TÍNH TOÁN mô PHỎNG ổn ĐỊNH THÙNG XE với hệ THỐNG TREO KHÍ

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ............................................................................................................... i
Lời cam đoan................................................................................................................... ii
Cảm tạ ............................................................................................................................ iii
Tóm tắt ........................................................................................................................... iv
Abstract ........................................................................................................................... v
Mục lục........................................................................................................................... vi
Danh mục các chữ viết tắt .............................................................................................. ix
Danh sách các bảng ........................................................................................................ xi
Danh sách các hình........................................................................................................ xii
Chương 1. T ng quan ................................................................................................. 01
1.1. Dẫn nhập ................................................................................................................ 01
1.2. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 02
1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. ........................................................ 03
1.3.1. Một số nghiên cứu trong nước ............................................................................ 03
1.3.2. Một số nghiên cứu trên thế giới .......................................................................... 04
1.4. Mục tiêu đề tài........................................................................................................ 05
1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài............................................................................. 06
1.5.1. Nhiệm vụ của đề tài............................................................................................. 06
1.5.2. Giới hạn của đề tài .............................................................................................. 06
1.6. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................. 06
1.7. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 07
1.8. Nội dung luận văn .................................................................................................. 07

-i-

1.9. Kế hoạch thực hiện................................................................................................. 08
Chương 2. Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 09
2.1. Tổng quan về hệ thống treo khí ............................................................................. 09
2.1.1. Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo khí ............................................................... 10
2.1.2. Bộ phận giảm chấn của hệ thống treo khí ........................................................... 15
2.1.3. Bộ phận dẫn hướng ............................................................................................. 17
2.1.4. Phương pháp điều khiển của hệ thống treo khí ................................................... 19
2.2. Khái niệm ổn định thùng xe ................................................................................... 22
2.3. Giới thiệu về phần mềm Matlab Simulink ............................................................. 24
Chương 3. Mô hình n định thùng xe trong chuyển động thẳng và quay vòng .... 26
3.1. Mô hình tính toán ổn định thùng xe trong chuyển động thẳng .............................. 26
3.1.1. Phương trình cân bằng ngoại lực ........................................................................ 26
3.1.2. Cân bằng cơ cấu treo khi kéo và khi phanh ........................................................ 29
3.1.3. Đơn giản hóa tính toán giá treo ........................................................................... 33
3.2. Mô hình tính toán ổn định thùng xe trong chuyển động quay vòng ổn định ......... 35
3.2.1.Tính toán góc nghiêng ngang thùng xe khi quay vòng ........................................ 37
3.2.2.Phương trình cân bằng hệ thống treo ở bánh xe phải và trái ............................... 41
Chương 4. Điều khiển cân bằng thùng xe với hệ thống treo khí ............................ 46
4.1. Cân bằng thùng xe trong chuyển động thẳng......................................................... 46
4.1.1 nh hưởng của tải trọng thẳng đứng đến áp suất túi khí hệ thống treo ............... 49
4.1.2 Sự thay đổi khối lượng khí bên trong các túi khí................................................. 50
4.1.3 Sự thay đổi về độ cứng......................................................................................... 52
4.2. Cân bằng thùng xe trong chuyển động quay vòng ................................................. 54
4.2.1 nh hưởng của tải trọng pháp tuyến tác dụng lên túi khí hệ thống treo bê ......... 55
4.2.2 Sự thay đổi lượng khí bên trong các túi khí. ........................................................ 56
4.2.3 Sự thay đổi về độ cứng......................................................................................... 57
Chương 5. Mô phỏng n định thùng xe với hệ thống treo khí dựa trên thông số

-ii-


xe Thaco mobihome HB120SSL ................................................................................ 59
5.1. Thông số xe Thaco Mobihome HB120SSL ........................................................... 59
5.2. Mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí trong chuyển động thẳng........ 64
5.2.1 Một số phương trình sử dụng trong tính toán mô phỏng. .................................... 64
5.2.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận. ......................................................................... 67
5.2.2.1. Trường hợp khi xe tăng tốc dx > 0................................................................... 67
5.2.2.2. Trường hợp khi xe phanh dx < 0...................................................................... 72
5.3. Mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí trong chuyển động quay vòng.76
5.3.1. Một số phương trình được sử dụng trong mô phỏng. ......................................... 77
5.3.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận. ......................................................................... 79
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển. ................................................................. 86
6.1. Kết luận .................................................................................................................. 86
6.2. Hướng phát triển .................................................................................................... 87
Tài liệu tham khảo......................................................................................................... 88
Phụ lục ........................................................................................................................... 90

-iii-


DANH MỤC CÁC CH

VI T T T

Ký hiệu
A

Effective area of air spring

pa

The atmospheric pressure

m

Mass

Fz

Vertical Force

FY

Lateral Force

Fx

Tangential Forces

g

Gravity

p

Pressure

V

Volume

A

Difference

Az

Vertical displacement

G

Gravity

C

Spring stiffness

h

High

l

Wheelbase

av

Longitudinal distance from front wheel center

to center of gravity of vehicle

bv

Longitudinaldistancefromrearwheel center
to center of gravity of vehicle

S

the distance between two wheels

\ựv

Pitch angle

ộv

Lateral angle

dx

Acceleration

Vx

Velocity

R

Ideal gas constant

-ix-


Rd
D

The radius of tires
Tnertial force

B

Brake force

s

Displacement

M

Moment

T

Temperature

ụ.

