Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử Haui Nhóm 13

Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu như hình 1. Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau: Điện cảm phần ứng L: 2. H Điện trở phần ứng R: 0.8 Hệ số cản b = 6.6 Nmsrad Momen quán tính J= 0.1 Hệ số momen K= 0.3 Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2. Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo. Các thông số của động cơ như sau: Khối lượng thân xe: 3500kg Khối lượng bánh xe: 420kg Độ cứng hệ treo K1 : 80000Nm Độ cứng lốp xe K2 : 500000Nm Hệ số cản hệ treo b1 : 350Nsm Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Nsm

Hà Nội, 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ

2

Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam

châm vĩnh cửu như hình 1 Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động cơ như sau:

Yêu cầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ

điện một chiều

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và

hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích

từ bằng nam châm vĩnh cửu

1.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều

1.2.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

- Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

- Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

- Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

- Cổ góp (Commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor

Hình 1 1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều

- Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại:

 Kích từ độc lập

 Kích từ song song

2

 Kích từ nối tiếp

 Kích từ hỗn hợp

- Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kết cấu cực từ:

 Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm điện

 Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm vĩnh cửu

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cấp điện áp một chiều Uư vào mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng

có điện Các thanh dẫn có dòng điện Iư nằm trong từ trường Φ do stator sinh ra sẽ chịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ ở hình dưới)

Hình 1 2: Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều Khi cuộn dây phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiếu góp nên chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng được dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi

Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động

1.4 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều

1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Trong phương pháp này người ta giữ 𝑈 = 𝑈đ𝑚,  =đ𝑚 và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Hình 1 3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn

1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông

Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn

4

Hình 1 4: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc

độ động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1

- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và

do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Từ thông động cơ được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U

5

Hình 1 5: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1

- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm)

- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra

1.5 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

1.5.1 Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều

+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó

sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

+ Tiết kiệm điện năng

+ Bền bỉ, tuổi thọ lớn

6

1.5.2 Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều

+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên

+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất

là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ

+ Giá thành đắt mà công suất không cao

1.6 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu

Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc, cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể

Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết

bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

7

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ

2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái

* Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:

J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = T (2.1) Trong đó : T = K.i(t) (2.2) +T : moment của rotor (Nm)

+i : dòng điện phần ứng (A)

Từ phương trình (2.1) và (2.2) ta có :

Hình 2 1: Mô hình động cơ điện một chiều

V là điện áp phần ứng

Từ phương trình (2.4) và (2.5) ta có:

L di

dt + Ri = V - K 𝜃̇ (2.6) Biến đổi Laplace (2.3) và (2.6) :

s.(J.s +b) 𝜃(𝑠) = K.I(s) (2.7) (L.s+R).I(s) = V - Ks 𝜃(𝑠) (2.8)

Từ phương trình (2.7) ta có:

I(s) = s.(J.s +b).𝜃(𝑠)

𝐾 (2.9) Thế (2.9) vào (2.8) và biến đổi ta được:

θ

s.((J.s+b).(L.s+R)+K 2 ) (2.10) Vậy hàm truyền của hệ là

H(s) = θ

LJs3+(bJ+JR)s2+(bR+K2)s (2.11) Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp là đầu vào, đầu ra là tốc độ quay

dt = −𝐾

𝐿 θ̇ −𝑅

𝐿 𝑖 +𝑉

𝐿

0 −b

J

K J

00

V L

] ( 2.12)

𝑦 = [1 0 0] [

𝜃

𝜃̇𝑖] (2.13)

10

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph

- Phần điện:

B1: Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau, thì đặt 0-juctions

B2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond

B3: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình

B4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định, thì xóa bỏ 0-juntions tại đó và tất cả các bonds kết nối đến nó

B5: Đơn giản hóa các bond graphs theo các nguyên tắc

- Phần cơ:

B1: Với mỗi vận tốc khác nhau thiết lập 1-junction

B2: Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions 1 sử dụng 0-junctions Phần tử quán tính được thêm vào 1-juntions; B3: Gán chiều công suất tới các bonds

B4: Loại bỏ tất cả 1-junctions có vận tốc 0 và tất cả các bonds kết nối tới nó;

B5: Đơn giản hóa bằng sử dụng các nguyên tắc tối giản

Hình 3 1: Xác định các điểm có điện thế khác nhau

11

Hình 3 2: Đưa vào các phần tử trở kháng và cảm kháng

Hình 3 3: Xóa bỏ 0-Junction tại vị trí có thế đất và các bond kết nối đến nó

- GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển

- I(J) : Phần tử cảm kháng của momen quán tính

- R(b) : Phần tử trở kháng (ma sát)

Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng Bên còn lại chứa các thành phần quán tính và ma sát quay

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V Vì vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph Sau

