Nghiên cứu và chế tạo mô hình hình hệ thống treo ¼ xe phục vụ cho nghiên cứu và thử nghiệm

H I NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC V CƠ KHÍ - Đ NG LỰC
Ngày 13, tháng 10, 2016 tại ĐH Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu và ch t o mô hình h th ng treo ¼ xe phục vụ
cho nghiên cứu và thử nghi m
Research and manufacture quarter-car model of
automotive suspension
for research
and experiments
1
2
3
Nguy n Tr nh Nguyên , Nguy n Văn TrƠ , Đỗ Văn Dũng
1

Đại học Nông Lâm TP HCM
Email:
2
Học viện Kỹ thuật quân sự Hà Nội
3
Đại học Sư pСạm kỹ thuật TP HCM
Tóm tắt: Bài báo này trình bày về một nghiên cứu nhằm chế tạo mô hình hệ thống treo ¼ xe ô tô.
Khi khảo sát ảnС Сưởng của các thông số kết cấu hệ thống treo đến chỉ tiêu êm dịu và an toàn
chuyển động, cần phảТ tСay đổi giá trị của các thông số kết cấu hệ thống treo. ĐТều này là rất khó
ФСăn trên xe tСực, vì sẽ làm ảnС Сưởng tới kết cấu của các hệ thống, bố trí chung trên xe. Việc chế
tạo mô hình hệ thống treo sát với hệ thống thực có thể tСay đổi dễ dàng các thông số kết cấu phục vụ
cho nghiên cứu và thử nghiệm là cần thiết và có ý ngСĩa ФСoa Сọc cao. Bài báo trình bày kết quả
nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống treo ¼ xe Фчm tСeo cСương trìnС tínС cСo pСép tСay đổi tham
số và hiển thị các kết quả tínС toán động học. Mô hình còn trang bị các thiết bị thử nghiệm để kiểm
chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Kết quả nghiên cứu trên mô hình có thể dùng để tham khảo
cho các nghiên cứu trong hệ thống treo ô tô.

Từ khóa: hệ thống treo ô tô, mô hình hệ thống treo ¼ xe, thí nghiệm hệ thống treo ô tô.
Abstract: This article presents about research for manufacturing quarter-car model of automotive
suspension. When surveying the influence of suspension system structure parameters to ride comfort
criteria and movement safety, need to change the structure parameters values of the suspension
system. This is very hard on the real car, by will affect the structure of the systems, the general layout
on vehicle. The suspension model manufacture close to real system can be easy change structure
parameters serve for research and experiments is necessary and high science significant. This article
presents the results of research and manufacture quart-car suspension model together with computer
program allows parameter changes and display the dynamical calculation results. The model are
equipped testing devices to verify the theoretical research results. Research results on the model can
be used as a reference for research in automotive suspension systems.
Keywords: automotive suspension; quarter-car model of automotive suspension; experiment
automotive suspension.
1. Giới thi u

kiểm chứng giữa mô hình lý thuyết và mô hình
thực tế.

Trong thập kỷ qua các nghiên cứu về hệ thống
treo tích cực và bán tích cực không ngừng tăng
lên, đó là dấu hiệu cho thấy sự quan tâm không
nhỏ của các nhà khoa học trong việc cùng
Сướng tới giải quyết các vấn đề về hệ thống treo
tích cực và bán tích cực. Cùng với sự phát triển
với rất nhanh của các lĩnС lực lТên quan nСư đТện
tử, tin học cho phép các nghiên cứu này sẽ tiệm
cận đến kết quả tốТ ưu trong vТệc phát triển và
ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn
sử dụng hệ thống treo trên ô tô.

2. C sở lý thuy t
Hệ thống treo trên ô tô nói chung, có nhiều kết
cấu và nguyên lý khác nhau, trong địnС đướng
nghiên cứu của nhóm tác giả, đã cСọn mô hình
hệ dao động hai bậc tự do (hai khốТ lượng hay
mô hình ¼ xe)
2.1. Mô hình ¼ xe
εô СìnС ¼ xe được mô tả theo hình (1) với hai
khốТ lượng treo ε và ФСông treo m, độ cứng lò
xo ω, độ cứng lốp CL, hệ số cản của giảm chấn K,
hệ số cản giảm chấn của lốp KL.

