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

1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ................................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................... 7
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 11
CHƯƠNG 1 CÁC YẾU TỐ GÂY RA DAO ĐỘNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU
ĐÁNH GIÁ ..................................................................................................... 13
1.1. Các yếu tố gây dao động ô tô ................................................................... 13
1.2. Mô tả mặt đường ...................................................................................... 14
1.3. Ảnh hưởng của dao động ô tô .................................................................. 16
1.3.1. Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu ............................................................. 16
1.3.2. Tiêu chí về không gian hệ thống treo .................................................... 19
1.3.3 Tiêu chí an toàn động lực học ................................................................ 20
1.4. Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu ........................................ 21
1.4.1. Mục đích nghiên cứu của đề tài ............................................................ 21
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 22
1.4.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 22
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG ...................... 23
2.1. Phương pháp nghiên cứu động lực học ô tô............................................. 23
2.2. Phương trình động lực học tổng quát ....................................................... 24
2.3. Đặc điểm động lực học ô tô ..................................................................... 35
2.4. Các mô đun cơ bản ................................................................................... 36
2.5. Phân tích cấu trúc hệ thống treo của ô tô ................................................. 37
2.6. Mô hình ¼ ................................................................................................ 42
2.7. Động lực học đoàn xe phương thẳng đứng ............................................ 51
2.7.1. Động lực học phương dọc của khối lượng được treo ........................... 51
2.7.2. Động lực học ngang của khối lượng được treo và không được treo ... 53

2

2.8. Mô hình dao động xe con ......................................................................... 57
2.9. Phương pháp giải...................................................................................... 59
CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG TREO VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN....... 62
3.1. Mô hình hệ thống treo không điều khiển ................................................. 62
3.2. Giải pháp điều khiển hệ thống treo .......................................................... 67
3.3. Sơ đồ điều khiển hệ thống treo ................................................................ 78
3.4. Phân tích các loại hệ thống treo theo tính tích cực. ................................ 80
3.4.1. Hệ thống treo thụ động: ........................................................................ 80
3.4.2. Hệ thống treo tự chỉnh chiều cao .......................................................... 80
3.4.3. Các hệ thống treo bán tích cực .............................................................. 80
3.4.4. Các hệ thống treo tích cực:.................................................................... 81
3.5. Ứng dụng khí, thủy khí trong hệ thống treo điều khiển độ cao ............... 82
3.6. Nguyên lý hệ treo thủy khí có điều khiển ................................................ 83
3.7. Hệ thống treo khí có điều khiển ............................................................... 86
3.8. Hệ thống treo xe chuyên dụng ................................................................. 89
3.8.1. Yêu cầu hệ thống treo xe chuyên dụng ................................................. 89
3.8.2. Đặc điểm hệ thống treo xe chuyên dụng ............................................... 89
3.8.3. Nguyên lý trụ treo ................................................................................. 93
3.9. Các hệ thống treo điều khiển ở xe chuyên dụng ...................................... 94
KẾT LUẬN ................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 102


