Xây dựng mô hình nghiên cứu sự làm việc của của hệ thống treo khí có điều khiển điện tử trên xe du lịch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ ĐỨC BÌNH

XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC
CỦA HỆ THỐNG TREO KHÍ CĨ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
TỬ TRÊN XE DU LỊCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
Chuên nghành: Cơ khí động lực

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS PHẠM HỮU NAM

Hà Nội – Năm 2014


LờI CAM ĐOan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do chính tôi
nghiên cứu và thùc hiƯn víi sù h­íng dÉn khoa häc cđa PGS.TS Phạm Hữu Nam.
Thông tin và số liệu tham khảo sử dụng trong luận văn được trích dẫn đầy đủ nguồn
tài liệu tại danh mục tài liệu tham khảo là trung thực. Nội dung của luận văn hoàn
toàn phù hợp với tên đề tài đà được đăng ký và phê duyệt của hiệu trưởng trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội.
Tác giả luận văn

Vũ Đức Bình

i

Lời cảm ơn
để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này tác giả đà nhận được sự quan tâm
giúp đỡ tận tình của nhiều người . Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến:
Thầy PGS.TS Phạm H÷u Nam, ng­êi h­íng dÉn khoa häc trùc tiÕp. Ng­êi đÃ
dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tác giả hoàn
thành tốt luận văn tốt nghiệp.
Quý thầy cô và các anh chị trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng, Viện cơ khí
động lực, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đà dúp đỡ, chỉ dẫn và tạo rất nhiều
điều kiện để tôi học tập nghiên cứu tại đây.
Nhóm học viên Cao học chuyên nghành Ô tô và xe chuyên dụng và chuyên
nghành Động cơ đốt trong đang theo học chường trình Cao học trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội.
Gia đình, bạn bè và các đông nghiệp của khoa công nghệ ô tô, trường Cao
Đẳng Nghề Công nghiệp Hà Nội. Những người đà luôn ở bên cổ vũ động viên tôi
trong thời gian học tập cũng như làm luận văn.

Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2014

Vũ Đức Bình

ii


Mục lục
Trang
Lời nói cam đoan
Lời cảm ơn
Mục luc
Danh mục các ký hiệu

Danh mục các ký hiệu

i
ii
iii
v
vi

Chương I: TổNG QUAN về vấn đề nghiên cứu
1.1. Lĩnh vực nghiên cứu

1
1

1.2. Đối tượng nghiên cứu

2

1.3.Các vấn đề liên quan đến đối tượng nghiên cứu
1.3.1.Vai trò hệ thống treo trên ô tô

2
2

1.3.2. Các chỉ tiêu đánh giá dao động của hệ thống treo

3

1.3.3. Các yêu cầu của hệ thống treo

7

1.4.Phân tích ưu nhược điểm của hệ thống treo
1.4.1.Các thông số cơ bản của hệ thống treo

8
10

1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

11
12

1.5.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
1.6. Đặt vấn đề nghiên cứu

13
13

Chương II: đặc tính làm việc của hệ thống treo
2.1. Đặc tính đàn hồi hƯ thèng treo
2.2. Tỉng quan vỊ hƯ thèng treo khÝ điều khiển điện tử trên xe du lịch
2.3. Xy lanh kí hệ thống treo
2.3.1. Kết cấu và nguyên lý làm việc của phần tử đàn hồi khí
2.3.2. Hệ thống điều khiển phần tử đàn hồi khí
2.4.Kết luận

16
16

18
18
20
24
27

Chương III : xây dựng phương trình vi phân mô tả
động lực học hệ thống treo khí
3.1.Phương pháp mô tả tập trung
3.1.1.Các giả thiết xây dựng phương trình vi phân
3.1.2.Lưu lượng và biến đổi ¸p suÊt khÝ qua ®­êng èng

iii

29
29
30
31


3.1.3.Lưu lượng và biến đổi áp suất khí qua đường bình chứa
3.1.4.Lưu lượng và biến đổi áp suất khí qua đường van
3.2. Trạng đàn hồi khí thái áp suất và lưu lượng trong phần tử
3.1.1.Phương trình trạng thái bình khí chinh
3.1.2.Phương trình trạng thái bình khí phụ
3.1.3.Phương trình trạng thái van tiết lưu
3.1.4.Phương trình mô tả cho khối lượng được treo
3.1.5.Hệ phương trình mô tả sự làm việc của phần tử đàn hồi khí
3.3. Mô hình 1/4 hệ thống treo bi động
CHƯƠNG IV: MÔ PHỏNG

4.1. Thông số đầu vào mô phỏng
4.2.Giới thiệu về Matlab-Simulink
4.2.1.Đặc điểm của Simulink
4.2.2.Cấu trúc một số sơ đồ Simulink
4.2.3.Trình tự thực hiện quá trình mô phỏng
4.3.Xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của phần tử đàn hồi khí
bằng công cụ Simulink
4.3.1. Khối mô phỏng mặt đường
4.3.2. Khối mô phỏng bình khí chính
4.3.3. Khối mô phỏng bình khí phụ
4.3.4. Khối mô phỏng van tiết lưu
4.3.5. Khối mô phỏng hệ thống treo bị động
4.4. Kết quả mô phỏng
4.4.1.Các trường hợp mô phỏng
4.4.2.Kết luận ảnh hưởng van tiết lưu và bình khí phụ tơI sự làm việc
của phần tử đàn hồi
KếT LUậN
Tài liệu tham khảo

iv

32
33
36
37
38
39
40
41
41

44
44
44
45
45
46
49
49
49
50
51
52
53
53
62
63
65


DANH Mục các kí hiệu chữ viết tắt
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

