Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ trong một học vị nào.
- Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

Phùng Khắc Sáng

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU .........................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU...........................................11
1.1. Các hƣớng nghiên cứu dao động của ô tô. .........................................................11
1.1.1. Nghiên cứu biên dạng bề mặt đƣờng:.......................................................11
1.1.2. Nghiên cứu dao động ô tô.........................................................................11
1.1.3. Nghiên cứu cảm giác con ngƣời ...............................................................12
1.2. Các chỉ tiêu đánh giá dao động và độ êm dịu chuyển động của ô tô .................14
1.2.1. Tần số dao động ........................................................................................14
1.2.2. Gia tốc dao động .......................................................................................14
1.2.3. Hệ số êm dịu chuyển động (K) .................................................................14
1.2.4. Đánh giá cảm giác theo công suất dao động ............................................15
1.2.5. Đánh giá theo cảm giác gia tốc dao động và thời gian tác động ..............17
1.2.6. Chỉ tiêu hành trình làm việc của hệ thống treo .........................................18

1.2.7. Chỉ tiêu về độ bám đƣờng ........................................................................18
1.3. Các loại hệ thống treo không điều khiển và có điều khiển. ...............................18
1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc..................................................................22
1.4.1. Các nghiên cứu trong nƣớc .......................................................................22
1.4.2. Các nghiên cứu ngoài nƣớc ......................................................................23
1.5. Mục tiêu, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài. ...............................24
1.5.1. Mục tiêu ....................................................................................................24
1.5.2. Phạm vi .....................................................................................................24
1.5.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................................................25
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .........................26
TREO TÍCH CỰC .....................................................................................................26

2


2.1. Mô hình hệ thống treo tích cực ..........................................................................26
2.2. Mô hình bộ điều khiển thủy lực .........................................................................27
2.2.1. Mô hình xy lanh thủy lực .........................................................................28
2.2.2. Mô hình van phân phối .............................................................................32
2.3. Mô hình mô phỏng hệ thống trong Matlab – Simulink......................................34
CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG .............................41
TREO TÍCH CỰC .....................................................................................................41
3.1. Các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển tự động và đề xuất bộ điều khiển
cho hệ thống treo. ..................................................................................................41
3.1.1. Bộ điều khiển tỷ lệ P ................................................................................41
3.1.2. Bộ điều khiển tích phân I ..........................................................................42
3.1.3. Bộ điều khiển vi phân D ...........................................................................43
3.1.4. Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI ...............................................................43
3.1.5. Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân PID .........................................................45
3.1.6. Đề xuất bộ điều khiển cho hệ thống treo tích cực ....................................47

3.2. Các phƣơng pháp xác định tham số bộ điều khiển PID .....................................49
3.2.1. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols ..................................................................49
3.2.2. Phƣơng pháp Chien-Hrones-Reswick ......................................................51
3.3. Sơ đồ mô phỏng điều khiển hệ thống treo tích cực: ..........................................53
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.....................................................................55
4.1. Thông số đầu vào của mô phỏng .......................................................................55
4.2. Kết quả mô phỏng ..............................................................................................56
4.2.1. Kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp 1 .....................................................57
4.2.2. Kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp 2 .....................................................60
KẾT LUẬN ...............................................................................................................64
1. Những kết quả đạt đƣợc của luận văn ...................................................................64
2. Hƣớng phát triển của đề tài ...................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................65

3


MỞ ĐẦU
Nghành công nghiệp ô tô trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ. Các nƣớc có
nền công nghiệp ô tô phát triển tập trung nghiên cứu theo hƣớng nâng cao tốc độ
chuyển động, tính tiện nghi, độ an toàn chuyển động, an toàn môi trƣờng và chất
lƣợng phƣơng tiện. Để đạt đƣợc điều đó, hiện nay trên ô tô nhiều hệ thống điều
khiển tự động đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng. Nhiều hệ thống cơ học
thuần túy đƣợc thay thế bởi hệ thống cơ - điện tử, hàm lƣợng công nghệ thông tin,
kỹ thuật điều khiển tự động và tự động hóa ngày càng tăng lên.
Hệ thống treo là một hệ thống quan trọng của ô tô, nó có ảnh hƣởng trực tiếp
đến độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển động của ô tô. Hệ thống treo điều
khiển ra đời từ những năm 1960 đã phần nào thỏa mãn đƣợc các tiêu chí trên. Trong
những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật tính
toán và kỹ thuật điều khiển không ngừng phát triển cả về kỹ thuật điều khiển và mô

hình điều khiển.
Nghành công nghệ ô tô của Việt Nam còn rất non trẻ, gần đây đƣợc đảng và
nhà nƣớc quan tâm. Kế thừa các thành tựu khoa học của thế giới, nghiên cứu phát
triển công nghệ và kỹ thuật mới là cần thiết để thúc đẩy nghành công nghiệp ô tô
Việt Nam phát triển nhanh.
Trên cơ sở thực trạng và phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài
nƣớc, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực”.
Việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực đƣợc thực hiện bằng
phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ mô phỏng Matlab-simulink.
Kết quả nghiên cứu của luận văn làm cơ sở để xây dựng bộ điều khiển trên ô tô,
đồng thời sẽ đóng góp một phần không nhỏ trong việc thiết kế hệ thống treo tích
cực.
Luận văn có thể đƣợc dùng làm tài liệu tham khảo và định hƣớng cho giảng
dạy, các nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống treo nói chung và hệ thống treo tích
cực nói riêng.

