Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống treo bán chủ động

Đã có tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi chuyển động trên đường; Có tác giả khác nghiên cứu việc thiết lập mô hình khảo sát dao động của ô tô tải nhiều cầ

L ỜI NểI ĐẦU

Ô tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh

tế quốc dân, vì nó có những ưu điểm hơn hẳn các loại phương tiện vận tải khác: thông dụng, đơn giản, dễ sử dụng và có tính cơ động cao được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực dân sự cũng như quốc phòng Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nền công nghiệp ô tô trên thế giới phát triển ngày càng cao, đã cho ra đời nhiều loại ô tô hiện đại phục vụ cho nhu cầu đi lại và vận chuyển của con người Việc thiết kế các hệ thống, các cụm chi tiết trên ô tô, cũng như đánh giá chất lượng làm việc của chúng ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng của ô tô

Hệ thống treo của ô tô có vai trò hết sức quan trọng, nó góp phần nâng

trờn xe ụ tụ, cũng như cỏc vật dụng được chuyờn chở luụn luụn bị cỏc kớch động của mặt đường khụng bằng phẳng tỏc dụng làm cho rung và dao động khụng ngừng Người ta đó nghĩ ra nhiều cỏch để hạn chế, khắc phục những dao động đú nhằm mục đớch ờm dịu khi chuyển động cũng như khụng gõy mệt mỏi cho người ngồi trờn xe Từ việc sử dụng lốp mềm thay lốp cứng, từ việc sử dụng lỏ nhớp, lũ xo kết hợp với cỏc bộ giảm chấn đó núi nờn rằng việc đảm bảo cho độ ờm dịu khi chuyển động là rất cần thiết Hệ thống treo truyền thống cho xe cú cỏc thành phần cơ bản là bộ phận đàn hồi như lũ xo, lỏ nhớp

và bộ phận giảm chấn Ban đầu cỏc bộ phận đú chỉ là những phần tử cơ khớ đơn thuần, đến nay cỏc bộ phận đú được ỏp dụng những thành tựu của ngành điện tử và điều khiển tự động nờn đó tạo ra được nhiều hệ thống treo hiện đại

cú điều khiển như ngày nay: hệ thống treo chủ động, hệ thống treo bỏn chủ động Những hệ thống treo cú điều khiển đỏp ứng tốt hơn cỏc chỉ tiờu về độ

ờm dịu chuyển động, khụng gian làm việc của hệ thống, độ bỏm đường, ổn định của xe khi di chuyển

Hiện nay phương pháp mô phỏng bằng các loại phần mềm ưu việt đang

được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô tô Cùng với sự phát triển của máy tính, quá trình mô phỏng đã thể hiện được tính hiệu quả của nó, đặc biệt là các hệ phi tuyến cũng như các quá trình vật lý phức tạp Trên thế giới nói chung hay ở Việt Nam nói riêng đã có nhiều phần mềm tính toán với khả năng ứng dụng cao Thực tế đã cho thấy phần mềm Matlab là một trong những công cụ phần mềm có khả năng ứng dụng cao trong việc giải các bài toán kỹ thuật nhất là với các thư viện Simulink của nó

Trong thời gian qua có nhiều công trình khoa học sử dụng công cụ phần mềm Matlab - Simulink dùng để nghiên cứu dao động của ô tô Đã có tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của dao động lên khung xương ô tô khi chuyển động trên đường; Có tác giả khác nghiên cứu việc thiết lập mô hình khảo sát dao

động của ô tô tải nhiều cầu; Có tác giả đã khảo sát dao động xe tải hai cầu dưới tác động ngẫu nhiên của mặt đường; Có tác giả đã sử dụng thuật toán LQR để tối ưu hóa các thông số thiết kế hệ thống treo ô tô

Trong luận văn này tôi đi sâu nghiên cứu về các hệ thống treo có điều khiển cụ thể là hệ thống treo bán chủ động, xây dựng mô hình điều khiển của

hệ treo bán chủ động, mô phỏng bằng phần mềm Matlab - Simulink, đánh giá

so sánh với hệ treo bị động, xây dựng bộ điều khiển hệ treo bán chủ động

Luận văn được thực hiện tại bộ môn ô tô - Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hữu Nam Tôi xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy cùng các thầy giáo trong bộ môn ô tô

Mặc dù đã có nhiều lỗ lực, nhưng do trình độ, thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên các vấn đề được trình bày trong luận văn chưa đáp ứng được tất cả các yêu cầu đề ra Tôi rất cảm ơn về sự đóng góp, bổ sung để hoàn thiện các nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2009

