Xây dựng mô hình thực nghiệm và tính toán, mô phỏng các dạng hệ thống treo ô tô phục vụ công tác giảng dạy lý thuyết và thực tập

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
FOG

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:

XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH
TỐN, MƠ PHỎNG CÁC DẠNG HỆ THỐNG TREO
ÔTÔ PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY LÝ
THUYẾT VÀ THỰC TẬP
Mã số đề tài: T-KTGT-2012-27
Thời gian thực hiện: 12 tháng
Chủ nhiệm đề tài:

TS. Trần Hữu Nhân

Cán bộ tham gia đề tài:
Th.S Vương Như Long
Th.S Vũ Việt Thắng
Th.S Đinh Quốc Trí

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 2/2013


Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài
(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm)
1.
2.

3.

Vương Như Long, Giảng viên, Th.S, Bộ mơn Ơtơ-Máy động lực, Khoa KTGT
Vũ Việt Thắng, Giảng viên, Th.S, Bộ mơn Ơtơ-Máy động lực, Khoa KTGT
Đinh Quốc Trí, Giảng viên, Th.S, Bộ mơn Ơtơ-Máy động lực, Khoa KTGT


MỤC LỤC
I. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI……………………………………………………………………….

1

II. PHÂN TÍCH CÁC DẠNG KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO……………………………… 2
2.1 Công dụng hệ thống treo…………………………………………………………………… 2
2.2 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống treo………………………………………………………..

2

2.3 Phân loại các dạng hệ thống treo…………………………………………………………..

2

2.4 Kết cấu hệ thống treo……………………………………………………………………….

4

III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM…………………………………………………

12

3.1 Thiết bị xác định độ cứng lò xo…………………………………………………………….. 12
3.2 Thiết bị xác định thông số giảm chấn …………………………………………………….. 14
3.3 Thiết bị xác định thông số động học……………………………………………………….

16

IV. CƠ SỞ LÝ THUYẾT………………………………………………………………………. 18
4.1 Động học (dạng MacPherson)……………………………………………………………… 18
4.2 Động lực học............................................................................................................................ 19
V THÔNG SỐ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN.................................................................. 22
VI KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................................................. 24
6.1 Động học................................................................................................................................... 24
6.2 Động lực học............................................................................................................................. 24
6.3 Tính tốn tối ưu..........................................................................................................................26
6.4 Kết luận.......................................................................................................................................27
VII. KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ.................................................................................................. 28
Tài liệu tham khảo......................................................................................................................... 29
Phụ lục


I. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu thiết kế hệ thống treo có vai trị rất quan trọng trong q trình thiết kế ơtơ. Nhiều
tài liệu và cơng trình nghiên cứu về hệ thống treo đã được công bố đặc biệt là trong thời gian gần
đây với sự phát triển mạnh mẽ của việc ứng dụng công nghệ thông tin hỗ trợ tích cực trong tính tốn,
mơ phỏng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu thiết kế, mơ phỏng và phân tích hê thống treo vẫn còn tồn
đọng rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết, điều này đòi hỏi sự tổng hợp nhiều lĩnh vực chuyên môn
lại với nhau như: động học, động lực học, cơ học kết cấu, dao động, nhân trắc học, thống kê…
Nội dung các cơng trình, tài liệu nghiên cứu, giáo trình, bài giảng,… về lĩnh vực kết cấu
cũng như tính tốn mơ phỏng đối với hệ thống treo trên ơtơ ở nước ta cịn rất nhiều hạn chế. Trong
đó, đặc biệt là các mơ hình tốn được xây dựng phức tạp, nên rất cần thiết đến sự hỗ trợ tính tốn

của máy tính. Việc nghiên cứu ứng dụng tính tốn mơ phỏng là thực sự cần thiết góp phần nâng cao
trình độ thiết kế.
Để có thể góp phần nâng cao chất lượng đào tạo về lý thuyết và thực tập cho sinh viên tại Bộ
mơn Ơtơ-Máy động lực, tăng khả năng cạnh tranh trong việc thu hút đầu vào sinh viên. Đồng thời,
triển khai ứng dụng công nghệ thông tin trong thiết kế, mô phỏng làm giảm giá thành chi phí chế
tạo và thử nghiệm mẫu, rút ngắn thời gian thiết kế. Đặc biệt là khả năng triển khai ứng dụng kỹ
thuật mô phỏng trong công tác đào tạo đối với chuyên ngành kỹ thuật ôtô ở nước ta còn nhiều hạn
chế.
Để giải quyết các yếu tố trên, đồng thời theo hiện trạng thực tế về cơ sở vật chất tại Bộ môn,
mục tiêu của đề tài có thể được cụ thể hóa bao gồm: Cải tạo các mơ hình hệ thống treo có sẵn tại
xưởng Ơtơ; Xác định các thông số kỹ thuật và kết cấu của các mơ hình hệ thống treo trên; Xây dựng
được các mơ hình tính tốn mơ phỏng dựa trên các mơ hình thực nghiệm và các thơng số xác định
trên.

1


II. PHÂN TÍCH CÁC DẠNG KẾT CẤU HỆ THỐNG TREO
2.1 Công dụng hệ thống treo
Hệ thống treo của ô tô du lịch cũng như ơ tơ tải nói chung, là hệ thống liên kết đàn hồi các
cầu xe (cầu chủ động và bị động) với khung và thân xe. Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý
thỏa mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá
hỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe, không gây lên tải trọng lớn
tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ, có độ tin cậy lớn, độ bền cao và không gặp hư hỏng bất
thường.
Hệ thống treo đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chạy với tốc độ cao, đảm bảo các bánh
luôn tiếp xúc với mặt đường, nhất là khi hai bánh dẫn hướng của cầu trước. Chính trên cơ sở này hệ
thống treo được phân ra làm hai loại: hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụ thuộc.
Hệ thống treo thường bao gồm ba phần cơ bản:
-

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

-

Bộ phận dẫn hướng: truyền lực dọc, ngang và mômen từ đường lên các bánh xe. Động
học của bộ phận dẫn hướng xác định tính chất dịch chuyển tương đốicủa bánh xe đối với
khung.

