Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Phỏng Ổn Định Thùng Xe Với Hệ Thống Treo Khí

Luận văn thạc sĩ phân tích mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí, ứng dụng trong thiết kế và cải tiến phương tiện giao thông.

• Tác giả: Hồ Xuân Trường
• Người hướng dẫn: TS. Lâm Mai Long
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Mô Phỏng Ổn Định Thùng Xe Với Hệ Thống Treo Khí
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Một số nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Một số nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.4.2. Giới hạn của đề tài
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí

Mô phỏng ổn định thùng xe là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Tính ổn định của thùng xe ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và thoải mái của hành khách. Hệ thống treo khí, với khả năng điều chỉnh độ cứng, đã trở thành một giải pháp hiệu quả để cải thiện tính ổn định này. Việc sử dụng phần mềm MATLAB-Simulink trong mô phỏng giúp đánh giá chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định thùng xe.

1.1. Khái niệm về ổn định thùng xe trong chuyển động

Ổn định thùng xe là khả năng giữ cho thùng xe không bị nghiêng quá mức trong quá trình di chuyển. Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải trọng, tốc độ và đặc tính của hệ thống treo.

1.2. Vai trò của hệ thống treo khí trong ổn định thùng xe

Hệ thống treo khí cho phép điều chỉnh độ cứng và chiều cao của từng túi khí, giúp thùng xe duy trì sự cân bằng tốt hơn trong các điều kiện vận hành khác nhau.

II. Vấn đề và thách thức trong mô phỏng ổn định thùng xe

Mô phỏng ổn định thùng xe gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định các thông số chính xác của hệ thống treo khí và ảnh hưởng của tải trọng đến ổn định. Các yếu tố như độ cứng của lò xo khí và áp suất trong túi khí cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định thùng xe

Các yếu tố như tải trọng, tốc độ di chuyển và đặc tính của hệ thống treo khí đều có ảnh hưởng lớn đến góc nghiêng và ổn định của thùng xe.

2.2. Thách thức trong việc mô phỏng hệ thống treo khí

Việc mô phỏng chính xác hệ thống treo khí đòi hỏi phải có các thông số kỹ thuật chính xác và khả năng điều chỉnh linh hoạt trong quá trình mô phỏng.

III. Phương pháp mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí

Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm MATLAB-Simulink cho phép xây dựng mô hình ổn định thùng xe một cách hiệu quả. Các thông số của hệ thống treo khí được điều chỉnh để khảo sát ảnh hưởng đến ổn định thùng xe trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng trong MATLAB Simulink

Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của xe Thaco Mobihome HB120SSL, cho phép phân tích ảnh hưởng của hệ thống treo khí đến ổn định thùng xe.

3.2. Các phương trình sử dụng trong mô phỏng

Các phương trình cân bằng ngoại lực và phương trình mô tả hành vi của hệ thống treo khí được sử dụng để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống treo khí có khả năng cải thiện đáng kể tính ổn định thùng xe. Việc điều chỉnh độ cứng của túi khí giúp hạn chế dịch chuyển của thùng xe, từ đó nâng cao an toàn và thoải mái cho hành khách.

4.1. Kết quả mô phỏng ổn định thùng xe

Mô phỏng cho thấy rằng khi sử dụng hệ thống treo khí, thùng xe có thể duy trì sự ổn định tốt hơn trong các điều kiện vận hành khác nhau.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống treo khí

Hệ thống treo khí đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều loại xe, từ xe khách đến xe tải, giúp nâng cao tính năng ổn định và an toàn khi di chuyển.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu

Nghiên cứu về mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí mở ra nhiều hướng phát triển mới trong ngành công nghiệp ô tô. Việc cải tiến công nghệ và ứng dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại sẽ giúp nâng cao tính ổn định và an toàn cho các phương tiện giao thông.

5.1. Kết luận về hiệu quả của hệ thống treo khí

Hệ thống treo khí đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện tính ổn định thùng xe, góp phần nâng cao an toàn cho hành khách.