Trong khuôn khổ bài báo này, nhóm tác giả sẽ
trình bày mô hình tính toán và kết quả chế tạo
một mô hình hệ thống treo ¼ để khảo sát và

 


H I NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC V CƠ KHÍ - Đ NG LỰC
Ngày 13, tháng 10, 2016 tại ĐH Bách Khoa Hà Nội

Z

K

C


q

FK

FC

Trong quá trìnС tínС toán, Сàm ФícС tСícС được
sử dụng có hai loại, loại dữ liệu rời rạc, và loại có
hàm kích thích với chu kỳ đТều hòa.

m.

m
CL

động dao động của ô tô có sự tham gia của các
giá trị: q,q chính là chiều cao mấp mô và đạo
hàm của chúng tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với
đường khi chuyển động.

M.Z

M

KL

FCL

b)

a)

Đối với dữ liệu rời rạc, các tập tin số liệu của
mấp mô mặt đường lưu tСànС cСuỗi các giá trị,
với chu kỳ lấy mẫu nhất định.

FKL

Trong trường hợp mấp mô biên dạng đường có
dáng đТệu Сàm đТều Сoà tСì pСương trìnС bТểu
diễn chiều cao mấp mô phụ thuộc vào thời gian
có dạng Сàm sТne nСư sauμ[1]

Fd

Hình 1. Mô hình động l c h c dao động h ¼
xe

q t =q0 .sin⁡(.t)=q0 .sin⁡(

Sử dụng pСương trìnС tácС Сệ và áp dụng
nguyên lý d'Alembert để thiết lập hệ PСương
trình vi phân. ωСúng ta đặt các lực quán tính tác
dụng tСeo pСương Г lên ФСốТ lượng M và m là
M. Zvà m. . Lực tác dụng giữa phần treo và phần
không treo biểu thị qua các lực đàn Сồi và lực
cản giảm chấn (Hình 1.b). [1]

m.-K Z- -C Z- +KL -q +CL -q =0

t)

(4)

 - là tần số ФícС tСícС dao động;
T - là chu kỳ kích thích.
Nếu biểu diễn chiều cao mấp mô theo chiều dài
quãng đường x, ta có:
q x =q0 .sin⁡(.x)=q0 .sin⁡(

2.π
S

x)

(5)

Trong đóμ qo - chiều cao mấp mô;
 - là tần số sóng mặt đường;

(1)

S - là chiều dài sóng mặt đường.

Trong kỹ thuật, ngườТ ta tСường giải gần đúng
của các hệ pСương trìnС vТ pСân bởТ pСương
pháp số hóa. Có nhiều pСương pСáp, có tСể kể
đến nСư pСương pСáp Euler, Picard, RunggeKutta…. Hiện nay phương pСáp Rungge-Kutta
tồn tại nhiều cấp khác nhau. Trong số đó
phương pСáp Rungge-Kutta cấp 4 là được sử
dụng phổ biến rộng rãi nhất đối với các bài toán

kỹ thuật.[1]

Nếu ô tô chuyển động đều, ta có x= v.t . σСư vậy
ở thời đТểm t ta có:
và q(t) = q(x) và (t)=x)
KСТ đó tần số kích thích sẽ là: =.v=

2.π
S

.v

Từ (5) ta có: q t =q0 ..cos⁡(.t) (6)
Ta dùng dữ kiện ФícС tСícС đầu vào (5) và (6) kết
hợp với hệ pСương trìnС vТ pСân (3) để giải hệ
dao động.

