Luận án nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con

Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con, nâng cao hiệu suất và trải nghiệm lái xe.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đàm Hoàng Phúc
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Ô tô và xe chuyên dụng
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con
• Loại tài liệu: Luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.1. Động lực học hệ thống treo
• 1.2. Thiết kế hệ thống treo thụ động
• 1.3. Hệ thống treo điều khiển điện tử
• 1.4. Cảm biến trong hệ thống treo điều khiển điện tử
• 1.5. Kỹ thuật điều khiển
• 1.6. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống treo
• 1.7. Mục tiêu luận án
• 1.8. Đóng góp mới của luận án
• 1.9. Nội dung của luận án
• 1.10. Bố cục luận án
• 1.11. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH
• 2.1. Mô hình hệ thống treo toàn xe
• 2.2. Mô hình hệ thống treo ½
• 2.3. Mô hình hệ thống treo ¼
• 2.4. Mô hình hệ thống treo ¼ bán tích cực
• 2.5. Giảm chấn từ tính
• 2.6. Chất lỏng từ tính
• 2.7. Chất lỏng MR
• 2.8. Kết cấu giảm chấn MR
• 2.9. Mô hình giảm chấn MR
• 2.10. Mô hình bán tĩnh
• 2.11. Mô hình tham số giảm chấn MR
• 2.12. Mô phỏng đặc tính giảm chấn
• 2.13. Đánh giá đặc tính điều khiển đến hoạt động của giảm chấn MR
• 2.14. Mô hình hệ thống treo có giảm chấn MR
• 2.15. Mô hình tổng thể
• 2.16. Mô phỏng hoạt động
• 2.17. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Bộ điều khiển LQR
• 3.2. Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman)
• 3.3. Bộ điều khiển LQG
• 3.4. Mô phỏng và lựa chọn bộ điều khiển
• 3.5. Kịch bản mô phỏng
• 3.6. Kết quả và đánh giá
• 3.7. Đánh giá hiệu quả bộ điều khiển LQG2
• 3.8. Đánh giá theo xung tác động dạng sin
• 3.9. Đánh giá dƣới tác động của mặt đƣờng ngẫu nhiên
• 3.10. Kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR
• 4.1. Yêu cầu của bệ thử
• 4.2. Trình tự thực hiện
• 4.3. Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của bệ thử
• 4.4. Sơ đồ nguyên lý bệ thử
• 4.5. Nguyên lý hoạt động của bệ thử
• 4.6. Kết cấu thiết bị thí nghiệm đặc tính giảm chấn
• 4.7. Các thông số của thiết bị
• 4.8. Các bộ phận trên thiết bị
• 4.9. Thực nghiệm xác định đặc tính giảm chấn
• 4.10. Kịch bản thử nghiệm
• 4.11. Kết quả thử nghiệm
• 4.12. Xác định thông số mô phỏng trên mô hình Dahl
• 4.13. Kết luận
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• PHỤ LỤC
• PHỤ LỤC 1. Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí dịch chuyển, dƣới tác dụng điện áp
• Bảng so sánh lực giảm chấn giữa mô phỏng và thực nghiệm ở cùng vị trí vận tốc, dƣới tác dụng điện áp
• Chƣơng trình tính toán dữ liệu nạp vào Adruino
• PHỤ LỤC 4: Chƣơng trình giao diện hiển thị

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong ô tô

Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo ô tô con là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu và kỹ sư. Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và thoải mái cho hành khách. Việc áp dụng công nghệ giảm chấn từ trường (MR) giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống treo, đồng thời giảm thiểu lực tác động từ mặt đường lên thân xe. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn vào ứng dụng thực tiễn, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của hệ thống treo ô tô.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống treo ô tô

Hệ thống treo ô tô có vai trò quyết định trong việc đảm bảo sự ổn định và an toàn khi di chuyển. Nó giúp giảm thiểu rung động và lực tác động từ mặt đường, mang lại cảm giác thoải mái cho hành khách. Hệ thống treo hiện đại ngày càng được trang bị các công nghệ tiên tiến, trong đó có công nghệ giảm chấn từ trường.

1.2. Giới thiệu về công nghệ giảm chấn từ trường

Công nghệ giảm chấn từ trường (MR) sử dụng chất lỏng từ tính để điều chỉnh độ cản của giảm chấn. Khi có điện áp tác động, độ nhớt của chất lỏng thay đổi, từ đó điều chỉnh lực giảm chấn. Công nghệ này mang lại nhiều lợi ích như khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu suất cao trong việc dập tắt dao động.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hệ thống treo ô tô

Mặc dù công nghệ giảm chấn từ trường đã được áp dụng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự phức tạp trong thiết kế và điều khiển hệ thống. Việc tối ưu hóa các thông số của hệ thống treo để đạt được hiệu suất tốt nhất là một nhiệm vụ không hề đơn giản. Ngoài ra, chi phí đầu tư cho các cảm biến và thiết bị điều khiển cũng là một yếu tố cần xem xét.

2.1. Những thách thức trong thiết kế hệ thống treo

Thiết kế hệ thống treo ô tô cần phải cân nhắc giữa độ cứng của lò xo và hệ số cản của giảm chấn. Sự đánh đổi giữa hai yếu tố này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và sự thoải mái của hành khách. Việc tìm ra giải pháp tối ưu cho vấn đề này là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Chi phí và hiệu quả của hệ thống điều khiển

Chi phí đầu tư cho hệ thống điều khiển giảm chấn từ trường có thể cao, đặc biệt là khi cần nhiều cảm biến để theo dõi các thông số trạng thái. Điều này có thể làm tăng giá thành sản phẩm và hạn chế khả năng áp dụng công nghệ này trên các dòng xe phổ thông.

III. Phương pháp nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường hiệu quả

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng thuật toán điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) để tối ưu hóa các thông số của hệ thống treo. Phương pháp này cho phép điều chỉnh lực giảm chấn theo thời gian thực, từ đó nâng cao khả năng dập tắt dao động và cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.1. Ứng dụng thuật toán LQR trong điều khiển

Thuật toán LQR giúp tối ưu hóa các thông số điều khiển bằng cách giảm thiểu sai số giữa trạng thái thực tế và trạng thái mong muốn. Việc áp dụng thuật toán này trong hệ thống treo giúp cải thiện khả năng dập tắt dao động và nâng cao sự ổn định của xe.

