Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống treo ô tô

Với yêu câù của đề tài, tác giả đã trình bày các vấn đề cơ bản về phương pháp lập mô hình dao động, phương pháp tính và các hệ thống treo.. Các yếu tố gây dao động ô tô Trong nhiều tà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN NGUYỄN UYÊN MINH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN NGUYỄN UYÊN MINH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Võ Văn Hường Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng,

Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các nội dung trình bày trong đề tài là hoàn toàn trung thực và chính xác

Hà Nội, ngày 29 tháng 11 năm 2014

Tác giả

Đoàn Nguyễn Uyên Minh

LỜI CẢM ƠN Với tư cách là tác giả của đề tài này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS

Võ Văn Hường, thầy hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để

tôi hoàn thành đề tài này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong thời gian tôi học và làm đề tài

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người

đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian tôi học và làm đề tài

Tác giả

Đoàn Nguyễn Uyên Minh

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

M Đ U 11

CHƯƠNG 1 CÁC YẾU TỐ GÂY RA DAO ĐỘNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ 13

1.1 Các yếu tố gây dao động ô tô 13

1.2 Mô tả mặt đường 14

1.3 Ảnh hưởng của dao động ô tô 16

1.3.1 Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu 16

1.3.2 Tiêu chí về không gian hệ thống treo 19

1.3.3 Tiêu chí an toàn động lực học 20

1.4 Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu 21

1.4.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 21

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 22

1.4.3 Nội dung nghiên cứu 22

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG 23

2.1 Phương pháp nghiên cứu động lực học ô tô 23

2.2 Phương trình động lực học tổng quát 24

2.3 Đặc điểm động lực học ô tô 35

2.4 Các mô đun cơ bản 36

2.5 Phân tích cấu trúc hệ thống treo của ô tô 37

2.6 Mô hình ¼ 42

2.7 Động lực học đoàn xe phương thẳng đứng 51

2.7.1 Động lực học phương dọc của khối lượng được treo 51

2.7.2 Động lực học ngang của khối lượng được treo và không được treo 53

2

2.8 Mô hình dao động xe con 57

2.9 Phương pháp giải 59

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG TREO VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 62

3.1 Mô hình hệ thống treo không điều khiển 62

3.2 Giải pháp điều khiển hệ thống treo 67

3.3 Sơ đồ điều khiển hệ thống treo 78

3.4 Phân tích các loại hệ thống treo theo tính tích cực 80

3.4.1 Hệ thống treo thụ động: 80

3.4.2 Hệ thống treo tự chỉnh chiều cao 80

3.4.3 Các hệ thống treo bán tích cực 80

3.4.4 Các hệ thống treo tích cực: 81

3.5 Ứng dụng khí, thủy khí trong hệ thống treo điều khiển độ cao 82

3.6 Nguyên lý hệ treo thủy khí có điều khiển 83

3.7 Hệ thống treo khí có điều khiển 86

3.8 Hệ thống treo xe chuyên dụng 89

3.8.1 Yêu cầu hệ thống treo xe chuyên dụng 89

3.8.2 Đặc điểm hệ thống treo xe chuyên dụng 89

3.8.3 Nguyên lý trụ treo 93

3.9 Các hệ thống treo điều khiển ở xe chuyên dụng 94

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

A m2 Diện tích, thiết diện

a m Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

b m Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

J kgm2 Mô men quán tính trục y của cầu sau

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân loại tín hiệu ngẫu nhiên 14

Hình 1.2 Lực quán tính ảnh hưởng đến dao động ô tô 16

Hình 1.3 Các định mức độ êm dịu 17

Hình 1.4 Phân bố độ êm dịu các chủng loại xe 18

Hình 1.5 Giới hạn gia tốc các phương 18

Hình 1.6 Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian 19

Hình 1.7 Mô hình dao động 1/4 20

Hình 2.1 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô 24

Hình 2.2 Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) 25

Hình 2.3 Định nghĩa tương quan hệ tọa độ B(Cxyz ) với tọa độ bánh xe 26

Hình 2.4 Định nghĩa hướng chuyển động ô tô trong hệ tọa độ G(OXYZ) 28

Hình 2.5 Hệ cục bộ xe B(Cxyz) và các lực tại tâm vết tiếp xúc bánh xe 28

Hình 2.6 Hệ tọa độ xe B(Cxyz) và hệ tọa độ tâm bánh xe T j (x j ,y j ,z j ) j=4 29