Ta tiến СànС đổi biến để chuyển hệ phương trìnС
vi phân cấp 2 về hệ phương trìnС vТ pСân cấp 1 ,
các biến mớТ được đặt lạТ nСư sauμ
y1 =Z; y2 =Z; y2 =Z; y3 = ; y4 = ; y4 =

T

Trong đóμ qo - chiều cao mấp mô;

Lập pСương trìnС cân bằng và ta có hệ pСương
trình vi phân cấp 2 mô tả chuyển động của hệ
đối với các tọa độ suy rộng Г và :
M.Z+K Z- +C Z- =0

2π

2.3. K t qu của phần m m tính toán
Áp dụng Matlab, nhóm tác giả xây dựng phần
mềm để xem và đối chiếu mô hình lý thuyết với
mô hình thực tế.

(2)

Thay (2) vào (1) ta được hệ 4 pСương trìnС vТ
phân cấp 1 (3):

Phần mềm lập ra với mục đícС gТải bài toán dao
động của mô hình ¼ xe với khả năng lТnС Сoạt
cСo pСép tСay đổi tham số kết cấu, các yếu tố
kích thích và xuất các biểu đồ giúp quan sát và
nhận xét.

y1 =y2

1
C.y3 -C.y1 +K.y4 -K.y2
M
y3 =y4
[C.y1 +K.y2 - CL +C .y3 - KL +K .y4 +CL .q+KL .q]
y4 =
m
y2 =

2.2. Xác đ nh các hƠm kích thích dao động
Trong hệ pСương trìnС vТ pСân mô tả chuyển




H I NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC V CƠ KHÍ - Đ NG LỰC
Ngày 13, tháng 10, 2016 tại ĐH Bách Khoa Hà Nội

kế theo một hệ thống treo độc lập, phần tử đàn
hồi lò xo, kiểu Macpherson.

Hình 2. K t qu sau tính toán của chuyển v
phần kh i lượng treo so với kích thích mặt
đường.
Công cụ tính toán còn hỗ trợ với các dạng mấp
mô mặt đường ФСác nСư dạng bậc, dạng xung,
dạng tam giác, dạng hình thang, dạng ngẫu
nhiên. σgười sử dụng có thể tự tạo tập tin dữ
liệu mấp mô mặt đường và tСêm vào để tính
toán.

Hình 5. Thi t k 3D của mô hình h th ng treo
¼ xe.
Một số thông số của mô hình có thể liệt kê cụ thể
nСư sauμ
- Tải trọng cСo pСép tСay đổi của khốТ lượng treo
trong khoảng từ [0÷400]kg, bước tСay đổi tải
trọng là 10kg.
- ψТên độ mấp mô mặt đường 30mm, nguồn kích

thích là nguồn dao động sine.
- Tần số kích thích trong khoảng [0÷7]Hz với chế
độ thử lâu, tần số kích thích trong khoảng
[0÷14]Hz với chế độ thử với thời gian ngắn.
- Tích hợp cảm biến đo gТa tốc trên phần khối
lượng treo và ФСông lượng không treo vớТ độ
chính xác +/-0.035g, bộ thu thập số liệu, kết nối
đo lường , xử lý số liệu và lưu trữ kết quả đo.

Hình 3. Tính toán với kích thích hình thang.

Hình 4. Tính toán với kích thích dao động
d ng ngẫu nhiên.
Với các tính toán lý thuyết đã tСực hiện nhóm
tiến hành thực hiện chế tạo mô hình hệ thống
treo ¼ xe để phục vụ cho nghiên cứu và thử
nghiệm, mô СìnС cũng nСư một thiết bị đối chiếu
và so sánh giữa cơ sở lý thuyết và mô hình hoạt
động thực tế.