Molar mass

m

Mass flow rate

Ch viết t t
EMS

Electronically Modulated Suspension

ECAS

Electronically Controlled Air Suspension

ECU

Electronically Control Unit

-x-


DANH SÁCH CÁC BҦNG
Bҧng

Trang

Bảng 1.1. Kế hoạch thực hiện. ........................................................................................ 8
Bảng 5.1. Thông số kỹ thuật xe Thaco Mobihome HB120SSL. .................................. 60
Bảng 5.2. Tọa độ trọng tâm xe ...................................................................................... 61
Bảng 5.3. Thông số sử dụng trong tính toán ................................................................. 62
Bảng 5.4. Thông số sử dụng tính toán hệ thống treo khí .............................................. 63

Bảng 5.5. Sự thay đổi độ cứng túi khí với vận tốc quay vòng của xe 30 km/h. ........... 85

-xi-


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 1.1. Số lượng các loại xe hoạt động ở Việt Nam qua các năm. ......................... 2
Hình 1.2. Điều chỉnh chiều cao của xe ....................................................................... 4
Hình 1.3. Sơ đồ mô hình điều khiển trong MATLAB-Simulink ................................ 5
Hình 2.1. Sự thay đổi áp suất bên trong các túi khí. ................................................. 10
Hình 2.2. Quan hệ giữa Fz và ∆z. ............................................................................. 11
Hình 2.3. Đặc tính tải của buồng đàn hồi.................................................................. 13
Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo giảm chấn một lớp vỏ ........................................................ 15
Hình 2.5. Giảm chấn hai lớp vỏ ................................................................................ 16
Hình 2.6. Đồ thị đặc tính của giảm chấn thủy lực. ................................................... 16
Hình 2.7. Cơ cấu dẫn hướng hệ thống treo khí. ........................................................ 17
Hình 2.8. Hệ thống treo khí kiểu đòn dẫn và thanh ngang ....................................... 18
Hình 2.9. Hệ thống treo khí nén kiểu hình thang với chạc kép. ............................... 19
Hình 2.10. Sơ đồ điều chỉnh độ cứng hệ thống treo. ................................................ 20
Hình 2.11. Cơ cấu điều khiển treo khí sử dụng van điện từ. .................................... 21
Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển của hệ thống treo khí. .................................................. 21
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý kết cấu của hệ thống treo khí ....................................... 22
Hình 2.14. Thư viện khối của Simulink. ................................................................... 25
Hinh 3.1. Model ô tô chuyển động thẳng với gia tốc không đổi. ............................. 26
Hình 3.2. Cơ cấu treo khi kéo và khi phanh.............................................................. 29
Hình 3.3. Chuyển động quay vòng ổn định. ............................................................. 36

Hình 3.4. Mô hình sử dụng để tính toán góc nghiêng ngang thùng xe. .................... 37
Hình 3.5. Các lực tác dụng lên cầu xe với hệ thống treo phụ thuộc. ....................... 42
Hình 4.1. Sự thay đổi khối lượng khí khi tải trọng thay đổi ..................................... 51
Hình 5.1. Mô hình mô phỏng ổn định thùng xe trong chuyển động thẳng. .............. 67

-xii-


Hình 5.2. Đồ thị sự thay đổi tải trọng lên bộ phận đàn hồi. ...................................... 68
Hình 5.3. Đồ thị mô tả dịch chuyển thùng xe ở những gia tốc khác nhau................ 68
Hình 5.4. Sự thay đổi áp suất tại các túi khí hệ thống treo. ...................................... 69
Hình 5.5. Sự thay đổi khối lượng khí trong túi khí. .................................................. 70
Hình 5.6. Sự thay đổi độ cứng của túi khí hệ thống treo trước khi kéo. ................... 71
Hình 5.7. Sự thay đổi lực pháp tuyến lên bộ phận đàn hồi khi phanh. ..................... 72
Hình 5.8. Đồ thị mô tả dịch chuyển thùng xe theo gia tốc khi phanh....................... 73
Hình 5.9. Đồ thị sự thay đổi áp suất túi khí khi phanh. ............................................ 74
Hình 5.10. Khối lượng khí trong các túi khí. ............................................................ 75
Hình 5.11. Độ cứng các túi khí hệ thống treo khi phanh. ......................................... 75
Hình 5.12. Mô hình mô phỏng ổn định thùng xe và hệ thống treo khí ..................... 79
Hình 5.13. Thay đổi tải trọng khi xe quay vòng ....................................................... 79
Hình 5.14. Dịch chuyển thùng xe tại các bánh xe khi quay vòng R = 1,4 m. .......... 80
Hình 5.15. Sự thay đổi áp suất khi ô tô quay vòng ................................................... 81
Hình 5.16. Sự thay đổi khối lượng khí trong túi khí khi xe quay vòng. ................... 82
Hình 5.17. Độ cứng trung bình túi khí hệ thống treo khi xe quay vòng ................... 82
Hính 5.18. Độ cứng trung bình các túi khí kệ thống treo bên trái khi quay vòng. ... 83
Hình 5.19. Độ cứng trung bình các túi khí hệ thống treo bên phải khi quay vòng. .. 84