Hình 2.7 Các lực tương tác tại các tâm vết tiếp xúc lốp – đường 29

Hình 2.8 Các lực trong mặt phẳng nền 30

Hình 2.9 Cấu trúc mô hình động lực học ô tô 37

Hình 2.10 Hệ thống treo cầu sau của Mercedes–Benz 38

Hình 2.11 Hệ thống treo cầu trước của Mercedes–Benz 38

Hình 2.12a Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz 39

Hình 2.12b Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz cân bằng 39 Hình 2.13 Hệ thống treo hai đòn ngang (a) và sơ đồ tương đương (b) 42

Hình 2.16 Mô hình dao động ¼ 44

Hình 2.17 Sơ đồ đặc tính treo 45

Hình 2.19 Hàm truyền 51

Hình 2.20 Quan hệ giữa độ êm dịu và tải trọng động 51

8

Hình 2.21 Động lực học xe kéo phương z 52

Hình 2.22 Động lực học lắc dọc mooc 53

Hình 2.23 Động lực học ngang cầu 1 54

Hình 2.24 Động lực học ngang cầu 2 55

Hình 2.25 Động lực học ngang cầu 3 56

Hình 2.26 Động lực học ngang cầu 4 57

Hình 2.27 Mô hình dao động xe con 58

Hình 2 28 hệ thống treo cân bằng liên tiếp nhiều cầu container 59

Hình 2 29 Mô đun Động lực học xe kéo trong mặt phẳng (XOZ) 59

Hình 2.30 Mô đun Động lực học xe mooc trong mặt phẳng (OXZ) 60

Hình 2.31 Mô đun Động lực học ngang trong mặt phẳng (OYZ) 60

Hình 2 32 Mô đun Động lực học bánh xe trong mặt phẳng (OXZ) 61

Hình 3.1 Mô hình hệ thống treo truyền thống 62

Hình 3.2 Đặc tính đàn hồi hệ thống treo truyền thống 64

Hình 3.3 Đặc tính giảm chấn thủy lực 65

Hình 3.4 Đường đặc tính không đối xứng của giảm chấn tác dụng hai chiều với van giảm tải 66

Hình 3.5 Hệ thống treo khí với phần tử đàn hồi loại buồng chứa 68

Hình 3.6 Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz 69

Hình 3.7 Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động 70

Hình 3.8 Hệ treo khí cầu treo phụ thuộc cầu chủ động 70

Hình 3.9 Hệ treo khí cầu dẫn hướng 70

Hình 3.10 Hệ treo khí cầu dẫn hướng 71

Hình 3.11 Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động 71

Hình 3.12 Hệ treo khí 4 túi khí để hạ thấp trọng tâm 71

Hình 3.14 Cấu tạo giảm chấn treo trước xe Mercedes-Ben E500 73

Hình 3.15 Vị trí van điện mở 74

9

Hình 3.16 Vị trí van điện đóng 74

Hình 3.17 Bộ giảm chấn treo sau xe Mercedes-Ben E500 75

Hình 3.18 Bộ đàn hồi treo sau trên xe ô tô con Mercedes-Ben E500 75

Hình 3.19 Hoạt động bộ giảm chấn treo sau ô tô Mercedes-Ben E500 76

Hình 3.20 Thanh ổn định ngang truyền thống 77

Hình 3.21 Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh ổn định ngang 77

Hình 3.22 Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh cân bằng 78

Hình 3.23 Sơ đồ mạch điều khiển thanh ổn định ngang 78

Hình 3.24 a Hệ thống treo tích cực Hình 3.24 b Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực 79