3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

A

m2

Ý nghĩa
Diện tích, thiết diện
Hệ số khí động

c



kg / cm3

CL

N/m

Độ cứng hướng kính lốp

C L1

N/m

Độ cứng hướng kính lốp trước

CL 2

N/m

Độ cứng hướng kính lốp sau

C

N/m

Độ cứng hệ thống treo

C1

N/m

Độ cứng treo trước

C2

N/m

Độ cứng treo sau

K

Ns / m

Hệ số cản hệ thống treo

K1

Ns / m

Hệ số cản hệ thống treo trước

K2

Ns / m

Hệ số cản hệ thống treo sau

a

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu trước

b

m

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu sau

Mật độ không khí

Bán kính tự do lốp

r

J

kgm2

Mô men quán tính trục y của xe

J yA1

kgm2

Mô men quán tính trục y của cầu trước

J yA 2

kgm2

Mô men quán tính trục y của cầu sau

h

m

Chiều cao mấp mô của đường


4

h1

m

Chiều cao mấp mô của đường phía trước

h2

m

Chiều cao mấp mô của đường phía sau

FZ

N

Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe

FZ 1

N

Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía trước

FZ 2

N

Tải trọng từ đường tác dụng lên bánh xe phía sau

FZt

N

Tải trọng tĩnh của bánh xe

FZ 1,t

N

Tải trọng tĩnh bánh xe phía trước

FZ 2,t

N

Tải trọng tĩnh bánh xe phía sau

FZd

N

Tải trọng động bánh xe

FZ 1, d

N

Tải trọng động bánh xe phía trước

FZ 2,d

N

Tải trọng động bánh xe phía sau

FC

N

Lực đàn hồi hệ thống treo

FC1

N

Lực đàn hồi hệ thống treo trước

FC 2

N

Lực đàn hồi hệ thống treo sau

FK

N

Lực cản hệ thống treo

FK 1

N

Lực cản hệ thống treo trước

FK 2

N

Lực cản hệ thống treo sau

FCL

N

Lực đàn hồi hướng kính bánh xe

FCL1

N

Lực đàn hồi hướng kính bánh xe trước

FCL 2

N

Lực đàn hồi hướng kính bánh xe sau


5

m

N

Khối lượng được treo

m1

N

Khối lượng được treo trước

m2

N

Khối lượng được treo sau

m A1

N

Khối lượng không được treo trước

mA 2

N

Khối lượng không được treo sau

b

Hệ số bám đường

ft

m

Độ võng tĩnh

f t1

m

Độ võng tĩnh phía trước

ft 2

m

Độ võng tĩnh phía sau



rad



m

Chuyển vị phương thẳng đứng cầu xe

1

m

Chuyển vị phương thẳng đứng cầu trước

2

m

Chuyển vị phương thẳng đứng cầu sau



m/ s

Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe

1

m/ s

Vận tốc phương thẳng đứng cầu trước

2

m/ s

Vận tốc phương thẳng đứng cầu xe sau



m / s2

Gia tốc phương thẳng đứng cầu xe

1

m / s2

Gia tốc phương thẳng đứng cầu trước

2

m / s2

Gia tốc phương thẳng đứng cầu sau

z, z, z

Góc lắc thân xe

m, m / s, m / s 2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo


6

z1 , z1 , z1

z2 , z2 , z2

m, m / s, m / s 2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo trước
m, m / s, m / s 2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc phương thẳng đứng khối

lượng được treo sau


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Phân loại tín hiệu ngẫu nhiên ......................................................... 14
Hình 1.2. Lực quán tính ảnh hưởng đến dao động ô tô. ................................. 16
Hình 1.3. Các định mức độ êm dịu ................................................................. 17
Hình 1.4. Phân bố độ êm dịu các chủng loại xe ............................................. 18
Hình 1.5. Giới hạn gia tốc các phương........................................................... 18
Hình 1.6. Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian.......................................... 19
Hình 1.7. Mô hình dao động 1/4 ..................................................................... 20
Hình 2.1 Các lực và mô men tác dụng lên ô tô ............................................... 24
Hình 2.2. Định nghĩa hệ tọa độ G(OXYZ), hệ cục bộ xe B(Cxyz) .................. 25
Hình 2.3. Định nghĩa tương quan hệ tọa độ B(Cxyz ) với tọa độ bánh xe ..... 26
Hình 2.4. Định nghĩa hướng chuyển động ô tô trong hệ tọa độ G(OXYZ) ..... 28
Hình 2.5. Hệ cục bộ xe B(Cxyz) và các lực tại tâm vết tiếp xúc bánh xe ....... 28
Hình 2.6. Hệ tọa độ xe B(Cxyz) và hệ tọa độ tâm bánh xe Tj(xj,yj,zj) j=4 ...... 29
Hình 2.7. Các lực tương tác tại các tâm vết tiếp xúc lốp – đường ................. 29
Hình 2.8. Các lực trong mặt phẳng nền .......................................................... 30
Hình 2.9. Cấu trúc mô hình động lực học ô tô ............................................... 37

Hình 2.10. Hệ thống treo cầu sau của Mercedes–Benz .................................. 38
Hình 2.11. Hệ thống treo cầu trước của Mercedes–Benz............................... 38
Hình 2.12a. Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz ................ 39
Hình 2.12b. Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz cân bằng 39
Hình 2.13. Hệ thống treo hai đòn ngang (a) và sơ đồ tương đương (b) ........ 42
Hình 2.16. Mô hình dao động ¼ ..................................................................... 44
Hình 2.17. Sơ đồ đặc tính treo ........................................................................ 45
Hình 2.19. Hàm truyền .................................................................................... 51
Hình 2.20. Quan hệ giữa độ êm dịu và tải trọng động ................................... 51