4


Dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong Bộ môn Ô tô
và xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã đƣợc hoàn thành. Đề tài
thực hiện tại Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng – Viện Cơ khí Động lực – Trƣờng
Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tụy
của PGS. TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp để bản
luận văn đƣợc hoàn thành.
Do thời gian hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong
nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2013
Tác giả

Phùng Khắc sáng

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Thông số

TT

Ký hiệu

Đơn vị

1

Gia tốc theo phƣơng dọc

X

m/s2

2

Gia tốc theo phƣơng ngang

Ÿ

m/s2

3

Gia tốc theo phƣơng thẳng đứng

Z

m/s2

4

Biên dạng đƣờng

h1

m

5

Lực của bộ phát thủy lực

Fa

N

6

Khối lƣợng không đƣợc treo

m1

kg

7

Khối lƣợng đƣợc treo

m2

kg

8

Độ cứng của lốp

CL1

N/m

9

Độ cứng của phần tử đàn hồi

C1

N/m

10

Hệ số cản của giảm chấn

K1

N.s/m

11

Hệ số cản của lốp

KL1

N.s/m

12

Dịch chuyển khối lƣợng đƣợc treo

Z2

m

13

Dịch chuyển khối lƣợng không đƣợc treo

Z1

m

14

Biên dạng đƣờng

h1

m

15

Hệ thống treo

HHT

16

Toàn phƣơng tuyến tính Gauss (Linear Quadratic

LQG

Gausian)
17

Toàn phƣơng tuyến tính lặp (Linear Quadratic

LQR

Regular)
18

Bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm (Electronic

ECU

Control Unit)
19

Dịch chuyển của van phân phối

Xv

m

20

Diện tích piston phía không cần

S1

m2

21

Diện tích piston phía có cần

S2

m2

22

Thể tích khoang A

V1

m3

23

Thể tích khoang B

V2

m3

6


24

Áp suất khoang A

P1

N/m2

25

Áp suất khoang B

P2

N/m2

26

Áp suất bơm

Pb

N/m2

27

Áp suất thoát

PT

N/m2

28

Lƣu lƣợng danh nghĩa của van

Qdn

m3/s

29

Dịch chuyển danh nghĩa của van

Xvdn

m

30

Độ chênh áp suất hai cửa van

Pdn

N/m2

31

Mô đun đàn hồi của dầu thủy lực

Ke

N/m2

7


DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
TT

Tên bảng số liệu

1

Bảng 3.1: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ
nhất

2

Bảng 3.2: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ
2

3

Bảng 3.3: Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien-HronesReswick 1

4

Bảng 3.4: Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien-HronesReswick 2

5

Bảng 3.5: Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien-HronesReswick 3

6

Bảng 3.6: Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien-HronesReswick 4

7

Bảng 3.7: Các tham số của bộ điều khiển PID xác định theo
phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ 2

8

Bảng 4.1: So sánh giá trị ở đỉnh cao nhất với các tham số của hệ
thống treo tích cực và bị động.

8

Trang
49

50

51

52

52

52

54

59


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ

TT
1

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đƣờng - ô tô - con ngƣời”

Trang
13

trong nghiên cứu dao động ô tô
2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống treo bị động

19

3

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực

20

4

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống treo tích cực

21

5

Hình 2.1: Mô hình ¼ hệ thống treo tích cực

26

6

Hình 2.2: Mô hình bộ điều khiển thủy lực (Van phân phối + Xy

28

lanh thủy lực)
7

Hình 2.3: Mô hình xy lanh thủy lực khi Piston đi xuống

29

8

Hình 2.4: Mô hình xy lanh thủy lực khi Piston đi lên

31

9

Hình 2.5: Mô hình van phân phối khi Xv > 0

32

10

Hình 2.6: Mô hình van phân phối khi Xv < 0

33

11

Hình 2.7: Sơ đồ mô phỏng hệ thống treo tích cực

35

12

Hình 2.8: Sơ đồ mô phỏng lực Fa

36

13

Hình 2.9: Sơ đồ mô phỏng lƣu lƣợng QPB

37

14

Hình 2.10: Sơ đồ mô phỏng lƣu lƣợng QAT

37

15

Hình 2.11: Sơ đồ mô phỏng lƣu lƣợng QPA

37

16

Hình 2.12: Sơ đồ mô phỏng lƣu lƣợng QBT

38

17

Hình 2.13: Sơ đồ mô phỏng áp suất P1

38

18

Hình 2.14: Sơ đồ mô phỏng áp suất P2

38

19

Hình 2.15: Sơ đồ mô phỏng lực Fa

39

20

Hình 2.16: Sơ đồ mô phỏng hệ thống treo

39

21

Hình 2.17: Sơ đồ mô phỏng nhấp nhô biên dạng mặt đƣờng

40

22

Hình 3.1: Quá trình điều chỉnh các hệ số K khác nhau

42

23

Hình 3.2: Các quá trình quá độ điều chỉnh của quy luật PI

44

24

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển

46

9


25

Hình 3.4: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

46

26

Hình 3.5: Bộ điều khiển PID cho hệ thống treo tích cực

48

27

Hình 3.6: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng

49

28

Hình 3.7: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

50

29

Hình 3.8: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth

50

30

Hình 3.9: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phƣơng pháp Chien-Hrones-

51

Reswick
31

Hình 3.10: Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển của hệ thống treo

53

tích cực
32

Hình 4.1: Biên dạng đƣờng lồi.

56

33

Hình 4.2: Biên dạng đƣờng lõm.