Hình 3.25 Hệ thống treo tích cực hoàn toàn 79

Hình 3.26 Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực 79

Hình 3.27 Nguyên lý hệ thống treo tích cực 82

Hình 3.28 Nguyên lý hệ thống treo thủy khí điều khiển độ cao 83

Hình 3.29 Nguyên lý treo thủy khí 83

Hình 3.30 Hệ treo thủy khí có điều khiển 85

Hình 3.31 Hệ treo khí có điều khiển 88

Hình 3.32 Các dạng sơ đồ treo xe nhiều cầu 90

Hình 3.33 Hệ thống treo hai đòn ngang thanh xoắn 90

Hình 3.34 Hệ treo thủy khí truyền lực cơ khí 91

Hình 3.35 Hệ thống treo truyền động độc lập 91

Hình 3.36 Hệ thống treo độc lập cần bằng ngang 91

Hình 3.37 Hệ thống treo bánh xe độc lập và quay vòng độc lập 92

Hình 3.38 Hệ thống treo bánh xe độc lập và quay vòng độc lập ( c của Hãng Nicolas, d,e của Hãng Cometter) 93

Hình.3.39 Trụ treo thủy khí Hình 3.40 Trụ treo thủy lực 94 Hình 3.41 Hê thống treo khí tích cực điều khiển hành trình tĩnh và động 95

10

Hình 3.42 Hệ thống treo thủy khí điều khiển cơ khí 96

Hình 3.43 Hệ thống treo Cơ khi- Thủy lực điều khiển cơ khí 96

Hình 3.44 Hệ thống treo tích cực lò xo-thủy lực điều khiển điện tử 97

Hình 3.45 Hệ thống treo thủy khí điều khiển tích cực 98

Hình 3.46 Bố trí chung hệ treo tích cực 99

lượng động lực học và tính tiện nghi

Chất lượng độ êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng hệ thống treo, việc bố trí chung của ô tô, điều kiện mặt đường và chế độ chuyển động của ô tô Ngày nay điều kiện các loại đường của Việt Nam tuy được ngày càng hoàn thiện về chất lượng nhưng v n chưa đảm bảo tối ưu cho tất cả các hoạt động của ô tô Xuất phát từ nh ng lý do trên, việc nghiên cứu các giải pháp hệ

thống treo trên ô tô là một vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu và giải quyết Với

yêu câù của đề tài, tác giả đã trình bày các vấn đề cơ bản về phương pháp lập mô hình dao động, phương pháp tính và các hệ thống treo Mục tiêu của trình bày này

là giúp học sinh sinh viên có một cái nhìn tổng thể khi chọn vấn đề nghiên cứu Việt Nam đang hội nhập toàn diện trên các lĩnh vực đặc biệt là ngành công nghệ ô tô và nhu cầu đi lại và vận chuyển ngày càng gia t ng Sự lựa chọn của người s dụng hướng vào xe có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến sự an toàn động lục và thoái mái tiện nghi khi s dụng

Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố gây dao động làm mất tính an toàn

và êm dịu chuyển động Đây là tiêu chí rất quan trọng, không thể tách rời nhưng lại mâu thu n với nhau trong quá tình chuyển động, được quyết định chủ yếu bởi chất lượng của hệ thống treo Tuy nhiên, trong hầu hết các thiết kế mới ô tô và nghiên cứu hệ thống treo ô tô ở nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu êm dịu và ít quan tâm đến an toàn chuyển động

Dao động ô tô chịu 3 nguồn kích động là mấp mô của đường, gió bên, gió dọc

và các lực và mô men quán tính Hầu hết các nghiên cứu về dao động chỉ xét yếu tố mấp mô đường, còn hai yếu tố sau ít được quan tâm Gió ảnh hưởng lớn đến an toàn

13

CHƯƠNG 1 CÁC YẾU TỐ GÂY RA DAO ĐỘNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU

ĐÁNH GIÁ 1.1 Các yếu tố gây dao động ô tô

Trong nhiều tài liệu cũ, chương này có tên là dao động ô tô; nội dung là nghiên cứu dao động dưới tác động kích động mặt đường và các giải pháp về êm dịu chuyển động Do nhu cầu phát triển, yếu tố kích động được bao quát rộng hơn; ảnh hưởng của dao động không nh ng về độ êm dịu cho người và hàng hóa mà còn xét đến tác hại làm hỏng đường; với nhu cầu nghiên cứu động lực học và động lực học điều khiển, các nhu cầu phát triển ô tô cơ điện t , mô hình dao động đầy đủ cũng được phát triển đa dạng, phức tạp hơn, chính xác hơn Trong chương này, ba vấn đề cơ bản được trình bày theo quan điểm động lực học phương thẳng đứng Vertical Dynamics” là:

- Nguồn gây dao động;

- Các yếu tố ảnh hưởng của dao động;

- Các mô hình đặc trưng cơ bản

Các mô hình cũng phải ph hợp cho các mục tiêu nghiên cứu sau:

1) Mô hình nghiên cứu tối ưu hệ thống treo truyền thống;

2) Mô hình hệ thống treo điều khiển đơn và mô hình điều khiển hệ thống (hệ thống treo cân b ng);

3) Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của dao động về độ êm dịu đến người, hàng hóa, tải trọng động bánh xe và áp lực đường;

4) Mô hình nghiên cứu áp lực đường là mô hình dao động tích hợp để xác định các yếu tố ảnh hưởng lực quán tính Như vậy, mô hình cho mục đích nghiên cứu này là mô hình động lực học

Dao động ô tô theo phương thẳng đứng được gây ra bao gồm ba nguồn chủ yếu là:

 Mấp mô mặt đường;

14

 Lực cản không khí;

 Các lực, mômen quán tính khi xe t ng tốc, phanh, quay vòng

Các yếu tố này đều có tính chất ng u nhiên, nhưng độc lập l n nhau

Hình 1.1 Phân loại tín hiệu ngẫu nhiên

1.2 Mô tả mặt đường

Khi nghiên cứu dao động ô tô, việc mô tả mặt đường có ý nghĩa quan trọng Mặt đường trong thực tế là ng u nhiên; khi nghiên cứu quan hệ Đuờng – Xe – Người” người ta mô tả đường b ng các quy luật ng u nhiên; các nghiên cứu cơ bản

có thể s dụng các mô tả tường minh như hàm tuần hoàn, hàm xung Tính chất của các đại lượng ng u nhiên có thể phân loại như sau: với các nghiên cứu về đường ô

tô người ta thừa nhận đường có tính chất Dừng” và Ergodit”; kích động mặt đường có thể biểu di n theo thời gian h(t) hay theo hàm vị trí h(x)

Khi chuyển động trên đường, ô tô dao động ở tất cả các phương: phương dọc, phương ngang, phương thẳng đứng và ba dao động góc là dao động lắc dọc, lắc ngang và quay quanh trục thẳng đứng Thông thường khi xét dao động ô tô ta chỉ quan tâm dao động phương thẳng đứng, dao dao động lắc dọc và lắc ngang cũng rất quan trọng Xét chuyển động của ô tô dao động ô tô là tích hợp Dao động ô tô cũng chịu đồng thời nhiều yếu tố kích động ng u nhiên Vì vậy ta chỉ có thể lập mô hình và xét các yếu tố riêng rẽ Trước tiên ta xét các yếu tố gây dao động Có 3 nguồn gây dao động:

Mấp mô mặt đường: Trong thực tế mấp mô mặt đường mang tính chất ng u

nhiên, chúng thay đổi trong quá trình xe chuyển động về độ cao mấp mô, khoảng

15

cách gi a các mấp mô Mấp mô được mô tả theo hàm thời gian h(t) hoặc hàm

chuyển vị của xe h(x); h là chiều cao mấp mô, t là thời gian chuyển động, x là

quãng đường xe chạy trong thời gian khảo sát Nếu cho trước vận tốc v thì ta có

quan hệ x(t)=vt Như vậy hai biến x và t là tương đương

Trường hợp đơn giản nhất ta chọn hàm tuần hoàn h  h0sin(2  ft ),trong

đó f là tần số kích động của mặt đường Nếu  là bước sóng đường ta có thể viết

lại như sau: h  h0sin(2   x / )

Gió: nước ta, gió có cường độ mạnh, tác động đến ô tô đa phương đa chiều

với tính chất ng u nhiên, làm thay đổi xe chuyển động và về cơ bản tâm tác động

của gió không tr ng với trọng tâm của xe Yếu tố đầu tiên gây dao động cho ô tô là

lực cản gió, tác động lên xe theo các phương chính diện và lực gió ngang

+ Lực cản không khí chính diện:

1

( ) 2

F   c A x v  (1.1)

+ Lực cản gió ngang:

2 w

( ) 2

F   c A x v  (1.3)

Lực quán tính: Khi ô tô chuyển động, lái xe thực hiện điều khiển xe theo ba

chức n ng là phanh, t ng tốc, quay vô l ng riêng rẽ hoặc tích hợp, làm xuất hiện gia

tốc dọc, ngang, gây dao động lắc dọc và lắc ngang Ngoài ra, khi xe chạy, tải của

động cơ thay đổi, mô men quán tính của động cơ cũng gây dao động cho ô tô

16

Hình 1.2 Lực quán tính ảnh hưởng đến dao động ô tô

1.3 Ảnh hưởng của dao động ô tô

Dao động ô tô có ảnh hưởng đến sức khẻo con người, đặc biệt khả n ng điều khiển của lái xe, ảnh hưởng đến hàng hóa Dao động của xe cũng ảnh hưởng đến khả n ng truyền lực của ô tô, làm mất ổn định chuyển động của nó Ngoài ra, tải của

bánh xe lên đường là yếu tố chính gây hư hỏng đường Sau đây ta xét các Tiêu chí đánh giá dao động ô tô Phần lớn các tài liệu viết về dao động ô tô đều d ng khái niệm Chỉ tiêu về dao động” Hiện tại trên thế giới không có chỉ tiêu đánh giá dao động mà chỉ đánh giá theo một số Tiêu chí, xe này tốt xe kia không tốt Đã là chỉ

tiêu thì phải đạt ngưỡng mới được lưu hành

1.3.1 Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu

Hiện tại, người ta s dụng ISO 2631” của International Standard Organization” và VDI – 2057” của Tiêu chuẩn Công nghiệp Đức Verein Deutsches Industrie Norm” để xác định về độ êm dịu cho người Tiêu chí đánh giá ảnh hưởng của dao động đến người là một hàm tích hợp của gia tốc, tần số kích động và thời gian tác động của dao động

- Tiêu chí đánh giá êm dịu cho người: k  f(z,f,t) & (1.4)

Người ta d ng các công thức trên để đưa ra các đồ thị trong hình 1.3 Với các

ô tô thì 0,8 < k < 6,3 Hình 1.4 là biểu đồ phân bố k của một số loại xe Hình 1.5 là

đồ thị gia tốc ngưỡng tham số thời gian và phụ thuộc tần số kích động các phương

Tổn hại sức khỏe sau 1 phút, ISO 2631 Cảm giác mạnh Thoải mái sau 24h ISO 2631

Cảm giác tốt Cảm giác được Không cảm giác

1.3.2 Tiêu chí về không gian hệ thống treo

Hệ thống treo là bộ phận nối mềm gi a khối lượng được treo và không được treo mô tả như hình 1.7; chuyển động tương đối thường được hạn chế bởi vấu hạn chế hành trình Hạn chế hành trình xác định khoảng giá trị hành trình động nén và trả Giới hạn hành trình là không gian treo, xác định bởi các vấu hạn chế trên và dưới Để bảo đảm khả n ng ổn định, không gian treo không được lớn quá Vì vậy tiêu chí không gian treo (1.5) rất khó đạt

(–z)   z cho phép (1.5)

20

z

F h

F là giới hạn can thiệp; bánh xe tách khỏi mặt đường

Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho một bánh xe:

w(i).F (i)

w

wcho phép v n chưa được xác định: w < 1,0

Đối với sức khoẻ của người đặc biệt là của lái xe, dao động của xe có thể gây mệt mỏi, c ng thẳng cho lái xe ảnh hưởng đến hoạt động lái xe, đặc biệt là phản xạ