ms

Khối lượng phần không được treo

kg

mu

Khối lượng phần được treo

kg

ks

Độ cứng của phần tử dàn hồi

N/m

kt

Độ cứng của lốp

N/m

bs

Hệ số cản giảm chấn của phần tử giảm chấn

N.s/m

bt

Hệ số cản giảm chấn của lốp

N.s/m

zs

Chuyển vị thẳng đứng

m

zu

Chuyển vị thẳng đứng của khối không được treo

m

zr

Chiều cao nhấp nhô mặt đường theo phương thẳng đứng

m

f

Tần số dao động

Hz

ECU

Bộ xử lý và điều khiển trung tâm

Cx

Độ cứng của hệ thống tại vị trÝ bÊt kú

m&

L­u l­ỵng khÝ

v


Danh mục đồ thị

Hình 4.7.Van tiết lưu đóng và tốc độ biến thiên ballon thấp ............................... 55
Hình 4.8. Van tiết lưu đónàg vận tốc độ biến thiên ballon cao ........................... 55
Hình 4.9.Biến đổi áp suất qua van khi h&cao ........................................................ 56
Hình 4.10.Biến đổiáp suất qua van khi h&thấp ...................................................... 56
Hình 4.11a.Lực tác dụng lên khối lượng phần tử được treo khi h&thấp ................. 57
Hình 4.11b.Lực tác dụng lên khối lượng phần tử được treo khi h&cao .................. 57
Hình 4.12. áp suất trong bình khí chính và bình khí phụ khi độ mở tiết lưu nhỏ, biến
thiên h& nhỏ ........................................................................................................... 58
Hình 4.13. áp suất trong bình khí chính và bình khí phụ khi độ mở tiết lưu lớn, biến
thiên h& nhỏ ........................................................................................................... 59
Hình 4.14. áp suất trong bình khí chính và bình khí phụ khi độ mở tiết lưu nhỏ, biến
thiên h& lớn ............................................................................................................ 60
Hình 4.15. áp suất trong bình khí chính và bình khí phụ khi độ mở tiết lưu lớn, biến
thiên h& lớn ............................................................................................................ 60
Hình 4.16. khi thể tích bình khí phụ nhỏ và độ mở tiết lưu lớn .......................... 61
Hình 4.17.Khi thể tích bình khí phụ lớn và ®é më tiÕt l­u lín ........................... 62

vi


Chương I. Tổng Quan Về Hệ Thống Nghiên Cứu
1.1 Lĩnh vực nghiên cứu
Lĩnh vực nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu dao động của ô tô. Khi ô tô làm
việc, có hai nguyên nhân chính gây ra dao động. Thứ nhất là dao động có tính quy
luật được gây ra bởi các chi tiết quay trên xe như trục khuỷu động cơ, bánh đà, các
bánh răng trong hộp số, trục các đăng,. Thứ hai là dao động có tính ngẫu nhiên
được gây ra do ô tô chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng, lực cản gió,
Nghiên cứu dao động trên ô tô có vai trò đặc biệt quan trọng. Bởi những dao
động nay có ảnh hưởng lớn đến độ bền của các bộ phận cũng như những chỉ tiêu
khác đặt ra khi thiết kế ô tô. Môt trong số đó là chỉ tiêu đảm bảo độ êm dịu chuyển
động cho người và hàng hóa trên xe.
Những dao động có quy luật được sinh ra chủ yếu do sự mất cân bằng động của
các chi tiết chuyển động qua. Từ đó sinh ra sinh ra lực quán tính ly tâm thay đổi
theo mỗi chu kỳ quay của các chi tiết máy. Do đó dao động thường thay đổi tuy
thuộc vào tốc độ quay của các chi tiết. Nhưng dao động này rất khó triệt tiêu hoàn
toàn những lại có thể giảm tới mức thấp nhất. Điều đó được thực hiện bằng cách tính
toán phân phối khối lượng vật quay để khử lực quán tính và mô men quán tính. Do
đó nhìn chung những dao động mang tính quy luật không gây ra lực tác dụng quá
lớn lên các bộ phận ô tô trong quá trình làm việc.
Tải trọng tác dụng lên ô tô do dao động ngẫu nhiên thường có ảnh hưởng lớn hơn
nhiều so với tải trọng mà dao động có tính quy luật tạo ra. Bởi ngoài việc gây ra
những hư hỏng cho các chi tiết mà điển hình nhất là những hư hỏng do mỏi thì dao
động ngẫu nhiên còn gây ra các tải trọng va đập lớn đặc biệt khi xe di chuyển trên
những địa hình xấu. Do vậy khi khảo sát vấn đề dao động trên ô tô thì dao động
ngẫu nhiên luôn được nhà nghiên cứu đặt lên hàng đầu.
Ô tô là tổ hợp rất nhiều hệ thống ghép nối phức tạp, cho nên để đáp ứng việc đảm
bảo dao động ngẫu nhiên trên ô tô là nhỏ nhất thì người thiết kế cần phải giải quyết

rất nhiều vấn đề liên quan. Nghĩa là có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dao động
ngẫu nhiên trên ô tô như: kết cấu vỏ xe, kiểu dáng khí động học của ô tô, hệ thống
treo, kết cấu và áp suất hơi của lốp, Trong số đó, hệ thống treo có vai trò đặc biệt
1