56

34

Hình 4.3: Dịch chuyển của khối lƣợng đƣợc treo khi xe di chuyển

57

qua vật cản.
35

Hình 4.4: Gia tốc khối lƣợng đƣợc treo khi xe di chuyển

58

qua vật cản.
36

Hình 4.5: Không gian làm việc của hệ thống treo khi xe di chuyển

58

qua vật cản.
37

Hình 4.6: Biến dạng của lốp khi xe di chuyển qua vật cản.

59

38

Hình 4.7: Dịch chuyển của khối lƣợng đƣợc treo khi xe di chuyển

60

qua ổ gà.
39

Hình 4.8: Gia tốc khối lƣợng đƣợc treo khi xe di chuyển qua ổ gà

61

40

Hình 4.9: Không gian làm việc của hệ thống treo khi xe di chuyển

61

qua ổ gà.
41

Hình 4.10: Biến dạng của lốp khi xe di chuyển qua ổ gà.

10

62


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Các hƣớng nghiên cứu dao động của ô tô
Ô tô là một hệ dao động nằm trong mối liên hệ chặt chẽ với đƣờng có biên
dạng phức tạp. Dao động của ô tô không những ảnh hƣởng đến con ngƣời (lái xe và
hành khách), hàng hóa chuyên chở, độ bền của các cụm tổng thành, ảnh hƣởng tới
độ an toàn chuyển động của ô tô, mà còn ảnh hƣởng tới tuổi thọ của đƣờng. Đặc
biệt trong quá trình chuyển động, sự kích động động học của mấp mô mặt đƣờng
làm cho ô tô dao động, khi ô tô dao động làm phát sinh tải trọng động lớn tác dụng
nên hệ thống chịu tải của xe (khung vỏ), các chi tiết, cơ cấu tổng thành…ảnh hƣởng

đến độ bền và tuổi thọ của chúng.
Việc nghiên cứu đƣợc chia làm 3 hƣớng:
- Nghiên cứu về biên dạng mặt đƣờng;
- Nghiên cứu về dao động của ô tô;
- Nghiên cứu cảm giác của con ngƣời, sự an toàn của hàng hóa chuyên chở.
1.1.1. Nghiên cứu biên dạng bề mặt đƣờng
Nghiên cứu biên dạng bề mặt đƣờng thƣờng đƣợc tiến hành bằng thực
nghiệm và lý thuyết nhằm mục đích xác định quy luật kích thích dao động của ô tô.
Bằng các phƣơng pháp đo ghi biên dạng mặt đƣờng khác nhau, tiến hành sử lý các
kết quả nhận đƣợc bằng thống kê. Các đặc tính thống kê của biên dạng về mặt
đƣờng phản ánh sự thay đổi của chúng trong điều kiện sử dụng dƣới tác dụng của ô
tô, thời gian điều kiện khí hậu và môi trƣờng v.v…Bằng các đặc tính thống kê về
biên dạng đƣờng, ngƣời ta xây dựng mô hình về biên dạng đƣờng để làm cơ sở cho
các tính toán sau này.
1.1.2. Nghiên cứu dao động ô tô
Nghiên cứu dao động ô tô với mục đích cải thiện độ êm dịu chuyển động,
chất lƣợng kéo, tính kinh tế, tính dẫn hƣớng, độ ổn định chuyển động, độ bền và độ
tin cậy… Vì vậy nghiên cứu dao động ô tô phải xác lập mối quan hệ giữa dao động
của ô tô với các chỉ tiêu khai thác trên.
Nghiên cứu lý thuyết dao động ô tô thƣờng đƣợc tiến hành nhƣ sau:

11


- Thay thế ô tô bằng hệ dao động tƣơng đƣơng, tùy theo quan điểm và mục
đích nghiên cứu.
- Thiết lập mô hình toán học (hệ phƣơng trình chuyển động) trên cơ sở sử
dụng các phƣơng pháp của cơ học giải tích hoặc nguyên lý Dalambe.
- Giải hệ phƣơng trình nhờ máy tính điện tử và máy tính số. Phân tích các
thông số đầu vào của hệ trên cơ sở các giả thiết về dao động tuyến tính hoặc phi

tuyến tính, kích thích dao động là hàm điều hòa hay ngẫu nhiên.
Một trong những bài toán cơ bản khi nghiên cứu dao động ô tô là làm rõ ảnh
hƣởng của sự thay đổi các thông số của hệ đến dao động.
Việc nghiên cứu thực nghiệm dao động ô tô có ý nghĩa rất quan trọng bởi vì
khi tiến hành thử nghiệm ngƣời ta cần giải quyết vấn đề nhƣ: Bằng cách nào để kích
thích cho ô tô dao động, gia công sử lý các số liệu thực nghiệm.
Dao động của ô tô nằm trong một dải tần số rộng có thể phân ra dao động
của khối lƣợng treo ở tần số thấp, dao động khối lƣợng treo ở tần số cao, dao động
của than vỏ xe ở dạng rung động và phát ồn.
1.1.3. Nghiên cứu cảm giác con ngƣời
Nghiên cứu cảm giác của con ngƣời trên ô tô là công việc khó khăn, vì phải
xác định mức mệt mỏi về thần kinh và thể xác cũng nhƣ sự phản ứng của các bộ
phận, cơ quan trên cơ thể ngƣời lái xe và hành khách.
Để có thể tạo ra một hệ dao động có chất lƣợng cần thiết phải nghiên cứu
dao động của ô tô trong mối liên hệ tổng thể “Đƣờng – Ô tô – Con ngƣời” (Hình
1.1). Các kết quả nghiên cứu dao động ô tô sẽ góp phần nâng cao chất lƣợng thiết
kế chế tạo ô tô góp phần nâng cao hiệu quả và năng xuất vận chuyển của ô tô trong
nền kinh tế quốc dân.