-xiii-

Chương 1

T NG QUAN
Dẫn nhập.
Trong vài thập niên trở lại đây, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới đã có nhiều
bước phát triển lớn. Với nhu cầu sử dụng xe ô tô của người tiêu dùng ngày càng tăng,
kèm theo đó là những yêu cầu về chất lượng cũng như độ ổn định và an toàn của ô tô
cũng ngày càng được người sử dụng chú trọng khi lựa chọn xe. Những năm gần đây,
ngành công nghệ ô tô đã có nhiều cải tiến trong vấn đề nâng cao ổn định chuyển động
của ô tô như: giảm thiểu sự trượt tại các bánh xe, giảm hiện tượng lật đổ khi xe quay
vòng, giữ cầu xe không bị xoay vượt giới hạn cho phép, tăng độ ổn định hướng chuyển
động và tăng độ ổn định thùng xe đảm bảo an toàn khi xe chuyển động.
n định thùng xe quyết định đến sự thoải mái và an toàn cho hành khách nên vấn
đề này được các nhà sản xuất rất quan tâm. Có nhiều giải pháp đưa ra nhằm cải thiện
tính ổn định thùng xe, nhưng phương pháp sử dụng hệ thống treo khí điều khiển thay đổi
độ cứng bộ phận đàn hồi, là một phương pháp có hiệu quả cao nhất trong việc nâng cao
hiệu quả ổn định thùng xe. Hệ thống treo khí có thể điều khiển độc lập hoạt động của
các túi khí tại từng bánh xe, điều này cho phép hệ thống treo thích ứng với sự thay đổi
tải trọng khác nhau mà vẫn giữ thùng xe được cân bằng. Bên cạnh đó hệ thống treo khí
có thể kết hợp với các hệ thống khác nhằm nâng cao tính ổn định cho xe khi chuyển
động, tăng độ thoải mái cho hành khách và tính năng an toàn khi xe quay vòng.
Trong khi đó, hầu hết các hệ thống treo thông thường sử dụng bộ phận đàn hồi
bằng kim loại có hệ số độ cứng không thay đổi, việc này làm giảm khả năng thích ứng
của xe với nhiều loại địa hình khác nhau. Khi có sự thay đổi tải trọng lên bánh xe thì hệ
thống treo dễ dàng bị biến dạng, nó làm xuất hiện góc nghiêng thùng xe gây mất ổn định
thùng xe khi chuyển động. Vì thế, việc thay đổi hệ số độ cứng hệ thống treo ứng với các
-1-


trạng thái làm việc khác nhau của xe, giúp nâng cao tính ổn định của thùng xe là một

việc cần được quan tâm.

Lý do chọn đề tƠi.
Ngày này, ở nước ta với mật độ xe ô tô lưu thông trên đường đang tăng dần, đặc
biệt tại các thành phố lớn trong nước, điều này là một thuận lợi cho ngành ô tô Việt Nam
phát triển. Số lượng phương tiện giao thông lưu hành càng tăng nhanh được thống kê
như sau (hình 1.1).

Hình 1.1. Số lượng các loại xe hoạt động ở Việt Nam qua các năm.
(Nguồn: Cục đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT, 2009)
Với mật độ xe ô tô lớn như vậy lưu thông sẽ kéo theo đó là vấn đề về tai nạn giao
thông tăng nhanh qua các năm, một trong những nguyên nhân gây tai nạn là do sự mất
ổn định của xe khi chuyển động.
Vì thế một trong những tính năng quan trọng của chiếc xe mà các nhà nghiên cứu
rất quan tâm đó là tính năng ổn định thùng xe. Sở dĩ tính năng này được xem là quan
trọng vì nó có ảnh hưởng đến rất nhiều các yếu tố khác nhau như: Sự an toàn, thoải mái
cho người ngồi trong xe cũng như hàng hóa trên xe; sự ổn định quỹ đạo chuyển động
của ô tô, tính năng động lực học ô tô khi chuyển động.
-2-