3.2. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hệ thống treo. Các mô hình mô phỏng cho phép đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển khác nhau trước khi áp dụng thực tế. Kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống treo điều khiển giảm chấn từ trường

Hệ thống treo điều khiển giảm chấn từ trường đã được áp dụng trên nhiều loại xe, từ xe cao cấp đến xe phổ thông. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện sự thoải mái cho hành khách mà còn nâng cao khả năng điều khiển và an toàn khi lái xe. Nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống treo MR có thể giảm đáng kể độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống treo điều khiển MR có khả năng dập tắt dao động hiệu quả hơn so với hệ thống treo thụ động. Các thử nghiệm thực tế cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong khả năng điều khiển và sự thoải mái của hành khách.

4.2. Tương lai của công nghệ giảm chấn từ trường

Công nghệ giảm chấn từ trường hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai. Các nghiên cứu mới đang được thực hiện để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí của hệ thống. Điều này sẽ mở ra cơ hội áp dụng công nghệ này trên nhiều loại xe hơn, từ đó nâng cao trải nghiệm lái xe cho người tiêu dùng.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo ô tô con đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống treo mà còn nâng cao sự an toàn và thoải mái cho hành khách. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển mới, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Điều này sẽ giúp công nghệ giảm chấn từ trường trở nên phổ biến hơn trong ngành công nghiệp ô tô.

5.2. Hướng đi mới cho công nghệ ô tô

Công nghệ ô tô đang phát triển nhanh chóng, và việc áp dụng các công nghệ mới như giảm chấn từ trường sẽ là một trong những xu hướng chính trong tương lai. Các nhà sản xuất cần chú trọng đến việc nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ trường trong hệ thống treo bán tích cực trên ô tô con" do nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Kiên thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Trường Cơ khí, Nhóm chuyên môn Ô tô và xe chuyên dụng), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đàm Hoàng Phúc và TS Lại Năng Vũ, hoàn thành năm 2022. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực / Kỹ thuật Ô tô.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô, hệ thống treo truyền thống (thụ động) bao gồm phần tử đàn hồi (lò xo) mắc song song với phần tử giảm chấn thủy lực nối giữa thân xe và bánh xe. Thiết kế hệ thống treo thụ động luôn tồn tại sự đánh đổi cố hữu: độ cản giảm chấn lớn dập tắt dao động tốt ở vùng lân cận tần số cộng hưởng nhưng giảm hiệu quả ở vùng xa tần số cộng hưởng; ngược lại, độ cản nhỏ cho hiệu quả cách ly rung động tốt ở dải tần số cao nhưng kiểm soát kém ở vùng cộng hưởng.

Để giải quyết mâu thuẫn này, hệ thống treo điều khiển điện tử được phát triển theo hai hướng:

1. Hệ thống treo tích cực (Active Suspension): Sử dụng cơ cấu chấp hành thủy lực hoặc khí nén cấp năng lượng liên tục từ bên ngoài. Hệ thống này có dải làm việc rộng nhưng tiêu hao nhiều năng lượng, kết cấu phức tạp, chi phí cao và tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định khi nguồn cấp năng lượng gặp sự cố.
2. Hệ thống treo bán tích cực (Semi-Active Suspension): Thay đổi hệ số cản giảm chấn theo thời gian thực (như sử dụng giảm chấn chất lỏng từ biến - Magnetorheological Damper, viết tắt là MR/MRD). Hệ thống này duy trì độ tin cậy tương đương hệ thụ động, không đưa năng lượng cơ học vào hệ thống nên không gây mất ổn định và tiêu thụ rất ít điện năng.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định: Các thuật toán điều khiển tối ưu phản hồi trạng thái (như LQR) cho thấy hiệu quả cao khi kiểm soát đồng thời cả 5 thông số trạng thái (dịch chuyển thân xe, dịch chuyển bánh xe, vận tốc thân xe, vận tốc bánh xe và biên dạng mặt đường). Tuy nhiên, cấu hình này đòi hỏi 5 cảm biến cho mỗi cụm treo, làm tăng độ phức tạp và giá thành của hệ thống, đặc biệt là cảm biến đo mấp mô mặt đường (sử dụng công nghệ radar, laser/LIDAR) rất đắt tiền và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường thời tiết. Đồng thời, các nghiên cứu trước đây chưa đánh giá đầy đủ hiệu quả của thuật toán điều khiển Gauss tuyến tính bậc hai (LQG) trên hệ thống treo bán tích cực dựa trên sự phối hợp giữa chủng loại, số lượng và vị trí lắp đặt cảm biến.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu cụ thể:

1. Thiết kế thuật toán điều khiển giảm chấn MR trong hệ thống treo bán tích cực theo thời gian thực nhằm nâng cao khả năng dập tắt dao động và cải thiện độ êm dịu chuyển động của ô tô con.
2. Giảm số lượng cảm biến đo lường cần sử dụng thông qua việc thiết kế bộ quan sát Kalman để ước lượng trạng thái và coi mấp mô mặt đường là dạng nhiễu vật lý tác động vào hệ thống, từ đó giảm chi phí chế tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn từ biến MR trên xe con; đối tượng thử nghiệm thực tế là giảm chấn MR tháo từ hệ thống treo trước của xe Acura đời 2011.
• Phạm vi không gian: Mô hình động lực học dao động 1/4 xe; thiết bị bệ thử thực nghiệm động lực học giảm chấn cơ điện tử trong phòng thí nghiệm.
• Phạm vi kích thích và điều kiện vận hành: Tác động kích thích điều hòa dạng sóng sin và tác động mấp mô mặt đường ngẫu nhiên loại C-D theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ở dải vận tốc chuyển động (khảo sát điển hình tại 40 km/h); dải điện áp điều khiển cung cấp cho cuộn dây giảm chấn từ 0V đến 1V.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo các nhóm nội dung:

• Khởi nguồn hệ thống treo điều khiển: Crosby và Karnopp (1973) công bố nghiên cứu về "The Active Damper" [1], đặt nền móng định nghĩa hệ thống treo tích cực. Năm 1995, Karnopp [2] tổng kết sự phát triển của hệ thống treo điều khiển và chỉ ra các rào cản về công nghệ cảm biến, cơ cấu chấp hành và thiết bị xử lý tín hiệu.
• Động lực học và sự bất đối xứng của giảm chấn: Milliken [4] chứng minh qua thực nghiệm rằng vận tốc dao động của bánh xe theo chiều đi lên mấp mô cao gấp khoảng 2 lần so với chiều đi xuống (hành trình trả). Bastow và cộng sự [7] phân tích sự thỏa hiệp của hệ treo mềm. Guglielmino và Sireteanu [16] giải thích hệ số cản hành trình trả lớn gấp 2 đến 3 lần hành trình nén là do gia tốc hướng xuống theo phương thẳng đứng không được vượt quá 1g ($9,81 m/s^2$). Giorgetti, Bemporad và cộng sự [10] xác lập dải tần số dao động riêng mục tiêu: 1,0 - 2,0 Hz đối với thân xe và 8,0 - 12,0 Hz đối với bánh xe.
• Các luật điều khiển kinh điển:
  • Skyhook: Karnopp và Crosby (1974) nhận bằng sáng chế hệ thống treo phản hồi chiều cao khung xe [65]. Reichert [59] thiết lập mô hình Skyhook hoàn chỉnh đầu tiên. Stembridge [17] đề xuất luật Skyhook sửa đổi với hai van tiết lưu. Savaresi và cộng sự [56] phát triển luật Skyhook ON-OFF hai trạng thái dựa trên phản hồi gia tốc thân xe.
  • Groundhook: Koo [41], Goncalves, Ahmadian và Hyvärinen [18, 19], Guglielmino [16] nghiên cứu luật Groundhook nối van giảm chấn lý tưởng xuống mặt đất, cho thấy hiệu quả nâng cao khả năng bám đường và giảm tải trọng động tác dụng xuống mặt đường.
  • Điều khiển phi tuyến và chế độ trượt (Sliding Mode Control): Áp dụng nguyên lý cực đại Pontryagin trong điều khiển Bang-Bang [69, 70]. Yagiz [73], Zribi và Karkoub [74], Ashari [71] ứng dụng điều khiển trượt cho hệ thống treo, đồng thời chỉ ra hiện tượng đóng cắt tần số cao (chattering / "tiếng ồn") gây giật cục và đề xuất giải pháp lớp biên tuyến tính.
• Điều khiển tối ưu LQR, bộ lọc Kalman và LQG:
  • Takahashi và cộng sự [79] dùng LQR tìm trọng số cục bộ tối ưu. Johnson và Erkus [60] đưa bất đẳng thức giới hạn tiêu tán năng lượng bán tích cực vào LQR.
  • Agharkakl và cộng sự [3] ứng dụng LQR tối ưu 5 trạng thái nhưng đòi hỏi 5 cảm biến cho mỗi cụm treo.
  • Shital M. [88] kết hợp LQR và bộ lọc Kalman để ước lượng trạng thái treo tích cực, giảm được 2 cảm biến dịch chuyển. Olof Lindgärde [89] tối ưu hóa số lượng cảm biến trên hệ thống treo dùng bộ lọc Kalman trong miền tần số. Zuohai Yan và Shuqi Zhao [90] ước lượng trạng thái mặt đường bằng bộ lọc Kalman cho giảm chấn MR.
  • Nghiên cứu [91] ứng dụng LQR và LQG trong ổn định cánh máy bay chịu tác động của gió và coi gió là một dạng nhiễu đầu vào.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Kế thừa hướng tiếp cận coi kích thích bên ngoài là nhiễu vật lý từ công trình [91], luận án lựa chọn phương pháp:

1. Coi mấp mô biên dạng mặt đường là tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên đầu vào tác động vào hệ thống thay vì là một biến trạng thái cần đo lường trực tiếp, từ đó loại bỏ cảm biến quét mặt đường đắt tiền.
2. Xây dựng cấu trúc điều khiển LQG phối hợp giữa bộ điều chỉnh toàn phương tuyến tính LQR và bộ quan sát trạng thái Kalman liên tục.
3. Khảo sát, đánh giá định lượng hiệu quả dập tắt dao động của 4 phương án cấu hình bộ điều khiển (LQG1, LQG2, LQG3, LQG4) theo số lượng cảm biến, chủng loại cảm biến (gia tốc, chuyển vị) và vị trí lắp đặt trên hệ thống treo 1/4 bán tích cực.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Luận án vận dụng các lý thuyết cơ sở sau:

• Động lực học hệ dao động 1/4 xe 2 bậc tự do (2 DOF): Mô hình hóa gồm khối lượng được treo $m_b$ (thân xe) và khối lượng không được treo $m_w$ (bánh xe, cầu xe), liên kết qua lò xo độ cứng $k$ và giảm chấn có hệ số cản $c$, lốp xe có độ cứng $k_t$: $$m_b \ddot{z}_b = -c(\dot{z}_b - \dot{z}_w) - k(z_b - z_w)$$ $$m_w \ddot{z}_w = c(\dot{z}_b - \dot{z}_w) + k(z_b - z_w) - k_t(z_w - z_r)$$ Khi rút gọn về hệ 1 bậc tự do (1 DOF), độ cứng đàn hồi tương đương được tính qua $k_e = \frac{k_t k}{k_t + k}$.

• Lý thuyết điều khiển tối ưu LQR (Linear Quadratic Regulator): Hệ thống tuyến tính biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái: $$\dot{x} = Ax + Bu + Gw$$ Hàm mục tiêu chi phí bậc hai cần cực tiểu hóa: $$J = \int_{0}^{T} (x^T Q x + u^T R u) dt$$ Trong đó $Q$ là ma trận trọng số trạng thái (chất lượng điều khiển), $R$ là ma trận trọng số năng lượng điều khiển, vector tín hiệu điều khiển hồi tiếp trạng thái là $u = -Kx$.

• Bộ quan sát Kalman (Kalman Filter): Thiết lập bộ lọc Kalman liên tục để ước lượng vector trạng thái $\hat{x}$ từ các tín hiệu đo đầu ra $y = Cx + v$ có chứa nhiễu đo $v$ (hiệp phương sai $R_e$) và nhiễu hệ thống $w$ (hiệp phương sai $Q_e$). Độ lợi Kalman $L$ được xác định để sai số ước lượng đạt giá trị nhỏ nhất.