-

Bộ phận giảm chấn: dập tắt dao động của bánh xe khi di chuyển, nhất là khi di chuyển ở
mặt đường gồ ghề.

2.2 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống treo
Hệ thống tro khi thiết kế cần đảm bảo các yêu cầu chính như sau:
-

Quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe.

-

Bánh xe có khả năng chuyển dịch trong một giới hạn không gian hạn chế.

-

Phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ thuật của xe.

-

Các tiêu chuẩn về kích thước, giá thành, độ bền, độ tin cậy…

2.3 Phân loại các dạng hệ thống treo
Hệ thống treo có thể được chia thành các loại tùy thuộc vào các tiêu chí dưới đây:
-

Dựa vào bộ phận dẫn hướng: phụ thuộc với cầu liền (loại riêng và loại thăng bằng); độc
lập (một đòn, hai đòn,...).

-

Dựa theo loại của bộ phận đàn hồi: bằng kim loại (nhíp lá, lị xo, thanh xoắn); bằng khí:
(loại bọc bằng cao su – sợi, màng hoặc loại ống); bằng thủy lực (loại ống); bằng cao su
(gồm loại chịu nén và loại chịu xoắn).

-

Dựa vào phương pháp dập tắt dao động (giảm chấn): thủy lực (có loại tác động một
chiều và hai chiều); ma sát cơ (gồm ma sát trong bộ phận đàn hồi và trong bộ phận dẫn
hướng).

-

Dựa vào phương pháp điều khiển: bị động (khơng có điều khiển - passive suspension);
chủ động (có điều khiển được - active suspension); bán chủ động (sự kết hợp của hai loại
trên - semi active suspension).

Có rất nhiều cách phân loại hệ thống treo trên ô tơ, nhưng theo thơng dụng có thể phân làm
hai loại chính sau: hệ thống treo phụ thuộc và hệ thống treo độc lập.

2


2.3.1. Hệ thống treo phụ thuộc
Đặc trưng cấu tạo của hệ thống treo phụ thuộc là dầm cầu cứng liên kết với hai bánh xe.
Trên xe có cầu chủ động toàn bộ cụm truyền lực cầu xe đặt trong dầm cầu. Trên xe có cầu bị động
dầm cầu cứng làm bằng thép định hình liên kết bằng dịch chuyển của hai bánh xe.
Ưu điểm của hệ thống treo phụ thuộc:
-

Trong quá trình chuyển động vết bánh xe được cố định do vậy khơng xảy ra mịn lốp
nhanh như ở hệ thống treo độc lập (do thay đổi góc camber).

-

Khi chịu lực bên hai bánh xe liên kết cứng, bởi vậy hạn chế hiện tượng trượt bên bánh xe.

-

Công nghệ chế tạo đơn giản, dễ tháo lắp và sửa chữa, giá thành thấp.

Nhược điểm:
-

Khối lượng phần không được treo lớn, đặc biệt là ở cầu chủ động nên xe chạy trên
đường không bằng phẳng, tải trọng động sinh ra sẽ gây lên va đập mạnh giữa phần treo
và phần không treo làm giảm độ êm dịu của chuyển động.

-

Khoảng không gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm cầu có thể thay đổi vị
trí, do vậy chiều cao trọng tâm cần phải lớn.

-

Sự nối cứng bánh xe 2 bên bờ dầm liên kết gây nên hiên tượng xuất hiện chuyển vị phụ
khi xe chuyển động.

Một vài sơ đồ cấu tạo một số dạng hệ thống treo phụ thuộc được thể hiện qua các Hình 2.1
và 2.2.

Hình 2.1 Dạng lị xo lá (leaf spring).

Hình 2.2 Dạng lị xo trụ kết hợp với các thanh dẫn hướng.
3


2.3.2. Hệ thống treo độc lập
Đặc trưng kết cấu như sau:
-

Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà lắp trên hai loại cầu rời, sự dịch chuyển
của hai bánh xe không phụ thuộc vào nhau (nếu coi như thùng xe đứng yên).

-

Mỗi bánh xe được liên kết bởi cách như vậy sẽ làm cho phần khối lượng không được
treo nhỏ, như vậy mơ men qn tính nhỏ do đó chuyển động của xe êm dịu.

-

Hệ thống treo này khơng cần dầm ngang nên khoảng khơng gian cho nó dịch chuyển chủ
yếu là khoảng không gian 2 bên sườn của xe như vậy có thể hạ thấp được trọng tâm của
xe và sẽ nâng cao được vận tốc của xe.

Hệ thống treo độc lập được sử dụng để một bánh xe di chuyển lên và xuống mà không ảnh
hưởng đến các bánh đối diện. Có nhiều hình thức và thiết kế của hệ thống treo độc lập. Tuy nhiên,
hệ thống treo hai đòn ngang (double A_arm) và một đòn ngang (McPherson) là hai trong các loại
hệ thống treo độc lập phổ biến nhất hiện nay.

Hình 2.3 Dạng hai địn ngang.