quan trọng và có ảnh hưởng quyết định đến dao động ngẫu nhiên trên ô tô. Việc
nghiên cứu tính toán hợp lý hệ thống treo là một trong những vấn đề mấu chốt giải
quyết bài toán dao động trên ô tô.
1.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống treo ô tô, qua đó khảo sát so sánh
khả năng là việc, khả năng đảm bảo dao động của ô tô giữa hệ thống treo có điều
khiển và hệ thống treo không điều khiển.
Như vậy với mục đích nghiên cứu đặt ra như trên trước hết cần tìm hiểu các vấn
đề liên quan đến hệ thống treo gồm có: vai trò của hệ thống treo trên ô tô. Các chỉ
tiêu là thước đo khả năng đáp ứng tốt hay không tốt của hệ thống tre. Những nội
dung trên sẽ được trình bày ở phần dưới đây.
1.3 Các vấn đề liên quan đến đối tượng nghiên cứu
1.3.1 Vai trò của hệ thống treo trên ô tô
Hệ thống treo là bộ phận đàn hồi đặt giữa phần được treo (thân xe) và phần
không được treo (cầu xe và bánh xe), hình thành một liên kết mềm giữa hai phần.
Hệ thống treo có vai trò ngăn cách thân xe và bánh xe, qua đó nó có tác dụng làm
giảm tải trọng động thẳng đứng tác dụng từ bánh xe lên thân xe và dập tắt nhanh các
dao động của thân xe khi bánh xe chuyển động trên đường không bằng phẳng.
Ngoài ra hệ thống treo còn giúp truyền lực từ bánh xe lên thân xe và ngược lại, để xe
có thể chuyển động được.
Để thực hiện được nhiệm vụ đó, hệ thống treo bao gồm các bộ phận chính là đàn
hồi, giảm chấn, dẫn hướng.
Bộ phận đàn hội có tác dụng làm êm dịu sự chuyển động của thân xe, giảm tải
trọng va đập tác dụng lên thân xe khi đi trên mặt đường mấp mô. Bộ phận đàn hồi

thường là nhíp hoặc lò xo với thông số kỹ thuật đặc trưng là độ cứng k. Bộ phận dẫn
hướng có nhiệm vụ : xác định quan hệ dịch chuyển tương đối của bánh xe so với
thùng xe, cho phép dịch chuyển theo phương thẳng đứng và hạn chế các chuyển dịch
khác không mong muốn của bánh xe; truyền lực và mô men từ bánh xe lên thùng xe
hoặc khung xe. Bộ phận giảm chấn dùng để dập tắt các dao động do bộ phận đàn hồi
tạo ra nhờ vậy mà bảo vệ bộ phận đàn hồi. Giảm chấn dùng trên ô tô có nhiều loại,

2


trong đó thường sử dụng giảm chấn thủy lực hay khí nén với thông số kỹ thuật đặc
trưng là hệ số cản giảm chấn b.
Tóm lại hệ thống treo ô tô thực hiện các nhiệm vụ như nâng đỡ trọng lượng xe,
duy trì sự tiếp xúc giữa lốp và mặt đường, đảm bảo sự ổn định chuyển động của xe,
ngăn cách giữa thân xe với những dung động của bánh xe khi xe chuyển động trên
mặt đường mấp mô đem lại sự êm dịu chuyển động và khả năng bám đường của
phương tiện.
1.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô
Khi ô tô chuyển động trên đường, dao ®éng xt hiƯn trong toµn bé hƯ thèng cđa
xe d­íi tác động kích thích của các mấp mô biến dạng đường.
Dao động của ô tô ảnh hưởng đến người trên xe, hàng hóa chuyên trở cũng như
tuổi thọ của các kết cấu ôtô. Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô được xây dựng
trên cơ sở đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động ô tô đến con người, hàng hóa và
an toàn trong quá trình chuyển động. Có rất nhiều chỉ tiêu đưa ra để đánh giá ảnh
hưởng của dao động trên ô tô trong đó có các chỉ tiêu cơ bản sau :
- Các chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu chuyển động;
- Chỉ tiêu về hành trình làm việc của hệ thống treo;
- Chỉ tiêu về độ bám đường lực tác dụng của hệ dao động lên mặt đường.
a. Các chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu chuyển động
Các chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu chuyển động nhằm mục tiêu kiểm soát các

dung động của ô tô, sao cho cảm giác mà hành khách ngồi trên xe cảm nhận được là
không vượt quá một giới hạn nhất định. Ngoài ra các chỉ tiêu này đưa ra còn nhằm
tập trung giải quyết về tính toán độ bền của ô tô.
Phương pháp chung để xây dung các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động là
nghiên cứu phản ứng của con người với dao động kích thích hình sin nhằm nhận
dạng các vùng cảm giác về sự dễ chịu của con người ứng với các giá trị biên độ, tốc
độ hoặc gia tốc của dao động tác dụng theo một hướng nhất định ( từ chân tới đầu từ
bên này sang bên kia hoặc từ trước ra sau ) ứng với giải tốc độ nhất định.

3


Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá chất lượng êm dịu tuy theo quan điểm của
chuyên gia nghiên cứu, tuy từng quốc gia và tổ chức nghiên cứu tác động của giao
động đến con người. Các chỉ tiêu đánh giá độ êu dịu chuyển động gồm:
1.Tần số dao động
Tần số dao động của phần được treo là chỉ tiêu đầu tiên để đánh giá độ êm dịu
chuyển động của ô tô. Giá trị cho phép của tần số dao động được xác định theo tần
số dao động phù hợp víi ng­êi ®i bé. Mét ng­êi khi ®i bé cã thể coi như một hệ dao
động
với tần số riêng. Tùy thuộc vào hình thể , trọng lượng, thói quen của từng người mà
có thể bước đi trong 1 phút khoảng 60 ữ 90 bước, tương ứng với tần số dao động
khoảng
1 ữ 1,5 Hz. Khi đi ô tô,con người sẽ bị dao động theo tần số dao động của phần
được
treo, tần số dao động của phần được treo làm cho người dễ chịu nhất khi nó nằm
trong khoảng tấn số dao động riêng cuả người đó. Nếu tần số dao động nằm ngoài
khoảng tần số dao động riêng của con người sẽ nhánh chóng làm người ngồi trên xe
xuất hiện cảm giác mệt mỏi.
2. Gia tốc và thời gian dao động