Để cải thiện tính năng ổn định thùng xe, các nhà sản xuất đã không ngừng cải tiến
tính năng này bằng nhiều giải pháp khác nhau. Nhưng giải pháp tối ưu và hiện đại nhất
để cải thiện ổn định thùng xe hiện nay đang được sử dụng trên hầu hết các dòng xe là
dùng hệ thống treo khí. Thị trường ô tô Việt Nam ngày nay cũng đã sử dụng hệ thống
treo khí trên hầu hết các dòng xe như xe khách, xe du lịch, xe chuyên dùng, xe quân sự
và xe con…. Nên việc nghiên cứu về hệ thống treo khí trên các dòng xe này sẽ đánh giá
được tính năng cải thiện sự ổn định của xe sử dụng treo khí, đồng thời trên cơ sở nghiên
cứu này có thể đưa ra các đề xuất cải tiến hoạt động của hệ thống treo khí và nâng cao
sự an toàn ổn định cho ô tô.

Vì thế học viên đã chọn đề tài: “Tính toán mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống
treo khí ”.

Các kết qu nghiên cứu trong vƠ ngoƠi nước.
Một số nghiên cứu trong nước.
Liên quan đến hướng nghiên cứu vấn đề ổn định thùng xe trong chuyển động và hệ
thống treo khí ta có đề tài sau:
 Luận văn thạc sĩ của Cao Minh Đức, khoa Cơ khí động lực, ĐH Sư phạm Kỹ
thuật TP. Hồ Chí Minh [4]. Trong đề tài này, tác giả đã xây dựng được mô hình ổn định
thùng xe trong chuyển động và đưa ra được các yếu tố ảnh hưởng đến góc nghiêng thùng
xe như: gia tốc, thông số hệ thống treo, độ cứng lốp xe…. Tác giả tiến hành khảo sát và
rút ra kết luận về ành hưởng của yếu tố vận tốc xe đến các dịch chuyển thùng xe, góc
nghiêng thùng xe khi xe chuyển động thẳng và quay vòng.
 Đề tài thiết kế hệ thống treo trước ô tô khách 46 chỗ trên cơ sở Hyundai
Aerospace. Nội dung đề liên quan đến việc tính toán hệ thống treo trước với việc sử dụng
hệ thống treo khí. Đề tài này đã đưa ra được các phương trình xác định các thông số bộ
phận đàn hồi hệ thống treo khí và phương pháp điều khiển hệ thống treo khí.
 Đề tài thiết kế tính toán hệ thống treo khí nén có điều khiển EMS (xe tham khảo
là xe minibus 12 chỗ ngồi PREGIO của hãng KIA) cũng như thiết kế mô hình thử nghiệm
-3-


hệ thống treo. Trong đề tài có đề cập đến phương pháp điều khiển hệ thống treo khí bằng
điện tử.

Một số nghiên cứu trên thế giới.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng và thử nghiệm
hệ thống treo treo khí trong việc nâng cao độ êm dịu và ổn định cho xe. Dưới đây là một
số nghiên cứu về hệ thống treo khí và kết quả đạt được:
Nghiên cứu phát triển mô hình thử nghiệm lò xo khí [13] trong nghiên cứu này S.

J. Lee đã chỉ ra rằng đặc tính độ cứng của các túi khí có thể thay đổi được. Độ cứng lò
xo khí chịu ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích các túi khí, diện tích bề mặt làm việc,
nhiệt độ và các biến đổi của khối lượng khí trong túi khí. Và cũng đề cập đến sự tăng
của thể tích túi khí làm giảm độ cứng của nó. Một nghiên cứu khác của Li Liu, Weihua
Zhang, Yan Li về ảnh hưởng của buồng khí phụ đến độ cứng lò xo khí [11] cũng chỉ ra
rằng sự tăng thể tích của buồng khí phụ sẽ làm giảm độ cứng của túi khí, độ cứng của
túi khí sẽ tăng tỉ lệ thuận với sự tăng của áp suất làm việc của nó.
Công nghệ điều khiển hệ thống treo khí bằng điện tử ECAS [8] được Chen Yi-kai
với những cải tiến trong việc tăng độ thoải mái và tiện nghi bằng cách giảm độ cứng các
lò xo khí, cho phép điều khiển chiều cao các túi khi thông qua hệ thống cung cấp khí nén
kết nối với lò xo khí (Hình 1.2). Một nghiên cứu khác của Zhengchao. Xie [6] có đề cập
đến vấn đề sử dụng hệ thống treo khí trên những xe có tải trọng lớn, nó làm giảm bớt
các rung động từ mặt đường tác dụng lên và điều chỉnh chiều cao của xe.