12


Nghiên cứu lý thuyết
- Hệ dao động tƣơng đƣơng và
phƣơng trình dao động;
- Giải phƣơng trình dao động
trên máy tính;
- Phân tích dao động;
- Ảnh hƣởng của các thông số;
- Điều chỉnh và tối ƣu hóa các

thông số.

Ô tô
(dao động)

Nghiên cứu thực nghiệm:
- Kích thích dao động;
- Đo ghi dao động, gia công sử
lý số liệu.

Đƣờng
(Nguồn kích thích)

Nghiên cứu lý thuyết:
- Đặc tính thống kê;
- Biểu diễn toán học biên dạng;

Nghiên cứu thực nghiệm:
- đo nghi biến dạng đƣờng;
- gia công sử lý số liệu;
- Đặc tính thống kê;
- Ảnh hƣởng của điều kiện
sử dụng.

Liên hệ với các chất lƣợng
khai thác: độ êm dịu, chất
lƣợng kéo, tính năng thông
qua, tính ổn định, tính dẫn
hƣớng, tính kinh tế, độ tin
cậy…

Đặc điểm dao động ô tô khác
nhau: ô tô con, ô tô tải, ô tô
khách, ô tô nhiều trục, đoàn
ô tô, ô tô chuyên dùng.

Rung động, tiếng ồn:
- Nguồn phát tiếng ồn, rung.
.động.
Thiết kế hệ thống treo
- Thiết kế phần tử đàn hồi, giảm
chấn, dẫn hƣớng.

Các cơ quan của con ngƣời khi
chịu dao động.
Bệnh nghề nghiệp của lái xe, khả
năng chuyên trở bệnh nhân.

Con ngƣời, hàng hóa
(cám giác, bảo quản)

Khả năng chịu đựng của lái xe:
- Chỉ tiêu đánh giá;
- Yêu cầu đối với lái xe.

Mô hình hóa:
- Lái xe;
- Hàng hóa chuyên chở;
- Hệ “đƣờng - ô tô – con
ngƣời”

Bảo vệ:
- Từ dao động;
- Từ rung động, tiếng ồn.

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống “Đường - Ô tô – Con người” trong nghiên
cứu dao động ô tô.

13


1.2. Các chỉ tiêu đánh giá dao động và độ êm dịu chuyển động của ô tô
Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các
nƣớc có nền công nghiệp ô tô phát triển đƣa ra các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu
chuyển động khác nhau. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã đƣa ra
một số chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô nhƣ sau:
1.2.1. Tần số dao động
Do nhu cầu sinh hoạt hàng ngày phải di chuyển từ chỗ này sang chỗ khác
nên con ngƣời quen với nhịp điệu bƣớc đi, trung bình một phút con ngƣời có thể
thực hiện khoảng 60÷90 bƣớc đi. Khi quan niệm con ngƣời thực hiện bƣớc đi là sự
thực hiện một dao động thì con ngƣời đã quen với tần số dao động 60÷90 lần/phút.
Tần số dao động của ô tô nằm trong giới hạn sau:
- Đối với xe con; nk = 60÷90 lần/phút (1÷1,5 Hz).
- Đối với xe tải; nk = 100÷120 lần/phút (1,6÷2 Hz).
Ở Việt Nam, chỉ số này đang đƣợc đề nghị là nhỏ hơn 2,5 Hz đối với các ô tô
sản xuât lắp ráp trong nƣớc.
1.2.2. Gia tốc dao động
Gia tốc dao động là thông số quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động, nó
kể đến ảnh hƣởng đồng thời của biên độ và tần số dao động. Vì dao động tự do tắt
dần chỉ tại trong một số chu kỳ, do vậy viêc xác định gia tốc dao động sẽ có ý nghĩa
lớn khi nghiên cứu dao động cƣỡng bức với sự kích thích của mặt đƣờng. Giá trị gia

tốc giới hạn theo các phƣơng OX (phƣơng dọc xe), OY (phƣơng ngang xe), OZ
(phƣơng thẳng đứng) đƣợc xác định bằng thực nghiệm nhƣ sau:
2
2
2
X < 1,0 m/s ; Ÿ < 0,7 m/s ; Z < 2,5 m/s .

Các số liệu trên có thể coi là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển động
của ô tô, vì đó là số liệu thống kê, hơn nữa dao động của ô tô truyền cho con ngƣời
mang tính chất ngẫu nhiên ở dải tần số rộng.
1.2.3. Hệ số êm dịu chuyển động (K)
Hệ số êm dịu chuyển động K phụ thuộc vào tần số dao động, gia tốc dao
động, vận tốc dao động, phƣơng dao động và thời gian tác dụng của nó đến con

14


ngƣời. Nếu K là hằng số thì cảm giác khi dao động sẽ không thay đổi.
Hệ số K đƣợc xác định theo công thức:

12,5.Z

K

1  0,01

2



)
18.RMS( Z
1  0,01

2

)
 K y .RMS( Z

(1.1)

Trong đó: 
: Tần số dao động (Hz);
2
Z : Gia tốc dao động (m/s );

Ky: Hệ số hấp thụ;
RMS( Z ): Giá trị trung bình của gia tốc dao động (m/s2);
) 
RMS ( Z

1
T

T

 Z

2

(t )dt : Với T là thời gian tác dụng.