Dao động của ô tô ở những gia tốc khác nhau có những ảnh hưởng lớn đến khả
năng chịu đựng của con người ngồi trên ô tô. Nhìn chung, khi gia tốc càng tăng thì
thời gian chịu đựng dao động của cơ thể người càng giảm. Do đó gia tốc dao động là
một chỉ tiêu quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô. Để cải thiện độ
êm dịu chuyển động thì ngoài việc giảm biên độ gia tốc dao động còn phải giảm
thời gian dao động ở gia tốc đó.
Trên hình 1.1 là tiêu chẩn ISO2631-1985 mô tả khả năng chịu đựng được của con
người trong ®iỊu kiƯn dao ®éng cđa cabin m¸y kÐo. Cã thĨ thấy rằng ở tần số từ 4
đến 8
Hz nếu gia tốc dao động thẳng đứng của cabin là 0,15 m/s2 thì người ngồi trên xe
chịu được thời gian tối đa là 24 giờ. Còn cũng trong dải tần số ấy, nếu gia tốc tăng
lên 3,15 m/s2 thì người ngồi trên cabin chỉ chịu được trong thời gian 1 phút

4


Hình 1.1 Đường đặc tính của gia tốc và thời gian đáp ứng với tần số dao động .
3. Biên độ và vận tốc dao động
Theo tiêu chuẩn êm dịu chuyển động J6a của Hiệp hội kỹ sư ô tô quốc tế (SAE
international) thì khi tăng tần số thì biên độ dao động giảm đáng kể (hình 1.3).
Theo đó, quan hệ giữa tần số và giới hạn biên độ dao động được chia ra 3 vùng, mỗi
vùng có các chỉ tiêu đánh giá êm dịu khác nhau, cụ thể là :
Trong khoảng tần số từ 1 ữ 6 Hz giá trị của đặc tính được xác định bằng tích của
biên độ và lập phương của tần số góc dao động không vượt quá 12.6 m/s3. Ví dụ ứng
với tần số f =1 Hz (tÇn sè gãc ω = 2 f =2 rad/s), thì giá trị biên dộ dao động cho
phÐp lµ :12,6 m.s-3 / ( 2π rad.s-1)3 = 0,0508 m;
Trong khoảng tần số 6 ữ 20 Hz, giá trị của đỉnh gia tốc được xác định bằng tích
biên độ và bình phương của tần số góc dao động không được nhỏ hơn 0,33 m/s2 .
Trong khoảng tần số từ 20 ữ 60 Hz, giá trị của đỉnh của vận tốc được quy định
bằng tích của biên độ và tần số góc không được vượt quá 2,7 m/s

5


Hình 1.3. Quan hệ giữa tần số dao động với vận tốc, gia tốc và biên độ dao
động
Tóm lại, các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động của ô tô nhằm mục đích đảm
bảo dao động của ô tô năm trong giới hạn chịu đựng của con nguười. Ngoài ra nó
còn là cơ sở để tính toán bền các bộ phận trên ô tô. Các chỉ tiêu về độ êm dịu
chuyển động bao gôm tần số, biên độ vận tốc, gia tốc và thời gian dao động và
chúng có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau.
b.Chỉ tiêu hành trình làm việc của hệ thống treo
Hành trình làm việc cuả hệ thống treo được tính bằng giá trị cực đại của hiệu số
giữa chuyên vị phần được treo và không được treo max(Zs - Zu). Hay đó chính là
không gian làm việc cần thiết cho hệ thống treo hoạt động không xay ra va đập lên
các ụ hạn chế trong các hành trình nén và hành trình xả 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 được treo và phần được treo như biên độ, tần số, gia tốc dao động
,....Chỉ tiêu này sẽ đảm bảo hành trình làm việc của hệ thống treo năm trong một
khoảng nhất định để dao động của ô tô hợp lý ( f dt max(Zs - Zu)≤ f dn ).

6


c. Chỉ tiêu về độ bám đường
Khi ô tô chuyển động trên đường,do xe bị dao động nên lực pháp tuyến tác dụng
giữa lốp và mặt đường luôn thay đổi. Lực pháp tuyến nay đặc trưng cho khả năng
bám đường của ô tô. Ngoài ra các trị số của các thành phần lực như lực ngang, lực
kéo, lực phanh phát huy tại vùng tiếp xúc của bánh xe và mặt đường phụ thuộc vào
lực pháp tuyến giữa lốp và mặt đường. Do vậy dao động thẳng đứng của bánh xe sẽ

ảnh hưởng tới khả năng bám đường, tính điều khiển cũng như tới tải trọng tác dụng
lên mặt đường.
Do hệ số cản giảm chấn của lốp thường nhỏ hơn nhiều so víi hƯ sè c¶n gi¶m
chÊn cđa hƯ thèng treo, cho nên có thể coi như lực pháp tuyến giữa mặt đường và
lốp xe sẽ tỷ lệ thuận với dịch chuyển tương đối giữa lốp xe và mặt đừơng (Zu - Zr),
hay còn gọi
là biến dạng động của lốp. Trị số biến dạng động càng nhỏ thì lực tác dụng lên mặt
đường càng nhỏ (tính bảo vệ đường tốt) và ngược lại.
d. Độ chính xác động học
Khi ô tô chuyển động trên đường thì độ chính xác động học có liên quan trực
tiếp đến tính năng điều khiển của xe. Như với trường hợp ô tô sử dụng hệ thống treo
phụ thuộc do dầm cầu cứng liên kết các bánh xe nên trong quá trình chuyển động
vết bánh xe được cố định do vậy mà giảm được trượt ngang và hạn chế độ mòn của
lốp bánh xe khi thay đổi tiếp xúc với mặt đường. Trong trường hợp ô tô sử dụng hệ
thống treo độc lập do hai bánh xe trái và phải không có quan hệ trực tiếp với nhau
mà khi dịch chuyển bánh xe này trong mặt phẳng ngang, bánh xe kia vẫn đứng
nguyên. Do đó động học của bánh xe dẫn hướng được giữ đúng hơn.
1.3.3 Các yêu cầu của hệ thống treo
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dao động của ô tô khi di chuyển, trong đó hệ
thống treo là một yếu tố đóng vai trò then chốt quyết định sự dao động của thân xe.
Để đáp ứng được mục đích chính là treo mềm cụm thân xe theo phương thẳng đứng,
đồng thời thỏa mÃn được những chỉ đánh giá dao động của ô tô như đà đề cập ở trên
thì hệ thống treo cần đảm bảo những yêu cầu sau :

