Chương 1 Giới thiệu về hệ thống giảm chấn 1.1 Cấu tạo và chức năng của hệ thống giảm chấn 1.1 Cấu tạo Ngày nay, hệ thống giảm chấn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: xây dựng nhà, xây dựng cầu đường và đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phương tiện vận tải (ô tô, xe máy, tàu hỏa…). Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả nghiên cứu hệ giảm chấn áp dụng trong các phương tiện vận tải. Cấu tạo của hệ giảm truyền thống (giảm chấn thụ động) thường được gọi là hệ thống treo được minh hoạ như hình 1. Trong đó bao gồm: khối treo (suspension mass) có khối lượng mus (đặc trưng cho lốp xe, bánh xe, phanh và các khối lượng tải của bánh xe), khối thân trên (body mass) có khối lượng ms đặc trưng cho khối lượng khung xe (gồm khách và hàng hóa).
Hệ thống treo dùng để kết nối hai thành phần khối thân trên và khối treo được tạo bởi một lò xo mắc song song với khối cản dịu. ms Khung xe, sàn xe, hành Khối thân trên xs khách và hàng hoá Hệ thống giảm ks bs Cản dịu chấn Lò xo Khối treo mus Lốp xe, bánh xe, phanh xus và các cơ cấu gắn với kt bt bánh xe xg Hình 1. 1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình Trong hình vẽ trên, xg biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài vào hệ thống (tác động từ mặt đường) không biết trước với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến cho khối treo thông qua lốp xe đặc trưng bởi một phần tử có đặc tính lò xo kt và khối cản dịu có hệ số cản dịu bt. Khi bị tác động, khối treo sẽ dao động, mức độ dao động này được đánh giá thông qua xus, dao động xus tiếp tục tác 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn động lên khối thân trên thông qua cặp phần tử có đặc tính lò xo ks và khối cản dịu có hệ số cản dịu bs, mức độ dao động của khối thân trên được biểu thị bằng xs.
Với hệ giảm chấn thụ động các hệ số về độ cứng của lò xo và hệ số cản dịu được lựa chọn theo chỉ tiêu chất lượng cho trước và không điều chỉnh được trong quá trình hoạt động.2 Chức năng của hệ giảm chấn Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động của khối thân trên và nhanh chóng duy trì ổn định của hệ thống. Hệ giảm chấn làm giảm ảnh hưởng của lực tác động ở bề mặt đường lên khối thân trên, tạo cảm giác thoải mái khi đi xe. Yêu cầu đối với hệ thống giảm chấn là đòi hỏi phải có đặc tính nhanh chóng dập tắt dao động tuy nhiên cũng cần đòi hỏi phải nhạy với các dao động dù là nhỏ, trong thực tế bao giờ hai đặc tính này cũng không thể thỏa mãn đồng thời, nó chỉ có thể đáp ứng ở một mức độ cân nhắc nào đó giữa hai yếu tố này. Dao động từ mặt đường xg(t) [m] Dao động của khối thân trên xs(t) [m] Dao động của khối treo xus(t) [m] Thời gian (s) Hình 1.
2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của xg(t) Hình 1.2 minh hoạ sự tác động của xg lên khối treo và khối thân trên với các số liệu: ms = 256 kg, ks = 20200 N/m, bs = 1140 Ns/m, mus = 31 kg, kt = 128000 N/m và 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Ban đầu giả thiết tất cả xg, xs, xus đều bằng không, tại thời điểm 1 giây, xg thay đổi dưới dạng xung vuông với biên độ 30 cm. Kết quả là khối treo và khối thân trên dao động. Đến thời gian 3 giây xg hết tác động, xs và xus sẽ dao động thêm một khoảng thời gian nữa, 4 giây sau thì xs và xus về 0.
Trong khoảng thời gian từ 1-5 giây khối trân trên và khối treo dao động với tần số lớn, điều này gây ra cảm giác khó chịu cho người đi xe. Khoảng thời gian của hệ giảm chấn hết dao động trở về vị trí ban đầu (cân bằng) này phụ thuộc vào các hệ số kt, bt, ks, bs khối lượng khối treo cũng như khối lượng khối thân trên, biên độ và tần số của xg. Các chỉ số kt, bt đặc trưng cho tham số của lốp, thường thay đổi trong phạm vi hẹp nên với hệ có ms và mus xác định thì thời gian dao động của hệ chủ yếu phụ thuộc vào các hệ số ks, bs. Để giảm nhỏ khoảng thời gian này cũng như biên độ dao động xs, xus ta cần phải tính toán, lựa chọn cặp hệ số của lò xo và cơ cấu cản dịu (ks, bs) phù hợp.
Khi độ cứng của các phần tử lò xo tăng lên thì dạng dao động của xs và xus sẽ càng gần với dạng dao động của xg, chất lượng của hệ thống giảm chấn càng giảm. Nếu độ cứng của các phần tử lò xo càng giảm thì thời gian dao động sẽ tăng lên, chất lượng giảm chấn cũng sẽ giảm. Khối lượng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hưởng rất nhiều đến dạng dao động của xs và xus, khi khối lượng tăng lên cả hệ thống sẽ dần trở thành một khâu cứng, khi khối lượng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành một khâu dao động v. Đối với một hệ thống giảm chấn lý tưởng, người ta mong muốn với bất kỳ tác động nào của xg, tác động này sẽ được dập tắt qua hệ thống lò xo và cơ cấu cản dịu để xs luôn luôn bằng không (kể cả vận tốc và gia tốc), tức là không chịu tác động của xg.3 Các yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn Một biện pháp đo lường đơn giản để đánh giá mức độ thoải mái khi đi xe là gia tốc vuông góc với khung xe x , nếu gia tốc thấp sẽ mang lại cảm giác thoải mái khi đi xe.