5.2. Hướng phát triển trong nghiên cứu mô phỏng

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình mô phỏng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống treo khí, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của mật độ phương tiện giao thông tại Việt Nam với mức tăng trưởng trung bình khoảng 10% đến 15% mỗi năm đang đặt ra những thách thức nghiêm trọng về an toàn kỹ thuật và ổn định chuyển động của ô tô. Trong phân khúc xe khách cỡ lớn như dòng Thaco Mobihome HB120SSL, độ ổn định của thùng xe khi vận hành đóng vai trò quyết định đến sự an toàn tính mạng của hành khách và tuổi thọ kết cấu khung gầm. Các nghiên cứu an toàn giao thông chỉ ra rằng, hơn 35% các vụ tai nạn nghiêm trọng của xe thương mại bắt nguồn từ hiện tượng mất cân bằng thùng xe, lật ngang khi vào cua hoặc trượt hướng khi phanh gấp.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu tập trung vào hạn chế cố hữu của hệ thống treo cơ khí truyền thống sử dụng nhíp lá hoặc lò xo kim loại với hệ số độ cứng cố định. Khi tải trọng phân bố thay đổi đột ngột hoặc khi xe chịu lực quán tính lớn, hệ thống treo kim loại không thể tự điều chỉnh để triệt tiêu góc nghiêng, dẫn đến hiện tượng xê dịch trọng tâm và làm suy giảm độ bám đường của bánh xe.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng mô hình toán học giải tích, tính toán động lực học và mô phỏng quá trình điều khiển cân bằng thùng xe bằng hệ thống treo khí nén trên phần mềm MATLAB-Simulink. Nghiên cứu được triển khai trên nền tảng thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe khách Thaco Mobihome HB120SSL trong khung thời gian từ tháng 09/2014 đến tháng 10/2015 tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc tối ưu hóa khả năng thích nghi của hệ thống treo với sự phân bố tải trọng, hướng tới mục tiêu giảm thiểu hơn 11% biên độ dịch chuyển thùng xe và giảm lực tác động động lực học lên mặt đường khoảng 3,4%, nâng cao vượt bậc chỉ số êm dịu và tính an toàn chủ động cho phương tiện giao thông vận tải đường dài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô hiện đại kết hợp với nhiệt động lực học chất khí. Trọng tâm là mô hình phẳng một vết mô tả chuyển động thẳng của xe theo phương trình cân bằng lực D'Alembert và mô hình cân bằng không gian khi xe quay vòng ổn định.

Hệ thống lý thuyết thứ hai là nhiệt động lực học quá trình nén giãn khí trong buồng đàn hồi dạng ống lượn. Mối quan hệ giữa áp suất và thể tích khí tuân theo phương trình trạng thái đoạn nhiệt p nhân thể tích V lũy thừa n bằng hằng số. Trong đó, hệ số n bằng 1 tương ứng với quá trình biến thiên chậm khi xe vào đường vòng ổn định (đặc tính tải tĩnh), và n bằng 1,38 đến 1,40 đại diện cho quá trình biến dạng nhanh khi xe di chuyển trên mặt đường gồ ghề (đặc tính tải động).

Nghiên cứu làm rõ 4 khái niệm nền tảng bao gồm:

• Hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử (ECAS - Electronically Controlled Air Suspension), cho phép điều khiển độc lập chiều cao và áp suất từng túi khí thông qua van điện từ.
• Độ cứng đàn hồi biến thiên C, được định nghĩa bằng đạo hàm bậc nhất của lực tác dụng F theo độ biến dạng z.
• Góc nghiêng dọc (pitch angle) sinh ra do lực quán tính khi tăng tốc hoặc phanh.
• Góc nghiêng ngang (roll angle) xuất hiện dưới tác động của lực ly tâm khi xe quay vòng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên máy tính. Dữ liệu đầu vào sử dụng bộ thông số kỹ thuật chuẩn của xe Thaco Mobihome HB120SSL do Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải công bố. Việc lựa chọn mẫu xe HB120SSL đại diện xuất phát từ thực tế đây là mẫu xe khách đường dài chiếm hơn 60% thị phần vận tải hành khách liên tỉnh tại Việt Nam, có trọng tâm cao và chịu dải biến thiên tải trọng hành khách rất lớn giữa trạng thái không tải và đầy tải.

Phương pháp phân tích dựa trên việc giải hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả chuyển động của thùng xe và hệ thống treo thông qua công cụ MATLAB-Simulink với hơn 25 hộp công cụ chuyên dụng. Lý do lựa chọn phương pháp này nhằm tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí thử nghiệm thực tế trên xe thật, đồng thời cho phép can thiệp tức thời vào các tham số độ cứng, áp suất ban đầu, và hành trình piston để khảo sát đa dạng kịch bản vận hành nguy hiểm. Tiến trình nghiên cứu được thực hiện liên tục trong 14 tháng, trải qua các giai đoạn từ thiết lập giải tích, xây dựng sơ đồ khối đến kiểm chứng hội tụ mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng động lực học trên phần mềm MATLAB-Simulink đã làm sáng tỏ khả năng kiểm soát vượt trội của hệ thống treo khí so với hệ thống treo thụ động truyền thống thông qua các phát hiện cụ thể:

Thứ nhất, trong chuyển động thẳng có gia tốc, khi xe tăng tốc với gia tốc dương, tải trọng pháp tuyến dồn mạnh về cầu sau làm xuất hiện góc ngửa thùng xe; ngược lại khi phanh với gia tốc âm, tải trọng dồn về cầu trước làm xe chúi đầu. Hệ thống treo khí nén thông qua cảm biến vị trí và ECU đã kịp thời tăng khối lượng khí và nâng áp suất tại các túi khí chịu tải, giúp độ cứng tại cầu trước tăng hơn 25% khi phanh và giảm độ dịch chuyển của thùng xe về gần mức 0 mét.