Hình 2.4 Dạng một địn ngang
2.4 Kết cấu hệ thống treo
2.4.1 Bộ phận đàn hồi
2.4.1.1 Chức năng
Có nhiệm vụ đưa vùng tần số dao động bất kì của nền đường về vùng tần số dao động phù
hợp với con người (60 – 85 dao động/phút).
4


Nối mềm giữa bánh xe và thân xe, giảm nhẹ tải trọng động tác động từ nền đường qua bánh
xe lên thân xe và người vận hành.
Tạo ra các đường đặc tính đàn hồi phù hợp với các chế độ hoạt động của xe.
2.4.1.2 Cấu tạo
Phần tử đàn hồi trong hệ thống treo được chế tạo có thể từ kim loại như lị xo lá (nhíp lá), lị
xo trụ, thanh xoắn. Hoặc có thể từ cao su, sử dụng khí nén, thủy lực,...
a) Lị xo lá (nhíp lá):
Được sử dụng khá rộng rãi trên những xe yêu cầu tải trọng lớn, làm việc trong môi trường

mấp mô mặt đường lớn. Nhíp được làm từ các lá thép cong, gọi là nhíp, sắp xếp lại với nhau theo
thứ tự từ ngắn đến dài. Đặc tính làm việc của nhíp là khi tải trọng tác dụng lên nhíp tăng thì biến
dạng của nhíp cũng tăng theo quy luật tuyến tính. Lị xo lá khơng chỉ có nhiệm vụ làm êm dịu
chuyển động mà còn đồng thời làm nhiệm vụ của bộ phận dẫn hướng. Thơng thường có hai loại
nhíp đơn và nhíp kép, trong đó có thể bao gồm một đến nhiều lá nhíp ghép lại với nhau.
Nhíp lá có những ưu điểm đó là độ cứng lớn, có thể làm thay nhiệm vụ cho cả giảm chấn và
thanh dẫn hướng, đặc tính đàn hồi của nhíp lá là tuyến tính, đường đặc tính ít thay đổi dưới tác dụng
của trọng lực.
Tuy nhiên nhíp lá cũng có một số nhược điểm đó là kích thước cồng kềnh, tốn kim loại, độ
cứng lớn nên khơng tạo được độ êm dịu cao.

Hình 2.5 Lị xo lá (hai hay nhiều lá nhíp)
b) Lị xo trụ

Hình 2.6 Lò xo trụ
Lò xo trụ được sử dụng rộng rãi trên ô tô con và xe tải hạng nhẹ. Độ cứng của lò xo trụ được
quyết định bởi chất liệu, đường kính và chiều dài của dây kim loại chế tạo lò xo.
5


Kết cấu đơn giản, có tuổi thọ cao hơn nhíp lá do khơng có ma sát khi làm việc, ít phải bảo
dưỡng sửa chữa. Đường đặc tính đàn hồi là phi tuyến.
Tuy nhiên, khi làm việc ở các vòng lò xo khơng có nội ma sát như nhíp nên thường phải bố
trí thêm giảm chấn kèm theo để dập tắt dao động. Do lò xo chỉ làm nhiệm vụ đàn hồi, còn nhiệm vụ
dẫn hướng và giảm chấn do các bộ phận khác đảm nhiệm nên hệ thống treo dung lị xo trụ thì kết
cấu phức tạp hơn do nó phải bố trí thêm hệ thống địn dẫn hướng để dẫn hướng cho bánh xe và
truyền lực kéo hay lực phanh.
2.4.2 Bộ phận giảm chấn
2.4.2.1 Chức năng
Nếu như một hệ thống treo chỉ có lị xo thì khi chịu tác động của mặt đường xe sẽ dao động

lên xuống một thời gian trước khi bị dập tắt. Khi bị tác động hệ thống treo cần một bộ phận làm triệt
tiêu năng lượng được tích trữ trong lị xo. Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm
chấn sẽ biến đổi cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu. Bộ giảm
chấn không những cải thiện độ chạy êm của xe mà còn giúp cho lốp xe bám đường tốt hơn và điều
khiển xe ổn định hơn. Hình 2.7 minh họa chức năng của bộ phận giảm chấn.

Hình 2.7 Chức năng dập tắt dao động của giảm chấn
2.4.2.2 Cấu tạo
Có thể phân loại giảm chấn gồm một số loại chính sau:
-

Theo cấu tạo: giảm chấn hai lớp vỏ; giảm chấn một lớp vỏ.

-

Theo nguyên lý hoạt động: tác dụng đơn; đa tác dụng.

-

Theo môi chất làm việc: giảm chấn thủy lực; giảm chấn khí nạp.

a) Giảm chấn kiểu ống đơn
Bộ giảm chấn đơn thường được nạp khí nitơ áp suất cao (20 – 30 kgf/cm2).
Bên trong xy lanh, buồng nạp khí và buồng chất lỏng được ngăn cách bằng một “pittông tự
do” (nó có thể chuyển động lên xuống tự do).

Hình 2.8 Cấu tạo giảm chấn kiểu ống đơn
6

Đặc điểm của bộ giảm chấn kiểu đơn là có khả năng toả nhiệt tốt vì ống đơn tiếp xúc trực
tiếp với khơng khí. Một đầu ống được nạp khí áp suất cao, và hoàn toàn cách ly với chất lỏng nhờ
có pittơng tự do. Kết cấu này đảm bảo trong q trình vận hành sẽ khơng xuất hiện lỗ xâm thực và
bọt khí, nhờ vậy mà có thể làm việc ổn định. Giảm tiếng ồn rất nhiều.
Quá trình hoạt động như sau:
+ Hành trình ép (nén): trong hành trình nén, cần pittông chuyển động xuống làm cho áp suất
trong buồng dưới cao hơn áp suất trong buồng trên. Vì vậy chất lỏng trong buồng dưới bị ép lên
buồng trên qua van pittông. Lúc này lực giảm chấn được sinh ra do sức cản dịng chảy của van. Khí
cao áp tạo ra một sức ép rất lớn lên chất lỏng trong buồng dưới và buộc nó phải chảy nhanh và êm
lên buồng trên trong hành trình nén. Điều này đảm bảo duy trì ổn định lực giảm chấn.