Tác giả

M ỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống treo trên ô tô 9

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô 10

1.2.1 Chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu của chuyển động 10

1.2.2 Chỉ tiêu về hành trình làm việc của hệ thống treo 12

1.2.3 Chỉ tiêu đánh giá khả năng bám đường 12

1.2.4 Chỉ tiêu về tải trọng động 13

1.3 Phân loại hệ thống treo theo tính năng điều khiển được 14

1.3.1 Hệ thống treo không điều khiển được 14

1.3.2 Hệ thống treo có điều khiển được 15

1.4 Các nghiên cứu dao động trong và ngoài nước 17

1.4.1 Các nghiên cứu dao động ô tô trong nước 17

1.4.2 Các nghiên cứu dao động ô tô ngoài nước 18

1.5 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu đề tài 19

CHƯƠNG 2 20

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG 20

2.1 Mô hình hệ thống treo không điều khiển được 20

2.1.1 Mô hình 1/4 21

2.1.2 Mô hình 1/2 23

2.1.3 Mô hình không gian 27

2.2 Mô hình dao động của hệ thống treo bán chủ động 34

2.2.1 Mô hình 1/4 hệ thống treo bán chủ động 35

2.2.2 Mô hình 1/2 hệ thống treo bán chủ động 37

2.2.3 Mô hình hệ thống treo bán chủ động toàn xe 41

2.3 Bộ điều khiển tối ưu của hệ thống treo bán chủ động 46

2.3.1 Xây dựng hàm điều khiển cho mô hình 1/4 47

2.3.2 Xây dựng hàm điều khiển cho mô hình 1/2 51

CHƯƠNG 3 55

MÔ PHỎNG SỐ 55

3.1 Xây dựng chương trình mô phỏng bằng công cụ Simulink 55

3.1.1 Xây dựng khối mô phỏng mặt đường 55

3.1.2 Mô phỏng hệ treo không điều khiển 57

3.1.3 Mô phỏng mô hình 1/2 hệ thống treo bán chủ động 57

3.2 Phân tích các kết quả 63

3.2.1 Bộ thông số mô phỏng cho xe du lịch cỡ nhỏ 63

3.2.2 Kết quả mô phỏng 63

CHƯƠNG 4 80

TỔ HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG 80

4.1 Yêu cầu đối với bộ điều khiển 80

4.2 Chọn phương án bộ điều khiển 82

4.3 Các chế độ điều khiển 87

4.4 Thiết kế bộ điều khiển 89

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 99

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chuyển vị theo phương thẳng đứng của

z u

Chuyển vị theo phương thẳng đứng của

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1-1: Gi ới hạn biên độ dao động 11

Hình 1- 2: Sơ đồ hệ thống treo không điều khiển được 14

Hình 1- 3: Sơ đồ hệ thống treo chủ động 15

Hình 1- 4: Mô hình dao động của hệ thống treo bán chủ động 16

Hình 2-1: Mô hình h ệ thống treo 1/4 không điều khiển được 21

Hình 2-2: Mô hình “½ xe” bị động 23

Hình 2-3: Mô hình h ệ thống treo bị động dạng toàn xe 28

Hình 2-4: Mô hình h ệ thống treo “1/4 xe” bán chủ động 35

Hình 2-5: Mô hình h ệ thống treo “1/2 xe” bán chủ động 37

Hình 2-6: Mô hình h ệ bán chủ động dạng toàn xe 41

Hình 3-1: Biên d ạng mặt đường mô phỏng dạng hình Sin 55

Hình 3-2: Kh ối mô phỏng mặt đường dạng hình Sin 55

Hình 3-3: Biên dạng mặt đường dạng bước nhảy 56

Hình 3-4: Kh ối mô phỏng mặt đường dạng bước nhảy (Step) 56

Hình 3-5: Kh ối Road Subsystem 56

Hình 3-6: Kh ối kích động ngẫu nhiên của mặt đường 57

Hình 3-7: Kh ối “hệ thống treo 1/2 xe bị động” 57

Hình 3-8: Kh ối “ Hệ treo ½ xe bán chủ động” 57

Hình 3-9: Kh ối tính hệ số giảm chấn tối ưu hoá 58

Hình 3-10: Khối tính hàm điều khiển U 58

Hình 3-11: Kh ối lấy dữ liệu kết quả mô phỏng cho hệ treo bị động 59

Hình 3-12: Kh ối lấy dữ liệu kết quả cho hệ treo bán chủ động 60

Hình 3-13: Kh ối mô phỏng hệ thống treo bị động 61

Hình 3-14: Kh ối mô phỏng hệ thống treo bán chủ động 61

Hình 3-15: Kh ối mô phỏng hệ treo bị động dưới kích động ngẫu nhiên 62

Hình 3-16: Kh ối mô phỏng hệ treo bán chủ động với kích động ngẫu nhiên 62 Hình 3-17: So sánh gia t ốc khối lượng được treo cầu trước 63