0

Nếu con ngƣời chịu dao động ngang ở tƣ thế nằm thì hệ số K y giảm đi một
nửa. Hệ số K càng nhỏ thì con ngƣời càng dễ chịu đựng dao động và độ êm dịu
càng cao. K = 0.1 tƣơng ứng với ngƣời kích thích, khi ngồi lâu trên xe giá trị giới
hạn (K) = 10 ÷ 25; khi đi ngắn [K] = 25 ÷ 63.
Trong thực tế đối với ô tô, dạng điển hình dao động là ngẫu nhiên, khi đó
nhờ phân tích phổ dao động, giá trị hệ số K đƣợc xác định theo công thức:
K

n

K
i 1

2
i

Trong đó:

(1.2)
Ki: Hệ số êm dịu của thành phần tần số thứ i;

n: Số thành phần tần số của hàm ngẫu nhiên.
Giá trị K có thể xác định bằng tính toán lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm.
1.2.4. Đánh giá cảm giác theo công suất dao động
Chỉ tiêu này đƣợc dựa trên giả thiết, cảm giác của con ngƣời khi chịu dao
động phụ thuộc vào công suất dao động truyền cho con ngƣời.

Công suất trung bình truyền đến con ngƣời đƣợc xác định theo công thức:
T

1
. P(t ).V (t )dt
T  T 
0

N c  lim

Trong đó:

(1.3)

P(t): Lực tác động lên con ngƣời khi dao động;

15


V(t): Vận tốc dao động.
Con ngƣời có thể xem là một hệ dao động và cảm giác con ngƣời phụ thuộc
vào tần số dao động, do đó ta có thể đƣa vào hệ số hấp thụ Ky có tính đến ảnh
hƣởng của tần số lực kích động và hƣớng tác động của nó. Khi tác động n thành
phần với các giá trị bình phƣơng trung bình của gia tốc RMS ( ai ) thì công suất dao
động có thể xác định theo công thức:
n

N c   K ( yi) ( ). RMS (ai ) 2

(1.4)

i 1

Ƣu điểm của chỉ tiêu này cho phép cộng các tác dụng của các dao động với
các tần số khác nhau theo các phƣơng khác nhau.
Ví dụ ghế ngồi của con ngƣời trên xe chịu dao động với bốn thành phần:
+ RMS( Z ): Giá trị bình phƣơng trung bình gia tốc dao động thẳng đứng
truyền qua chân.
+ RMS( Z g): Giá trị bình phƣơng trung bình gia tốc giao động thẳng đứng
truyền qua ghế ngồi.
+ RMS( X ): Giá trị bình phƣơng trung bình gia tốc theo phƣơng dọc.
+ RMS( Y ): Giá trị bình phƣơng trung bình gia tốc theo phƣơng ngang.
Công suất tổng cộng truyền đến con ngƣời đƣợc xác định theo công thức
sau:
n

N c   ( K zi .RMS ( Z) 2  K zgi .RMS ( Zgi ) 2  K xi , RMS ( X i ) 2  K yi .RMS (Yi ) 2 ) (1.5)
i 1

Theo thực nghiệm, trị số cho phép [Nc] nhƣ sau:
[Nc] = 0,2 ÷ 0,3 (W) - tƣơng ứng với cảm giác thoải mái;
[Nc] = 6 ÷ 10 (W) - giới hạn cho phép đối với ô tô có tính cơ động cao.
Các nghiên cứu chỉ ra, những tác động phụ truyền qua chân không lớn nhƣ
những tác động truyền qua ghế ngồi vì trong tƣ thế đứng tác động của dao động yếu
đi bởi các khớp xƣơng của chân. Các dao động con ngƣời chịu trong tƣ thế ngồi sẽ
làm tổn thƣơng cột sống.

16

1.2.5. Đánh giá theo cảm giác gia tốc dao động và thời gian tác động:
Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa ISO đƣa ra năm 1969 cho phép đánh giá
tác dụng của dao động lên con ngƣời khi đi trên xe. Cảm giác đƣợc đánh giá theo ba
mức: Thoải mái, mệt mỏi (cho phép dao động và vẫn giữ đƣợc mức độ cho phép
của cƣờng độ lao động) và mức giới hạn (giới hạn theo tác dụng của dao động lên
sức khỏe con ngƣời). Sự khác nhau của tiêu chuẩn ISO so với tiêu chuẩn khác ở chỗ
có tính đến thời gian tác động của dao động thẳng đứng điều hòa tác động lên ngƣời
ngồi và đứng trong vòng 8 giờ. Nếu tần số tác động ở trong giới hạn nhạy cảm nhất
với dao động của con ngƣời (4 đến 8 Hz) thì bình phƣơng gia tốc trung bình đối với
các giới hạn:
T

a RMS 

1
. a 2 (t ).d (t )
T 0

(1.6)

- Thoải mái: 0,1m/s2.
- Mệt mỏi cho phép: 0,315m/s2.
- Mệt mỏi ở trong giới hạn cho phép: 0,63m/s2.
Chỉ tiêu về giá trị dao động tới hạn là giá trị ƣớc lƣợng của gia tốc trung bình
bậc 4 VDV (Vibration Dose Value). Tính giá trị gia tốc trung bình bậc 4 theo công
thức (1.7):
T

VDV    a 4 (t ).d (t )
0



1/ 4

(m/s1,75)

(1.7)

Lƣợng dao động tới hạn (eVDV: estimate Vibration Dose Value) đặc trƣng
cho giới hạn nguy hiểm đến sức khỏe con ngƣời do dao động của ô tô khách trong
thời gian dài. eVDV đƣợc tính theo biểu thức (1.8):
eVDV  1.4.a RMS .T 1 / 4

(1.8)

Lƣợng dao động cho N chu kỳ khi ảnh hƣởng của chu kỳ khác nhau là cần
thiết hoặc một cú va đập xảy ra lặp đi lặp lại nhƣ trƣờng hợp của những mấp mô
điều khiển tốc độ. Giá trị này đƣợc mô tả nhƣ sau:

17




VDVt   VDVn4 
 n1

n N

Trong đó:

1
4

(1.9)

T: Khoảng thời gian khảo sát (s);
a (t): gia tốc thẳn đứng tác dụng lên ngƣời ngồi (m/s2);

VDVn: Lƣợng dao động ở cho kỳ thứ n.
1.2.6. Chỉ tiêu hành trình làm việc của hệ thống treo:
Hành trình làm việc của hệ thống treo đƣợc tính bằng giá trị cực đại của hiệu
số giữa dịch chuyển phần đƣợc treo và không đƣợc treo max (Z2 - Z1). Hay đó chính
là không gian làm việc cần thiết cho hệ thống treo hoạt động không xảy ra va đập
lên các ụ hạn chế trong các hành trình nén và hành trình trả của hệ thống. Khi hành
trình làm việc của hệ thống treo thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi về các thông số dao
động của phần không đƣợc treo và phần đƣợc treo nhƣ biên độ, tần số, gia tốc dao
động,….Chỉ tiêu này sẽ đảm bảo hành trình làm việc của hệ thống treo nằm trong
một khoảng nhất định để ô tô dao động hợp lý.
1.2.7. Chỉ tiêu về độ bám đƣờng
Khi ô tô chuyển động trên đƣờng, do xe bị dao động nên lực pháp tuyến tác
dụng giữa lốp xe và mặt đƣờng luôn thay đổi. Lực pháp tuyến này đặc trƣng cho
khả năng bám đƣờng của ô tô. Ngoài ra các trị số của các thành phần lực nhƣ lực
ngang, lực kéo, lực phanh phát huy tại vùng tiếp xúc của bánh xe và mặt đƣờng phụ
thuộc vào lực pháp tuyến giữa lốp và mặt đƣờng. Do vậy dao động thẳng đứng của
bánh xe sẽ ảnh hƣởng đến khả năng bám đƣờng, tính điều khiển cũng nhƣ tới tải
trọng tác dụng lên mặt đƣờng.
Do hệ số cản giảm chấn của lốp thƣờng nhỏ hơn nhiều so với hệ số cản giảm
chấn của hệ thống treo, cho nên có thể coi nhƣ lực pháp tuyến giữa mặt đƣờng và
lốp xe sẽ tỉ lệ thuận với dịch chuyển tƣơng đối giữa lốp xe với mặt đƣờng (Z 1 - h1),

hay còn gọi là biến dạng động của lốp. Trị số biến dạng động càng nhỏ thì lực tác
dụng lên mặt đƣờng càng nhỏ (tính bảo vệ đƣờng tốt và ngƣợc lại).
1.3. Các loại hệ thống treo không điều khiển và có điều khiển
Hệ thống treo trên ô tô có nhiệm vụ nối đàn hồi giữa khối lƣợng không đƣợc

18


treo và khối lƣợng đƣợc treo, tạo thành một hệ thống dao động. Sơ đồ hệ thống treo
không điều khiển (bị động) đƣợc thể hiện nhƣ (hình 1.2).

m2

z2
c1

k1
m1

z1

kL 1

cL 1
h1

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống treo bị động.
m2 - Khối lượng được treo; m1 - Khối lượng không được treo; C1 - Độ cứng
phần tử đàn hồi; K1 - Hệ số cản của giảm chấn; CL1 - Độ cứng lốp; KL1 - Hệ số cản
của lốp; h1 - Biên dạng đường; Z2 - Dịch chuyển khối lượng được treo; Z1 - Dịch

chuyển khối lượng không được treo.
Hệ thống treo liên kết mềm giữa khối lƣợng đƣợc treo (m2) và khối lƣợng
không đƣợc treo (m1) gồm bộ phận đàn hồi có độ cứng ký hiệu C1 và giảm chấn có
hệ số cản giảm chấn là K1. Lốp xe là một phần tử đàn hồi nên cũng đƣợc mô hình
hóa thành một lò xo có độ cứng ký hiệu CL1 và một giảm chấn có hệ số cản giảm
chấn ký hiệu là KL1.
Lực kích động gây ra dao động cho cơ hệ do các nhấp nhô của mặt đƣờng
sinh (biên dạng đƣờng h1). Các dao động của ô tô sinh ra khi di chuyển gồm: Dao
động thẳng đứng, dao động lắc ngang và lắc dọc của thân xe. Trong đó dao động
thẳng đứng là lớn nhất và là thông số để đánh giá tính êm dịu chuyển động của ô tô.
Hệ thống treo không điều khiển (bị động) có các thông số đặc trƣng là độ
cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn của phần tử giảm chấn có giá trị
không thay đổi cùng với sự thay đổi liên tục của các kích thích từ mặt đƣờng khi xe

19


di chuyển.
Hệ số cản giảm chấn của hệ thống treo bị động trên ô tô hiện vẫn còn sự mâu
thuẫn giữa độ an toàn chuyển động và độ êm dịu chuyển động của ô tô. Hệ số cản
giảm chấn thấp thì độ êm dịu chuyển động tăng nhƣng độ an toàn chuyển động
giảm. Ngƣợc lại hệ số cản giảm chấn cao, độ an toàn chuyển động tăng nhƣng độ
êm dịu chuyển động giảm.
Độ an toàn chuyển động trên ô tô chủ yếu bị giới hạn bởi dịch chuyển thẳng
đứng của bánh xe, dịch chuyển xoay của thân xe, góc lắc dọc và lắc ngang của thân
xe trong quá trình phanh hoặc vào các khúc cua. Độ êm dịu chuyển động của ô tô
có thể đánh giá qua dịch chuyển thẳng đứng và gia tốc lắc dọc của thân xe.
Ô tô dao động chủ yếu từ kích thích từ mấp mô mặt đƣờng. Hiện nay hệ
thống treo bị động đƣợc coi là tốt nhất chỉ có thể đúng với một loại đƣờng nhất
định. Do vậy, để thỏa mãn các chỉ tiêu độ êm dịu chuyển động và độ an toàn chuyển