Hình 2.9 Hành trình nén và giãn của giảm chấn kiểu ống đơn
+ Hành trình trả (giãn): trong hành trình giãn, cần pittơng chuyển động lên làm cho áp suất
trong buồng trên cao hơn áp suất trong buồng dưới. Vì vậy chất lỏng trong buồng trên bị ép xuống
buồng dưới qua van pittông, và sức cản dịng chảy của van có tác dụng như lực giảm chấn.
Vì cần pittơng chuyển động lên, một phần cần dịch chuyển ra khỏi xy-lanh nên thể tích chốn chỗ
trong chất lỏng của nó giảm xuống. Để bù cho khoảng hụt này, pittông tự do được đẩy lên (nhờ có
khí cao áp ở dưới nó) một khoảng tương đương với phàn hụt thể tích.
b) Giảm chấn kiểu ống kép

Hình 2.10 Cấu tạo giảm chấn kiểu ống kép
7


Bên trong vỏ (ống ngồi) có một xy-lanh (ống nén), và trong xy-lanh có một pittơng chuyển
động lên xuống. Đầu dưới của cần pittơng có một van để tạo ra lực cản khi bộ giảm chấn giãn ra.
Đáy xy-lanh có van đáy để tạo ra lực cản khi bộ giảm chấn bị nén lại. Bên trong xy-lanh được nạp
chất lỏng hấp thu chấn động, nhưng buồng chứa chỉ được nạp đầy đến 2/3 thể tích, phần cịn lại thì
nạp khơng khí với áp suất khí quyển hoặc nạp khí áp suất thấp. Buồng chứa là nơi chứa chất lỏng đi
vào và đi ra khỏi xy lanh. Trong kiểu buồng khí áp suất thấp, khí được nạp với áp suất thấp (3 – 6

kgf/cm2). Làm như thế để chống phát sinh tiếng ồn do hiện tượng tạo bọt và xâm thực, thường xảy
ra trong các bộ giảm chấn chỉ sử dụng chất lỏng. Giảm thiểu hiện tượng xâm thực và tạo bọt còn
giúp tạo ra lực cản ổn định, nhờ thế mà tăng độ êm và vận hành ổn định của xe. Vì trong trường hợp
chất lỏng chảy với tốc độ cao trong bộ giảm chấn, áp suất ở một số vùng sẽ giảm xuống, tạo nên các
túi khí hoặc bọt rỗng trong chất lỏng. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Các bọt khí này sẽ bị
vỡ khi di chuyển đến vùng áp suất cao, tạo ra áp suất va đập. Hiện tượng này phát sinh tiếng ồn, làm
áp suất dao động, và có thể dẫn đến phá huỷ bộ giảm chấn.
Quá trình hoạt động như sau:
+ Hành trình nén (ép)

Hình 2.11 Hành trình nén của giảm chấn kiểu ống kép
ƒ

Tốc độ chuyển động của cần pittông cao: khi pittông chuyển động xuống, áp suất
trong buồng A (dưới pittông) sẽ tăng cao. Dầu sẽ đẩy mở van một chiều (của van
pittông) và chảy vào buồng B mà không bị sức cản nào đáng kể (không phát sinh lực
giảm chấn). Đồng thời, một lượng dầu tương đương với thể tích chốn chỗ của cần
pittơng (khi nó đi vào trong xy lanh) sẽ bị ép qua van lá của van đáy và chảy vào
buồng chứa. Đây là lúc mà lực giảm chấn được sức cản dịng chảy tạo ra.

Hình 2.12 Hoạt động các van trong hành trình nén của giảm chấn kiểu ống kép
ƒ

Tốc độ chuyển động của cần pittông thấp: nếu tốc độ của cần pittơng rất thấp thì van
một chiều của van pittông và van lá của van đáy sẽ khơng mở vì áp suất trong buồng
A nhỏ. Tuy nhiên, vì có các lỗ nhỏ trong van pittơng và van đáy nên dầu vẫn chảy
vào buồng B và buồng chứa, vì vậy chỉ tạo ra một lực cản nhỏ.

8

+ Hành trình trả (giãn):

Hình 2.13 Hành trình giãn của giảm chấn kiểu ống kép
ƒ

Tốc độ chuyển động của cần pittông cao: khi pittông chuyển động lên, áp suất trong
buồng B (trên pittông) sẽ tăng cao. Dầu sẽ đẩy mở van lá (của van pittông) và chảy
vào buồng A. Vào lúc này, sức cản dịng chảy đóng vai trị lực giảm chấn. Vì cần
pittơng chuyển động lên, một phần cần thốt ra khỏi xy-lanh nên thể tích chốn chỗ
của nó giảm xuống. Để bù vào khoảng hụt này dầu từ buồng chứa sẽ chảy qua van
một chiều và vào buồng A mà khơng bị sức cản đáng kể.