Để tạo ra sự an toàn, lốp xe phải có khả năng di chuyển lực dọc, ngang giữa xe và đường, điều đó tạo được khi nếu bánh xe có lực tải Fdyn , lực này bị giới hạn, tức là để bánh xe vẫn tiếp xúc với mặt đường. Điều này có thể đạt được trong điều kiện ràng buộc của giá trị x và Fdyn.1) 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.3 mô tả mối quan hệ chỉ tiêu độ thoải mái và chỉ tiêu an toàn của các hệ thống giảm chấn thụ động khác nhau với sự thay đổi các hệ số ks, bs ở trên. Kết quả thu được từ mô phỏng hệ giảm chấn với kích thích là các loại đường mẫu và các giá trị của x và Fdyn. Cả hai đại lượng này càng thấp càng tạo cảm giác thoải mái và an toàn khi đi xe.
Có thể thấy rằng việc thiết lập mối quan hệ giữa độ cứng của lò xo kt và hệ số cản dịu bs của cơ cấu cản dịu rất quan trọng trong hệ thống giảm chấn. Đặc trưng của một hệ thống giảm chấn thụ động được tạo nên bởi cặp hai tham số này. Xấu bs Bán tích cực ks là hằng số Độ thoải mái bs là hằng số ks Thụ động Tích cực hoàn Mặt pareto Tốt toàn Tốt Độ an toàn Xấu Hình 1. 3 Chất lượng của hệ giảm chấn khi thay đổi ks và bs [1] Hệ thống giảm chấn bán tích cực có thể điều chỉnh hệ số cản dịu do đó cải thiện được cảm giác đi xe và độ an toàn của hệ thống.
Trong hình vẽ mô tả sự biến thiên của độ cứng lò xo và hệ số cản dịu, tức là ngay cả khi độ cứng của lò xo được điều chỉnh giảm xuống thì các nhà thiết kế phải lựa chọn để tạo sự thoải mái đi xe hoặc an toàn, điều đó dẫn tới định hướng tăng yếu tố này thì yếu tố kia bị giảm.3 cho thấy, đi xe thoải mái và an toàn là yếu tố quan trọng có thể nâng cao được bởi hệ thống giảm chấn cơ điện tử (nếu hoạt động hoàn toàn tích cực). Hệ thống giảm chấn tích cực cho phép tạo ra hệ thống giảm chấn có độ an toàn và độ thoải mái hơn hẳn so với hệ giảm chán thụ động và hệ giảm chấn bán tích cực. Trong đó, hệ giảm chấn tích cực bao gồm thiết bị truyền động với tần số cao đủ để chủ động 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn giảm giao động giữa khung gầm và bánh xe. Để có thể điều chỉnh hoàn toàn chủ động (đường mầu xám) thì đi kèm theo nó phải cần bộ điều khiển trên hệ giảm chấn hoàn toàn chủ động.
Điều quan trọng nhất của hệ thống giảm chấn tích cực đạt được là tạo ra sự thay đổi linh động của lực tác động. Nếu không tạo ra được điều này, ví dụ như nếu bộ điều khiển không hoạt động linh hoạt theo thời gian thì việc điều chỉnh của hệ thống giảm chấn có thể không mang lại kết quả tối ưu khi đi xe. Khả năng đáp ứng yêu cầu cao của hệ thống giảm chấn không thể đạt được nếu chỉ thiết kế bộ điều khiển với một số loại đường cho trước. Do đó, cần áp dụng các bộ điều khiển thích nghi theo sự thay đổi không biết trước từ mặt đường (cái tạo ra xg(t)).
Vậy tóm lại, yếu tố đánh giá chất lượng của hệ thống giảm chấn thệ hiện bằng chỉ tiêu độ thoải mái khi đi xe và chỉ tiêu độ an toàn khi đi xe. Độ thoải mái khi đi xe Để tạo sự thoải mái khi đi xe là hạn chế lực vuông góc với khung xe. Một hệ thống giảm chấn tạo cảm giác thoải mái khi đi xe sẽ cách ly khối khung gầm khi có những rung động gây ra bởi đường hay động năng của xe. Như vậy, trong điều kiện rung động thẳng đứng, độ thoải mái khi đi xe có thể định lượng bởi gia tốc của khung xe.
Tuy nhiên, con người nhạy cảm với các tần số dao động kích thích cơ học theo hướng dọc (4 - 8Hz), nên các tần số này cần được đưa vào tính toán. Thực tế này được xem xét trong việc thiết kế các hệ thống giảm chấn, lựa chọn độ cứng của lò xo, hệ số cản dịu, lốp sao cho tần số dao động nằm giữa tần số dao động tự nhiên của lò xo và khối treo, qua đó nâng cao được tác dụng cách ly. Tuy nhiên, đáp ứng tần số phụ thuộc vào hệ số cản dịu, nếu cơ cấu cản dịu có hệ số cản dịu thấp sẽ dẫn đến cách ly tốt giữa khung và gầm xe, tăng độ thoải mái khi đi xe nhưng tăng đỉnh cộng hưởng.