Hình 3-18: So sánh gia t ốc khối lượng được treo cầu sau 64

Hình 3-19: So sánh không gian làm vi ệc cầu trước 65

Hình 3-20: So sánh không gian làm vi ệc cầu sau 65

Hình 3-21: So sánh bi ến dạng động lốp trước 66

Hình 3-22: So sánh bi ến dạng động lốp sau 66

Hinh 3-23: So sánh gia tốc góc lệch 67

Hình 3-24: So sánh gia t ốc khối lượng được treo trước với kích động Sin 68

Hình 3-25: So sánh gia t ốc khối lượng được treo sau với kích động Sin 69

Hình 3-26: So sánh góc l ệch trong với kích động Sin 69

Hình 3-27: So sánh gia t ốc góc lệch với kích động Sin 70

Hình 3-28: So sánh không gian làm vi ệc cầu trước với kích động Sin 70

Hình 3-29: So sánh không gian làm vi ệc cầu sau với kích động Sin 71

Hình 3-30: So sánh bi ến dạng động lốp trước với kích động Sin 71

Hình 3-31: So sánh bi ến dạng động lốp sau với kích động Sin 72

Hình 3-32: So sánh gia t ốc khối lượng được treo trước với kích động Step 73

Hình 3-33: So sánh gia tốc khối lượng được treo sau với kích động Step 73

Hình 3-34: So sánh góc l ệch với kích động Step 74

Hình 3-35: So sánh gia t ốc góc lệch với kích động Step 74

Hình 3-36: So sánh không gian làm vi ệc cầu trước với kích động Step 75

Hình 3-37: So sánh không gian làm vi ệc cầu sau với kích động Step 75

Hình 3-38: So sánh bi ến dạng động lốp trước với kích động Step 76

Hình 3-39: So sánh biến dạng động lốp sau với kích động Step 76

Hình 3-40: So gia tốc khối lượng treo trước với kích động ngẫu nhiên 77

Hình 3-41: So sánh gia t ốc khối lượng treo sau với kích động ngẫu nhiên 78

Hình 3-42: So sánh không gian làm vi ệc trước với kích động ngẫu nhiên 78

Hình 3-42: So sánh không gian làm vi ệc sau với kích động ngẫu nhiên 79

Hình 4-0: Gia t ốc thân xe và hàm điều khiển 81

Hình 4- 1: Sơ đồ tổng thể điều khiển hệ số cản giảm chấn 82

Hình 4-3: Giảm chấn điện tử và đường đặc tính lực giảm chấn 84

Hình 4-4: Tr ạng thái các van ở các chế độ lực giảm chấn 85

Hình 4-5: Gi ảm chấn điện tử ở chế độ mềm 86

Hình 4-6: Gi ảm chấn điện tử ở chế độ trung bình 86

Hình 4-7: Gi ảm chấn điện tử ở chế độ cứng 87

Hình 4- 8: Sơ đồ mạch điều khiển ECU của hệ thống treo bán chủ động 87

Hình 4-9: M ối quan hệ góc lái và vận tốc khi điều khiển chống nghiêng 88

Hình 4-10: Sơ đồ một cáp ISP sử dụng các bộ đệm ba trạng thái trên 74LS245 91

Hình 4-11: M ạch kết nối với cáp nạp ISP 92

Hình 4- 12: Sơ đồ mạch truyền nhận 92

Hình 4-13: M ạch tạo dao động sử dụng thach anh 4 MHz 93

Hình 4-14: M ạch khởi động lại (mạch Reset) 94

Hình 4-15: M ạch biến đổi tín hiệu cảm biến 94

Hình 4-16: Sơ đồ mạch ổn áp 95

Hình 4- 17: Sơ đồ mạch tổng hợp 95

Hình 4-18: M ạch điều khiển cơ cấu chấp hành 96

CHƯƠNG 1

T ỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nhiệm vụ của hệ thống treo trên ô tô

hồi, bộ phận giảm chấn và bộ phận hướng

- Bộ phận đàn hồi làm giảm nhẹ các tải trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung và đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi di chuyển

các bánh xe Động học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dịch chuyển tương đối của bánh xe với khung

- Bộ phận giảm chấn để dập tắt dao động của phần được treo và không được treo của ô tô

Đối với các loại xe thông thường, hệ thống treo không điều khiển được,

ống thụt còn bộ phận hướng thường là các thanh đàn hồi liên kết Do sự phát triển của công nghệ điều khiển được áp dụng cho hệ thống treo mà các bộ

giảm chấn được gọi là hệ thống treo chủ động hoàn toàn, còn khi chỉ điều khiển bộ phận giảm chấn được gọi là hệ thống treo bán chủ động Hệ thống

khác năng lượng cho điều khiển không đòi hỏi quá lớn để bù lại những tổn hao năng lượng dao động

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô

Khi ô tô chuyển động trên đường, dao động xuất hiện trong toàn bộ hệ thống của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường Dao động của ô tô ảnh hưởng đến người ngồi trên xe, hàng hoá chuyên chở cũng như độ bền và tuổi thọ của các kết cấu ô tô Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô được xây dựng trên cơ sở đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động

ô tô đến con người, hàng hóa và an toàn trong quá trình chuyển động Có rất nhiều chỉ tiêu được đưa ra để đánh giá ảnh hưởng của dao động trên ô tô, trong đó có các chỉ tiêu cơ bản sau:

- Chỉ tiêu về hành trình làm việc của hệ thống treo

- Chỉ tiêu về độ bám đường và lực tác dụng của hệ dao động lên

1.2.1 Chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu của chuyển động

Chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động nhằm mục tiêu kiểm soát các rung động của ôtô, sao cho cảm giác mà hành khách trên xe cảm nhận được không vượt quá một giới hạn nhất định Tuy nhiên, do sự nhạy cảm của mỗi người đối với rung động là khác nhau nên giới hạn đánh giá độ êm dịu sẽ rất khó xác định chung và phù hợp cho mọi người