7


Quan hệ động lực học và động học chuyển động bánh xe như : tính chất động
học bánh xe dẫn hướng, độ bám đường của bánh xe,;
Độ cứng vững và độ tin cậy cao khi làm việc;

Trọng lượng phần không được treo nhỏ;
Giảm tới mức tối thiểu dao động của phần được treo và các chuyển động theo
phương không mong muốn;
Không gian việc của hệ thống treo nhỏ qua đó giảm bớt kích thước của hệ
thống, để đáp ứng yêu cầu kết cấu hệ thống treo nhỏ gọn.
Bánh xe không được tao ra áp lực quá lớn lên mặt đường, gây tác động xấu đến
mặt đường;
Khả năng thích nghi tốt của ô tô khi di chuyển trên những loại mặt đường có độ
mấp mô khác nhau.
Nhận xét :
Do đặc điểm của các thông số kết cấu hệ thống treo (gồm các khối lượng dao
động, độ cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn của phần tử giảm chấn,
các kích thước bố trí) mà các đáp ứng đầu ra của hệ thống không thỏa mÃn đồng
thời các chỉ tiêu đà đặt ra về độ êm dịu, về khả năng bám đường, về không gian làm
việc cho hệ thống hoạt động tốt nhất, hoặc việc đáp ứng các chỉ tiêu lại có sự mâu
thuẫn nhau, ví dụ :
Tăng độ êm dịu chuyển động thì cần giảm độ cứng của hệ thống treo, nhưng
điều đó sẽ làm tăng không gian làm việc của hệ thống.Muốn tăng khả năng bám
đường của phương tiện thì cần tăng áp lực pháp tuyến của bánh xe với mặt đường
nhưng điều đó làm mặt đường nhanh hỏng.
Giảm dao động của phần không được treo lại làm tăng cường độ dao động của
phần được treo, làm cho phần tử đàn hồi và giảm chấn phải hấp thụ lực tác dụng lớn
hơn, đồng thời bánh xe cũng tác dụng lực lớn hơn lên mặt đường.
Như vậy hệ thống treo hiện tại thường chỉ đảm bảo được chỉ tiêu chính là êm dịu
chuuyển động còn các yêu cầu khác thì vẫn chưa được tính toán đến.
1.4 Phân tích ưu nhược điểm hệ thống treo
a. Hệ treo cơ khí với phần tử đàn hồi là kim loại: nhíp lá, lò xo, thanh xoắn ...
8

ưu điểm
- Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ bố trí .
- Cho phép chịu được tải trọng lớn.
Nhược điểm
- Sự thay đổi chiều cao lớn, trong quá trình làm việc sẽ ảnh hởng đến tần số dao
động của xe có thể gây khó chịu cho hành khách đi trên xe.
-

Hệ treo cơ khí không tự động thay đổi được độ cao thân xe nên không đem lại

cảm giác thoải mái và tiện nghi cho hành khách.
- Đặc tính làm việc của phần tử đàn hồi kim loại là tải trọng tăng tác dụng thì biến
dạng tăng và tăng theo quy lt tun tÝnh.
HƯ thèng treo víi phÇn tư đàn hồi kim loại thì hệ số đàn hồi là không thay đổi được
b. Hệ treo khí nén với phân tử đàn hồi khí nén
ưu điểm
+ Có khả năng tự ®éng thay ®ỉi ®é cøng cđa hƯ th«ng treo (b»ng cách thay đổi áp
suất khí nén bên trong phần tử đàn hồi hoặc diện tích làm việc hữu ích) để cho ứng
với các chế độ tải trọng khác nhau, độ võng tĩnh và tần số dao động riêng của phần
được treo là không đổi .
+ Giảm được độ cứng của hệ thông treo sẽ làm độ êm dịu chuyển động tốt hơn.
Một là giảm được biên độ dịch chuyển của buồng lái trong vùng có tần số thấp, hai
là đẩy được sự cộng hưởng xuống vùng có tần số thấp hơn, giảm gia tốc thẳng đứng
của buồng lái và giảm sự dịch chuyển của vỏ và bánh xe.
+ Đường đặc tÝnh cđa hƯ thèng treo khÝ nÐn lµ phi tun và tăng trong cả hành
trình nén và trả, nên dù cho khối lượng phần được treo và phần không đợc treo bị
giới hạn do các dịch chuyển tương đối đi nữa thì độ êm dịu của hệ thống treo vẫn
tốt.
+ Hệ thống treo khí nén còn có một ưu điểm nữa đó là không có ma sát trong các
phần tử đàn hồi, trọng lượng của phần tử đàn hồi bé và giảm được chấn động cũng

như giảm tiếng ồn từ bánh xe lên buồng lái.
+ Khi sử dụng hệ thống treo khí nén có thể thay đổi được vị trí của vỏ xe đối với
mặt đường nghĩa là thay đổi chiỊu cao chÊt t¶i.
9