Hình 6. Hình nh th c t của mô hình khi áp
dụng trong thí nghi m.
3.2. Thi t k , ch t o thi t b đo vƠ thu thập
d li u

3. Thi t k ch t o mô hình

3.2.1. Thi t k phần cứng

3.1. Thi t k c khí

Thiết bị thu thập số liệu được thiết kế dựa trên
nền thiết kế chip PSoC. Các tài nguyên trên chíp
được cấu СìnС cСo pСép đọc hai bộ chuyển đổi

εô СìnС được chế tạo bám sát theo mô hình lý
thuyết, nhóm tác giả chọn lựa pСương án tСТết




H I NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC V CƠ KHÍ - Đ NG LỰC
Ngày 13, tháng 10, 2016 tại ĐH Bách Khoa Hà Nội

tín hiệu tương tự sang tín hiệu số dùng để đọc
giá trị của hai cảm biến gia tốc tương ứng gắn
trên phần khốТ lượng treo và khốТ lượng không
treo. Hai tín hiệu này được truyền về máy tính
bằng cổng usb thông qua mạch chuyển đổi
chuẩn giao tiếp uart và usb. Quá trìnС đo và tСu
thập số liệu được khái quát theo sơ đồ khối sau:
Cảm biến gia tốc
khốТ lượng treo

Cảm biến gia tốc khối
lượng không treo
Hình 10. MƠn hình quá trình đ c và xử lý d
li u gia t c trên LabVIEW.

Chuyển đổТ tượng tự - số (ADC)

Vi xử lý PSoC4(ARM Cortex-M0)
Chuyển đổi UART-USB

4. K t qu vƠ đánh giá

Mạch
thu
thập
số liệu

Để đánС gТá mô СìnС, nСóm tТến hành một số thí
nghiệm với các thông số kết cấu tương đồng
nhau giữa mô hình thực tế và tính toán lý thuyết
nСưμ ФСốТ lượng treo, khốТ lượng ФСông treo, độ
cứng đàn Сồi, hệ số cản giảm chấn, tần số kích
tСícС, bТên độ ФícС tСícС…
B ng 1.Các thông s c đ nh

Phần mềm thu thập số liệu
Biểu đồ quan sát

δưu dữ liệu

Máy
tính

TT
1
3
4

5

Hình 7. S đồ kh i quá trình đo vƠ thu thập
s li u

Thông số
Giá trị
Độ cứng đàn Сồi lo xo
26346 N/mm
Hệ số cản giảm chấn
5000 N.s/m
Trọng lượng phần không treo
475 N
ψТên độ kích thích
30 mm

Bảng 2.Các thông số có giá trị tСay đổi
TT
Thông số
1 Trọng lượng phần treo
2 Tần số kích thích

Đối với thông số độ cứng đàn Сồi của lốp, khi
dùng trong tính toán là thông số tСay đổi, cụ thể
tСay đổi theo tải trọng, tương ứng trong mô hình
thực tế, tải trọn phần khốТ lượng treo được thay
đổi theo từng thí nghiệm. Để xác địnС độ cứng
lốp tính toán lý thuyết, áp dụng công thức
VL.BIDERMAN.

Hình 8. M ch thu thập s li u dùng cho mô
hình

Đối với dữ liệu kích thích mặt đường, trên mô
hình thực tế dùng cơ cấu tay quay con trượt với
tay quay là trục lệch tâm nên tại thờТ đТểm ban
đầu và thờТ đТểm kết tСúc dao động với trọng
lượng của hệ thống treo, hệ dao động luôn được
kéo xuống thấp nhất do trọng lực. σСư vậy dáng
đТệu của hàm mấp mô là dạng sТne nСưng sẽ
không có phần âm nСư Сàm sТne lý tСuyết. Vì
vậy để đồng nhất dữ liệu đầu vào ta cần xây
dựng dữ liệu mấp mô đầu vào dạng rời rạc với
Сàm sТne được biến đổi theo công thức:

3.2.2. Thi t k phần m m
Thiết kế phần mềm gồm có việc thiết kế cho
mạcС đo lường thu thập và ứng dụng trên máy
tính hỗ trợ hiển thị và lưu gТá trị. Đối với thiết kế
mạcС đoμ Trên môТ trường máy tínС, để thu thập,
hiển thị và lưu dữ kết quả đo từ những tín hiệu
gửi về máy tính qua mạch thu thập số liệu.
Nhóm tác giả xây dựng ứng dụng đo lường trên
máy tính dựa vào nền tảng LabVIEW. Quá trình
đọc và xử lý tín hiệu trên δabVIEW nСư sauμ
Dữ liệu
gia tốc
thô

Lọc

thông
thấp

Dữ liệu
gia tốc

Khoảng giá trị
0÷45000 N/mm
0÷12 Hz

Hiển thị

y=

δưu trữ

q0 q0
t
π
+ sin 2.π.f.
+3.
fs
2
2 2

(7)

Dữ liệu mấp mô mặt đường dạng rời rạc được
vẽ trên hình 11.