Hình 1.2. Điều chỉnh chiều cao của xe [13].
-4-


Nghiên cứu về cải thiện cơ chế kiểm soát của hệ thống treo khí chủ động [7] được
thực hiện với mô hình toán học của hệ thống treo khí cho ¼ của xe, xây dựng trên phần
mềm MATLAB-Simulink (Hình 1.3). Đề tài nghiên cứu việc tối ưu hoạt động của hệ
thống treo trên cơ sở sự biến đổi độ cứng. Alireza Kazemeini đã tiến hành so sánh kết
quả giữa mô hình hệ thống treo chủ động có điều khiển và mô hình hệ thống treo bị động
trong thực nghiệm cho thấy, tốc độ dịch chuyển của thùng xe giảm 11,51%, biên độ dịch
chuyển của hệ thống treo giảm 11.94%, lực tác động lên bánh xe giảm 3.04%. Điều này
kết luận về họat động của hệ thống treo được cải thiện nhờ áp dụng hệ thống điều khiển
hoạt động.

Hình 1.3. Sơ đồ mô hình điều khiển trong MATLAB - Simulink [7].

Mục tiêu của đề tƠi.
“Tính toán mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí ” nhằm tạo ra một
cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu, đánh giá khả năng điều khiển cân bằng
thùng xe của hệ thống treo khí. Từ đó cũng đưa ra được các nhược điểm của hệ thống
treo khí trên xe và đề xuất các phương pháp cải tiến hệ thống treo nâng cao tính năng ổn
định của thùng xe.
-5-


Nhiệm vụ vƠ giới h n của đề tƠi.
Nhiệm vụ của đề tài.
Để thực hiện đề tài này thì cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau:
 Xây dựng mô hình ổn định thùng xe trong chuyển động thẳng và quay vòng, từ
đó rút ra các nhận xét về ảnh hưởng của thông số hệ thống treo đến trạng thái ổn định
của thùng xe.
 Nghiên cứu về đặc tính của hệ thống treo khí và phương pháp điều khiển cân bằng
thùng xe của hệ thống treo khí.
 Xây dựng mô hình mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí bằng phần
mềm MATLAB Simulink dựa trên thông số kỹ thuật xe Thaco Mobihome HB120SSL.
 Nhận xét kết quả thu được từ mô hình mô phỏng và rút ra kết luận đánh giá về
khả năng điều khiển ổn định thùng xe của hệ thống treo khí.

Giới h n của đề tài
Vấn đề ổn định thùng xe trong chuyển động là một vấn đề rất phức tạp vì nó chịu
nhiều yếu tố tác động khác nhau và phụ thuộc vào các trạng thái làm việc khác nhau của
xe. Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu hoạt động điều khiển ổn
định thùng xe với hệ thống treo khí trong hai mô hình là: ổn định thùng xe khi chuyển
động thẳng với gia tốc không đổi, ổn định thùng xe khi quay vòng ổn định.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống theo khí và sự điều khiển ổn
định thùng xe của hệ thống treo khí trên xe Thaco mobihome HB120SSL. Qua đó tạo
một cơ sở lý thuyết phục vụ nghiên cứu và đánh giá được khả năng điều khiển ổn định
thùng xe của hệ thống treo khí.

-6-


Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả sử dụng một số phương pháp nghiên cứu
sau:
 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Sử dụng các kiến thức về cơ học chuyển động
của ô tô để phân tích bài toàn ổn định thùng xe, từ đó đưa ra được ảnh hưởng của thông
số hệ thống treo tới góc nghiêng thùng xe. Tìm hiểu về đặc tính của hệ thống treo khí để
phân tích khả năng thay đổi thông số độ cứng bộ phận đàn hồi của hệ thống treo khí, từ
đó rút ra được kết luận về khà năng cải thiện được sự ổn định thùng xe với việc sử dụng
hệ thống treo khí.
 Sử dụng phần mềm MATLAB-simulink để mô phỏng lại sự thay đổi các thông
số của hệ thống treo khí, ứng với sự thay đổi góc nghiêng thùng xe ở các trạng thái làm
việc khác nhau của ô tô. Từ các đồ thị kết quả thu được ta rút ra các nhận xét và đánh
giá mức độ ổn định của thùng xe với hệ thống treo khí.

Nội dung luận văn.
Nội dung luận văn gồm 6 chương, được tóm tắt như sau.
Chương 1. Tổng quan: Chương này trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tài
liệu liên quan vấn đề nghiên cứu, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu. Chương này giúp
người đọc hiểu được mục đích chính và hướng phát triển của vấn đề nghiên cứu.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày tổng quan về hệ thống treo khí,.
Chương này cũng nói khái quát về phần mềm MATLAB-Simulink
Chương 3. Mô hình ổn định thùng xe trong chuyển động thẳng và quay vòng:

Chương này tập trung phân tích ảnh hưởng của các yếu tố thông số hệ thống treo đến ổn
định thùng xe khi di chuyển, đồng thời cũng đưa ra các phương trình xác định thay đổi
tải trọng và dịch chuyển thùng xe. Chương này giúp người đọc hiểu được cơ sở cho việc
đề xuất biện pháp cải thiện ổn định thùng xe.
Chương 4. Điều khiển cân bằng thùng xe với hệ thống treo khí: Chương này tập
trung vào phân tích phương pháp điều khiển thay đổi các thông số của hệ thống treo khí
-7-


giúp duy trì cân bằng thùng xe. Đồng thời cũng đưa ra được các phương trình trạng thái
của bộ phận đàn hồi hệ thống treo khí.
Chương 5. Mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí dựa trên thông số
xe Thaco mobihome HB120SSL: Chương này ta tiến hành mô phỏng các kết quả tính
toán trạng thái ổn định thùng xe và các thông số điều khiển của hệ thống treo khí. Từ
các đồ thị mô phỏng ta rút ra nhận xét, đánh giá về khả năng cải thiện độ ổn định thùng
xe của hệ thống treo khí.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển.

Kế ho ch thực hiện.
B ng 1.1. Kế hoạch thực hiện.
Tháng 09/2014 - tháng 10/2015

Thời gian
Công việc

09

1. Đăng ký tên đề tài.

10

11

12

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

X

2. Xác định đề tài nghiên
cứu,

xác

định

hướng X

nghiên cứu.
3. Tìm hiểu, thu thập tài
liệu về vấn đề nghiên cứu.
4. Viết chương I, II.

X X
X X X

5. Viết chương III, IV

X X X

6. Viết chương V, VI.

X X X X

7. Hoàn chỉnh thủ tục, bảo
vệ luận văn. Kết thúc

X X

nghiên cứu.
-8-

Chương 2

C

S

LÝ THUY T

T ng quan về hệ thống treo khí.
Cũng giống như các hệ thống treo thông dụng khác, hệ thống treo khí nén cũng có
hai công dụng như chính là hấp thụ các rung động từ mặt đường tác dụng lên xe và đảm
bảo sự bám của bánh xe với mặt đường. Về kết cấu hệ thống treo khí gồm có 3 bộ phận
chính:
Bộ phận đàn hồi:

hệ thống treo khí nén người ta sử dụng phần tử đàn hồi là những

gối cao su chứa khí nén thay vì dùng lò xo xoắn, nhíp lá hay thanh xoắn. Dùng để tiếp
nhận các tải trọng thẳng đứng, giảm các va đập, giảm tải trọng động tác dụng lên khung
vỏ xe và hệ thống truyền động, đảm bảo độ êm dịu cho ô tô khi chuyển động.
Bộ phận giảm chấn: Có nhiệm vụ tạo ra lực cản, dập tắt các dao động của phần
được treo và không được treo, chuyển hóa cơ năng của dao động hệ thống treo thành
nhiệt năng tỏa ra bên ngoài.
Bộ phận dẫn hướng: Động học của bộ phận dẫn hướng quyết định đến dịch chuyển
tương đối của bánh xe so với thùng xe theo phương thẳng đứng.


u điểm hệ thống treo khí nén:
So sánh với các lò xo thép cuộn hay lò xo lá thì lò xo khí tạo được sự thoải mái hơn

và hiệu suất hấp thụ dao động tốt hơn nhờ giảm được độ cứng lò xo khí.
Khả năng điều chỉnh độ cứng của từng xi lanh khí cho phép đáp ứng được với độ
nghiêng thùng xe khi chuyển động thẳng và khi vào cua. Với hệ thống treo khí nén,
những chỗ mấp mô hay ổ gà trên mặt đường hầu như không ảnh hư ng nhiều đến người
ngồi trong xe. Hệ thống treo khí nén - điện tử tự động sẽ thích nghi với tải trọng của xe
và cho phép thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện làm việc.
-9-


Hệ thống treo khí nén còn có một ưu điểm nữa đó là không có ma sát trong phần
tử đàn hồi, trọng lượng của phần tử đàn hồi bé và giảm được chấn động cũng như tiếng
ồn từ bánh xe lên khoang hành khách.
Trọng lượng của hệ thống treo này chủ yếu tập trung

bộ phận dẫn hướng và hệ

thống cung cấp khí, còn trọng lượng phân tử đàn hồi rất nhỏ.


Nhược điểm:
Nhược điểm lớn nhất của hệ thống treo khí đó là khả năng dẫn hướng rất kém. Vì

vậy hệ thống treo khí cần thiết kế cơ cấu dẫn hướng đảm bảo cho việc dẫn hướng tốt
nhất.
Hệ thống điều khiển hệ thống treo khí phức tạp và khó khăn trong công tác bảo
dưỡng sửa chữa.

Đặc tính đƠn h i của hệ thống treo khí.
Hệ thống treo khí sử dụng bộ phận đàn hồi là các túi khí có chứa khí nén, đặc tính

đàn hồi của hệ thống treo khí đặc trưng b i khả năng có thể thay đổi được độ cứng của
các túi khí nén, do sự thay đổi áp lực khí nén bên trong các túi khí.

Ta có:

Hình 2.1. Sự thay đổi áp suất bên trong các túi khí.

 ��� : Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên túi khí (N).
-10-


 �� �

)

: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên túi khí

trạng thái tĩnh (N)

 pa : Áp suất khí quyển (N/cm2).

trạng thái tĩnh (N/cm2).

 p : Áp suất khí trong túi khí

 p : Áp suất khí nén trong túi khí (N/cm2).
 A : Diện tích bề mặt làm việc của túi khí (cm2)
��� = � − �� ). � [N]

(2.1)

trang thái tĩnh tải trọng đặt lên buồng đàn hồi là:
�� �

)

= � − �� ). � [N]

(2.2)

Mối quan hệ giữa ��� và ∆� thể hiện qua các đồ thị dưới đây:

Hình 2.2. Quan hệ giữa ��� và ∆�.

Các đường đặc tính trên thể hiện quan hệ giữa lực tác dụng ��� với độ biến dạng ∆�

của túi khí đàn hồi và được xác định tại vị trí ∆� = 0 tương ứng với chiều cao của buồng
đàn hồi

trạng thái tĩnh, quan hệ của áp suất (� = � − �� ) là không đổi. Trong thực tế

các đường cong này còn được xác định sao cho: áp suất pz là không đổi. Như vậy, quan
hệ giữa ��� và ∆�

trạng thái tĩnh cho với một áp suất không đổi.

-11-


2.1.1.1 Đặc tính t i của bu ng đƠn h i

Dưới tác dụng của tải trọng dặt lên buồng đàn hồi, chiều cao và thể tích của túi khí
thay đổi liên tục. Điều này làm cho áp suất bên trong túi khí cũng thay đổi theo. Ta có
phương trình các trạng thái biểu thị quan hệ giữa thể tích và áp suất bên trong túi khí như
sau:
� . � � = �. � � =

Trong đó:
 � : áp suất

�

(2.3)

trạng thái tĩnh của túi khí (N/cm2)

 � : áp suất túi khí

chiều cao tức thời (N/cm2)

 � : thể tích buồng đàn hồi ở trạng thái tĩnh (cm3).

 � : thể tích buồng đàn hồi ở chiều cao tức thời (cm3).
 n: hệ số đoạn nhiệt của chất khí.

Khi bị nén piston dịch chuyển một đoạn ∆z. Ta có thể tích buồng khí nén

trạng

thái tức thời:

V = � – A.∆z [ � ]

(2.4)

Trong công thức trên ta có thể coi V = f(z) (trong đó bỏ qua sự thay đổi nhỏ của A
khi áp suất bên trong thay đổi).

 Hàm F = f(z) được gọi là đặc tính tải của buồng đàn hồi.
Hệ số mũ (n = 0 ÷ 1,34) phụ thuộc vào tốc độ biến đổi thể tích túi khí, nhiệt độ

môi trường, tốc độ dòng khí của môi trường. ứng với trạng thái � = const thì n = 0.

Khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, sự thay đổi thể tích nhanh n = 1,38 (n
ng với trạng thái �� � =

� .

thay đổi thể tích chậm n=1. �� =

� .

= 1,4).

Khi xe chạy vào đường vòng hoặc quay vòng (có sự nghiêng ngang thùng xe) sự
Quan hệ F=f(z) khi n=0.

ng với trạng thái � =

 Đồ thị đặc tính tải của buồng đàn hồi:

-12-

� .


Hình 2.3. Đặc tính tải của buồng đàn hồi.
Đường cong ứng với n = 1 gọi là đặc tính tải tĩnh của túi khí.
Đường cong ứng với n = 1,4 gọi là đặc tính tải động của túi khí.

2.1.1.2 Độ cứng của ph n tử đƠn h i khí nén
Ta có thề xác định độ cứng các túi khí đàn hồi theo công thức lý thuyết. Định
nghĩa độ cứng như sau:
�=(

�
)
�

[

�
]
�

(2.5)

Nếu dF = A.�, với sự thay đổi thể tích túi khí dẫn đến áp suất khí nén, diện tích
A không đổi ta có:
�=(

. � . ��. �
�
)=
� − �. ∆�)�+
�

Từ phương trình (2.6) Ta thấy độ cứng C phụ thuộc vào 2 thành phần:

-13-

(2.6)


 Độ cứng do thể tích V thay đổi (thể tích V thay đổi lại phụ thuộc vào áp
suất tuyệt đối �� và áp suất khí nén p).