• Cấu trúc điều khiển LQG (Linear Quadratic Gaussian): Tích hợp bộ quan sát Kalman với bộ điều khiển LQR theo nguyên lý tách (Separation Principle), tín hiệu điều khiển thực tế đưa vào cơ cấu chấp hành là $u = -K\hat{x}$.

• Mô hình tham số giảm chấn từ biến MR:

  • Mô hình Bouc-Wen: Lực giảm chấn $F_b$ mô tả tính chất phi tuyến trễ qua biến trễ nội tại $z$.
  • Mô hình Dahl: Biểu diễn lực giảm chấn $F_d$ dựa trên ma sát trôi dẻo và tính chất trễ phụ thuộc vào vận tốc, chuyển vị và điện áp cấp $U$.

• Tiêu chuẩn đánh giá: Tiêu chuẩn ISO 2631-1 về đánh giá mức độ êm dịu thông qua chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình trọng số $a_{wz}$ (RMS) và tiêu chuẩn phân loại mặt đường ISO 8608:1995.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình toán học và thuật toán điều khiển trên môi trường máy tính; thiết lập các kịch bản kích thích điều hòa và kích thích mặt đường ngẫu nhiên để khảo sát phản ứng động lực học của thân xe.
• Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế và chế tạo bệ thử nghiệm động lực học giảm chấn cơ điện tử chuyên dụng sử dụng cơ cấu đĩa lệch tâm để tạo chuyển vị điều hòa cho piston; sử dụng cảm biến lực loadcell và hệ thống đo lường điều khiển vi xử lý Arduino để ghi nhận dữ liệu đặc tính lực - vận tốc - chuyển vị theo thời gian thực dưới các mức điện áp điều khiển khác nhau.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 1 tổng thuật các kiến thức cơ sở và tình hình phát triển của hệ thống treo ô tô. Tác giả phân tích chi tiết động lực học hệ thống treo 1/4 (mô hình 1 khối lượng và 2 khối lượng), các công thức xác định tần số dao động riêng của thân xe $\omega_n = \sqrt{k/m_b}$ và bánh xe $\omega_w = \sqrt{(k+k_t)/m_w}$, cùng hệ số giảm chấn danh định $\zeta \approx 0,25$.

Nội dung chương phân loại các cơ chế giảm chấn (nhớt, nhớt đàn hồi, ma sát, chất lỏng từ tính, chất lỏng điện biến), phân tích nguyên lý chất lỏng từ biến MR chứa các hạt sắt từ kích thước micromet tạo chuỗi khi có từ trường. Chương này cũng phân tích các loại cảm biến (MEMS, áp điện, cảm biến chiều cao, radar, LIDAR) và so sánh các chiến lược điều khiển kinh điển: Skyhook (tuyến tính, sửa đổi, ON-OFF theo vận tốc hoặc gia tốc), Groundhook, điều khiển Bang-Bang, điều khiển chế độ trượt và điều khiển tối ưu LQR/LQG kết hợp bộ lọc Kalman. Cuối chương xác định rõ mục tiêu, đóng góp mới, nội dung và bố cục của luận án.

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Chương 2 tập trung thiết lập hệ thống phương trình vi phân mô tả động lực học của các mô hình hệ thống treo và mô hình hóa giảm chấn MR:

• Xây dựng mô hình không gian xe con toàn xe, mô hình phẳng dao động ô tô 2 cầu (1/2 xe) và chi tiết hóa mô hình 1/4 hệ thống treo bán tích cực với các thông số vật lý cụ thể (khối lượng thân xe $m_b$, khối lượng bánh xe $m_w$, độ cứng lò xo $k$, độ cứng lốp $k_t$).
• Phân tích cấu tạo cơ khí và nguyên lý hoạt động của giảm chấn MR (thân ống lồng, piston tích hợp cuộn dây điện từ, van tiết lưu không có chi tiết chuyển động cơ học).
• Xây dựng các mô hình toán học của giảm chấn MR: mô hình bán tĩnh (tính toán dòng chảy chất lỏng dẻo Bingham qua khe hở van tiết lưu) và mô hình tham số phi tuyến trễ (mô hình Bouc-Wen và mô hình Dahl).
• Tiến hành mô phỏng khảo sát đặc tính làm việc của giảm chấn MR qua 3 đường đặc tính: lực - thời gian ($F-t$), lực - vận tốc ($F-v$), và lực - chuyển vị ($F-x$) dưới các dạng tín hiệu điện áp điều khiển: điện áp không đổi, điện áp biến thiên theo sườn dương, và điện áp đối xứng âm - dương.
• Tích hợp mô hình giảm chấn MR vào mô hình hệ thống treo 1/4 xe, mô phỏng phản ứng dập tắt dao động và chuyển vị của thân xe khi chịu kích thích từ mặt đường.

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Chương 3 trình bày quy trình thiết kế, mô phỏng và lựa chọn cấu hình bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống treo bán tích cực:

• Thiết lập phương trình không gian trạng thái của hệ thống treo 1/4, xác định các ma trận vật lý $A$, ma trận điều khiển $B$, ma trận đầu ra $C$ và ma trận tín hiệu nhiễu $G$.
• Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR, tính toán ma trận độ lợi $K$ thông qua việc giải phương trình vi phân Riccati đại số với các ma trận trọng số $Q$ và $R$, kiểm tra tính ổn định qua phân bố các điểm cực của hệ kín.
• Thiết kế bộ quan sát Kalman liên tục nhằm ước lượng vector trạng thái $\hat{x}$ từ các tín hiệu đo đầu ra có nhiễu, xác định ma trận độ lợi Kalman $L$ dựa trên ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình $Q_e$ và nhiễu đo $R_e$.
• Xây dựng sơ đồ điều khiển hoàn chỉnh theo thuật toán LQG. Tác giả thiết lập 4 phương án điều khiển (LQG1, LQG2, LQG3, LQG4) tương ứng với các tổ hợp chủng loại cảm biến (cảm biến gia tốc, cảm biến chuyển vị) và vị trí lắp đặt (thân xe, trục bánh xe):

Phương án	Cảm biến sử dụng	Vị trí lắp đặt	Mục tiêu / Đặc điểm
LQG1	Cảm biến gia tốc & chuyển vị	Thân xe & bánh xe	Cấu hình đo lường đầy đủ
LQG2	Cảm biến gia tốc	Thân xe	Tối ưu hóa số lượng cảm biến, giảm chi phí
LQG3	Cảm biến chuyển vị	Không gian treo ($z_b - z_w$)	Đo độ biến dạng không gian treo
LQG4	Cảm biến gia tốc & chuyển vị	Bánh xe	Phục vụ kiểm soát tiếp xúc bánh xe