Phương pháp chung để xây dựng các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu

hình sin, nhằm nhận dạng các vùng cảm giác về sự dễ chịu (hoặc khó chịu) của con người ứng với các giá trị biên độ, tốc độ hoặc gia tốc của dao động tác dụng theo một hướng nhất định (từ chân đến đầu, từ bên này sang bên kia

Tiêu chuẩn êm dịu chuyển động J6a của SAE dùng cho dao động thẳng đứng: Phân chia dải tần số dao động ra 3 vùng, mỗi một vùng có các chỉ tiêu đánh giá êm dịu khác nhau

xác định bằng tích của biên độ và lập phương của tần số góc dao động không

giá trị lớn nhất của gia tốc được tính bằng tích của biên độ với bình phương

số dao động không lớn hơn 2,7 m/s

Tiêu chuẩn ISO-2631 sử dụng để đánh giá êm dịu chuyển động đối với

xe ôtô vận tải cũng như trong lĩnh vực công nghiệp Tiêu chuẩn này phân chia

năng lao động và sức khoẻ Vớ dụ: ở tần số khoảng 10ữ20 Hz, nếu gia tốc

Một số chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:

- Chỉ tiêu về tần số:

Con người khi di chuyển có thể coi như một hệ dao động với tần số riêng Tuỳ thuộc vào hình thể, trọng lượng, thói quen của từng người mà có thể bước đi trong 1 phút khoảng 60 - 90 bước, tương ứng với tần số dao động khoảng

1 - 1,5 Hz Khi đi xe ô tô con người sẽ bị dao động theo tần số dao động của ô tô, tần số dao động của ô tô làm cho người ta dễ chịu nhất khi nó nằm trong khoảng tần số dao động của người đó Đối với xe du lịch là 60 : 90 (dao

động/phút); đối với xe vận tải là 100 : 120 (dao động/phút)

- Chỉ tiêu vế gia tốc dao động của thân xe:

Chỉ tiêu này được xác định trên cơ sở trị số trung bình của gia tốc dao động của thân xe theo các phương X, Y, Z như sau:

•

X < 1,0 (m/s2); Y• < 0,7 (m/s2); Z• < 2,5 (m/s2);

1.2 2 Chỉ tiờu về hành trỡnh làm việc của hệ thống treo

t d

gian cần thiết cho hệ thống treo hoạt động khụng xảy ra va đập lờn cỏc ụ hạn chế trong cỏc hành trỡnh nộn và hành trỡnh trả của hệ thống

1.2.3 Chỉ tiờu đỏnh giỏ khả năng bỏm đường

Khi xe chuyển động trờn đường, lực phỏp tuyến tỏc dụng giữa bỏnh xe

và mặt đường luụn thay đổi Do cỏc trị số giới hạn của cỏc lực ngang, lực kộo,

lực phanh phát huy tại vùng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường liên quan

hưởng đến khả năng bám đường, tính điều khiển cũng như tới tải trọng tác dụng lên mặt đường Chỉ tiêu này được xác định bằng hiệu số chuyển vị giữa phần khối lượng không được treo với chiều cao mấp mô của mặt đường

động của bánh xe Trị số biến dạng động càng nhỏ thì lực tác dụng lên mặt đường càng nhỏ (tính bảo vệ đường tốt), ngược lại nếu trị số này lớn thì lực tác dụng của bánh xe lên mặt đường sẽ lớn

1.2.4 Chỉ tiêu về tải trọng động

định được chỉ tiêu này phải xác định được phản lực từ đường lên bánh xe Tải

z.d , ax

1.3 Phân loại hệ thống treo theo tính năng điều khiển được

Theo tính năng điều khiển được của hệ thống treo người ta chia ra làm hai loại: hệ thống treo không điều khiển được, hệ thống treo có điều khiển

1.3 1 Hệ thống treo không điều khiển được

Hệ thống treo không điều khiển được hay còn gọi là hệ treo bị động có các bộ phần đàn hồi, giảm chấn và bộ phận hướng là các phần tử cơ khí Bản thân các bộ phận đó có các thông số đặc trưng cho nó là độ cứng của nhíp hoặc lò xo, hệ số cản giảm chấn có giá trị không thay đổi, không thể tác động thay đổi được khi di chuyển trên đường Khi di chuyển trên đường, với những loại xe được trang bị hệ thống treo như trên, xe ô tô sẽ không thể chủ động thích ứng với các loại mặt đường khác nhau, cũng như các trạng thái di chuyển khác nhau của xe như tăng tốc, phanh, vào vòng của, đi trên đường xấu, đường tốt

Mô hình cơ bản của hệ thống treo không điều khiển được như sau:

kích động của mặt đường ngẫu nhiên như đường nhựa bê tông, đường mấp

theo các kích động mấp mô đó Các dao động đó tốt hay xấu, có ảnh hưởng tới người trên xe như thế nào tùy thuộc vào phản ứng tốt hay xấu của hệ thống treo, không thể thay đổi được