 Độ cứng do diện tích A thay đổi không đáng kể



trạng thái tĩnh với tải trọng đặt lên buồng đàn hồi:
Độ cứng của túi khí



�� �

)

= � − �� ). � [N]

(2.7)

trạng thái tĩnh được xác định là:

� =

�( � � 0) +�� .�)�
�0

(2.8)

trạng thái làm việc với tải trọng thay đổi F = ��� đặt lên buồng đàn hồi:

Độ cứng của buồng đàn hồi được xác định:

�=

� �� +�� .�)�
�

=

�.�.�2

Áp lực khí nén khi tải trọng thay đổi được xác định:
�=

(2.9)

�

��� + �� . �
�
[
]
�
�

(2.10)

Trường hợp khối lượng khí trong túi khí không đổi, khi tải trọng thay đổi thì có sự
thay đổi thể tích khí V như sau:
�� � ) + pa . A
p
V [ � ]
V= V =
��� + pa . A
p

(2.11)

Độ cứng của túi khí có thể được viết lại như sau:
�=
 Nhận xét:

�� + �� . �)�
��� + �� . �) �
=
�

�� � ) + �� . �)�

[

�
]
�

(2.12)

Qua các công thức tính toán trên ta thấy độ cứng của các túi khí phụ thuộc vào tải
trọng tác dụng, thể tích và áp suất bên trong túi khí. Từ đó ta có thể rút ra kết luận độ
-14-


cứng của hệ thống treo khí hoàn toàn có thể thay đổi được bằng cách thay đổi áp suất,
thể tích khí bên trong túi khí.
Khi lực thẳng đứng tác động lên hệ thống treo thay đổi làm thay đổi chiều cao hệ
thống treo khí (biến dạng hệ thống treo thay đổi). Để duy trì được chiều cao ban đầu, hệ
thống treo khí thay đổi áp suất bằng cách thay đổi lưu lượng khí bên trong các ballon
thông qua các van khí.

Bộ phận gi m ch n của hệ thống treo khí.
Giống với các hệ thống treo thông thường khác, hệ thống treo khí thường sử dụng
bộ phận giảm chấn là các giảm chấn thủy lực (loại 1 lớp vỏ và 2 lớp vỏ), lực giảm chấn
được sinh ra chủ yếu do ma sát của chất lỏng khi đi qua các lỗ van tiết lưu để dập tắt các
dao động không cần thiết. Lực giảm chấn phụ thuộc chủ yếu vào tốc đô dịch chuyển của
pit tông giảm chấn và hệ số cản của giảm chấn.

1- Van một chiều

2- Cần pít tông
3- Phốt làm kín
4- Xy lanh
5- Buồng chứa dầu
6- Pít tông
7- Van một chiều
8- Khoang chứa dầu

Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo giảm chấn một lớp vỏ.

-15-


1- Khoang vỏ trong
2- Phớt làm kín
3- Bạc dẫn hướng
4- Vỏ chắn bụi
5- Cần pít tông
6- Pít tông
7- Van cố định
8- Vỏ ngoài

Hình 2.5. Giảm chấn hai lớp vỏ.
Đồ thị đường đặc tính của giảm chấn thủy lực tác dụng hai chiều có van giảm tải
(Hình 2.6) [3]. Trên đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực giảm chấn �� với tốc độ dịch
chuyển của giảm chấn �̇ khi nén và khi trả.

Hình 2.6. Đồ thị đặc tính của giảm chấn thủy lực.
Từ đường đặc tính ta thấy khi tốc độ dịch chuyển càng tăng nhanh thì lực giảm
chấn cũng tăng theo, đồng thời lực giảm chấn khi nén sẽ tăng chậm hơn là khi trả (lực

-16-


giảm chấn khi trả lớn hơn khi nén). Tại các điểm 1 và 2 là điểm m van giảm tải (tăng
tiết diện lỗ tiết lưu) cho chất lỏng đi qua.
một số hệ thống treo khí sử dụng giảm chấn thủy lực điều khiển bằng điện tử.
Có thể thay đổi được lực giảm chấn để phù hợp với các điều kiện làm việc khác nhau
của xe. Nhằm cải thiện tính sự êm dịu của xe và thoải mái cho hành khách. Giảm chấn
có thể được đặt

3 chế độ (mềm, trung bình, cứng).

Bộ phận dẫn hướng.
Phần tử dẫn hướng có vai trò quyết định động học của hệ thống treo.

hệ thống

treo khí, các buồng khí nén chỉ có khả năng chịu các tải trọng thẳng đứng nhưng không
có khả năng truyền lực dọc hay lực bên do vậy hệ thống treo khí cần phải có bộ phận
dẫn hướng riêng biệt là các đòn dọc, đòn ngang hoặc nhíp lá.
Động học của phần tử dẫn hướng xác định đặc tính dịch chuyển theo phương thẳng
đứng và phương ngang của bánh xe đối với thùng xe, ảnh hư ng đến ổn định chuyển
động của của ô tô. Một số cơ cấu dẫn hướng của hệ thống treo khí:

Hình 2.7. Cơ cấu dẫn hướng hệ thống treo khí.
1- Giảm chấn

4- Thanh ổn định ngang

7- Đòn truyền lực bên

2- Buồng khí nén

5- Đòn dẫn hướng dưới

8- Đòn dẫn động lái

3- Dầm cầu

6- Đòn dẫn hướng trên
-17-