• Thực hiện mô phỏng so sánh phản ứng động lực học của 4 phương án dưới các kịch bản kích thích:
  • So sánh biên độ dao động cực đại của thân xe, thời gian và đặc trưng dập tắt dao động, cùng yêu cầu về lực giảm chấn điều khiển.
  • Kết quả phân tích chỉ ra rằng bộ điều khiển LQG2 đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu quả dập tắt dao động thân xe và tính kinh tế (chỉ yêu cầu cảm biến gia tốc thân xe, loại bỏ cảm biến đo biên dạng mặt đường và cảm biến đo bánh xe).
• Đánh giá chuyên sâu hiệu quả của bộ điều khiển LQG2:
  • Dưới tác động xung kích thích dạng sin: So sánh độ giảm chuyển vị thân xe cực đại, gia tốc dao động cực đại, chỉ số gia tốc hiệu dụng RMS ($a_{wz}$) và đặc tính lực tác động xuống mặt đường so với hệ thống treo thụ động.
  • Dưới tác động của mặt đường ngẫu nhiên loại C-D theo ISO 8608:1995 ở tốc độ 40 km/h: Khảo sát chuyển vị và gia tốc thân xe, chứng minh khả năng duy trì độ êm dịu và tính ổn định ở các dải tốc độ khác nhau.

CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ GIẢM CHẤN MR

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình nghiên cứu thực nghiệm nhằm nhận dạng tham số mô hình toán học của giảm chấn MR:

• Xây dựng yêu cầu kỹ thuật và trình tự thực hiện thí nghiệm xác định đặc tính động lực học của giảm chấn.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và chế tạo bệ thử cơ điện tử: Cơ cấu dẫn động sử dụng đĩa lệch tâm biến chuyển động quay của động cơ điện thành chuyển động tịnh tiến qua lại điều hòa của cần piston giảm chấn.
• Lắp đặt hệ thống đo lường và điều khiển gồm: Khung bệ đỡ, cảm biến lực (loadcell), cảm biến vị trí/vận tốc, hộp điều khiển trung tâm sử dụng bo mạch vi xử lý Arduino (có chương trình nạp dữ liệu tại Phụ lục 3) và phần mềm giao diện hiển thị trên máy tính (Phụ lục 4).
• Tiến hành thực nghiệm trên mẫu giảm chấn MR của xe Acura 2011 theo kịch bản: Thay đổi tần số dao động của bệ thử và cấp các mức điện áp điều khiển khác nhau vào cuộn dây ($0V, 0,2V, 0,4V, 0,6V, 0,8V, 1,0V$).
• Thu thập dữ liệu thực nghiệm, vẽ các đường đặc tính chuyển vị - thời gian, vận tốc - thời gian, lực giảm chấn - thời gian ($F-t$), lực giảm chấn - vận tốc ($F-v$), và lực giảm chấn - chuyển vị ($F-x$).
• Xử lý dữ liệu thực nghiệm: Tách thành phần lực giảm chấn do chất lỏng MR sinh ra từ tổng lực đo được tại loadcell (sau khi đã trừ lực cản ma sát cơ học và áp suất khí nén tĩnh).
• Nhận dạng tham số mô hình Dahl: So sánh đường đặc tính thực nghiệm và mô phỏng ở các mức điện áp cấp; thiết lập bảng tương quan và xây dựng các hàm số biểu diễn sự phụ thuộc của các tham số trễ mô hình Dahl ($k, k_{wa}, k_{wb}, \rho$) theo điện áp điều khiển $U$.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Phương pháp luận mô hình hóa nhiễu mặt đường: Luận án đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu kích thích mấp mô mặt đường dưới dạng một nguồn nhiễu vật lý ngẫu nhiên đầu vào tác động vào hệ thống không gian trạng thái, thay vì coi là một biến trạng thái độc lập cần đo trực tiếp. Cách tiếp cận này cho phép loại bỏ hoàn toàn cảm biến đo biên dạng mặt đường (vốn có giá thành cao và kỹ thuật phức tạp) trong bài toán điều khiển tối ưu hệ thống treo.
2. Thiết kế và tối ưu cấu trúc bộ điều khiển LQG: Luận án đã thiết lập thành công cấu trúc điều khiển LQG kết hợp giữa bộ lọc Kalman liên tục và bộ điều chỉnh LQR cho hệ thống treo bán tích cực 1/4 xe; chứng minh định lượng rằng phương án LQG2 (chỉ sử dụng cảm biến gia tốc thân xe) vẫn đảm bảo khả năng dập tắt dao động và giảm gia tốc RMS tương đương với các cấu hình sử dụng nhiều cảm biến phức tạp hơn.
3. Nhận dạng tham số mô hình Dahl theo điện áp: Xây dựng được mô hình định lượng xác định quan hệ giữa các tham số đặc trưng trễ trong mô hình Dahl của giảm chấn MR với điện áp điều khiển cấp vào cuộn dây trên cơ sở dữ liệu đo thực nghiệm.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Thiết kế bệ thử thực nghiệm chuyên dụng: Chế tạo hoàn chỉnh bệ thử động lực học giảm chấn cơ cấu đĩa lệch tâm, tích hợp hệ thống thu thập dữ liệu tự động bằng vi xử lý Arduino và giao diện hiển thị máy tính, phục vụ hiệu quả công tác đo kiểm đặc tính lực - vận tốc - chuyển vị của các loại giảm chấn điều khiển được.
2. Bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm giảm chấn MR xe thương mại: Cung cấp bộ thông số thực nghiệm đầy đủ về đặc tính lực cản, đáp ứng trễ của giảm chấn MR trên hệ thống treo trước xe Acura 2011 dưới các mức điện áp từ 0V đến 1V, làm tài liệu tham khảo thực chứng cho các nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển khung gầm.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Khảo sát mô phỏng và thiết kế thuật toán điều khiển của luận án mới tập trung trên mô hình dao động 1/4 hệ thống treo (mô hình 1 góc xe), chưa mở rộng đánh giá đầy đủ trên mô hình toàn xe trong các điều kiện chuyển động phức tạp (quay vòng, phanh, chuyển làn).
• Quá trình thực nghiệm mới dừng lại ở việc kiểm chứng, đo đạc đặc tính động lực học và nhận dạng tham số của cụm giảm chấn MR đơn lẻ trên bệ thử tĩnh/động lực học trong phòng thí nghiệm; chưa tiến hành thử nghiệm thuật toán điều khiển thời gian thực (Real-time In-vehicle Test) trên xe thực tế chạy trên đường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng thuật toán điều khiển LQG cho mô hình hệ thống treo nửa xe (1/2 xe) và toàn xe (3D full-car model) để kiểm soát đồng thời dao động nhấp nhô (bounce), dao động lắc dọc (pitch) và dao động lắc ngang (roll) của thân xe.
• Ứng dụng kỹ thuật mô phỏng bán thực (Hardware-in-the-Loop - HIL) và lắp đặt thử nghiệm hệ thống điều khiển nhúng trên xe con thực tế nhằm đánh giá hiệu quả trong các điều kiện giao thông và thời tiết đa dạng.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ kỹ thuật và Điều khiển tự động:
  • Tài liệu tham khảo về phương pháp xây dựng bộ quan sát Kalman liên tục kết hợp điều khiển tối ưu LQR trong các hệ thống động lực học chịu nhiễu ngẫu nhiên.
  • Cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về mô hình hóa chất lỏng từ biến MR, mô hình bán tĩnh và các mô hình tham số phi tuyến trễ Bouc-Wen, Dahl.
• Đối với kỹ sư R&D tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp ô tô:
  • Cung cấp sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cơ khí bệ thử đĩa lệch tâm và chương trình giao diện/nạp dữ liệu vi xử lý Arduino (Phụ lục 3, Phụ lục 4) để ứng dụng vào công tác đo kiểm, đánh giá chất lượng giảm chấn.
  • Giải pháp tối ưu hóa cảm biến LQG2 giúp giảm giá thành sản xuất khi triển khai hệ thống treo bán tích cực trên các dòng ô tô phổ thông.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn MR thay vì hệ thống treo tích cực hoàn toàn?