1 3.2 Hệ thống treo có điều khiển được

Với việc áp dụng công nghệ điện tử hiện đại vào trong lĩnh vực sản xuất ô tô, người ta đã tạo nên nhiều hệ thống treo có điều khiển, bằng cách tạo

ra năng lượng dao động bù cho năng lượng đã mất của hệ thống treo hay thay đổi giá trị hệ số cản của giảm chấn mà đã tạo ra nhiều hệ thống treo có điều khiển khác nhau như hệ thống treo chủ động hoàn toàn, hệ thống treo bán chủ động

a, H ệ thống treo chủ động hoàn toàn:

Đặc điểm cơ bản của hệ thống treo chủ động hoàn toán là khi ô tô đi

bản thân hệ thống treo tự sinh ra những năng lượng bù lại cho hệ thống treo làm việc

Hệ thống treo chủ động hoàn toàn gồm bộ phận đàn hồi là lò xo có độ

độ êm dịu nhất đảm bảo cao nhất các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động

b, H ệ thống treo bán chủ động:

năng lượng dao động là rất lớn, hệ thống phức tạp Có một cách khác vẫn đảm bảo các yêu cầu của hệ treo mà lại ít tốn năng lượng và độ phức tạp hơn, người ta dùng hệ treo bán chủ động, với phần tử điều khiển chính là độ cản

Hệ thống treo bán chủ động là một hệ thống treo có khả năng điều

tiêu hao năng lượng khác Trong hệ thống treo bán chủ động, giảm chấn có hệ

số cản thay đổi sinh ra lực bán chủ động Fsemi = −b semi(zs −zu), như vậy, đối

Hình 1-4: Mô hình dao động của hệ thống treo bán chủ động

Trờn mụ hỡnh cú hai thành phần cản giảm chấn được thể hiện đú là bs

trong một khoảng xỏc định: 0 ≤ bsemi ≤ bmax

1.4 Cỏc nghiờn cứu dao động trong và ngoài nước

1.4.1 Cỏc nghiờn cứu dao động ụ tụ trong nước

Trong những năm qua, ngành công nghiệp ô tô nước ta đã có những bước phát triển mạnh trong lĩnh vực nhập dây chuyền và công nghệ lắp ráp Cùng với thực tế sản xuất đó, các vấn đề nghiên cứu dao động ô tô đã được đặt

ra Đã có rất nhiều tác giả trong nước qua các luận án tốt nghiệp đại học, thạc

sỹ, tiến sỹ đã nghiên cứu sâu về dao động của ô tô

Luận văn tiến sỹ của tác giả Lưu Văn Tuấn đã đề ra mục tiêu nâng cao

độ êm dịu cho xe khách Ba Đình đóng trên cơ sở xe IFA, tác giả đã chú ý mô tả thuộc tính đàn hồi của kết cấu khung - vỏ chịu lực đặc trưng cho xe ca

sát dao động của ô tô tải nhiều cầu" Tác giả đã nghiên cứu sâu về lập mô

hình dao động không gian cho xe tải có yếu tố dao động ngang, khung xoắn chịu lực, thanh ổn định, có hệ thống treo đặc tính phi tuyến, hàm kích động riêng rẽ và tổng hợp Mô hình nghiên cứu các dao động ở vùng cận biên như tách bánh xe, quá trình va chạm vấu hạn chế treo, trượt và lật

dao động lên khung xương ô tô khi chuyển động trên đường" Tác giả chú

trọng nghiên cứu ảnh hưởng của đường và xác định các hàm ngoại lực cho bài toán tính khung - xương

xe tải hai cầu dưới kích động ngẫu nhiên của mặt đường", tác giả đã trình bày

mô hình dao động của xe và mô phỏng bằng Matlab Simulink 5.3 Mô hình

đường được tác giả xây dựng là hàm kích động ngẫu nhiên rất có ý nghĩa trong nghiên cứu dao động

ưu các thông số thiết kế hệ thống treo ô tô" đã tập trung phân tích, nghiên cứu

để lựa chọn ra được các bộ thông số thiết kế tối ưu cho hệ thống treo

Nhận xét: các nghiên cứu dao động đó chủ yếu tập trung vào ngiên cứu các hệ thống treo không điều khiển được, có tác giả nghiên cứu về hệ thống treo có điều khiển được nhưng mới chỉ dừng lại ở mô hình 1/4, chưa phát triển lên mô hình 1/2 và toàn xe

1.4.2 Cỏc nghiờn cứu dao động ụ tụ ngoài nước

Việc nghiên cứu dao động ô tô được tiến hành từ rất lâu với nhiều công trình của hàng trăm tác giả Đến năm 1970 Mischle đã biên soạn tập trung các nghiên cứu dao động lại thành tác phẩm nổi tiếng của mình là: "Dynamik der Fahrzeuge" Tác giả đã đề cập đến hầu hết các loại mô hình dao động cơ bản

về đối tượng là xe con Vào năm 1980, Schiehlen đã cho ra đời phương pháp

hệ nhiều vật, môđun hoá các cơ hệ cơ học theo xu thế nghiên cứu dao động bằng mô phỏng máy tính Nhìn chung, các nghiên cứu dao động đến những năm 1990 đều lấy đối tượng là xe con Sau năm 1990 mới có một số công trình nghiên cứu về xe tải đăng trên một số tạp chí trên thế giới