Hình 2.14 Hoạt động các van trong hành trình giãn của giảm chấn kiểu ống kép
-Tốc độ chuyển động của cần pittông thấp: khi cán pittông chuyển động với tốc độ thấp,
cả van lá và van một chiều đều vẫn đóng vì áp suất trong buồng B ở trên pittơng thấp. Vì
vậy, dầu trong buồng B chảy qua các lỗ nhỏ trong van pittông vào buồng A. Dầu trong
buồng chứa cũng chảy qua lỗ nhỏ trong van đáy vào buồng A, vì vậy chỉ tạo ra một lực
cản nhỏ.
c) Giảm chấn Vario:

Hình 2.15 Cấu tạo giảm chấn kiểu Vario
Kết cấu tương tự như loại giảm chấn kiểu ống kép. Loại giảm chấn Vario có một đặc điểm
nổi bật đó là có khả năng thích nghi được với điều kiện đường có rung xóc thay đổi.
9


Khi xe có tải trọng nhẹ, vị trí của piston nằm ở vùng trên của ống dầu, ở đó được thiết kế
những khe nhỏ để tạo điều kiện cho dầu di chuyển xuống vùng dưới một cách dễ dàng hơn vì vậy
áp lực lên piston nhỏ từ đó hiệu ứng giảm chấn cũng giảm nhỏ.

Khi xe có tải trọng lớn, vị trí cân bằng của piston sẽ bị đẩy xuống thấp hơn, do dưới này
khơng có những khe nhỏ lên dầu từ ngăn trên chảy xuống dưới sẽ khó khăn hơn vì vậy dầu sẽ chảy
qua van tiết lưu trên piston từ đó áp lực tác dụng lên thân piston sẽ lớn làm tăng khả năng dập tắt
dao động của giảm chấn, phần dầu dư do áp lực cao cũng được dẫn qua van dưới đáy để vào khoang
bù dầu như đối với trường hợp giảm chấn ống kép.
d) Giảm chấn khí – thủy lực

Hình 2.16 Giảm chấn khí – thủy lực
Đây là tổng hợp của lò xo đàn hồi có giảm chấn cùng với lị xo khí - thủy lực. Trong hệ
thống này, piston của phần đàn hồi cũng như trục của nó đồng thời là trục của bộ giảm chấn. Phần
lị xo khí nằm trong một khối cầu bao bọc bởi 1 màng cao su đặc biệt (màu xanh). Phần tích trữ khí
cùng với khơng gian mặt trên (theo quy ước trên dưới khi giảm chấn thẳng đứng) của piston được
nối với nhau bởi một đường ống thủy lực (ống màu xám). Khi giảm chấn và lò xo bị đè xuống, dầu
bị ép chạy theo ống đó (màu xanh) chạy sang buồng khí nén, khi xe bị nén mạnh, tăng áp suất, làm
tăng thêm sức đàn hồi của lị xo khí, lị xo này cùng với lị xo kim loại tác động trực tiếp lên khung
xe, tạo sức đàn hồi tổng hợp thay đổi được theo tải trọng. Khơng những thế, trên đường ống dẫn dầu
và khí về để ép túi khí, người ta cịn bố trí thêm van điều khiển nhằm chủ động thay đổi mức tác
động của dầu và khí nén lên túi khí, đưa đến việc thay đổi độ cứng đàn hồi tổng hợp của cả hệ thống
giảm chấn. Cũng nhờ cơ chế hồi tiếp như vậy mà khoảng cách giữa trục bánh xe và khung xe gần
như được giữ nguyên khi thay đổi tải trọng. Khi xe nặng, dầu ép mạnh làm túi khí đội lên mạnh
hơn. Khi xe nhẹ, áp lực dầu giảm, túi khí mềm đi, giảm bớt tác động lên khung xe.
2.4.3 Bộ phận dẫn hướng
2.4.3.1 Chức năng
Mỗi hệ thống treo có cấu tạo bộ phận dẫn hướng khác nhau, nhưng có nhiệm vụ chung là
đảm bảo các bánh xe dịch chuyển thẳng đứng, ở mọi vị trí của nó so với khung vỏ, bánh xe phải
đảm nhận chức năng truyền lực đầy đủ gồm lực dọc, lực ngang cũng như moment phản lực và
moment phanh.
Đồng thời, phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản:
-

Động học và động lực học của các bánh xe khi ô tô chuyển động.

-

Giữ được đúng động học của truyền động lái
10


-

Độ nghiêng của thùng xe trong mặt phẳng ngang phải bé

-

Đảm bảo việc bố trí hệ thống treo thuận tiện

-

Kết cấu đơn giản, dễ sử dụng

-

Trọng lượng bé

11


III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
3.1 Thiết bị xác định độ cứng lò xo
3.1.1 Cấu tạo

Thiết bị được thiết kế thông qua việc sửa chữa và cải tạo máy ép thủy lực đang bị hư hỏng
tại xưởng Ơtơ. Thơng qua quá trình thiết kế, hiện nay thiết bị này có khả năng sử dụng để xác định
thơng số đường đặc tính đàn hồi tĩnh của phần tử lị xo trên hệ thống treo.

Hình 3.1 Thiết bị xác định độ cứng lị xo
6

5
4

7

3

1

8
Kg/Cm 2

2
1

0

9
10

2
3
4

5

8
9

10

6

11

12
13
7

Hình 3.2 Bố trí chung thiết bị xác định độ cứng lò xo
1 đồng hố áp suất, 2 giá đỡ cố định, 3 cần gật bơm thủy lực, 4 khung, 5 khóa van thủy lực, 6 thước ,
7 giá đỡ di động, 8 van 1 chiều, 9 xylanh, 10 lò xo, 11 dẫn hướng, 12 giá đỡ lò xo, 13 lỗ di chuyển
khoảng cách.
12


Thiết bị xác định độ cứng lò xo gồm một số bộ phận sau:
-

Khung: Được chế tạo bằng thép hình, kết cấu đủ cứng đảm bảo q trình hoạt động.

