bề mặtđường Khi tải trọng tăng thì giá trị phản lực giữa bánh xe và mặt đường cũng tăng lên thì làm tăng tải trọng động tác dụng xuống nền đường Trong quá trình chuyển động xe

có thể xảy ra hiện tượng tách bánh làm độ an toàn chuyển động giảm vì lúc đó mất khả