+ Trọng lượng của hệ thống treo này chủ yếu là ở trọng lượng bộ phận dẫn hướng và trang bị để cung cấp khí còn chính trọng lượng của bản thân bộ phận đàn
hồi lại rất bé.
Nhược điểm
Nhược điểm lớn nhất đối với hệ treo khí nén đó là khả năng dẫn hướng. Phần tử đàn
hồi là buồng khí nén không đóng vai trò vừa là đàn hồi vừa là bộ phận dẫn hướng
như ở hệ treo cơ khí đối với nhíp lá. Khả năng truyền lực dọc và ngang cđa hƯ treo
khÝ nÐn lµ rÊt kÐm. Do vËy mà phải thiết kế cơ cấu dẫn hướng phù hợp và đảm bảo
khả năng truyền lực tốt nhất. Việc điều khiển hệ thống treo khí nén có 2 loại cơ bản
đó là :
- Điều khiển cơ khí : Tín hiệu điều khiển lấy từ 3 cảm biến xác định chiều cao
thân xe. Chiều cao thân xe thay đổi sẽ điều khiển cho van điều chỉnh hoạt động. ở
loại này việc điều khiển thông qua van cơ khí nên có kết cấu khá phức tạp.
- Điều khiển điện từ: ở loại điều khiển điện từ này sẽ có 3 cảm biến đặt ở cầu
trớc và cầu sau dạng điện trở đo khoảng cách giữa cầu xe và thân xe. Các cảm biến
này gửi thông tin tới bộ điều khiển trung tâm dới dạng xung tín hiệu, các tín hiệu đợc xử lí và điều khiển cho van điện từ cấp và xả khí nén. Chiều cao thân xe luôn giữ
ở một vị trí ban đầu tương ứng với tải trọng tĩnh. Đồng thời van còn có khả năng
điều khiển chiều cao thân xe tự động .
1.4.1 Các thông số cơ bản hệ thống treo bị động
Hệ thống treo bị động có các thông số cơ bản gồm độ cứng k s của phần tử
đàn hồi và hệ số giảm chấn bs được tính như sau:
Tính độ cứng k s
Độ cứng k s được tính toán với mục tiêu đảm bảo chỉ tiêu êm dịu chuyển động.
Tức là tần số dao động riêng của phần tử được treo ô tô phải phù hợp với tần số dao
động mà con người chiu được lâu dài thường lấy bằng tân số người đi bộ. Để đáp

ứng được điều kiện đó, số lần dao động trong một phút của khối lượng được treo ở
xe chở người (xe buýt và xe du lịch) là n = 60 ữ 80 lần/phút.
Độ cứng k s của phần tử đàn hồi được tính theo công thức :

10


π ⋅n 
k s = ms . ω = ms
; (N/m)
30
2

2

.n

Với n =

30

là tần số dao động riêng của khối lượng được treo.

Tính hệ số c¶n gi¶m chÊn bs
HƯ sè c¶n gi¶m chÊn ( bs ) của phần tử giảm chấn được tính theo công thøc :
bs = α .

ψ .Ζ bx
3,13. f t

, ( Ns /

Trong đó :
Hệ số tắt giảm chấn = 0,15 ữ 0,25
bx = ms .g là lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe (N);

là hệ số quy dẫn phụ thuộc vào vị trí đặt giảm chấn;
f t là độ võng tĩnh của hệ thống treo được xác định theo điều kiện êm dịu
2

30
của chuyển ®éng : f t =   , (m)
 n

Như vậy đối với xe buýt và xe du lịch n = 60 ữ 80 lần/phút thì f t dao động
khoảng 0,14 ữ 0,25 m, đối với xe tải n = 08 ữ 100 lần/phút thì f t = 0,09 ữ 0,14 m.
Do f t thay đổi trong một khoảng nhất định nên với mỗi loại xe, ứng với các giá trị
, , ms đà biết thì hệ số cản giảm chấn bs có thể được lựa chọn trong một khoảng

tương ứng, tức là : bmin1 bs bmax1
Nhận xét : Hệ thống treo không điều khiển với các thông số của bộ phận đàn
hồi và giảm chấn không thay đổi tương ứng với kích thích từ mặt đường khi xe di
chuyển sẽ chỉ đáp ứng được chuyển động êm dịu của ô tô trên những địa hình nhất
định. Do đó nếu xe di chuyển trên những lọai mặt đường 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 làm việc nhất định . Như vậy nghiên cøu hƯ thèng treo khÝ cã
®iỊu khiĨn ®iƯn tư gióp ô tô làm việc được trong nhiều vùng tần số khác nhau, đáp
ứng với nhiều loại địa hình khác nhau chính là một yêu cầu cấp thiết đặt ra.
1. 5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
11

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Để giải quyết vấn đề nêu trên, nhiều nhà nghiên cứu trong nước đà tiến hành
nghiên cứu về hệ thống treo đáp ứng tốt hơn các chỉ tiêu dao động của ô tô. Một số
nghiên cứu điển hình như sau:
1. Luận văn thạc sỹ khoa học sử dụng thuật toán LQG để tối ưu hóa các thông
số thiết kế của hệ thống treo (năm 2006). Tác giả Hà Văn Thảo, trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội đà tìm hiểu và đưa ra được những nội dung lý thuyết điều khiển
tối ưu và thuật toán điều khiển LQG; từ đó tác giả đà ứng dụng điều khiển LQG vào
tính toán tối ưu các thông số thiết kế hệ thống treo ô tô theo mô hình 1/4. Kết quả
nghiên cứu của tác giả cho thấy các thông số tối ưu trên hệ thống treo đảm bảo độ
êm dịu chuyển động tốt hơn so với hệ thống treo với các hệ thông số tính toán theo
phường pháp truyền thống.
2. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật nghiên cứu đánh giá độ êm dịu của ô tô khách 29
chỗ ngồi sản xuất tại Việt Nam. Tác giả Bùi Quốc Vĩnh, trường Đại Học Đà Nẵng
đà xây dựng được mô hình phẳng tính toán dao động của xe khách 29 chỗ Hyundai
County theo hai phương dọc, ngang qua đó xác định được các thông số đặc trưng:
dịch chuyển, vận tốc, gia tốc của phần được treo và không được treo. chứng minh
và minh họa bằng đồ thị ảnh hưởng của các thông số kết cấu như độ cứng lốp, độ
cứng hệ thống treo, hệ số cản giảm chấn đến độ êm dịu của ô tô thông qua đặc tính
tần số, biên độ.
Nhận xét:
Các nghiên cứu vẫn chỉ chủ yếu tập trung vào tính toán tối ưu các thông số của
hệ thống treo không điều khiển được và sử dụng những mô hình đơn giản để khảo
sát. Việc tính toán tối ưu đó phần lớn cũng chỉ đáp ứng được chỉ tiêu về độ êm dịu
chuyển động của ô tô mà chưa xét đến những chỉ tiêu khác nữa. Nhưng trên thị
trường ô tô hiện nay, nhất là các dòng xe du lịch đời mới và xe chở khách đang ngày
càng ®­ỵc sư dơng hƯ thèng treo khÝ cã ®iỊu khiĨn điện tử, những yêu việt của nó
đà cho thấy qua thùc tÕ. Tuy nhiªn sù hiĨu biÕt vỊ hƯ thèng treo này vẫn còn khá