để x lý tình huống Đối với hàng hoá, dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng hoá như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay đổi tính chất của hàng hoá Đối với đường: khi

xe chạy trên đường, dao động của ô tô gây ra tải trọng động c ng với tải trọng tĩnh của xe làm hư hỏng đường và cầu cống Đối với ô tô, tác động từ mặt đường lên xe gây ra dao động làm va đập và gây ra tải trọng thay đổi đối với các chi tiết ô tô ảnh hưởng đến độ bền lâu của chi tiết vì vậy xuất hiện các dạng hỏng mỏi chi tiết Ngoài

ra dao động ô tô cũng ảnh hưởng đến khả n ng truyền lực cũng như tính điều khiển hướng chuyển động của ô tô Thật vậy, dao động ô tô tạo lên các tải trọng động theo phương thẳng đứng trên các bánh xe làm thay đổi lực bám đường của bánh xe và tạo ra các gia tốc lắc làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe Chuyển động tương đối gi a thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không gian cho hệ treo khi thiết

kế ô tô Từ các phân tích trên, người ta có thể dựa vào các tiêu chí sau để đánh giá ảnh hưởng của dao động đến ô tô Không thể có tiêu chí nhất quán cho tất cả xe ô

tô T y theo loại xe mà ta chọn các tiêu chí thích hợp

1.4 Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu

1.4.1 c đích nghiên cứu c a đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu dao động của ô tô tác động lên

mặt đường nh m xác định ảnh hưởng các thông số s dụng đối với các chỉ tiêu về

êm dịu, an toàn động lực học và độ thân thiện với môi trường Để từ đó tìm ra được quy luật phân bố tải trọng lên các cầu xe, hệ số bám tại từng bánh xe, và ổn định của hệ thống treo Làm cơ sở để từ đó tìm ra các giải pháp điều khiển hệ thống treo

cho ph hợp

22

Trong các hệ thống của ô tô thì hệ thống treo có vai trò hết sức quan trọng vì

nó liên quan đến vấn đề an toàn chuyển động của ô tô và vấn đề an toàn giao thông

và độ êm dịu, tính tiện nghi cho người ngồi trên ô tô Trên cơ sở đề tài “Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống treo ô tô” được chọn nghiên cứu để có một

các nhìn toàn diện khi xem xét vấn đề dao động, giúp học viên có cái nhìn đúng đắn khi chọn vấn đề nghiên cứu

1.4.2 h ng pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là Hệ nhiều vật MBS, tách cấu trúc, mô tả theo mô đun thuận tiện trong việc xác định các quan hệ nội hàm ph hợp cho phương pháp lập trình công nghiệp trong Matlab và ph hợp cho tư duy điều khiển Ô tô là một

hệ nhiều vật, các liên kết có và các nội lực liên kết có tính phi tuyến hình học và vật

lý, vì vậy phương pháp tách cấu trúc cho phép thay thế các đại lượng trước đây được mô tả b ng hệ số tuyến tính nay được thay bởi các hàm phi tuyến Ngoài ra tác giả còn s dụng phương trình Newton-Euler và hệ tọa độ tương đối, thuận tiện cho

các sinh viên không chuyên cơ học và thuận tiện trong lập trình và mô phỏng

Thông qua việc nghiên cứu tổng quan, đề tài góp phần hoàn thiện phương pháp nghiên cứu hệ thống treo nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động ô tô theo quan điểm điện đại, đồng thời giới thiệu các phương pháp lập mô hình và tổng quan

các giải pháp điều khiển nh m nâng cao hiệu quả hệ thống treo ô tô

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

Với mục tiêu đặt ra, đề tài “Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống treo ô tô”, được trình bày theo 3 nội dung như sau: (i) các yếu tố gây dao động và

tiêu chí đánh giá dao động, (ii) phương pháp lập mô hình dao động và các mô hình dao động cơ bản và (iii) các hệ thống treo và diều khiển hệ thống treo

23

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG

Động lực học ô tô là tích hợp gi a động lực ngang, thẳng đứng và động lực học phương dọc:

hệ cố định G (OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B (Cxyz) Gi a chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý

hệ nhiều vật MBS

2.1 Phương pháp nghiên cứu động lực học ô tô

Chuyển động của ô tô là chuyển động phức hợp, gồm ba chuyển động tịnh tiến phương x, y, z và ba chuyển động góc    , , Để mô tả chuyển động phức hợp đó

ta cần thiết lập một hệ tọa độ cố định G(OXYZ), trong đó nó có quan hệ với các hệ tọa độ vật B(Cxyz) như là các hệ tọa độ con B(Cxyz) có thể quay với các góc

Hình 2.1 chỉ ra các lực và mô men làm ô tô chuyển động tịnh tiến, quay thân xe: (1) phản lực thẳng đứng từ đường lên bánh xe, (2) lực phanh, (3) lực kéo, (4) lực