Theo phân tích của tác giả, hệ thống treo tích cực đòi hỏi nguồn công suất ngoài lớn để vận hành cơ cấu chấp hành, kết cấu phức tạp, giá thành cao và có nguy cơ gây mất ổn định hệ thống cơ học nếu nguồn năng lượng gặp sự cố. Ngược lại, hệ thống treo bán tích cực với giảm chấn MR không đưa năng lượng cơ học vào hệ thống (không có nguy cơ mất ổn định), tiêu thụ rất ít năng lượng (chỉ cần pin/nguồn điện nhỏ để nuôi cuộn dây từ trường), có độ tin cậy tương đương hệ treo thụ động nhưng vẫn thích ứng linh hoạt theo thời gian thực.

2. Mâu thuẫn cốt lõi trong việc ứng dụng thuật toán LQR cho hệ thống treo ô tô mà luận án tập trung giải quyết là gì?

Thuật toán LQR đạt hiệu quả kiểm soát tối ưu khi phản hồi đầy đủ 5 biến trạng thái (dịch chuyển thân xe/bánh xe, vận tốc thân xe/bánh xe, mấp mô mặt đường). Tuy nhiên, cấu hình này đòi hỏi 5 cảm biến cho mỗi cụm treo, khiến hệ thống phức tạp và giá thành tăng cao, đặc biệt là cảm biến biên dạng mặt đường bằng công nghệ quét radar/LIDAR rất đắt tiền. Luận án giải quyết mâu thuẫn này bằng cách thiết kế bộ quan sát Kalman để ước lượng trạng thái và coi mặt đường là nhiễu vật lý, giúp giảm số lượng cảm biến cần lắp đặt.

3. Phương án điều khiển LQG2 được lựa chọn trong Chương 3 sử dụng loại cảm biến nào và đặt ở vị trí nào?

Bộ điều khiển LQG2 là cấu hình tối ưu chỉ sử dụng cảm biến gia tốc lắp đặt trên khối lượng được treo (thân xe). Bộ quan sát Kalman sẽ tiếp nhận tín hiệu gia tốc thân xe để ước lượng các biến trạng thái còn lại của hệ thống, giúp loại bỏ cảm biến đo mấp mô mặt đường và cảm biến dịch chuyển không gian treo mà vẫn đảm bảo hiệu quả dập tắt dao động.

4. Bệ thử thực nghiệm trong Chương 4 hoạt động dựa trên nguyên lý cơ học nào và đối tượng thử nghiệm cụ thể là gì?

Bệ thử thực nghiệm sử dụng cơ cấu dẫn động đĩa lệch tâm để biến đổi chuyển động quay của động cơ điện thành chuyển động tịnh tiến dao động điều hòa của cần piston giảm chấn. Đối tượng thử nghiệm thực tế được gắn trên bệ thử là cụm giảm chấn từ biến MR tháo từ hệ thống treo trước của xe ô tô con Acura đời 2011.

5. Mô hình toán học nào được tác giả sử dụng để nhận dạng và mô tả đặc tính phi tuyến trễ của giảm chấn MR từ dữ liệu thực nghiệm?

Tác giả sử dụng mô hình tham số Dahl. Từ các đường đặc tính lực - vận tốc ($F-v$) và lực - chuyển vị ($F-x$) đo được từ thực nghiệm trên bệ thử, tác giả đã tiến hành tính toán, hiệu chỉnh và xác định bảng giá trị cũng như quy luật phụ thuộc của các tham số trễ trong mô hình Dahl ($k, k_{wa}, k_{wb}, \rho$) theo dải điện áp điều khiển cấp vào cuộn dây ($0V \div 1V$).