đó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên với nguồn e

Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí

Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa tốc độ góc của động cơ (𝜔M) với suất điện động (VM) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (IM) với mô men quay (TM) (electrical flow and mechanical effort)

- e2 : Điện áp trên cuộn cảm

- e3 : Điện áp trên điện trở

- e4 : Suất điện động trong động cơ

- f5=f6=f7: Tốc độ góc của động cơ

- e5 : Momen quay của trục động cơ

- e6 : Momen quán tính của động cơ

- e7 : Momen cản của ma sát

3.2 Xây dựng bộ điều khiển

Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (feedback) của nó hay đầu ra của

hệ thống (output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (input) Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control),

14

trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (error) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệ thống được so sánh với điểm đặt (set point) để đạt được sai số Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn

Hình 3 6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng

bộ điểu khiển PID PID là viết tắt của Proportional (tỷ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số ( error function)

15

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Đánh giá đặc tính tốc độ động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Hình 4 1: Sơ đồ Bond Graph hệ thống

Hình 4 2: Thiết lập thông số với điện áp đầu vào là 12V

16

Hình 4 3: Đặc tính tốc độ động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Nhận xét: Khi khởi động tốc độ góc của động cơ tăng không đều trong khoảng thời gian 4s, sau 4s kể từ khi khởi động tốc độ góc của động cơ ổn định và có giá trị giao động quanh giá trị 37.78 rad/s

4.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Chọn tốc độ quay mong muốn là 15 rad/s

4.2.1 Bộ điều khiển P

Hình 4 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P

17

Hình 4 5: Thiết lập thông số ban đầu với Kp = 1

Hình 4 6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với thông số ban đầu

Sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ với thông số ban đầu Kp=1 Ta thấy hệ thống có sai số xác lập lớn, sai số này vẫn được duy trì khi hệ thống ổn định

Để giảm sai số xác tập ta tăng hệ số Kp lên

19

Hình 4 8: Thiết lập thông số ban đầu với Kp=1, Ki=1

Hình 4 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu

Sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu Kp=Ki=1 : sai số xác lập nhỏ, thời gian quá độ lớn khoảng 2s Để giảm thời gian quá độ ta cần tăng hệ số Kp Tăng hệ số Kp = 30 và hệ số Ki = 1

20

Hình 4 10: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay Ki=100

Sau khi điểu chỉnh thông số: đáp ứng hệ thống có sai số xác lập nhỏ, thời gian quá độ nhỏ khoảng 0,03s Đáp ứng hệ thống không có vọt lố

4.2.2 Bộ điều khiển PD

Hình 4-1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD

21

Hình 4 11: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PD

Hình 4 12: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thông số ban đầu

Bộ điều khiển PD với thông số ban đầu Kp=Kd=1: sai số xác lập lớn, thời gian lên nhỏ khoảng 0,1s

- Tăng hệ số Kp = 5, tăng hệ số Kd = 50

22

Sau khi tăng hệ số Kp = 5, tăng hệ số Kd = 50 thì sai số xác lập của hệ thống nhỏ, không có độ vọt lố, thời gian lên và thời gian đáp ứng nhỏ

4.2.1 Bộ điều khiển PID

Hình 4 13: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID

23

Hình 4 14: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PID

Hình 4 15: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu

Với thông số ban đầu Kp = Ki = Kd = 1 đáp ứng hệ thống không có vọt lố, thời gian đáp ứng lớn khoảng 4s

Tăng hệ số Kp = 2, Kd = 50, Ki = 1

24

Hình 4 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với Kp=2, Kd=50, Ki=1

Thời gian đáp ứng nhỏ khoảng 0.05s, hệ thống không có vọt lố và sai số xác lập nhỏ, các thông số bộ điều khiển PID được lựa chọn dựa trên phương pháp bằng tay

Qua biểu đồ nhận thấy được khi có bộ điều khiển thì vị trí của động cơ được đáp ứng nhanh hơn, tốc độ mong muốn là 15 (rad/s) được đáp ứng nhanh gọn và ổn định,

độ vọt lố cũng như thời gian đáp ứng đều nằm trong giới hạn cho phép (độ vọt lố POT<5%, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 5s)

25

Bài số 2: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2 Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các

thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 3500kg

- Khối lượng bánh xe: 420kg

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm sim

20-Hình

Hình

26

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TREO XE BUS

1 Khái niệm:

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng của xe ô tô, chúng quyết định cảm giác lái

của xe êm ái hay xóc nảy, ổn định hay không ổn định Đây là bộ phận đóng vai trò trong việc chuyển động của toàn bộ thân xe, đặc biệt khi xe di chuyển qua những cung đường gồ ghề

Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống treo ô tô là giúp xe chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt đường không bằng phẳng Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe, đảm bảo đúng động học bánh

xe

2 Cấu tạo:

Gồm 3 bộ phận chính là: Bộ phận đàn hồi, Bộ phận giảm chấn và bộ phận dẫn hướng

Bộ phận đàn hồi trên các ô tô hiện nay khá đa dạng như: Lá nhíp, lò xo, thanh xoắn hay khí nén ( dùng trên các mẫu xe hạng sang, xe giường nằm…) Chúng đều

có tác dụng tạo điều kiện cho dao động của bánh xe theo phương thẳng đứng, đảm bảo độ êm của xe khi vận hành

27

Bộ phận đàn hồi làm nhiệm vụ hấp thụ những tác động từ mặt đường, giảm nhẹ

ảnh hưởng lên khung xe, tạo điều kiện cho bánh xe dao động Bộ phận đàn hồi sẽ nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của chiếc xe, giúp xe di chuyển êm ái, không gây khó chịu cho người ngồi bên trong

Bộ phận giảm chấn

Có nhiệm vụ dập tắt dao động của bánh xe và thân xe một cách nhanh chóng, đảm bảo cho bánh xe bám đường tốt hơn, có cảm giác lái êm dịu hơn cũng như là chuyển động ổn định hơn Bộ phận giảm chấn này còn được gọi với cái tên dễ hiểu hơn là giảm xóc hoặc phuộc

Có 2 loại giảm chấn: giảm chấn thủy lực và giảm chấn ma sát

Bộ phận dẫn hướng chịu trách nhiệm giữ cho xe dao động trong mặt phẳng thẳng đứng, chạy đúng tính chất chuyển động đối với khung vỏ xe giúp cho xe di chuyển ổn định, đầm chắc và êm mượt Ngoài ra, bộ phận này còn có chức năng tiếp nhận và truyền lực, momen giữa bánh xe và phần khung vỏ của xe Có 2 kiểu dẫn hướng chính là dùng nhíp (đối với xe tải) và dùng các cơ cấu tay đòn (xe con)

2.1: Các loại hệ thống treo trên ô tô

2.1.1: Hệ thống treo phụ thuộc

28

Hệ thống treo phụ thuộc cho phép hai bánh xe chuyển động tương đối với nhau, tuy nhiên chuyển động của chúng vẫn có ảnh hưởng đến nhau Ngày nay, hệ thống treo này xuất hiện phổ biến nhất dưới dạng thanh xoắn (torsion beam) kết hợp với thanh cân bằng (stabilizer bar) Hệ thống này thường được sử dụng ở xe tải hoặc bán tải, hầu hết các mẫu SUV khung xe rời (body on frame) và bán tải tại Việt Nam đều

sử dụng hệ thống treo dạng này

2.1.2: Hệ thống treo độc lập

Khác với hệ thống treo phụ thuộc, ở hệ thống này, các bánh xe được gắn với thân xe một cách “độc lập” với nhau Qua đó, hai đầu bánh xe có thể chuyển động riêng lẻ, dịch chuyển tự do mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau Nhờ vậy, các dao động từ mặt đường lên khung vỏ xe có thể được kiểm soát tốt hơn

2.1.3: Hệ thống treo bán độc lập

Hệ thống treo bán độc lập còn được gọi với cái tên khác là hệ thống treo chùm xoắn Hệ thống cho phép 2 bánh xe chuyển động khá riêng lẻ tuy nhiên chuyển

động của chúng vẫn có ảnh hưởng đến nhau

Ngày nay, hệ thống treo này xuất hiện phổ biến nhất dưới dạng thanh xoắn (torsion beam) kết hợp với thanh cân bằng (stabilizer bar)

2.1.4: Hệ thống treo cân bằng

29

Loại hệ thống treo cần bằng này chỉ được sử dụng đối với xe tải 3 cầu trở lên thì mới có thêm loại treo cân bằng (thăng bằng) được bố trí giữa 2 cầu chủ động liên tiếp làm tăng khả năng chịu tải trọng cho xe

30

II XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ

Tọa độ(x,y) được hướng như hình khi: x1 = 0; x2 = 0

Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh)(cho phép trọng lượng được phép bỏ qua)

Giả sử cả lò xo và giảm chấn (damper), đều tuyến tính

Ta chọn chiều dương theo hướng 𝑥1 𝑣à 𝑥2 như hình vẽ (chiều tích cực)

Giả thiết các điều kiện ban đầu đều bằng không, những phương trình này đặc

trưng cho trạng thái bánh xe buýt bị xóc Do hiệu số X1-W rất khó để tính toán, độ biến dạng của lốp xe (X2-W) có thể bỏ qua, vì vậy chúng ta có thể dùng hiệu số X1- X2 thay thế cho đầu ra X1-W Các phương trình động học trên có thể biểu diễn bằng

một dang hàm truyền bởi phép biến đổi Laplace các phương trình trên Lấy đạo hàm