Khái quát về nghiên cứu dao động ta có thể thấy nội dung lĩnh vực này bao hàm 4 vấn đề sau:

- Chỉ tiêu đánh giá dao động

- Mô hình dao động, bao gồm mô hình vật lý và mô hình toán học

- Các hàm kích động

- Thí nghiệm dao động

1.5 Nhiệm vụ và phương phỏp nghiờn cứu đề tài

Từ những phõn tớch đỏnh giỏ về cỏc hệ thống treo cú điều khiển ở trờn,

động là một đề tài mới, cú ý nghĩa thực tế Vỡ vậy tụi đặt tờn cho đề tài là:

Đề tài của tụi được xõy dựng trờn cơ sở khoa học và thực tiễn là:

- Hệ thống treo bỏn chủ động sử dụng trờn xe du lịch là hệ thống điều

đoỏn lỗi nhằm đỏnh giỏ trạng thỏi kỹ thuật, phỏt hiện hư hỏng trong hệ thống

Mục tiờu trong đề tài tụi thực hiện là: Phõn tớch đỏnh giỏ về tớnh điều

động, xõy dựng bộ điều khiển của hệ thống treo bỏn chủ động

- Xõy dựng mụ hỡnh hệ thống treo bỏn chủ động

- Mụ phỏng bằng phương phỏp số

- Xõy dựng bộ điều khiển hệ thống treo bỏn chủ động

CHƯƠNG 2

2.1 Mô hình hệ thống treo không điều khiển được

bánh xe, gầm cầu xe… được gọi chung là khối lượng không được treo, ký

đồ án này tôi chỉ nghiên cứu dao động của ô tô theo phương thẳng đứng (trục

của các khối lượng so với vị trí cân bằng tĩnh

g m k

g m m k

s s s

s u u

t

.

.

u

z g m z g m z

z k z

z

k

z m z

m

T

.

2

1 2

1

2

1 2

1

2 0 2

0

2 2

+ +

−

− +

1

u s s r

u

b  −  +  − 

= Φ

Biểu thức lực suy rộng:

t u u

zu

u s s s s

u s s s s

zs

z z b z z b g m z

z k z

z k z

z

Q

z z b g m z

z k z z

0

δδ

u s s u s s zs

z z b z z b z z k z z k Q

z z b z z k Q

−

−

− +

0

* =

zs

phương trình vi phân dao động của cơ hệ như sau:

− +

=

− +

− +

u s s u s s r u t s u t u u

u s s u s s s s

z z k z z b z z k z z b z m

z z k z z b z m

r t r t u s t s s

s s

u s t s s

s s

z k z

z k k k

k k

z

z b b b

b b

s s

b b b

b b

s s

k k k

k k

=

4 2

x = s − u = −

s s s

s s

s s

s s

s

m

b x m

b x m

k m

x k x x b z

t s

s u

m

z x b x k x x b x k z

t u

s u

s

s s s

s s

s

m

b b m

k m

b m

k

m

b m

b m

k

1 0

0 0

0

1 0

1 0

1 0 0

L

(2-7) chính là phương trình trạng thái của mô hình hệ thống treo ¼ bị động

2.1.2 Mô hình 1/2

Hình 2-2: Mô hình “½ xe” bị động

Khảo sát hệ gồm 3 khối lượng ms, mu1, mu2 có 4 bậc tự do

Chọn toạ độ suy rộng đủ của cơ hệ là (zu1, zu2, zs, ϕ)

tĩnh

g m k

g m m k

si si si

si ui ui ti

.

.

=

+

= δ

δ

2

1

[

2

1 2

1 2

1

2

1

2 1 2

1 2 2

1 2 2

1

2 2

2 2 2 2

1

1

ui ui i si si i si ui si si i

ui ri ui ti

i

s s u

u u

u

z g m z

g m z

z k z

z

k

J z m z

m z

−

− +

+

=

δ δ

1 s t

z = − ; z s2 =z s+l s sin ϕ

2

1 [ ]

2

1

2 1 2 2

1

ui si si i

ri ui ti i

z z b z

si si

ui si i

si s

s

z z

ti ui ui

z z

ϕ

( ) . ( )] [.

si i

1 1 1 1

2 1

2 1

cos ).

(

t s u u

t s u u

s s s t

s s s

s

F F z m

F F z m

F l F l J

F F z

Khi đó phương trình vi phân hệ trở thành:

1 1 1 1

2 1

2 1

.

t s u u

s s s t

s s s

s

F F z m

F F z m

F l F l J

F F z

2

1

s s s

t s s

l z z

l z z

s s s

t s s

l z z

l z z

s s s

t s s

l z z

l z z

4 3

7 2 8 2 2 2 3

1 1 1 1 2

2 1

5 1 6 1 1 1 1

.

1

.