8

Hình 2.21. Động lực học xe kéo phương z ...................................................... 52
Hình 2.22. Động lực học lắc dọc mooc........................................................... 53
Hình 2.23. Động lực học ngang cầu 1 ............................................................ 54
Hình 2.24. Động lực học ngang cầu 2 ............................................................ 55
Hình 2.25. Động lực học ngang cầu 3 ............................................................ 56
Hình 2.26. Động lực học ngang cầu 4 ............................................................ 57
Hình 2.27. Mô hình dao động xe con .............................................................. 58
Hình 2. 28. hệ thống treo cân bằng liên tiếp nhiều cầu container ................. 59
Hình 2. 29 Mô đun Động lực học xe kéo trong mặt phẳng (XOZ) ................. 59
Hình 2.30 Mô đun Động lực học xe mooc trong mặt phẳng (OXZ) .............. 60
Hình 2.31. Mô đun Động lực học ngang trong mặt phẳng (OYZ) .................. 60
Hình 2. 32. Mô đun Động lực học bánh xe trong mặt phẳng (OXZ) .............. 61
Hình 3.1. Mô hình hệ thống treo truyền thống ............................................... 62
Hình 3.2. Đặc tính đàn hồi hệ thống treo truyền thống .................................. 64
Hình 3.3. Đặc tính giảm chấn thủy lực ........................................................... 65
Hình 3.4. Đường đặc tính không đối xứng của giảm chấn tác dụng hai chiều
với van giảm tải ............................................................................................... 66

Hình 3.5. Hệ thống treo khí với phần tử đàn hồi loại buồng chứa ................. 68
Hình 3.6. Hệ thống treo cầu trước khí nén của Mercedes–Benz .................... 69
Hình 3.7. Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động ............................................... 70
Hình 3.8. Hệ treo khí cầu treo phụ thuộc cầu chủ động ................................. 70
Hình 3.9 Hệ treo khí cầu dẫn hướng.............................................................. 70
Hình 3.10 Hệ treo khí cầu dẫn hướng............................................................ 71
Hình 3.11. Hệ treo khí phụ thuộc cầu chủ động ............................................ 71
Hình 3.12. Hệ treo khí 4 túi khí để hạ thấp trọng tâm ................................... 71
Hình 3.14. Cấu tạo giảm chấn treo trước xe Mercedes-Ben E500................. 73
Hình 3.15 Vị trí van điện mở ........................................................................... 74


9

Hình 3.16 Vị trí van điện đóng ........................................................................ 74
Hình 3.17. Bộ giảm chấn treo sau xe Mercedes-Ben E500 ............................ 75
Hình 3.18. Bộ đàn hồi treo sau trên xe ô tô con Mercedes-Ben E500 ........... 75
Hình 3.19 Hoạt động bộ giảm chấn treo sau ô tô Mercedes-Ben E500 ......... 76
Hình 3.20 Thanh ổn định ngang truyền thống ................................................ 77
Hình 3.21. Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh ổn định ngang ......................... 77
Hình 3.22. Cơ cấu thủy lực điều khiển thanh cân bằng.................................. 78
Hình 3.23. Sơ đồ mạch điều khiển thanh ổn định ngang. ............................... 78
Hình 3.24 a Hệ thống treo tích cực

Hình 3.24 b Sơ đồ hệ thống treo bán

tích cực ............................................................................................................ 79
Hình 3.25 Hệ thống treo tích cực hoàn toàn.................................................. 79
Hình 3.26 Sơ đồ hệ thống treo bán tích cực ................................................... 79
Hình 3.27. Nguyên lý hệ thống treo tích cực .................................................. 82

Hình 3.28. Nguyên lý hệ thống treo thủy khí điều khiển độ cao ..................... 83
Hình 3.29. Nguyên lý treo thủy khí ................................................................ 83
Hình 3.30. Hệ treo thủy khí có điều khiển ...................................................... 85
Hình 3.31. Hệ treo khí có điều khiển ............................................................. 88
Hình 3.32 Các dạng sơ đồ treo xe nhiều cầu .................................................. 90
Hình 3.33 Hệ thống treo hai đòn ngang thanh xoắn ...................................... 90
Hình 3.34. Hệ treo thủy khí truyền lực cơ khí ................................................. 91
Hình 3.35. Hệ thống treo truyền động độc lập ............................................... 91
Hình 3.36 Hệ thống treo độc lập cần bằng ngang .......................................... 91
Hình 3.37 Hệ thống treo bánh xe độc lập và quay vòng độc lập.................... 92
Hình 3.38 Hệ thống treo bánh xe độc lập và quay vòng độc lập ( c của Hãng
Nicolas, d,e của Hãng Cometter) .................................................................... 93
Hình.3.39 Trụ treo thủy khí

Hình. 3.40 Trụ treo thủy lực 94

Hình 3.41 Hê thống treo khí tích cực điều khiển hành trình tĩnh và động ..... 95


10

Hình 3.42 Hệ thống treo thủy khí điều khiển cơ khí ....................................... 96
Hình 3.43 Hệ thống treo Cơ khi- Thủy lực điều khiển cơ khí ......................... 96
Hình 3.44 Hệ thống treo tích cực lò xo-thủy lực điều khiển điện tử............... 97
Hình 3.45 Hệ thống treo thủy khí điều khiển tích cực .................................... 98
Hình 3.46 Bố trí chung hệ treo tích cực .......................................................... 99