Hình 9. Quá trình đ c và xử lý tín hi u




H I NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC V CƠ KHÍ - Đ NG LỰC
Ngày 13, tháng 10, 2016 tại ĐH Bách Khoa Hà Nội

Hình 11. Biên d ng m p mô mặt đường

Hình 14. K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t với tr ng lượng phần treo là 3300N,
tần s kích thích 3Hz.

Sau khi thí nghiệm với sự tСay đổi tải trọng và
tần số kích thích, một số kết quả được liệt kê ra
bằng các biểu đồ nСư sauμ

Hình 12. K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t với tr ng lượng phần treo là 2700N,
tần s kích thích 2Hz.

Hình 15. K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t với tr ng lượng phần treo là 3500N,
tần s kích thích 3.5Hz.

Hình 13. K t qu so sánh gi a lý thuy t và
th c t với tr ng lượng phần treo là 3200N,
tần s kích thích 2.5Hz.

Hình 16. K t qu so sánh d li u th c t với
các t i tr ng thay đổi với cùng một tần s
kích thích.




H I NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC V CƠ KHÍ - Đ NG LỰC
Ngày 13, tháng 10, 2016 tại ĐH Bách Khoa Hà Nội

Từ những kết quả trên ta có những nhận xét:

6. Tài li u tham kh o

- Về tần số đáp ứng và sự biến thiên giá trị gia
tốc theo từng thí nghiệm thì hoàn toàn phù hợp
với tần số ФícС tСícС và đúng về mặt lý thuyết.

[1] Vũ Đức Lập (2011), Dao ơộng ô tô, Nhà xuất bản
quân đội nhân dân, Hà Nội.
[2] Nguyen Van Tra, Nguyen Phuc Hieu, Pham Dinh
Vi, (2005), Application of a Control Method in State
Space for Investigating Vibartion of the Quarter Car
Model, in Proceedings of the International Conference
on Automotive Technology for VietNam, Hanoi,
VietNam.

- Dáng đТệu của dữ liệu thực tế có biên dạng,
tính chất của dao động trong hệ thống phù hợp
với lý thuyết.

- Giá trị của biểu đồ thí nghiệm có giảm ít so với
biểu đồ lý thuyết, đТều này hoàn toàn hợp lý, do
có sự tham gia của các phần tử Сướng thực tế
trên mô СìnС. Trên mô СìnС tínС toán cСưa tСể
hiện được yếu tố này

[3] Cao Diệp Thắng và cộng sự (2016), Lập trình C và
hệ thống nhúng, Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và
công nghệ, Hà Nội.
[4] GLPK (2009), GLPK – GNU Linear Programming
Kit.

5. K t luận
Từ nghiên cứu này, cho thấy bước đầu mô hình
đã đáp ứng được nhu cầu cho các thí nghiệm
của hệ thống treo, đã được áp dụng tốt trong
quá trình giảng dạy.
Với khả năng cСo pСép tСay đổi nhiều các đТều
kiện vật lý cho phép thuận tiện và linh hoạt khi
dùng trong thí nghiệm.
Thiết bị đóng vaТ trò quan trọng trong các nghiên
cứu về đТều khiển và áp dụng các hệ thống đТều
khiển cho hệ thống treo với mô hình ¼ xe.
Tuy nhiên, vì là một nghiên cứu bước đầu nên
cũng đã cСo tСấy các nСược đТểm, cần có những
cải tiến Сơn nữa, khắc phục các nСược đТểm và
nâng cao các ưu đТểm đã có.