mới mẻ, các tài liều chỉ chđ u tËp trung vµo kÕt cÊu mµ ch­a cã một sự phân tích
sâu, để có thể dúp việc tìm hiểu, cũng như bảo dưỡng sửa chữa hệ thống treo nµy

12


được tốt nhất. Nói tóm lại, việc tìm hiểu và phát triển hệ thống treo có điều khiển
hay còn gọi là hệ thống treo khí điều khiển điện tử vẫn chưa được tác giả đi sâu
nghiên cứu
1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới, nghiên cứu dao động trên ô tô đà được 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
mạnh mẽ của các phần mềm tính toán mạnh Matlab Simulink, ANSYS,việc
nghiên cứu dao động của ô tô trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Cũng vì thế mà có rất
nhiều nghiên cứu được tiến hành tập trung vào việc nghiên cứu khả năng điều khiển
được của hệ thống treo, tối ưu hóa các thông số kết cấu của ô tô đặc biệt là ở hệ
thống treo để giảm dao động, nâng cao chất lượng làm việc của phương 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 Chinny Yue, Học viện công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ (năm
1987);
Luận ¸n tiÕn sü “thiÕt kÕ hƯ thèng treo « t« bán chủ độngcủa tác giả Téturo
Butsuen, Học viện công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ (năm 1989);
Luận án tiến sỹ phát triển hệ thống treo hoàn toàn chủ động thông qua mô hình
động học của tác giả Nima Eslaminasab, Trường Đại Học Waterloo, Canada (năm
2008);
Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đa phần được tiến hành với sự trợ dúp
của máy tính điện tử và phần mềm mô phỏng. Một số nghiên cứu đà đưa ra được
luật điều khiển để đáp ứng việc thay đổi thông số kỹ thuật hệ thống treo trong khi xe

chuyển động phù hợp với từng loại mặt đường. Luật điều khiển được xây dựng chủ
yếu dựa trên cơ sở giải bài toán tối ưu theo phương pháp LQG, LQR hoặc sử dụng
bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID). Các mô hình nghiên cứu hệ thống treo mà các
tác giả đưa ra hầu hết chỉ dừng lại ở mô hình ẳ và mô hình 1/2
1.6 Đặt vấn đề nghiên cứu

13


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, đồng thời phục vụ
cho việc tìm hiểu nghiên cứu ứng dụng cho công tác bảo dưỡng, sửa chữa và
cônggiảng dạy . Xuất phát từ đó tôi đà chọn đề tài nhiên cứu cho luận văn là: Xây
dựng mô hình nghiên cứu sự làm việc của hệ thống treo khí có điều khiển điện
tử trên xe du lịch
Mục tiêu của nghiên cứu luận văn là:
1. Xây dựng được mô hình của hệ thống treo khí có điều khiển điện tử
2. Nghiên cứu động lực học hệ thống treo khí có điều khiển điện tử (hệ thống có
khả năng điều khiển độ cứng của phần tử đàn hồi) mô phỏng bằng phần mềm
Matlab Simulink;
3. Dựa trên các kết quả mô phỏng, phân tích so sánh các đặc điểm làm việc của
hệ thống treo bị động và hệ thống treo khí điều khiển điện tử.
Nội dung của luận văn gồm các chương:
Chương I: Tổng quan về đối tượng nghiên cứu: tìm hiểu lĩnh vực nghiên cứu và
đối tượng nghiên cứu của đề tà, từ đó phân tích lý do lựa chon đề tài và nêu những
mục tiêu, yêu cầu mà luận văn cần giả quyết.
Chương II : Đặc tính làm việc của hệ thống treo khí điều khiển điện tử trên xe
du lịch :tìm hiểu về cấu tạo và phân tích nhũng đặc điểm về khả năng làm việc,
nguyên lý làm việc và điều khiển của một loại xy lanh khí cơ thĨ sư dơng trong hƯ
thèng treo khÝ ®iỊu khiĨn điện tử trên xe du lịch

Chương III: Mô phỏng tính toán động lực học hệ thống treo bị động và hƯ
thèng treo khÝ ®iỊu khiĨn ®iƯn tư phơc vơ cho việc tìm hiểu, nghiên cứu dao động ô
tô; lập phương trình vi phân chuyển động, phương trình không gian trạng tháicuar hệ
thống treo bị động và hệ thống treo khí điều khiển điện tử trên cơ sở mô hình lựa
chọn ; xây dựng hàm điều khiển hệ thống treo khí điều khiển điện tử .
Chương IV: Mô phỏng số : xây dựng chương trình mô phỏng dao động hệ
thống treo bị động và hệ thống treo khí điều khiển điện tử sử dụng phần mềm
Matlab Simulink; phân tích nhận xét các kết quả mô phỏng từ đó có những đánh gi¸,

14


so sánh khả năng đảm bảo các chỉ tiêu dao ®éng cđa « t« ®èi víi hai hƯ thèng treo bị
động và hệ thống treo khí điều khiển điện tử.
Phần kết luận : Tổng hợp các kết quả thu được của đề tài và đề xuất hướng
nghiên cứu tiếp.