24

bám ngang, (5) mô men chủ động phát ra từ động cơ, (6) mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng, (7) mô men quay thân xe trục y, (8) mô men quay thân xe trục x

Hình 2.1 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô

là một vài phép chuyển đổi cơ bản trong cơ học đƣợc trình bày Giả s có một véc

25

Một điểm P trong hệ con B(Cxyz) có vec tơ gốc G

P

d so với hệ G(OXYZ) có vị trí trong hệ G nhƣ sau:

26

Hình 2.3 Định nghĩa tương quan hệ tọa độ B(Cxyz ) với tọa độ bánh xe

Hệ tọa độ đặc biệt: Trong lĩnh vực động lực học ô tô, chúng ta chọn hệ có trục song song Cz và OZ nhƣ hình 2.2 Thân xe quay quanh trục oz góc , quay quanh trục oy góc  và quay quanh trục ox góc  Vec tơ G r

28

hợp thành lực F ,F ,M X Y Z tại tâm C, xem hình (2.5) và (2.8) Hệ tọa độ cũng được định nghĩa trong hình gồm hệ B(Cxyz) tại tâm C của xe và tọa độ 4 bánh xe T Hình 2.7 trình bày sơ đồ các lực tại tâm vết tiếp xúc lốp – đường, chiếu xuống mặt phẳng nền ta có các cặp Fxj, Fyj, Mzj như hình 2.8 Như vậy, ta cần hệ phương trình Newton–Euler để mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng nền Phản lực nền lên bánh xe theo phương thẳng đứng Fzj có ảnh hưởng gián tiếp đến động lực học ô tô,

có thể tách riêng trong mô hình động lực học phương thẳng đứng mặt d chúng liên kết với động lực học phương ngang

Hình 2.4 Định nghĩa hướng chuyển động ô tô trong hệ tọa độ G(OXYZ)

Hình 2.5 Hệ cục bộ xe B(Cxyz) và các lực tại tâm vết tiếp xúc bánh xe

29

Hình 2.6 Hệ tọa độ xe B(Cxyz) và hệ tọa độ tâm bánh xe T j (x j ,y j ,z j ) j=4

Hình 2.7 Các lực tương tác tại các tâm vết tiếp xúc lốp – đường

Phương trình chuyển động viết trong hệ vật B(Cxyz):

Véc tơ gia tốc tương ứng được suy ra từ (2.18):

v

C    v v vx y z 

& & & & (2.19)

Véc tơ vận tốc quay thân xe:

Thay các véc tơ từ (2.18 đến 2.22) vào phương trình tổng quát (2.16, 2.17) ta

có phương trình Newton (2.24) và Euler (2.26):

Trong mặt phẳng nền G(OXY), ta chỉ quay một góc  quanh trục OZ nên các

phép tính đơn giản hơn

m & m

(2.29)

x z y x

v (v v )cos (v v )sin (2.42)

Phương trình (2.24) và (2.27) là hệ phương trình Newton–Euler tổng quát mô

tả động lực học ô tô (tích hợp) Tuy nhiên, để đơn giản tính toán và cũng ph hợp với ý tưởng lập trình và điều khiển, người ta tách ra hai hệ độc lập: động lực học trong mặt phẳng nền được xác lập bởi hệ phương trình Newton–Euler đơn giản (2.37) và (2.38);

35

2.3 Đặc điểm động lực học ô tô

Ô tô thuộc hệ nhiều vật, có các vật liên kết bởi các phần t đàn hồi và các khớp đa dạng Lấy một ví dụ đơn giản là xe con, có thân xe khối lượng được treo”liên kết với bánh xe khối lượng không được treo” thông qua hệ thống treo Nói đơn giản, đây là hệ động lực học gồm n m khối lượng của hệ và một khối lượng tĩnh là nền đường Các lực liên kết gi a khối lượng được treo và không được treo có tính phi tuyến mạnh do: tính chất vật lý của giảm chấn và phần t đàn hồi và phi tuyến hình học Liên kết gi a bánh xe với đường là liên kết dạng khớp – đàn hồi – ma sát”; đặc trưng bởi truyền khớp, truyền đàn hồi và trượt: trượt đàn hồi và trượt lết/trượt quay Một hệ nhiều vật MBS, khi nghiên cứu, ta d ng phương pháp tách cấu trúc, các điểm cắt là các nội lực của hệ, khi tách ra, nó được coi là ngoại lực ảo của vật đó, và được s dụng để viết phương trình chuyển động bởi hệ phương trình Newton – Euler Một vật chuyển động trong không gian tham gia ba chuyển động tịnh tiến được định nghĩa trong hệ tọa độ G(OXYZ) và B(Cxyz) và ba chuyển động góc vì các vật có mô men quán tính theo ba góc được định nghĩa trong