---

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Kiên đã giải quyết bài toán mâu thuẫn giữa chất lượng điều khiển và số lượng cảm biến trong hệ thống treo bán tích cực sử dụng giảm chấn từ biến MR trên ô tô con. Bằng việc kết hợp lý thuyết điều khiển tối ưu LQR với bộ quan sát Kalman liên tục (cấu trúc LQG) và xử lý mấp mô mặt đường như một tín hiệu nhiễu vật lý ngẫu nhiên, tác giả đã xây dựng thành công bộ điều khiển LQG2 chỉ yêu cầu tín hiệu từ cảm biến gia tốc thân xe nhưng vẫn đảm bảo tính êm dịu chuyển động vượt trội so với hệ thống treo thụ động. Công trình được hoàn thiện với các kết quả thực nghiệm tin cậy trên bệ thử cơ điện tử chuyên dụng và mẫu giảm chấn MR xe Acura 2011, đóng góp thiết thực cho cả lý thuyết điều khiển dao động ô tô lẫn kỹ thuật phát triển hệ thống khung gầm điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Một trong những nghiên cứu sớm nhất về hệ thống treo có điều khiển điện tử là bài báo của Crosby và Karnopp, “The Active Damper”[1], đƣợc viết vào năm 1973, tuy nhiên, vào cuối năm 1995, Karnopp lƣu ý rằng “Có lẽ không có gì ngạc nhiên khi nhìn lại sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển hệ thống treo tích cực hoặc bán tích cực trong thực tế là tƣơng đối chậm. Việc thiết kế các hệ thống nhƣ vậy đòi hỏi một khái niệm rõ ràng, không chỉ liên quan đến cơ học của hệ thống mà còn liên quan đến điều khiển tự động và động lực học của hệ thống. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành phải có sẵn, các hạn chế của chúng cần đƣợc xem xét, cuối cùng là các thiết bị xử lý tín hiệu và điều khiển phải hiệu quả về chi phí và có sẵn. Chỉ gần đây, sự tiến bộ trong tất cả các khía cạnh này mới đạt đến mức có thể thực hiện đƣợc các thiết kế thực tế” [2].

Kể từ giữa những năm 1990, công nghệ chế tạo cảm biến, cơ cấu chấp hành trong hệ thống treo có điều khiển đã thay đổi đáng kể khiến chúng trở nên rẻ, độ nhạy cao và hoạt động đáng tin cậy hơn. Mặc dù hệ thống treo điều khiển điện tử chủ yếu đƣợc trang bị trên các loại xe cao cấp, nhƣng việc áp dụng chúng trên các dòng xe phổ thông đang ngày càng đƣợc mở rộng. Trong quá trình nghiên cứu, đã có sự bùng nổ về số lƣợng các loại phƣơng tiện có hệ thống treo bán tích cực sử dụng bộ giảm chấn lƣu biến từ tính (MR). Trọng tâm chính của luận án này là nghiên cứu thiết kế điều khiển giảm chấn MR của hệ thống treo bán tích cực theo thời gian thực.

Mục đích là để tìm ra các thuật toán điều khiển nhằm nâng cao khả năng dập tắt dao động của hệ thống treo và giảm số lƣợng cảm biến, từ đó giảm giá thành của hệ thống điều khiển. Để giải quyết vấn đề này cần giải quyết đƣợc mâu thuẫn: hệ thống điều khiển theo dõi càng nhiều thông số trạng thái thì chất lƣợng điều khiển càng tốt, nhƣng việc đòi hỏi nhiều cảm biến sẽ làm cho hệ thống trở lên phức tạp và giá thành sẽ tăng cao. Trong nghiên cứu của A. Agharkakl và cộng sự đã cho thấy rằng điều khiển hệ thống treo bằng thuật toán LQR tối ƣu đồng thời cả 5 trạng thái: dịch chuyển thân xe và bánh xe, vận tốc dao động thân xe và bánh xe, biên dạng mặt đƣờng cho thấy hiệu quả rất tốt về việc giảm độ dịch chuyển của thân xe và thời gian dập tắt dao động trên các loại đƣờng khác nhau [3].

Tuy nhiên hệ thống này sẽ đòi hỏi phải sử dụng 05 cảm biến tƣơng ứng cho từng hệ thống treo. Điều đó đồng nghĩa với độ phức tạp và giá thành của hệ thống sẽ tăng cao, đặc biệt là cảm biến biên dạng mặt đƣờng hiện nay vẫn còn có giá thành rất cao. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.1 Động lực học hệ thống treo Mô hình ¼ hệ thống treo thƣờng sử dụng trong nghiên cứu đƣợc thể hiện trong hình 1.(b), lốp xe đƣợc biểu diễn bằng một lò xo và khối lƣợng nhỏ hơn, đại diện cho bánh xe và các thành phần trục chuyển động cùng bánh xe, là khối lƣợng không đƣợc treo, ở đây đƣợc ký hiệu là mw. Khối lƣợng đƣợc treo: mb, là khối lƣợng của phần xe không chuyển động cùng bánh xe, bao gồm: khung, hành lý và hành khách.

Trong hầu hết các mô hình, vận tốc tịnh tiến đƣợc coi không đổi để thuận tiện về mặt toán học khi biểu diễn chiều cao đƣờng đơn giản dƣới dạng một hàm của thời gian: zr (t). Mô hình hệ thống treo ¼ a) Mô hình một khối lượng; b) Mô hình 2 khối lượng Các lực tác dụng lên ¼ khung xe là lực trọng trƣờng, lực lò xo và lực giảm chấn. Giả sử rằng độ cứng lò xo (k) và hệ số cản giảm chấn (c) là không đổi (lực lò xo và lực giảm chấn là tuyến tính), lúc này phƣơng trình chuyển động của hệ thống treo 2 bậc tự do (2 DOF) sẽ nhƣ sau: ⎧ d mz = −c ( z−z) −k( z−z) ⎨ dt b w b w ⎪ b b d (1. Để đơn giản xác định đƣợc dịch chuyển của thân xe, ngƣời ta thay đổi mô hình hệ thống treo từ 2 khối lƣợng thành 1 khối lƣợng (hình 1.

Từ đó có thể lập các phƣơng trình chuyển động của hệ thống treo 1 bậc tự do nhƣ sau: (1.2) mb zb = −c (zb − zr ) − k (zb − zr ) Từ đây, việc xác định các thông số chuyển động của thân xe dễ dàng hơn. Để chuyển từ mô hình hệ thống treo 2 khối lƣợng (Theo hình 1.1b) về mô hình 1 khối lƣợng thì coi bánh xe có lốp là một phần từ đàn hồi có độ cứng kt ,còn phần tử giảm chấn thì không đổi. Lúc này, mô hình 2 khối lƣợng trở thành mô hình 1 khối lƣợng có độ cứng của phần tử đàn hồi tƣơng đƣơng đƣợc tính nhƣ sau: kt k ( ke = 1 k+k. 3 ) t Công thức trên có thể đƣợc sử dụng để tính toán độ cứng lò xo hệ thống treo khi biết trƣớc độ cứng lò xo tƣơng đƣơng và độ cứng của lốp [4].