-

Lị xo trụ: mẫu thí nghiệm

-

Bơm thủy lực: tạo áp lực nén lò xo.

-

Xylanh thủy lực: bộ phận chấp hành tạo lực ép lò xo

-

Đồng hồ áp suất: hiển thị áp suất làm việc của xylanh thủy lực khi nén lò xo.

-

Giá đỡ và dẫn hường lò xo: đảm bảo lò xo chuyển động lên xuống tại vị trí trong suốt
quá trình làm việc.

-

Thước lá: xác định độ biến dạng dài lị xo trong q trình làm việc.

3.1.2 Q trình hoạt động
-

Lắp lò xo lên giá đỡ lò xo.

-

Đặt giá đỡ lị xo cùng lị xo lên khung.

-

Vặn van khóa đường dầu hồi của xylanh thủy lực.

-

Gật cần gật bơm dầu qua xylanh.

-

Khi xylanh thủy lực đi xuống tỳ lên bát định vị lị xo nén lị xo lại.

-

Khi đó đồng hồ áp suất sẽ chỉ lực tác dụng lên lò xo, lực tác dụng lên lò xo lúc này là áp
suất P0.

-

Ghi lại lực này và kích thước trên thước đo hành trình.

-

Tiếp tục bơm nén lị xo đến hành trình tiếp theo đọc áp suất trên đồng hồ.

Thiết bị có cấu tạo và hoạt động đơn giản dễ thiết kế. Tuy nhiên, có giới hạn là chỉ có thể tạo
tải trọng tĩnh.
3.1.2 Thơng số kỹ thuật

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Đồng hồ áp suất
Bơm thủy lực
Đường kính xy lanh
Hành trình xy lanh
Thước đo chiều dài
Đường kính nhỏ lị xo
Đường kính lớn lị xo
Chiều dài lị xo
Đường kính sợi lị xo
Số vịng lò xo

ĐƠN VỊ
kg/cm2
KW
mm
mm
mm

mm
mm
mm
mm
vòng

13

GIÁ TRỊ
10
100
90
250
90
120
255
14
7


3.2 Thiết bị xác định thông số giảm chấn
3.2.1 Cấu tạo
Xác định hệ số giảm chấn thông qua thông số vận tốc nhờ vào thông số về quãng đường đã
cho và giá trị các khoảng thời gian đo được cho các tải trọng khác nhau. Từ đó, xác định đường đặc
tính của giảm chấn và giá trị của hệ số giảm chấn.

Hình 3.3 Thiết bị xác định hệ số giảm chấn

1
2

3

7
8

4

5

6

Hình 3.4 Bố trí chung thiết bị xác định hệ số giảm chấn
1 Khung, 2 tay gạt, 3 tấm khối lượng, 4 cữ hành trình dưới, 5 giảm chấn, 6 bát đỡ giảm chấn, 7 tấm
đỡ, 8 cữ hành trình trên
Thiết bị cấu tạo gồm các bộ phận sau:
-

Khung: có kết cấu đảm bảo độ vững chắc trong quá trình làm việc.

-

Giảm chấn thủy lực: mẫu thí nghiệm

-

Các tấm khối lượng: để thay đổi tải trọng tác dụng lên giảm chấn.

-

Cữ hành trình: khống chế hành trình hoạt động cố định.

14


-

Đồng hồ đo thời gian.

3.2.2 Quá trình hoạt động
-

Lắp tấm đỡ lên cốt giảm chấn.

-

Kéo giảm chấn lên hết hành trình dùng tay gạt, gạt giữ cốt giảm chấn lại.

-

Thả tấm kim loại có tải trọng xác định lên giá đỡ.

-

Xoay tay gạt cho ra khỏi tấm đỡ, khi đó khối lượng tấm kim loại làm giảm chấn đi
xuống. Lần lượt thay thay các tấm kim loại khác nhau ta có tốc độ giảm chấn khác nhau.

3.2.3 Thơng số kỹ thuật
STT THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Đường kính piston giảm
chấn
1

2
Đường kính cốt giảm chấn
3
Hành trình giảm chấn
4
Tấm khối lượng lớn
5
Tấm khối lượng trung bình
6
Tấm khối lượng nhỏ
7
Hành trình thực nghiệm

ĐƠN VỊ
mm
mm
mm
kg
kg
kg
mm

15

GIÁ TRỊ
40
16
110
2
1

0.5
90

SỐ LƯỢNG

1
2
2


3.3 Thiết bị xác định thông số động học
3.3.1 Cấu tạo
Tạo chuyển động trên mơ hình gần giống chuyển động của xe trong thực tế, xác định các
thông số động học làm việc của các khâu liên kết trong hệ thống treo bao gồm kích thước các khâu
và giới hạn làm việc của hệ thống treo.

Hình 3.5 Mơ hình xác định thơng số động học (hệ thống treo một địn ngang MacPherson)

1

2

5

6

3
4

7

9
10
8

11

Hình 3.6 Bố trí chung mơ hình xác định thơng số động học (hệ thống treo một địn ngang
MacPherson)
1 giảm chấn, 2 bạc xoay, 3 cốt xoay, 4 đĩa lệch tâm, 5 vỏ truc quay, 6 tay quay,
7 trục quay, 8 bulong liên kết khung, 9 chân đỡ phụ, 10 khung mơ hình,
11 khung chính
Thiết bị cấu tạo gồm các bộ phận sau:
-

Giảm chấn thủy lực được tháo hết dầu thủy lực làm mất lực cản khi hệ thống treo chuyển
động lên xuống.