động phù hợp với các đặc tính của đƣờng và vị trí khung vỏ xe đƣợc điều khiển nhờ
hệ thống điều khiển tự động. Tùy thuộc vào khả năng điều khiển các thông số của
hệ thống treo điều khiển ngƣời ta phân làm hai loại: Hệ thống treo bán tích cực và
hệ thống treo tích cực.
Dữ liệu cảm biến

m2
k1

Bộ điều khiển

Dữ liệu cảm biến

z2
c1

m1
kL1

z1
cL1
h1

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực.
m2 - Khối lượng được treo; m1 - Khối lượng không được treo; C1 - Độ cứng
phần tử đàn hồi; K1 - Hệ số cản của giảm chấn; CL1 - Độ cứng lốp; KL1 - Hệ số cản

20

của lốp; h1 - Biên dạng đường; Z2 - Dịch chuyển khối lượng được treo; Z1 - Dịch
chuyển khối lượng không được treo.
Hệ thống treo bán tích cực (hình 1.3) với kết cấu giảm chấn tích cực tƣơng tự
kết cấu giảm chấn thông thƣờng nhƣng đặc tính của giảm chấn tích cực có thể thay
đổi nhờ sự thay đổi tiết diện van tiết lƣu hoặc thay đổi độ nhớt của môi chất công
tác dƣới tác dụng của điện trƣờng.
Khi giảm chấn làm việc, chất lỏng đƣợc dồn từ buồng chứa này sang buồng
chứa khác qua các lỗ trên van tiết lƣu có tiết diện rất bé làm cho chất lỏng chịu lực
cản lớn làm dập tắt nhanh các dao động. Nhƣ vậy, khi kích thƣớc tiết diện các lỗ tiết
lƣu không đổi thì hệ số cản giảm chấn không đổi. Còn khi kích thƣớc các lỗ tiết lƣu
có thể điều khiển trong quá trình giảm chấn làm việc thì ta có hệ số cản giảm chấn
có khả năng thay đổi đƣợc. Đó cũng chính là nguyên lý làm việc chung của giảm
chấn có điều khiển đƣợc dùng trên hệ thống treo bán tích cực.
Để tăng đƣợc độ êm dịu và tính ổn định chuyển động tốt hơn, ngƣời ta đƣa ra
hệ thống treo tích cực (hình 1.4) bao gồm bộ điều khiển thủy lực, bộ điều khiển và
các cảm biến.
Dữ liệu cảm biến

m2
Fa

z2

k1

Bộ điều khiển

Dữ liệu cảm biến

c1

m1
kL1

z1
cL1
h1

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống treo tích cực.
m2 - Khối lượng được treo; m1 - Khối lượng không được treo; Fa - Bộ điều
khiển thủy lực; C1 - Độ cứng phần tử đàn hồi; K1 - Hệ số cản của giảm chấn; CL1 -

21


Độ cứng lốp; KL1 - Hệ số cản của lốp; h1 - Biên dạng đường; Z2 - Dịch chuyển khối
lượng được treo; Z1 - Dịch chuyển khối lượng không được treo.
Hệ thống treo tích cực (hình 1.4) đƣợc điều khiển bằng một cơ cấu bộ điều
khiển thủy lực Fa (Van phân phối + Xy lanh thủy lực). Các áp lực thủy lực cho bộ
điều khiển thủy lực đƣợc cung cấp bởi một bơm thủy lực áp suất cao. Các cảm biến
liên tục giám sát độ dịch chuyển của thân xe và chế độ lái, để từ đó liên tục cung
cấp dữ liệu cho ECU. Sau khi ECU nhận và sử lý dữ liệu, nó điều khiển bộ điều
khiển thủy lực. Ngay lập tức, hệ thống treo đƣợc điều chỉnh bởi bộ điều khiển thủy
lực để tạo ra các lực chống lại sự nghiêng ngang của thân xe, sự chúi đầu xe hay
chúi đuôi xe trong các chế độ lái xe khác nhau. Hệ thống treo tích cực với lực Fa
liên tục thay đổi trong suốt quá trình xe di chuyển để ô tô đạt đƣợc độ êm dịu
chuyển động cao nhất.
Hệ thống treo không điều khiển (bị động) với các thông số của bộ phận đàn
hồi và giảm chấn không thay đổi tƣơng ứng với kích thích từ mặt đƣờng khi xe di
chuyển sẽ chỉ đáp ứng đƣợc chuyển động êm dịu của ô tô trên những địa hình nhất