Lốp thƣờng đƣợc mô tả đơn giản nhƣ một lò xo, nhƣ trong hình 1. Để mô hình có độ chính xác cao hơn, ngƣời ta thƣờng sử dụng mô hình lốp dạng “magic formula” có “khả năng áp dụng rộng rãi cho nhiều loại đƣờng” [6]. Các mô hình này đƣợc sử dụng để mô hình hóa chính xác hơn về động lực học của lốp. Mô hình này thƣờng sử dụng các đƣờng cong phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm, hoặc thậm chí các mô hình đƣợc phát triển bởi mạng nơ-ron [7].

Động lực học lốp xe cực kỳ quan trọng đối với sự ổn định của xe và nghiên cứu về động lực học của lốp xe đã góp nhiều công sức trong việc nâng cao chất lƣợng chuyển động của ô tô từ giữa đến cuối thế kỷ 20 [8]. Lực sinh ra trong vết tiếp xúc bánh xe và mặt đƣờng phụ thuộc vào các góc đặt bánh xe [7]. Do vậy vị trí hình học giữa bánh xe và hệ thống treo phải luôn phù hợp để chống lại những bất ổn không mong muốn. Một trong những ƣu điểm nổi trội của hệ thống treo bán tích cực là sự cân bằng hình học của hệ thống treo mà không cần phải thay đổi kết cấu, xáo trộn các vị trí của các cụm chi tiết trong hệ thống về mặt không gian bố trí, vì thay đổi duy nhất là thay thế bộ phận giảm chấn ống lồng thụ động bằng giảm chấn có điều khiển.

Thiết kế hệ thống treo thụ động Việc lựa chọn các thông số hệ thống treo là một nghệ thuật, quá trình thiết kế và chọn lựa thƣờng bắt đầu với việc xác định các tần số cơ bản [9]. “Đối với hầu hết các loại ô tô, tần số dao động riêng của khối lƣợng đƣợc treo thƣờng là 1,0Hz đến 2,0Hz và tần số riêng khối lƣợng không đƣợc treo thƣờng là 8,0 Hz đến 12,0Hz.” Giorgetti, Bemporad và cộng sự đặt mục tiêu 1,5Hz đối với tần số dao động của khối lƣợng đƣợc treo và 10 Hz đối với tần số dao động của bánh xe [10]. Ngoài ra, đối với xe đua, chú trọng nhiều hơn vào khả năng bám đƣờng, vì vậy hệ thống treo đƣợc thiết kế cứng hơn và tần số dao động riêng cao hơn từ 2 đến 7 Hz [11]. Tần số dao động riêng của thân xe, tính bằng hertz, đƣợc tính bằng công thức: 1 ω= (1.4) Tần số dao động riêng của bánh xe bị ảnh hƣởng bởi độ cứng của lò xo và độ cứng của lốp đƣợc tính nhƣ sau [4] : 1ωw = ( 1 k  kt.

5 ) Hệ số giảm chấn ở tần số cơ bản thƣờng là khoảng ζ=0,25 và đây đƣợc coi là một thỏa hiệp có thể chấp nhận đƣợc đối với hệ thống treo của ô tô [4]. Chứng nhận của Chính phủ Úc về “hệ thống treo thân thiện với đƣờng” quy định rằng “hệ số giảm chấn trung bình DM” phải lớn hơn 20% so với giảm chấn tới hạn” [12]. Hầu hết các bộ giảm chấn hiện đại đƣợc thiết kế để có hệ số giảm chấn khi trả khác với khi nén [11]; [13]; [14]. Hệ số cản giảm chấn ở hành trình trả lớn gấp từ 2 đến 3 lần so với hành trình nén [15].

Nhiều lý do khác nhau đƣợc đƣa ra cho sự bất đối xứng này. Theo thực nghiệm, Milliken đã chỉ ra rằng vận tốc dao động của bánh xe theo hƣớng đi lên (gập ghềnh) thƣờng cao hơn đáng kể so với hƣớng đi xuống (hành trình trả) khoảng hai lần. Do đó giảm chấn có độ bất đối xứng tƣơng ứng để giữ cho các lực tác động lên xe đối xứng [4]. Bastow và cộng sự xem đây là “sự thỏa hiệp” giữa hệ treo mềm trong “điều khiển chuyển động của các khối lƣợng đƣợc treo và không đƣợc treo chịu các nhiễu loạn có chu kỳ” [7].

Có lẽ lời giải thích rõ ràng nhất đƣợc đƣa ra bởi Guglielmino, E. Sireteanu: “Khi xảy ra va chạm, gia tốc hƣớng lên theo phƣơng thẳng đứng có thể đạt cực đại trong vài giây khi gặp ổ gà, và gia tốc hƣớng xuống theo phƣơng thẳng đứng không đƣợc lớn hơn 1g (g=9,81m/s2). Đây cũng là lý do tại sao giảm chấn thủy lực đƣợc thiết kế với phi đối xứng” [16]. Hệ thống treo điều khiển điện tử Hệ thống treo điều khiển điện tử thay đổi các đặc tính của hệ thống treo tại từng thời điểm và phụ thuộc vào công tắc lựa chọn.

Chúng có thể đƣợc chia thành tích cực và bán tích cực ([17]; [18]; [19]; [20]; [21]. Trong những năm 1970, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu điều khiển hệ thống treo. Crosby và Karnopp đã đƣa ra định nghĩa về hệ thống treo tích cực [1]. Hệ thống treo tích cực sẽ có một cơ cấu chấp hành đƣợc cấp nguồn năng lƣợng để tạo ra lực theo yêu cầu của bộ điều khiển, nhƣ đƣợc trình bày ở trong hình 1.

Hệ thống treo tích cực có khả năng tạo ra bất kỳ lực nào mong muốn và do đó linh hoạt hơn nhiều so với hệ thống treo thụ động truyền thống. Hệ thống treo điều khiển điện tử a) Tích cực; b): Bán bán tích cực Mặc dù ban đầu có một số sai lệch trong thuật ngữ, các định nghĩa cho hệ thống treo tích cực, bán tích cực và thụ động hiện đã trở nên khá chuẩn hóa ([1]; [22]; [23]).