11

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng sự tiến bộ không ngừng khoa học và công nghệ, ngành công
nghiệp ô tô trên thế giới đang có những bước chuyển biến mạnh mẽ trong thiết kế
và chế tạo. Các mẫu xe mới liên tục ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao
của người sử dụng. Hướng phát triển mong muốn trong ngành công nghiệp ô tô là
tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đặc biệt là nâng cao chất
lượng động lực học và tính tiện nghi.
Chất lượng độ êm dịu và an toàn chuyển động của ô tô phụ thuộc chủ yếu vào
chất lượng hệ thống treo, việc bố trí chung của ô tô, điều kiện mặt đường và chế độ
chuyển động của ô tô. Ngày nay điều kiện các loại đường của Việt Nam tuy được
ngày càng hoàn thiện về chất lượng nhưng vẫn chưa đảm bảo tối ưu cho tất cả các
hoạt động của ô tô. Xuất phát từ những lý do trên, việc nghiên cứu các giải pháp hệ
thống treo trên ô tô là một vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu và giải quyết. Với
yêu câù của đề tài, tác giả đã trình bày các vấn đề cơ bản về phương pháp lập mô
hình dao động, phương pháp tính và các hệ thống treo. Mục tiêu của trình bày này
là giúp học sinh sinh viên có một cái nhìn tổng thể khi chọn vấn đề nghiên cứu.
Việt Nam đang hội nhập toàn diện trên các lĩnh vực đặc biệt là ngành công
nghệ ô tô và nhu cầu đi lại và vận chuyển ngày càng gia tăng. Sự lựa chọn của
người sử dụng hướng vào xe có chất lượng cao, trong đó đặc biệt chú ý đến sự an
toàn động lục và thoái mái tiện nghi khi sử dụng.
Khi ô tô chuyển động có rất nhiều yếu tố gây dao động làm mất tính an toàn
và êm dịu chuyển động. Đây là tiêu chí rất quan trọng, không thể tách rời nhưng lại
mâu thuẫn với nhau trong quá tình chuyển động, được quyết định chủ yếu bởi chất
lượng của hệ thống treo. Tuy nhiên, trong hầu hết các thiết kế mới ô tô và nghiên
cứu hệ thống treo ô tô ở nước ta hiện nay thường tập trung chủ yếu vào chỉ tiêu êm
dịu và ít quan tâm đến an toàn chuyển động.
Dao động ô tô chịu 3 nguồn kích động là mấp mô của đường, gió bên, gió dọc
và các lực và mô men quán tính. Hầu hết các nghiên cứu về dao động chỉ xét yếu tố
mấp mô đường, còn hai yếu tố sau ít được quan tâm. Gió ảnh hưởng lớn đến an toàn

12

chuyển động, còn các lực và mô men quán tính ảnh hưởng tức thời là thay đổi tải
trọng làm mất an toàn động lực học và là tăng đột biến hệ số phá đường. Xuất phát
từ những thực trạng trên, đề tài “Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống
treo ô tô ” tìm ra các giải pháp tối ưu cho điều khiển hệ thống treo.
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng dưới sự giúp đỡ của
Viện đào tạo sau đại học trường đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt
là dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Võ Văn Hường đã tạo điều kiện giúp đỡ để đề
tài được hoàn thành.
Do thời gian và trình độ còn có mặt hạn chế, trong quá trình thực hiện không
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong muốn sự đóng góp ý kiến của các Thầy để đề
tài được hoàn thiện.


13

CHƯƠNG 1
CÁC YẾU TỐ GÂY RA DAO ĐỘNG VÀ CÁC CHỈ TIÊU
ĐÁNH GIÁ
1.1. Các yếu tố gây dao động ô tô
Trong nhiều tài liệu cũ, chương này có tên là dao động ô tô; nội dung là
nghiên cứu dao động dưới tác động kích động mặt đường và các giải pháp về êm
dịu chuyển động. Do nhu cầu phát triển, yếu tố kích động được bao quát rộng hơn;
ảnh hưởng của dao động không những về độ êm dịu cho người và hàng hóa mà còn
xét đến tác hại làm hỏng đường; với nhu cầu nghiên cứu động lực học và động lực
học điều khiển, các nhu cầu phát triển ô tô cơ điện tử, mô hình dao động đầy đủ cũng
được phát triển đa dạng, phức tạp hơn, chính xác hơn. Trong chương này, ba vấn đề cơ
bản được trình bày theo quan điểm động lực học phương thẳng đứng “Vertical