định. Do đó nếu xe di chuyển trên những mặt đƣờng khác thì hệ thống treo cũ lại trở
nên không thích hợp. Hệ thống treo hiện nay chỉ đảm bảo độ êm dịu của ô tô trong
một vùng tần số nhất định. Nhƣ vậy nghiên cứu hệ thống treo có điều khiển, nhất là
hệ thống treo tích cực giúp ô tô đạt độ êm dịu chuyển động cao nhất, làm việc đƣợc
trong nhiều vùng tần số khác nhau, đáp ứng với nhiều loại địa hình khác nhau là
một yêu cầu cấp thiết đặt ra.
1.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.4.1. Các nghiên cứu trong nƣớc
Về hệ thống treo điều khiển, các nghiên cứu trong nƣớc chủ yếu tập trung
vào nghiên cứu phát triển hai hệ thống: Hệ thống treo tích cực và hệ thống treo bán
tích cực, trong đó hệ thống treo bán tích cực đƣợc các tác giả trong nƣớc quan tâm
nhiều hơn. Tác giả Trần Văn Nhƣ [8], [9] đƣa ra mô hình điều khiển mờ (Fuzzy
Control) với mô hình ½ ô tô trong mặt phẳng dọc để nâng cao độ êm dịu chuyển
động và mô hình ¼ cho các hệ thống treo trên ô tô tải tải trọng lớn để giảm phá hủy

22


đƣờng.
Những kết quả nghiên cứu về hệ thống treo tích cực trên ô tô ở việt nam đến
nay còn rất nhiều hạn chế. Một số công trình đã đƣợc thực hiện ở Việt Nam hoặc ở
nƣớc ngoài của các tác giả Việt Nam nhƣ đề tài: “Phƣơng pháp điều khiển tối ƣu
trong hệ thống treo chủ động ô tô” do Nguyễn Đức Ngọc, Deng Zhaoxiang – The
College of mechanical Engineering of Chongqing University, China 400030. Đề tài
nghiên cứu thông qua việc thiết lập xây dựng mô hình tổng thể hệ thống treo ô tô
với bảy bậc tự do, ứng dụng lý thuyết phƣơng pháp điều khiển tối ƣu thiết kế bộ
điều khiển tuyến tính để kiểm soát hoạt động hệ thống treo của xe. Sử dụng phần
mềm Matlab xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển hệ thống treo. Kết quả mô
phỏng so sánh với hệ thống treo bị động, cho thấy việc kiểm soát hệ thống treo chủ
động với bộ điều khiển tuyến tính cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống treo, làm cho

ngƣời ngồi trên xe cảm thấy thoải mãi hơn.
1.4.2. Các nghiên cứu ngoài nƣớc
Trên thế giới, nghiên cứu các dao động trên ô tô đƣợc tiến hành từ lâu, với
rất nhiều công trình của nhiều tác giả khác nhau. Càng về sau này, từ khoảng những
năm 90 cho đến nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử với sự hỗ trợ
của các phần mềm tính toán nhƣ Matlab Simulink, ANSYS,...việc nghiên cứu dao
động của ô tô trở nên dễ dàng hơn nhiều. Cũng vì thế mà có rất nhiều nghiên cứu
đƣợc tiến hành tập trung nhiều vào việc nghiên cứu khả năng điều khiển hệ thống
treo, tối ƣu hóa các thông số kết cấu của ô tô đặc biệt là ở hệ thống treo giảm dao
động, nâng cao chất lƣợng phƣơng tiện. Một số nghiên cứu điển hình:
Luận văn thạc sỹ khoa học “xây dựng luật điều khiển cho hệ thống treo ô tô
chủ động” của tác giả Chiny Yue, học viện công nghệ Massachusetts, hoa Kỳ (năm
1987);
Luận án tiến sỹ “phát triển hệ thống treo hoàn toàn bán chủ động thông qua
mô hình động học” của tác giả Jukka Pekk Hyva hyvärinen, trƣờng Đại học Oulo,
Phần Lan (năm 2004);

23


Đề tài: “Thiết kế và mô phỏng hệ thống treo tích cực” của tác giả Mohd
shahrir Mohd Sani (2007/2008) và đề tài: “Sự phát triển của hệ thống treo tích cực
sử dụng bộ điều khiển PID” của tác giả Mouleeswaran Senthil kumar, Member,
IAENG (2008).
Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đa phần đƣợc tiến hành với sự trợ
giúp của máy tính điện tử và phần mềm mô phỏng. Một số nghiên cứu đã đƣa ra
đƣợc luật điều khiển để đáp ứng các thay đổi các thông số kỹ thuật hệ thống treo
trong khi xe chuyển động phù hợp với từng loại mặt đƣờng. Luật điều khiển chủ
yếu dựa trên cơ sở giải bài toán tối ƣu theo phƣơng pháp LQG, LQR hoặc sử dụng
bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID. Các mô hình nghiên hệ thống treo mà các tác

giả đƣa ra hầu hết chỉ dừng lại ở mô hình ¼ và mô hình ½.
1.5. Mục tiêu, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
1.5.1. Mục tiêu
Từ những phân tích ở trên nhận thấy rằng cần tiếp tục nghiên cứu phát triển
hệ thống treo có điều khiển để đáp ứng tốt hơn sự làm việc của ô tô. Xuất phát từ
đó, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực” đƣợc thực
hiện với mục tiêu sau:
* Mục tiêu:
- Đề xuất bộ điều khiển hệ thống và mô phỏng hệ thống treo tích cực.
* Nội dung:
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;
- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống treo tích cực với mô hình dao động
¼ xe;
- Đề xuất bộ điều khiển hệ thống và đƣa ra tham số cho bộ điều khiển của hệ
thống treo tích cực;
- Kết quả mô phỏng.
1.5.2. Phạm vi
Do hạn chế về thời gian và kinh phí nên đề tài mới chỉ dừng lại ở việc xây
dựng mô hình mô phỏng, đề xuất bộ điều khiển và mô phỏng lý thuyết hệ thống treo

24


tích cực với mô hình dao động 1/4.
1.5.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống treo tích cực đƣợc thực hiện bằng
phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ mô phỏng Matlab-simulink
và điều khiển PID.

25