ĐẶT VẤN ĐỀ Ô tô là một hệ dao động phức tạp nằm trong mối liên hệ chặt chẽ với đường có biên dạng phức tạp. Dao động ô tô không những ảnh hưởng tới con người (lái xe và hành khách), hàng hóa chuyên chở, độ bền của xe, độ an toàn chuyển động của ô tô mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ của đường. Đặc biệt trong quá trình chuyển động, khi ô tô dao động làm phát sinh tải trọng động rất lớn tác động lên hệ thống khung vỏ của ô tô, các chi tiết, cơ cấu tổng thành, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của chúng. Để khử các dao động phát sinh, giữ ổn định và giúp người sử dụng cảm thấy thoải mái trong quá trình ô tô chuyển động, thông thường người ta tập trung nghiên cứu phát và triển hệ thống treo.
Vì thế, đối với một chiếc xe ô tô, hệ thống treo là một trong những bộ phận phức tạp và rắc rối nhất trên xe. Tuy nhiên, hệ thống treo cổ điển hay còn gọi là hệ thống treo bị động (bao gồm treo phụ thuộc và treo độc lập) dù trải qua thời gian dài trong việc phát triển một cách tối ưu các cơ cấu cơ khí trong hệ thống, nhưng hệ thống treo cổ điển vẫn không thể khử hoàn toàn các dao động cơ học do trạng thái mặt đường, các tác nhân cơ học của cơ cấu cơ khí cấu thành trên ô tô, hoặc do chủ quan của tải trọng hay người điều khiển. Để khắc phục khuyết điểm trên, từ cuối những năm 80 của thế kỷ XX đã có những công trình nghiên cứu về hệ thống treo mà độ cứng của giảm chấn có thể thay đổi. Hệ thống treo đó còn gọi là hệ thống treo bán tích cực hay hệ thống treo bán chủ động.
Hệ thống treo bán chủ động là một trong những bộ phận quan trọng nhất trên ô tô hiện đại. Ưu điểm hệ thống treo bán chủ động là có khả năng tự động điều chỉnh độ cứng và cơ chế hoạt động của hệ thống treo để đáp ứng với độ nghiêng khung xe khi vào cua, độ nhấp nhô của mặt đường, giữ thăng bằng khi phanh và khi tăng tốc đột ngột, có khả năng tự động thích nghi với tải trọng của xe và thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình. Hệ thống treo bán chủ động của ô tô là một hệ thống động lực học rung động phức tạp, để phân tích nghiên cứu nó ta cần đơn giản hóa mô hình, các mô hình thường được sử dụng để nghiên cứu là: + Mô hình 1/4 hệ thống treo với hai bậc tự do, với mô hình đơn giản, chỉ có thể mô tả sự biến hóa của vận tốc và gia tốc rung động của thân xe theo chiều thẳng. HVTH: HỒ QUỐC KHÁNH 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.
TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN + Mô hình một nửa hệ thống treo với bốn bậc tự do, lựa chọn một nửa thân xe theo đường đối xứng để xây dựng mô hình nghiên cứu, nó phản ánh được rung động thẳng đứng và góc nghiêng theo một phương của thân xe. + Mô hình tổng thể hệ thống treo với bảy bậc tự do, với mô hình này nó phản ánh toàn bộ hệ thống rung động của thân xe và góc nghiêng của thân xe theo ba phương, thể hiện tổng thể rung động của thân xe như với thực tế. Hệ thống treo để nối đàn hồi giữa khung hoặc vỏ với các cầu, các bánh xe của ô tô thực hiện các chức năng sau: Khi ô tô chuyển động nó cùng với lốp hấp thụ và cản lại các rung động , các dao động và các va đập tác dụng lên xe do mặt đường không bằng phẳng để bảo vệ các hành khác, hành lý và cải thiện tính ổn định. Xác định động học chuyển động của bánh xe, lực phanh sinh ra do ma sát giữa các bánh xe và mặt đường và các mô men phản lực tới gầm và thân xe.
Dập tắt các dao động thẳng đứng của khung vỏ sinh ra do ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng. Khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng sẽ chịu nhiều dao động do mấp mô mặt đường sinh ra. Những dao đông này ảnh hưởng tới tuổi thọ của xe, hàng hóa và đặc biệt là ảnh hưởng tới hành khách. Theo thống kê cho thấy, khi ô tô chạy trên đường gồ ghề so với ô tô chạy trên đường tốt bằng phẳng thì tốc độ trung bình giảm 40- 50%, quãng đường chạy giữa hai chu kỳ đại tu giảm 35-40%, suất tiêu hoa nhiên liệu giảm 50-70% do vậy năng suất vận chuyển giảm 30-40%, giá thành vận chuyển tang 50-70%.
Ngoài ra nếu con người chịu đựng lâu trong tình trạng bị rung xóc nhiều dễ sinh ra mệt mỏi, các kết quả cho thấy ảnh hưởng của ô tô tới cơ thể sẽ dẫn tới các bênh về thần kinh và não. Vì vậy tính êm dịu là 1 trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng xe. Tính êm dịu của xe trước hết là hệ thống treo, phụ thuôc và đặc điểm và cường độ kích thích và sau đó là phụ thuộc vào trình độ lái xe. Lực kích thích gây dao động có thể do sự không cân bằng của liên hợp máy hoặc do độ nhấp nhô của mặt đường không bằng phẳng.