Dynamics” là:
- Nguồn gây dao động;
- Các yếu tố ảnh hưởng của dao động;
- Các mô hình đặc trưng cơ bản.
Các mô hình cũng phải phù hợp cho các mục tiêu nghiên cứu sau:
1) Mô hình nghiên cứu tối ưu hệ thống treo truyền thống;
2) Mô hình hệ thống treo điều khiển đơn và mô hình điều khiển hệ thống (hệ
thống treo cân bằng);
3) Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của dao động về độ êm dịu đến người, hàng
hóa, tải trọng động bánh xe và áp lực đường;
4) Mô hình nghiên cứu áp lực đường là mô hình dao động tích hợp để xác
định các yếu tố ảnh hưởng lực quán tính. Như vậy, mô hình cho mục đích nghiên
cứu này là mô hình động lực học.
Dao động ô tô theo phương thẳng đứng được gây ra bao gồm ba nguồn chủ
yếu là:
 Mấp mô mặt đường;


14

 Lực cản không khí;
 Các lực, mômen quán tính khi xe tăng tốc, phanh, quay vòng.
Các yếu tố này đều có tính chất ngẫu nhiên, nhưng độc lập lẫn nhau.

Hình 1.1. Phân loại tín hiệu ngẫu nhiên

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

có thể sử dụng các mô tả tường minh như hàm tuần hoàn, hàm xung. Tính chất của
các đại lượng ngẫu nhiên có thể phân loại như sau: với các nghiên cứu về đường ô
tô người ta thừa nhận đường có tính chất “Dừng” và “Ergodit”; kích động mặt
đường có thể biểu diễn theo thời gian h(t) hay theo hàm vị trí h(x).
Khi chuyển động trên đường, ô tô dao động ở tất cả các phương: phương dọc,
phương ngang, phương thẳng đứng và ba dao động góc là dao động lắc dọc, lắc
ngang và quay quanh trục thẳng đứng. Thông thường khi xét dao động ô tô ta chỉ
quan tâm dao động phương thẳng đứng, dao dao động lắc dọc và lắc ngang cũng rất
quan trọng. Xét chuyển động của ô tô dao động ô tô là tích hợp. Dao động ô tô
cũng chịu đồng thời nhiều yếu tố kích động ngẫu nhiên. Vì vậy ta chỉ có thể lập mô
hình và xét các yếu tố riêng rẽ. Trước tiên ta xét các yếu tố gây dao động. Có 3
nguồn gây dao động:
Mấp mô mặt đường: Trong thực tế mấp mô mặt đường mang tính chất ngẫu
nhiên, chúng thay đổi trong quá trình xe chuyển động về độ cao mấp mô, khoảng


15

cách giữa các mấp mô. Mấp mô được mô tả theo hàm thời gian h(t) hoặc hàm
chuyển vị của xe h(x); h là chiều cao mấp mô, t là thời gian chuyển động, x là
quãng đường xe chạy trong thời gian khảo sát. Nếu cho trước vận tốc v thì ta có
quan hệ x(t)=vt. Như vậy hai biến x và t là tương đương
Trường hợp đơn giản nhất ta chọn hàm tuần hoàn
đó f là tần số kích động của mặt đường. Nếu
lại như sau:



h  h0 sin(2 ft ) ,trong

là bước sóng đường ta có thể viết

h  h0 sin(2 x /  ) .

Gió: Ở nước ta, gió có cường độ mạnh, tác động đến ô tô đa phương đa chiều
với tính chất ngẫu nhiên, làm thay đổi xe chuyển động và về cơ bản tâm tác động
của gió không trùng với trọng tâm của xe. Yếu tố đầu tiên gây dao động cho ô tô là
lực cản gió, tác động lên xe theo các phương chính diện và lực gió ngang.
+ Lực cản không khí chính diện:

1
Fwx   cx A( x  vwx ) 2
2

(1.1)

+ Lực cản gió ngang:

1
Fwy   cw A( x  vwx )2
2

(1.2)

+ Lực cản nâng không khí phương z:

1
Fwz   cz A( x  vwx )2
2

(1.3)

Lực quán tính: Khi ô tô chuyển động, lái xe thực hiện điều khiển xe theo ba
chức năng là phanh, tăng tốc, quay vô lăng riêng rẽ hoặc tích hợp, làm xuất hiện gia
tốc dọc, ngang, gây dao động lắc dọc và lắc ngang. Ngoài ra, khi xe chạy, tải của
động cơ thay đổi, mô men quán tính của động cơ cũng gây dao động cho ô tô.