-

Trục quay tay tạo chuyển động.
16


-

Đĩa lệch tâm tạo chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

3.3.2 Quá trình hoạt động
-

Dùng tay quay tay quay đĩa lệch tâm của mơ hình. Khoảng lệch tâm được thiết kế bằng
với khoảng động học tối đa của hệ thống treo trong quá trình làm việc thực tế.

-

Khi đĩa lệch tâm quay đẩy con lăn lắp trên cốt bánh xe lăn theo.

-

Do là đĩa lệch tâm nên khi quay tạo nên chuyển động lên xuống của hệ thống treo.

-

Các thơng số động học hệ thống treo trong q trình làm việc được xác.

3.3.3 Thơng số kỹ thuật
STT
1

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Đường kính tấm lệch tấm

ĐƠN VỊ
mm

2

Khoảng cách lệch tâm

mm

15

3
4

Khoảng dịch chuyển
Hành trình giảm chấn

mm
mm

30
110

17

GIÁ TRỊ
200


IV. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
4.1 Động học (dạng MacPherson)
Tính tốn xác định các thông số động học phải được thực hiện trước tiên để có thể kiểm tra
khả năng lắp ráp và làm việc. Bao gồm các thông số về vị trí, vận tốc, gia tốc của cơ cấu, tỉ số giữa
khoảng hành trình làm việc của bộ phận đàn hồi và giảm chấn so với bánh xe, trong giới hạn làm
việc của hệ thống treo. Mơ hình cơ cấu tay quay con trượt đảo được sử dụng để mô hình hóa mơ
hình động học hệ thống treo Macpherson như Hình 4.1.

a)

b)

Hình 4.1.
a) Mơ hình động học hệ thống treo Macpherson dưới dạng tay quay con trược đảo
b) Mơ hình cơ cấu tay quay con trược đảo sử dụng để tính tốn động học hệ thống treo
Macpherson.
Cơ cấu tay quay con trượt đảo bao gồm 4 khâu như thể hiện ở Hình 4.1b. Trong đó, khâu số
1 nối đất, là khâu cơ sở chuẩn tham chiếu cho các khâu khác trong q trình tính tốn động học.
Khâu số 2 (MA) là khâu đầu vào trạng thái được xác định thông qua biến số đầu vào là giá trị góc
θ2. Khâu số 3 là trung gian có vị trí được xác định bởi góc θ3. Khâu số 4 là thanh trượt được xem
như khâu đầu ra của cơ cấu, có liên kết bản lề và khớp trượt lần lượt với khâu số 1 và 3. Thông số
đầu ra là giá trị độ dài của 3 là AB (hoặc giá trị góc θ4).
Sự thay đổi chiều dài khâu trung gian số 3 hay là khoảng hành trình làm việc của bộ phận
đàn hồi (ở đây là lò xo trụ) và giảm chấn trong giới hạn làm việc của hệ thống treo Macpherson phụ
thuộc vào giá trị độ dài của các khâu (a, d, e) còn lại trong cơ cấu và giá trị góc θ2, theo Hình 4.2 và
được xác định theo cơng thức như sau:

b = a 2 + d 2 − e2 − 2ad cos θ 2

(1)

Hình 4.2. Mơ hình thơng số động học hệ thống treo Macpherson dưới dạng tay quay con trược
đảo
Tập hợp thay đổi vị trí của điểm C trên Hình 4.2 cho ta quỹ đạo chuyển động của tâm bánh
xe trong khoảng giới hạn làm việc. Tọa độ điểm C được xác định theo như sau:
18


xc = a cos θ 2 + c cos(π − α − θ 4 )

(2)

yc = a sin θ 2 + c sin(π − α − θ 4 )

Trong đó giá trị góc θ4 được xác định bởi:
⎛ − H + H 2 − 4GI
⎜
2G
⎝

⎞
⎟ ; G = d − e − a cos θ 2 ;
⎟
⎠
H = 2a sin θ 2 ; I = a cos θ 2 − d − e

θ 4 = 2 tan −1 ⎜

(3)

4.2 Động lực học
Để tính tốn các thơng số động lực học hệ thống treo ơtơ ta sử dụng mơ hình đơn giản bao
gồm hệ thống lò xo – khối lượng – giảm chấn. Mơ hình động lực học đơn giản mơ tả hệ thống treo
Macpherson được thể hiện ở Hình 4.3:
Với k và c lần lượt là độ cứng lò xo và hệ số giảm chấn của hệ thống treo. Giá trị tương
đương của độ cứng lò xo ke và hệ số giảm chấn ce trong mơ hình được xác định theo mối quan hệ
tương quan hình học như thể hiện trên Hình 4.3.
2

⎛a
⎞
⎛a
⎞
ke = k ⎜ cos α ⎟ ; ce = c ⎜ cos α ⎟
b
b
⎝
⎠
⎝
⎠

2

(4)

Mơ hình thể hiện ôtô đang chuyển động trên mặt đường mấp mô ngẫu nhiên với vận tốc v
được thể hiện ở Hình 4.4.
Các thông số khoảng cách 2 đỉnh mấp mô d1 và sai lệch độ mấp mơ giữa vị trí cao nhất và
thấp nhất của mặt đường d2 được thể hiện trên Hình 4.4. Giả sử lốp xe có độ cứng lớn và bán kính
rất bé so với mấp mơ của mặt đường, chúng ta có thể xem y là độ thay đổi mấp mơ của mặt đường.