Nếu chỉ xét trong phạm vi khả năng chế tạo ô tô thì hệ thống treo mang tính chất quyết định đến độ êm dịu chuyển động của ô tô. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Trong hệ thống treo chủ động, phương pháp điều khiển hệ thống đóng vai trò rất quan trọng, ngày nay với sự phát triển không ngừng của ngành toán tin, hiện có rất nhiều phương HVTH: HỒ QUỐC KHÁNH 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN pháp điều khiển như: phương pháp điều khiển tối ưu hóa, phương pháp điều khiển tự thích ứng, phương pháp điều khiển fuzzy logic, phương điều khiển mạng thần kinh,v.v… Minh chứng trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã không ngừng đưa ra các giải pháp điều khiển hệ thống treo khác nhau. Cụ thể như Florin Andronic, Liliana Pătuleanu [22] đã nghiên cứu mô phỏng và phân tích dao động của xe với hệ thống treo bị động, theo mô hình 1/4 xe với hai tự do bằng Matlab Simulink, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.
Giải pháp điều khiển tuyến tính dựa trên mô hình toán 1/4 và 1/2 xe chỉ phản ánh sự biến hóa của vận tốc và gia tốc rung động của thân xe theo chiều thẳng đứng và nghiêng theo một phương của thân xe. Vấn đề đặt ra là làm thế nào phản ánh toàn bộ hệ thống rung động của thân xe và góc nghiêng của thân xe theo ba phương, thể hiện tổng thể rung động của thân xe như với thực tế. Nhóm nghiên cứu M. Prem Jeya Kumar [5], với ứng dụng Matlab Similink đã mô hình hóa hệ thống treo xe ô tô bằng mô hình toán học một cách đầy đủ với 7 bậc tự do.
Điểm nổi bậc của mô hình này có thể mô phỏng chuyển vị góc của các bánh xe dẫn hướng như Caster, Kingping, Toe-in, Toe-out,…Kế thừa mô hình toán học của hệ thống treo với bảy bậc tự do, Nguyễn Đức Ngọc, Deng Zhaoxiang [12], ứng dụng lý thuyết phương pháp điều khiển tối ưu thiết kế bộ điều khiển tuyến tính để kiểm soát hoạt động hệ thống treo của xe. Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển hệ thống treo. Kết quả mô phỏng so sánh với hệ thống treo bị động, cho thấy việc kiểm soát hệ thống treo chủ động với bộ điều khiển tuyến tính cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống treo, làm cho nguời ngồi trên xe cảm thấy thoải mái hơn. Trong hội nghị Cơ học Kỹ thuật toàn quốc, 04/2014, Đinh Văn Phong [4] với báo cáo “Mô hình dao động ô tô có tính đến tính chất phi tuyến của phần tử treo thủy khí”.
Kết quả, phương trình dao động cho mô hình ô tô có tính đến tính chất phi tuyến của hệ thống treo thủy khí đã được thiết lập. Đây là một hệ hỗn hợp có phương trình phức tạp, do đó phương pháp tách phần tử đã được sử dụng nhằm giúp cho quá trình xây dựng phương trình trở nên đơn giản hơn. Một số kết quả mô phỏng cũng đã được đưa ra và cho thấy sự khác biệt lớn giữa mô hình phi tuyến và mô hình tuyến tính. Điều đó cho thấy ý nghĩa của việc nghiên cứu mô hình phi tuyến cho hệ thống treo xe ô tô.
Giải pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo xe ô tô ngày càng phát triển mạnh hơn. Cụ thể, Morteza Moradi and Afef Fekih [6], với giải pháp sử dụng bộ điều khiển trượt để điều khiển đối tượng phi tuyến với hàm trượt được thiết kế dựa trên PID. Bộ điều khiển trượt để tạo ra các tín hiệu theo dõi các van trong bốn ống xilanh điện-thủy lực giảm chấn tại bánh xe. Ưu điểm chính của việc sử dụng phương pháp HVTH: HỒ QUỐC KHÁNH 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.
TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN này là bộ điều khiển không cần đo vị trí của van trong ống giảm chấn, vì vậy dẫn đến một số lượng ít hơn của cảm biến. Song song với giải pháp phát triển thuật điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo, việc tối ưu cơ cấu cơ khí là điều không thể thiếu trong quá trình hoàn thiện hệ thống treo chủ động. Ống giảm chấn từ lưu biến (MR Damper) là một giải pháp thiết thực về mặt cơ khí cho hệ thống treo chủ động. Nghiên cứu điều khiển giảm chấn từ lưu biến của hệ thống treo xe ô tô, Olugbenga Moses Anubi [10], sử dụng phương thức Sky-hook (điều khiển dập tắt khối lượng phần treo).
MR Damper đặt thẳng đứng, để theo dõi xung lực giảm chấn Sky-hook, trong khi các thuật toán điều khiển van điều tiết từ lưu biến sử dụng NES (noNBinear energy sink). Kết quả mô phỏng cho thấy ô tô dao động êm dịu hơn theo chiều dọc của xe. Một hướng nghiên cứu khác, Nguyễn Đức Ngọc, Deng Zhaoxiang [13], dựa trên việc thiết lập mô hình tổng thể mô phỏng các hoạt động của hệ thống treo với bảy bậc tự do, sử dụng phần mềm Flux tính toán tối ưu thiết kế xi lanh lực điện từ và từ đó thiết kế mô hình điều khiển cho hệ thống treo chủ động. Kết quả ứng dụng phương pháp điều khiển tối ưu hệ thống treo chủ động trên cho biết lực tác động cần thiết trên từng giá treo, hành trình, vận tốc và gia tốc dao động của giá treo chủ động.
Từ đó là cơ sở để tiến hành nghiên cứu thiết kế hệ thống giá treo chủ động có bộ phát sinh lực dạng xi lanh lực điện từ, sử dụng điện áp một chiều.