hệ tọa độ trong hình 2.2 Trong hệ trục thuận đó ta d ng các hệ phương trình (2.24), (2.27) để mô tả Như vậy, một mô hình động lực học ô tô phải được phân tích cấu trúc trước khi lập mô hình Mô hình theo cấu trúc có ba dạng: vỏ chịu lực như xe con, xe t ng, xe bọc thép; khung chịu lực như xe tải có hai dầm dọc và hai khối lượng được treo, cứng theo chiều uốn nhưng mền theo chiều xoắn và loại hỗn hợp như xe khách Hệ thống treo liên kết bánh xe – khung vỏ cũng phải được phân tích

và mô tả Hiện có bốn loại hệ treo: hệ thống treo độc lập, khi mô tả cần chú ý cả phi tuyến hình học l n phi tuyến vật lý; hệ thống treo phụ thuộc là loại liên kết động lực học; hệ thống treo cân b ng hai cầu; hệ thống treo cân b ng ba cầu liên tiếp

Hệ thống treo độc lập có liên kết động học còn các loại treo khác liên kết động lực học Khi mô tả đặc tính treo ta cần chú ý yếu tố phi tuyến vật lý và hình học của chúng Yếu tố hình học do sin, cos” tạo ra, còn yếu tố phi tuyến vật lý do các phần

t đàn hồi, giảm chấn như khí nén, cao su, giảm chấn thủy lực gây ra Như vậy, t y theo cấu trúc khung vỏ và kiểu hệ thống treo chúng ta có thể có nhiều mô hình động

36

lực học khác nhau như mô hình động lực học xe con, xe tải, xe kéo moóc và kéo bán moóc Chuyển động của ô tô khi chạy ở vận tóc lớn và phanh gấp, nhất là trên đường có hệ số bám thấp, các lực truyền là phi tuyến Vì vậy, phải chọn một mô hình lốp ph hợp

Lập mô hình động lực học/dao động ô tô gồm các bước sau:

(i) Phân tích đặc điểm cấu trúc khung vỏ, kiểu hệ thống treo, kiểu lốp;

(ii) Tách cấu trúc và xác định nội lực hệ thống treo, lực tương tác lốp–đường; (iii) Viết phương trình Newton–Euler cho các vật và liên kết các vật theo các

mô đun;

(iv) Giải hệ phương trình vi phân cấp 2 b ng phương pháp số

2.4 Các mô đun cơ bản

Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động góc Thân xe liên kết với 4 bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con Như vậy, động lực học

ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật, liên kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp Động lực học của ô tô được mô tả trong hệ

cố định G(OXYZ) Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B(Cxyz) Gi a chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay Về phương pháp nghiên cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý hệ nhiều vật MBS Trong sơ đồ hình (2.9) là cấu trúc hệ động lực học ô

tô

(i) Mô đun chính XY” là mô hình động lực học ô tô trong mặt phẳng nền XOY, mô tả chuyển động tịnh tiến phương dọc x, phương ngang y và chuyển động quay thân xe; thông số đầu vào là các lực/mô men tương tác bánh xe F ,F ,Mxj yj zj mà thông số ra là các đại lượng x, y, ;mx,my,J &&  & & & & & z &

(ii) Mô đun Mô hình lốp” xác định lực/mô men tương tác bánh xe F ,F ,M xj yj zj Thông số đầu vào cho mô hình lốp là hệ số trượt dọc và hệ số lệch bên bánh xe Để xác định các hệ số trượt dọc ta cần mô đun động lực học bánh xe” với thông số ra