Hình 4.3. Mơ hình động lực học hệ thống

Hình 4.4. Mơ hình ơtơ chuyển động trên mặt đường mấp mô ngẫu nhiên với vận tốc v
19


Để đơn giản hóa sự mấp mơ ngẫu nhiên của mặt đường, ta giả sử sự mấp mô thay đổi tuần
hồn theo thời gian, như vậy ta có thể sử dụng hàm tốn học tuần hồn sin để mơ tả, được xác định

như sau:
T=

d1
d
2π 2π v
2π v
=
;ω =
; y = Y sin ωt = 2 sin
t
2
v
T
d1
d1

(5)

Trong đó: T: chu kỳ (s); w: tần số góc (rad/s); Y: biên độ hàm tuần hồn mơ tả mấp mơ mặt
đường hay hàm kích động (m)
Phương trình động lực học mơ tả trạng thái hệ thống treo được xác định bằng mơ hình cân
bằng của các lực tác dụng lên phần khối lượng được treo m (Hình 4.3) như sau:
mx&& = −ce ( x& − y& ) − ke ( x − y )

(6)

Giới hạn thay đổi tần số góc ω của hàm kích động y thể hiện sự mấp mô của mặt đường,
(P.tr. 5) được xác định theo sự thay đổi của vận tốc chuyển động của ôtô v. Tương ứng với từng giá
trị ω trong vùng giới hạn thay đổi của nó ta có thể tính tốn được biên độ dao động X của ơtơ theo

phương trình sau:
X =Y

1 + ( 2ξ r )

2

(1 − r ) + ( 2ξ r )
2 2

(7)
2

ce
; Tần số dao động tự nhiên của hệ: ωn =
2 ke m
Tỉ số giữa tần số hàm kích động và tự nhiên của hệ: r = ω
ωn

Trong đó: Tỉ số giảm chấn của hệ: ξ =

ke
;
m

Để tiến hành xây dựng mơ hình Matlab/Simulink tính tốn phương trình động lực học hệ
thống treo (6) ta có thể thiết lập mơ hình cấu trúc chương trình mơ tả hệ thống như Hình 4.5.
Thơng số
ban đầu

Gia tốc

Vận tốc

Chuyển vị

Lực
Giảm chấn

Lực
Lị xo

Hình 4.5. Mơ hình cấu trúc chương trình mơ tả động lực học hệ thống treo
Mơ hình Matlab/Simulink cho phép xác định giá chuyển vị của phần khối lượng được treo m
(Hình 4.3.) theo thời gian cho từng giá trị tần số của hàm kích động y, được thể hiện ở Hình 4.6.

20


F.mat
Force_to file

Spring Force
ke
Road profile
(Sine Wave)

1/m
ma ss

stiffness

Displacement

Velocity

Acceleration
1
s

1
s

Integrator

Integrator1

Scope

Damping Force
damping
ce

du/dt
Derivative

Hình 4.6. Mơ hình Matlab/Simulink

21

x.mat
Displacement_to file


V THƠNG SỐ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN
Thực nghiệm được tiến hành trên hệ thống treo Macpherson đang được sử dụng cho xe tải
nhẹ SMV-T880. Các thông số động học được đo đạc ngay trên mơ hình kết cấu của hệ thống treo,
quá trình thực nghiệm được đo đạc nhiều lần và giá trị trung bình được tính tốn qua nhiều lần đo
được thể hiện ở Bảng 5.1. Trong đó, ý nghĩa các ký hiệu thơng số của mơ hình động học được thể
hiện ở Hình 4.2. Giá trị góc θ2 thay đổi trong khoảng từ 900 đến 1100 được xác định dựa theo giới
hạn trạng thái làm việc của hệ thống treo trên ôtô bằng thực nghiệm ở trang thái không tải và đầy tải
tối đa.
Bảng 5.1. Thông số thực nghiệm mơ hình động học
Ký hiệu độ dài
d
a
e
c

Giá trị (mm)
715
330
210
122

Ký hiệu góc
θ1
θ2

Giá trị (độ)

180
[90 ÷ 110]

Thiết bị thí nghiệm xác định độ cứng lò xo k và hệ số giảm chấn c được thể hiện lần lượt ở
Hình 5. a) và b).

Hình 5.1. a) Thiết bị thí nghiệm xác định độ cứng bộ phận đàn hồi (lò xo)
b) Thiết bị thí nghiệm xác định hệ số giảm chấn
Thiết bị đo các thông số ở trạng thái tĩnh. Đường đặc tính của bộ phận đàn hồi (lị xo) thể
hiện mối quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển vị lò xo được thể hiện ở Hình 5.2 a). Xét trong
trường hợp gần đúng, giá trị độ cứng k = 50.973 (N/m) của lò xo được xác định dựa vào đường đặc
tính thực nghiệm được tuyến tính hóa dưới dạng đa thức bậc một.
Tương tự, đường đặc tính của bộ phận giảm chấn thể hiện mối quan hệ giữa lực tác dụng và vận
tốc dịch chuyển của giảm chấn được thể hiện ở Hình 5.2 b). Một cách gần đúng, dựa theo đường
đặc tính thực nghiệm thu được, giá trị hệ số giảm chấn c = 4.367 (N.s/m)
Giá trị độ cứng và giảm chấn tương đương dùng để tính tốn được xác định theo phương trình
(6), trong đó các giá trị a = 287; b = 410;α = 9 như thể hiện ở Hình 4.3 được xác định bằng thực
nghiệm. Giá trị độ cứng lò xo và giảm chấn tương đương lần lượt là ke = 24.366 (N/m) và ce = 2088
(N.s/m).

22