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

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

Lớp: T5_789-He thong

dieu khien tu dong oto_ Nhom 04CLCNgày nộp đề tà

1 Tên đề tài: Active suspension modelling and control

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tai:

TRƯỞNG NGÀNH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIÊU NHÂN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ va tên Sinh viên: MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

Ngành:

Tên đề tai:

Họ va tên Giáo viên hướng dẫn:

NHÂN XÉT 1 Về nội dung đề tai & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyêt điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay

không?

5 Đánh giá

loại:

6 Điểm:……….(Bằng

chữ: )

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

năm 20…

Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆ NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ va tên Sinh viên: MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

MSSV:

Ngành:

Tên đề tai:

Họ va tên Giáo viên phản biện:

NHÂN XÉT

hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

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 3 10 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO CHỦ ĐỘNG TRÊN SIMULINK 29

HÌNH 4 1 NHẬP THÔNG SỐ XE TOYOTA CAMRY 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 dị̣u 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 đị̣nh tính thoải mái và êm dị̣u, an toàn cho người ngồi trong

xe trong quá trình di chuyển Một hệ thống treo bị̣ động có hệ số giảm chấn và hệ số độcứng cố đị̣nh do đó không thể đáp ứng được tính êm dị̣u, thoải mái khi hoạt động qua nhiềubiên dạng mặt đường khác nhau, thay vào đó hệ thống treo tích cự̣c được phát triển và hoạtđộng thích ứng trên nhiều biên dạng đường khác nhau mà không đem lại sự̣ khó chị̣u chohàng 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 đị̣nh, độ êm dị̣u khi xe vận hành Mộttrong những yếu tố quan trọng quyết đị̣nh 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 bị̣ động thông thường với trang bị̣ 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 cự̣c và tích cự̣c đã được các nhà sản xuất chú trọng pháttriển rông rãi Một hệ thống treo bán tích cự̣c sử dụng bộ giảm chấn với hệ số biến đổi.Trong khi hệ thống treo tích cự̣c là sự̣ kết hợp của lò xo, bộ giảm chấn và cơ cấu bộchấp hành thủy lự̣c ( xy lanh thủy lự̣c) khi một phần hoặc toàn bộ lự̣c tác dụng giữakhối treo và khối không được treo dự̣a vào tính hiệu điều khiển trự̣c 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 bị̣ động

- Bộ điều khiển PID dùng để điều khiển lự̣c 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 thị̣ mô phỏng bằ̀ng phần mềm

5 Đánh giá, kiến nghị̣ 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 chủđộng

- Vận dụng lý thuyết điều khiển PID để điều khiển lự̣c 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 sự̣ ổn đị̣nh của hệ thống treo chủ động so với hệ thống treo bị̣ động

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

- Chỉ sử dụng lý thuyết điều khiển PID

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

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 bằ̀ng phẳng, đểbảo vệ hành khách, hành lý và cải thiện tính ổn đị̣nh chuyển động

Hệ thống treo giúp truyền lự̣c kéo và lự̣c 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 bằ̀ng kim loại (gồm có nhíp lá, lò xo xoắn ốc, thanh xoắn)

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

Loại thủy lự̣c (loại ống)

Loại cao su (gồm loại chị̣u nén và loại chị̣u 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 lự̣c (gồm loại tác dụng một chiều và loại tác dụng haichiều)

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 nằ̀m 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 lự̣c 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 lự̣c 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 đị̣nh đến độ êm dị̣u 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 trị̣ nhỏ, còn khi tăng tải cần phải có độ cứng lớn hơn

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

có độ võng tĩnh hiệu dụng f t quyết đị̣nh 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 lị̣ch 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 dị̣u chuyển động thì tỉ số độ võng tĩnh của hệ thống treo sau

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

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

Độ võng động của hệ thống treo:

Oto du lị̣ch: ; 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 đị̣nh hơn Giảmchấn được sử dụng phổ biến hiện nay là bộ giảm chấn ống thủy lự̣c 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 lự̣c dọc, ngang và momen từ đường lên khung xe.Động học của bộ phận dẫn hướng xác đị̣nh 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 thự̣c hiện chức năng của bộ phận dẫn hướng thì ta dùng cơ cấu đòn 4 thanh hay chữ V.

Bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo độc lập: Trong hệ thống treo độc lập, bộphận đàn hồi và dẫn hướng được làm riêng lẻ Bộ phần đàn hồi thường là các lò xotrụ 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 bị̣ động sử dụng nhíp lá, lò xo xoắn kết hợp với giam chẩn thủylự̣c… ra đời từ rất sớm nhưng chưa thể đáp ứng đòi hỏi cao về độ êm dị̣u 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 tự̣u 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 lự̣c - 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 bị̣ trên xe người lái có thể lự̣a chọn , điềuchỉnh độ đàn hồi cho thích hợp với chế độ vận hành của xe trên đường thông qua côngtắc điều khiển lự̣a 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 lự̣c 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 lự̣c giảm chấn và độcứng hệ thống treo Bộ chấp hành điều khiển điện tử phản ứng chính xác với sự̣ 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 tự̣ 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 tự̣ 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 sự̣ mấp mô mặt đường Sự̣ 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

Sự̣ 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 sự̣

Đối với mặt đường và an toàn chuyển động : khi ô tô chuyển động trên đường sẽgây ra sự̣ thay đổi giá trị̣ phản lự̣c pháp tuyến giữa mặt tiếp xúc của bánh xe với bề mặtđường Khi tải trọng tăng thì giá trị̣ phản lự̣c giữa bánh xe và mặt đường cũng tăng lênthì 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