1

r r

u

t s

s u u

r r

u

t s

s u u

z x z z

x

x k x x b x k m z

x

z x z z

x

x k x x b x k m z

s t s

− +

1

x x b x k J

l

s s

− +

−

3 7 2 2

x = s − u = −

r

z L Ax

Trong đó:

0 0

0 1

0 0

1 1

1 1

0

1 0

1

0 0

0 1

0 0

0 1

1 1

1 1

0

1 0

1

0 0

0 0

0 1

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 1

0 0

0 0

2 2 2 2 1

1 2

2 1

2 2

2 1 2 1 2

2 1

2 2 2

2 2

2 2

2

1 1 1

1 1

1 1

1

J

l m

k J

l m

b J

l m

k J

l m

b J

l m

b J

l m

b

J

l m

k J

l m

b J

l m

k J

l m

b J

l m

b J

b m

k m

b

m

k m

b m

k m

b

s s s s s s s t s s s t s s s

s s s

t

s

s

s t s s s t s s t s s t s s s

t s s t

s

s

u s u

s u

t u

s

u s u

s u

t u

s

A

(2-14) là phương trình trạng thái của mô hình hệ thống treo “1/2 xe” bị động

2.1.3 Mô hình không gian

Khảo sát cơ hệ gồm 5 vật ms, mu1, mu2, mu3, mu4 với 7 bậc tự do

và y

Chọn toạ độ suy rộng đủ của cơ hệ là (zu1, zu2, zu3, zu4, zs, ϕx, ϕy)

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 1 0 0

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 0 0

L

Hình 2-3 : Mô hình hệ thống treo bị động dạng toàn xe

g m k

g m m k

si si si

si ui ui ti

.

.

=

+

= δ

δ

2

1

[

2

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

1

2

1

4 1 4

1 2 4

1 2 4

1

2 2

2 2

4 4 2

3 3 2

2 2 2

1

1

ui ui i si si i si ui si si i ui ri ui ti

i

y y x x s s u

u u

u u

u u

u

z g m z

g m z

z k z

z

k

J J

z m z

m z

m z

m z

−

− +

+ +

+ +

=

δ δ

x y

t s s

x y

t s s

b l

z z

a l

z z

ϕ ϕ

ϕ ϕ

sin sin

.

sin sin

s s s

x y

s s s

d l

z z

c l

z z

ϕ ϕ

ϕ ϕ

sin sin

.

sin sin

4

3

− +

=

+ +

1

ui si si i

ri ui ti i

z z b z

si si

ui si i

si s

s

z z

1 1 1 1

1 1 1 1

1

u s s s

s u s s x x

x

x

ui si si ri u ti ui si ui si si ui ri ui ti ui ui

ui

z z b g m z

z k a

Q

z z b z z b g m z

z k z

z k z

ϕϕ

δδ

si i

( ) ( )][.

hệ phương trình vi phân dao động của cơ hệ như sau:

4 4 4 4

3 3 3 3

2 2 2 2

1 1 1 1

4 3

2 1

4 3

2 1

4 3 2 1

cos)

(

cos)

(

t s u u

t s u u

t s u u

t s u

u

y s

s s s s t s t y

y

x s

s s

s x

x

s s s s s

s

F F z

m

F F z

m

F F z

m

F F z

m

F l F l F l F l J

dF cF

bF aF

J

F F F F z

=

+

−+

−

=

+++

ϕϕ

1 cos

; sin

1 cos

; sin

y

x x x

ϕ ϕ

ϕ

ϕ ϕ

( )

4 4 4 4

3 3 3 3

2 2 2 2

1 1 1 1

4 3

2 1

4 3

2 1

4 3 2 1

t s u u

t s u u

t s u u

t s u

u

s s s s s t s t y

y

s s

s s x

x

s s s s s

s

F F z

m

F F z

m

F F z

m

F F z

m

F l F l F l F l J

dF cF

bF aF J

F F F F z

=

+

−+

−

=

+++

0

0

0 0

0

0 1 0 0

0 0 0 1

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0

0

0 0 0

0

0

0 0

0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 1 0 0

0 0 0 1

0 0 0

0

0 0 0

0

0

0 0

0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 1 0

0

0 0 0

1

14 , 13 13 , 13 12 , 13 11 , 13 10 , 13 9 , 13 8 , 13 7 , 13 6 , 13 5 , 13 4 , 13 3 , 13 2 , 13

1

,

13

14 , 11

14 , 9

13 , 11

13 , 9

12 , 11 11 , 11 10 , 11 9 , 11

12 , 9 11 , 9 10 , 9 9 , 9

8 , 11 7 , 11 6 , 11 5 , 11

8 , 9 7 , 9 6 , 9 5 , 9

4 , 11 3 , 11 2 , 11

1

,

11

4 , 9 3 , 9 2 , 9

1

,

9

14 , 7

14 , 5

13 , 7

13 , 5

12 , 7 11 , 7 10 , 7 9 , 7

12 , 5 11 , 5 10 , 5 9 , 5

8 , 7 7 , 7 6 , 7 5 , 7

8 , 5 7 , 5 6 , 5 5 , 5

4 , 7 3 , 7 2 , 7

1

,

7

4 , 5 3 , 5 2 , 5

1

,

5

14 , 3

14 , 1

13 , 3

13 , 1

12 , 3 11 , 3 10 , 3 9 , 3

12 , 1 11 , 1 10 , 1 9 , 1

8 , 3 7 , 3 6 , 3 5 , 3

8 , 1 7 , 1 6 , 1 5 , 1

4 , 3 3 , 3 2 , 3

1

,

3

4 , 1 3 , 1 2 , 1

1

,

1

A A A A A A A A A A A A A

A A A A

A A A A

A A A A

A A A

A

A A A

A A A A

A A A A

A A A A

A A A

A

A A A

A A A A

A A A A

A A A A

A A A

A

A A A

A

A

s s s s

m

b b b

−

x

s s

s s

J

b d b c b b b a

1 , 3

.