16

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

1.3. Ảnh hưởng của dao động ô tô
Dao động ô tô có ảnh hưởng đến sức khẻo con người, đặc biệt khả năng điều
khiển của lái xe, ảnh hưởng đến hàng hóa. Dao động của xe cũng ảnh hưởng đến
khả năng truyền lực của ô tô, làm mất ổn định chuyển động của nó. Ngoài ra, tải của
bánh xe lên đường là yếu tố chính gây hư hỏng đường. Sau đây ta xét các Tiêu chí
đánh giá dao động ô tô. Phần lớn các tài liệu viết về dao động ô tô đều dùng khái
niệm “Chỉ tiêu về dao động”. Hiện tại trên thế giới không có chỉ tiêu đánh giá dao
động mà chỉ đánh giá theo một số Tiêu chí, xe này tốt xe kia không tốt. Đã là chỉ
tiêu thì phải đạt ngưỡng mới được lưu hành.
1.3.1. Tiêu chí về đánh giá độ êm dịu
Hiện tại, người ta sử dụng “ISO 2631” của “International Standard
Organization” và

“VDI – 2057” của Tiêu chuẩn Công nghiệp Đức “Verein

Deutsches Industrie Norm” để xác định về độ êm dịu cho người. Tiêu chí đánh giá
ảnh hưởng của dao động đến người là một hàm tích hợp của gia tốc, tần số kích
động và thời gian tác động của dao động.

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

k z  10 z f

1  f  4 Hz

k z  20 z

4  f <8Hz

(1.4)


17

k z  160 z / f

8  f<80Hz

k x  k y  28 x  28 y

1  f< 2Hz

k x  k y  56 x / f  56 y / f

2  f<80Hz

k  k z2  k x2  k y2

k < 0,2

Không có cảm giác;

0,2 < k < 0,4

Có thể nhận biết;

0,4 < k < 1,6

Cảm nhận tốt;

1,6 < k < 6,3

Thoải mái khi làm việc ít hơn 24 giờ;

6,3 < k < 12,5 Cảm giác mạnh;
12,5 < k < 100 Cảm giác rất mạnh;
k > 100

Chấn động mạnh, không chịu nhiều hơn 1 phút.
Tổn hại sức khỏe
sau 1 phút, ISO 2631
Cảm giác mạnh
Thoải mái sau 24h
ISO 2631
Cảm giác tốt
Cảm giác được
Không cảm giác

Hình 1.3. Các định mức độ êm dịu

Người ta dùng các công thức trên để đưa ra các đồ thị trong hình 1.3. Với các
ô tô thì 0,8 < k < 6,3. Hình 1.4 là biểu đồ phân bố k của một số loại xe. Hình 1.5 là
đồ thị gia tốc ngưỡng tham số thời gian và phụ thuộc tần số kích động các phương.


18

Hình 1.6 là đồ thị ngưỡng của giới hạn êm dịu, làm việc tốt và sức khỏe phụ thuộc
vào thời gian tác động của dao động.

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

Hình 1.5. Giới hạn gia tốc các phương


19

Hình 1.6. Quan hệ cường độ êm dịu với thời gian
– Chỉ tiêu hàng hóa
Theo Tiêu chuẩn của Hiệp hội đóng gói Đức, các giá trị gia tốc cực trị phương
thẳng đứng được dùng để đánh giá về độ êm dịu cho hàng hóa:
 z max = 3 m/s2: Giới hạn cảnh báo, ngưỡng lập kế hoạch sửa chữa xe hoặc
đường;
 z max = 5m/s2: Giới hạn can thiệp, ngưỡng phải sửa chữa đường hoặc xe
ngay.
1.3.2. Tiêu chí về không gian hệ thống treo
Hệ thống treo là bộ phận nối mềm giữa khối lượng được treo và không được
treo mô tả như hình 1.7; chuyển động tương đối thường được hạn chế bởi vấu hạn
chế hành trình. Hạn chế hành trình xác định khoảng giá trị hành trình động nén và
trả. Giới hạn hành trình là không gian treo, xác định bởi các vấu hạn chế trên và

dưới. Để bảo đảm khả năng ổn định, không gian treo không được lớn quá. Vì vậy
tiêu chí không gian treo (1.5) rất khó đạt.

(  –z)

   z cho phép

(1.5)


20

m
z

K

C
mA


CL

h
Fz

Hình 1.7. Mô hình dao động 1/4
1.3.3 Tiêu chí an toàn động lực học
An toàn động lực học được xác lập từ các lực tương tác bánh xe giữa lốp và
đường phương x và y; các lực đó lại phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng Fz. Ta biết

từ chương 2: F  F  ; F  F  . Do đó, nếu phản lực Fz giảm kéo theo giảm các
z x y
z y
x
lực truyền Fx, Fy.