15


Chương II. Đặc tính làm việc của hệ thống Treo Khí Điều
Khiển Điện Tử
2.1.Đặc tính đàn hồi hệ thống treo
Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo thể hiện quan hệ giữa độ võng f và tại trọng Z
theo phương thẳng đứng. Trên hình 2.1 thể hiện ba đường đặc tính đàn hồi khác
nhau, đường 1 đường đặc tính đàn hồi của phần tử đàn hồi không thay đổi về độ
cứng, đường 2 đường đặc tính đàn hồi thay đổi được độ cứng, đường 3 đường đặc
tính đàn hồi có độ cứng tăng liên tục.

Hình 2.1 Các dạng đặc tính đàn hồi của hệ thống tre.

Các đường đặc tính được vẽ với điều kiện chung là tại trọng Z1 độ cứng của các
hệ thống treo này bàng nhau. Đường 1 ứng với hệ thống treo với phần tử đàn hồi có
độ cứng không đổi (lò xo trụ, nhíp) độ võng tĩnh tỉ lệ với tải trọng. Với đường đặc
tính nay thì khi tải trọng lớn thì hành trình động nhỏ, điều này dẫn đến va đập
thường xuyên vào ụ hạn chế làm giảm độ êm dịu chuyển động. Đường 2 đảm bảo
cho tần số dao động không đổi trong vùng làm việc Z1 - Z 2 . Để có được điều này độ
cứng cần thỏa mÃn:
C x = C1e

f x f1
f1

Trong đó : C1 là độ cứng với độ võng f1; Cx là độ cứng của hệ thống tại vị trí bất kỳ
của đồ thị có độ võng fx. Khi ®ã:

16


Z x = Z1e

f x f1
f1

Với đường đặc tính này ở cuối hành trình trả độ cứng tăng dần nên giảm được va
đập lên ụ hạn chế. Các dạng phần tử đàn hồi thông dụng đều không có được đường
đặc tính này, do vậy muốn có hệ thống treo như vậy cần kết hợp các dạng phần tử cơ
đàn hồi với nhau. Chẳng hạn, nếu sử dụng nhíp cùng với các ụ hạn chế bằng cao su
ta có thể tạo được đường đặc tính như thể hiện trên hình2.2

Hình2.2 Đặc tính đàn hồi với hệ thống treo với bộ phận đàn hồi phi tuyến

Hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử có nhiều ưu điểm trong quá trình hoạt
động, hệ thống treo này có thể thay đổi được ®é cøng cđa hƯ thèng treo, (b»ng c¸ch
thay ®ỉi ¸p suất không khí bên trong phần tử đàn hồi) để cho ứng với các tải trọng
tĩnh khác nhau độ võng tĩnh và tần số dao động riêng của phần được treo không đổi.
Giảm được độ cứng của hệ thống treo sẽ làm độ êm dịu chuyển động tốt hơn,
một là giảm được biên độ dịch chuyển của buồng lái trong vùng tần số thấm, hai là
đẩy được sự cộng hưởng xuống vùng có tần số thấp hơn, giảm được gia tốc thẳng
đứng của buồng lái và giảm được sự dịch chuyển của vỏ và bánh xe.
Đường đặc tính của hệ thống treo khí là phi tuyến và tăng đột ngột trong cả hành
trình nén và trả, nên dù cho khối lượng phần được treo và không được treo bị giới
hạn do các dịch chuyển tương đối đi nữa thì độ ªm dÞu cđa hƯ thèng treo vÉn lín.
HƯ thèng treo khí còn có ưu điểm là không có ma sát trong phần tử đàn hồi,
trọng lượng phần tử đàn hồi bé và giảm được chấn động cũng như giảm được tiếng
ồn từ bánh xe lên buồng lái.
17


Khi sư dơng hƯ thèng treo khÝ cã thĨ thay đổi được vị trí vỏ xe với mặt đường
(nghĩa là thay đổi chiều cao chất tải) và trong hệ thống treo độc lập có thể thay đổi
được khoảng sáng gầm xe.
2.2 Tỉng quan vỊ hƯ thèng treo khÝ ®iỊu khin điện tử trên xe du lịch
Hệ thống treo khí điều khiển điện tử trên xe du lịch là một hệ thống còn khá
mới mẻ với mức độ phúc tạp cao, do đó việc nắm bắt và tìm hiểu về nó còn nhiều
hạn chế. Hệ thống treo khí điều khiển điện tử trên xe du lịch về tổng quát gồm các
thành phần sau:
+ Cụm các cảm biến và công tắc (tín hiệu đầu vào), gồm các cảm biến và công tắc
như ( cảm biến độ cao, cảm biến bướm ga, cảm biến lái, cảm biến tốc độ động cơ,
công tắc LRC, công tắc đèn phanh,). Thông qua các cảm biến, công tắc mà bộ
điều khiển xác định được các thông số trạng thái làm việc của ô tô
+ Bộ điều khiển (ECU). ECU tiếp nhân các thông tin đầu vào xử lí sau đó đưa ra

các tín hiệu điều khiển tới cơ cấu chấp hành.
+ Cơ cấu chấp hành (gồm máy nén khí, các xy lanh khí, các động cơ điện điều
khiển van khí và các van điều khiển độ cao).
Chúng ta thấy rằng trên hệ thống treo khí có điều khiển điện tử thì xy lanh khí là
cụm chi tiếtquan trọng nhất của hệ thống treo, nó đóng vai trò quyết định tới chất
lượng làm việc của hệ thống treo khí. Để hiểu sâu hơn về nó sau đây chúngta sÏ tiỊm
hiĨu chi tiÕt vỊ xy lanh khÝ hƯ thèng treo khí có điều khiển trên xe du lịch của dòng
xe cụ thể là xe ô tô TOYOTA.
2.3. Xy lanh khí hệ thống treo
Xy lanh khí hoạt động dựa trên nguyên lý không khí có tính đàn hồi khi bị nén,
kết hợp với lực giảm chấn được thay đổi phụ thuộc tải trọng tác dụng lên xe

18