m

k k k

−

x

s s

s s

J

k d k c k b k a

2 , 3

.

s s

m

b d b c b b b

s s

J

b d b c b b b a

2 3 2 2 2 1 2 3 , 3

.

s s

m

k d k c k b k

s s

J

k d k c k b k a

2 3 2 2 2 1 2 4 , 3

.

t

m

b l b l b l

J

b l d b l c b l b b l a

5 , 3

.

.

=

s

s s s s s t s

t

m

k l k l k l

J

k l d k l c k l b k l a

6 , 3

.

.

7 , 3

8 , 3

9 , 3

12 , 3

13 , 1

14 , 1

.

−

=

s s s s s t s

t

J

b l b l b l

.

1 , 7

s

m b

s s s s s t s

t

J

k l k l k l k

t

J

b l d b l c b l b b

.

1

1 3

, 7

A = ;

2

2 3

, 9

=

y

s s s s s t s

t

J

k l d k l c k l b k

.

1

1 4

, 7

A = ;

2

2 4

, 9

=

y

s s s s s t s

t

J

b l b l b l b

l

2 3 2 2 2 1

, 7

.

u

s t

m

b l

2

2 5

, 9

.

u

s t

m

b l

=

y

s s s s s t s

t

J

k l k l k l k

l

2 3 2 2 2 1

, 7

.

u

s t

m

k l

A = − ;

2

2 6

, 9

.

u

s t

m

k l

, 7

, 9

, 7

u

t s

m

k k

A =− +

;

2

2 2 10

, 9

u

t s

m

k k

, 11

, 13

, 11

u

t s

m

k k

, 13

u

t s

m

k k

, 11

A = ;

4

4 3

, 13

, 11

A = ;

4

4 4

, 13

, 11

.

u

s s

m

b l

A = ;

4

4 5

, 13

.

u

s s

m

b l

, 11

.

u

s s

m

k l

A = ;

4

4 12

, 13

.

u

s s

m

k l

động toàn xe

Sau khi có các mô hình, tôi tiến hành xây dựng chương trình mô phỏng

Simulink., để cho đơn giản mà vẫn khảo sát được sự ảnh hưởng của các thông

số, tôi tiến hành mô phỏng cho mô hình ¼ xe

2.2 M ô hình dao động của hệ thống treo bán chủ động

Hệ thống treo bán chủ động là hệ thống có sử dụng các giảm chấn có

này làm cho hàm hao tán của hệ bán chủ động khác với hệ bị động) Đây chính là điểm khác biệt duy nhất so với hệ thống treo bị động, Phương trình vi

mục đích lực này sẽ làm giảm đi ảnh hưởng của các lực gây dao động cho thân xe

Từ những nhận xét trên, tôi dễ dàng xây dựng các hệ phương trình của

phương trình vi phân chuyển của các mô hình hệ bị động đã có như sau

1 2

1

u s semi u

s s r

s

z z b z z k z z b z z k z z b z

m

z z b z

z k z z b z

− +

−

−

=

− +

− +

(3-2)

đặt F semi = −b semi(zs −zu) ta có

( u s) t( u r) s( s u) s( s u) semi t

u

u

semi u

s s u s s s

s

F z

z k z z b z z k z z b z

m

F z z k z z b z

− +

=

− +

− +

4 2

x = s − u = −

semi s s s s

s s

s s

semi s

s

m m

b x m

b x m

k m

F x k x x b z



r r

t t s

s u

m

F z x b x k x x b x k z

t u

s u

s

s s s

s s

s

m

b b m

k m

b m

k

m

b m

b m

k

1 0

0 0

0

1 0

1 0

1 0 0

s s

m m

m m

1 0

1 0

0 0 0 0

1 0

1 0

0 0 0 0

B

động

2.2.2 Mô hình 1/2 hệ thống treo bán chủ động

Hàm hao tán của cơ hệ mô hình bán chủ động sẽ là:

2

1 [ ]

2

1

2 1 2 2

1

ui si semii si

i ri ui ti

i

z z b b z

Khi đó phương trình vi phân hệ trở thành:

2 2 2

2

2

1 1 1

1

1

2 2

1 1

2 1

2 1

.

t semi s

u

u

t semi s

u

u

semi s s s semi t s t

semi semi

s s s

s

F F

F z

m

F F

F z

m

F l F l F l F

l

J

F F

F F z

m

− +

=

− +

=

−

− +

=

+ +

t s

s

l z

z

l z

s s s

t s s

l z z

l z z

s s s

t s s

l z z

l z z