Fz  Fz,st  Fz,dyn

(1.6)

Fz
 0, 5 là giới hạn cảnh báo; lực truyền giảm một nửa.
Fz,st
Fz
 0 là giới hạn can thiệp; bánh xe tách khỏi mặt đường.
Fz,st

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

(i) 

max(Fz,dyn (i))
Fz,st (i)

w(i)  1  62  44

(1.7)

Tiêu chí áp lực đường (dynamic wear factor) cho toàn xe với i bánh xe:
i

 w(i).F (i)
w
 F (i)
z,st

1

z,st

w

cho phép

vẫn chưa được xác định: w < 1,0.

(1.8)


21

Khi tính gần đúng:
Fz 
z 

1
T
1
T



(Fz (t)  Fz,o )2
Fz,o

T

x

2

dt

Fz,o  (m  m A )g

(t)dt

T

Đối với sức khoẻ của người đặc biệt là của lái xe, dao động của xe có thể gây
mệt mỏi, căng thẳng cho lái xe ảnh hưởng đến hoạt động lái xe, đặc biệt là phản xạ
để xử lý tình huống. Đối với hàng hoá, dao động của xe có thể làm hư hỏng hàng
hoá như dập nát, gãy, vỡ hoặc thay đổi tính chất của hàng hoá. Đối với đường: khi
xe chạy trên đường, dao động của ô tô gây ra tải trọng động cùng với tải trọng tĩnh
của xe làm hư hỏng đường và cầu cống. Đối với ô tô, tác động từ mặt đường lên xe
gây ra dao động làm va đập và gây ra tải trọng thay đổi đối với các chi tiết ô tô ảnh
hưởng đến độ bền lâu của chi tiết vì vậy xuất hiện các dạng hỏng mỏi chi tiết. Ngoài
ra dao động ô tô cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cũng như tính điều khiển
hướng chuyển động của ô tô. Thật vậy, dao động ô tô tạo lên các tải trọng động theo
phương thẳng đứng trên các bánh xe làm thay đổi lực bám đường của bánh xe và

tạo ra các gia tốc lắc làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe. Chuyển động tương
đối giữa thân xe và cầu xe liên quan đến việc bố trí không gian cho hệ treo khi thiết
kế ô tô. Từ các phân tích trên, người ta có thể dựa vào các tiêu chí sau để đánh giá
ảnh hưởng của dao động đến ô tô. Không thể có tiêu chí nhất quán cho tất cả xe ô
tô. Tùy theo loại xe mà ta chọn các tiêu chí thích hợp.

1.4. Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu
1.4.1. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu dao động của ô tô tác động lên
mặt đường nhằm xác định ảnh hưởng các thông số sử dụng đối với các chỉ tiêu về
êm dịu, an toàn động lực học và độ thân thiện với môi trường. Để từ đó tìm ra được
quy luật phân bố tải trọng lên các cầu xe, hệ số bám tại từng bánh xe, và ổn định
của hệ thống treo. Làm cơ sở để từ đó tìm ra các giải pháp điều khiển hệ thống treo
cho phù hợp.


22

Trong các hệ thống của ô tô thì hệ thống treo có vai trò hết sức quan trọng vì
nó liên quan đến vấn đề an toàn chuyển động của ô tô và vấn đề an toàn giao thông
và độ êm dịu, tính tiện nghi cho người ngồi trên ô tô. Trên cơ sở đề tài “Nghiên
cứu các giải pháp điều khiển hệ thống treo ô tô” được chọn nghiên cứu để có một
các nhìn toàn diện khi xem xét vấn đề dao động, giúp học viên có cái nhìn đúng đắn
khi chọn vấn đề nghiên cứu.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là Hệ nhiều vật MBS, tách cấu trúc, mô tả theo mô
đun thuận tiện trong việc xác định các quan hệ nội hàm phù hợp cho phương pháp
lập trình công nghiệp trong Matlab và phù hợp cho tư duy điều khiển. Ô tô là một
hệ nhiều vật, các liên kết có và các nội lực liên kết có tính phi tuyến hình học và vật
lý, vì vậy phương pháp tách cấu trúc cho phép thay thế các đại lượng trước đây

được mô tả bằng hệ số tuyến tính nay được thay bởi các hàm phi tuyến. Ngoài ra tác
giả còn sử dụng phương trình Newton-Euler và hệ tọa độ tương đối, thuận tiện cho
các sinh viên không chuyên cơ học và thuận tiện trong lập trình và mô phỏng.
Thông qua việc nghiên cứu tổng quan, đề tài góp phần hoàn thiện phương
pháp nghiên cứu hệ thống treo nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển động ô tô theo
quan điểm điện đại, đồng thời giới thiệu các phương pháp lập mô hình và tổng quan
các giải pháp điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống treo ô tô.
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
Với mục tiêu đặt ra, đề tài “Nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống
treo ô tô”, được trình bày theo 3 nội dung như sau: (i) các yếu tố gây dao động và
tiêu chí đánh giá dao động, (ii) phương pháp lập mô hình dao động và các mô hình
dao động cơ bản và (iii) các hệ thống treo và diều khiển hệ thống treo.


23

CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP LẬP MÔ HÌNH DAO ĐỘNG
Động lực học ô tô là tích hợp giữa động lực ngang, thẳng đứng và động lực
học phương dọc:
 Động lực học dọc/Longitudinal Dynamics;
 Động lực học phương thẳng đứng/Vertical Dynamics;
 Động lực học ngang/Lateral Dynamics.
Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động góc. Thân xe liên kết
với các bánh xe; động lực học bánh xe như một mô hình con. Như vậy, động lực
học ô tô là một mô hình tích hợp: là động lực học của một hệ cơ học nhiều vật, liên
kết đàn hồi và liên kết ma sát, liên kết khớp. Động lực học của ô tô được mô tả trong
hệ cố định G (OXYZ). Nhưng để mô tả các hệ con ta phải xác lập các hệ cục bộ B
(Cxyz). Giữa chúng liên hệ với nhau qua các ma trận xoay. Về phương pháp nghiên
cứu và thiết lập mô hình động lực học, thuận tiện nhất là tách cấu trúc theo nguyên lý

hệ nhiều vật MBS.

2.1. Phương pháp nghiên cứu động lực học ô tô
Chuyển động của ô tô là chuyển động phức hợp, gồm ba chuyển động tịnh tiến
phương x, y, z và ba chuyển động góc , ,  . Để mô tả chuyển động phức hợp đó
ta cần thiết lập một hệ tọa độ cố định G(OXYZ), trong đó nó có quan hệ với các hệ
tọa độ vật B(Cxyz) như là các hệ tọa độ con. B(Cxyz) có thể quay với các góc
, ,  trong hệ cố định G(OXYZ) và hệ G(OXYZ) cũng quay trong hệ cục bộ

B(Cxyz). Để đơn giản, trong nghiên cứu động lực học ô tô, ta định nghĩa hệ tọa độ
cố định có trục OZ vuông góc với mặt phẳng nền XOY. Các hệ con B có trục Cz
song song với trục OZ của hệ cố định. Như vậy, các hệ con B có thể quay quanh
trục OX, OY, OZ các góc , ,  . Sử dụng phương pháp tách cấu trúc và hệ phương
trình Newton-Euler để mô tả động lực học ô tô.
Hình 2.1 chỉ ra các lực và mô men làm ô tô chuyển động tịnh tiến, quay thân xe:
(1) phản lực thẳng đứng từ đường lên bánh xe, (2) lực phanh, (3) lực kéo, (4) lực


24

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

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

2.2. Phương trình động lực học tổng quát
Các thông số của mô hình được biểu diễn trong hình 2.2.
G(OXYZ) là hệ tọa độ cố định;
B(Cxyz) là hệ tọa độ xe (hệ vật).

Gd: là véc tơ vị trí từ gốc O của hệ G(OXYZ) đến trọng tâm C của xe
B(Cxyz). Thân xe có ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay. Hệ tọa độ
trong hình 2.2 là hệ tọa độ thuận, có trục OZ song với trục Cz. Nếu ta chiếu xuống
nền, ta có hệ tọa độ thu gọn như hình 2.3 và 2.4. Để người đọc dễ theo dõi, sau đây
là một vài phép chuyển đổi cơ bản trong cơ học được trình bày. Giả sử có một véc
tơ B r trong hệ B(Cxyz), chuyển sang hệ G(OXYZ) là G r , được xác định qua ma
trận xoay G R B như sau:
G

r  G RB B r

(2.1)

B

r  G R B1 G r

(2.2)

B

r  B RG R r

(2.3)


25

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

G

d P so với hệ

G(OXYZ) có vị trí trong hệ G như sau:
G

rP  G R B B rP  G dP

(2.4)

Với G p, G L là động lượng và mô men động lượng trong hệ cố định G, ta xác
định lực và mô men trong hệ G. Biểu thức động lượng và mô men động lượng như
(2.5):

p  mv
L  rC  p

(2.5)

Lấy đạo hàm p và L theo thời gian ta có các véc tơ lực và mô men trong hệ G
(2.6):
G

G

dG
F
p
dt

G

M

G

dG
L
dt

(2.6)

Lực trong hệ cục bộ được xác định theo (2.7), mô men theo (2.8):
B

F  G p  GB ωB  B p
 m B a B  m GB ωB  B vB

B

(2.7)

M  G L  GB ωB  B L
 B I GB ωB  GB ωB  ( B I GB ωB )

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

(2.8)