Thứ hai, trong chuyển động quay vòng ổn định tại dải vận tốc 30 km/h với bán kính quay vòng R bằng 1,4 mét, lực ly tâm gây mất cân bằng tải trọng nghiêm trọng giữa hai bên sườn xe. Hệ thống treo khí nén đã tự động điều chỉnh tăng áp suất và khối lượng khí trong các túi khí bên ngoài vòng cua, làm tăng độ cứng trung bình của các túi khí bên phải lên khoảng 35% đến 40%, giữ cho góc nghiêng ngang của thùng xe luôn nằm trong giới hạn an toàn dưới 2,5 độ.

Thứ ba, sự kiểm soát độc lập của các túi khí tại từng bánh xe đã triệt tiêu độ biến dạng không đều, giúp giảm tốc độ dịch chuyển của thùng xe khoảng 11,51%, giảm biên độ dịch chuyển dao động 11,94% và giảm lực va đập động lực học tác dụng từ bánh xe lên khung vỏ 3,4%, hoàn toàn trùng khớp với các công bố thực nghiệm của các nhà khoa học quốc tế.

Thảo luận kết quả

Cơ chế cốt lõi giúp hệ thống treo khí đạt được sự ổn định là khả năng biến thiên độ cứng linh hoạt theo hàm số của tải trọng và thể tích. Khi tải trọng thẳng đứng tăng lên, áp suất khí nén trong túi tăng tương ứng theo quan hệ tải trọng Fzs bằng hiệu áp suất trong và ngoài nhân diện tích làm việc A, từ đó kéo theo độ cứng C tăng tỷ lệ thuận mà không cần thay đổi kích thước hình học của lò xo.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua các đồ thị phản lực pháp tuyến theo thời gian và bảng ma trận thay đổi độ cứng túi khí. Các đường đặc tính động lực học cho thấy, trong khi hệ thống treo kim loại có biên độ dao động suy giảm chậm sau 3 đến 5 chu kỳ dao động, hệ thống treo khí kết hợp giảm chấn thủy lực hai lớp vỏ có khả năng dập tắt hoàn toàn dao động chỉ sau 1 đến 2 chu kỳ. Việc kết hợp van trượt cơ khí hoặc van điện từ tỷ lệ giúp phản ứng nạp xả khí diễn ra tức thời, duy trì chiều cao trọng tâm thân xe không đổi bất kể sự thay đổi khối lượng hành khách trên xe.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu mô phỏng, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ và quản lý kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng hệ thống treo khí tại Việt Nam:

Thứ nhất, nâng cấp hệ thống điều khiển điện tử ECAS bằng cách tích hợp cảm biến gia tốc đa trục và cảm biến góc quay vô lăng, giảm thời gian trễ phản hồi của van điện từ xuống dưới 10 miligiây. Các doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô lớn như Thaco, Samco hoặc Hyundai Thành Công nên chủ động ứng dụng giải pháp này trong vòng 12 đến 18 tháng tới.

Thứ hai, tối ưu hóa kết cấu buồng đàn hồi thông qua việc bổ sung buồng khí phụ có thể tích từ 1,5 đến 3,0 lít kết hợp van tiết lưu điều khiển điện. Giải pháp này giúp mở rộng dải điều chỉnh độ cứng đàn hồi, đáp ứng tối ưu cả hai chế độ êm dịu khi chạy đường cao tốc và cứng vững khi vào cua. Các viện nghiên cứu cơ khí động lực cần phối hợp với nhà máy sản xuất để chế tạo thử nghiệm trong giai đoạn 2 năm tới.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình bảo trì, kiểm tra áp suất làm việc tĩnh p0 và độ kín khít của các túi cao su định kỳ sau mỗi 20.000 km hoặc 6 tháng vận hành. Đơn vị thực hiện là các doanh nghiệp vận tải hành khách và trung tâm dịch vụ kỹ thuật ủy quyền nhằm ngăn ngừa sự cố nổ túi khí hoặc rò rỉ van chia khí.

Thứ tư, ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về đánh giá độ ổn định chống lật chủ động của xe khách giường nằm sử dụng hệ thống treo khí. Cục Đăng kiểm Việt Nam và Bộ Giao thông Vận tải cần xây dựng và áp dụng bộ tiêu chuẩn này trong lộ trình kiểm định phương tiện cơ giới đường bộ giai đoạn 2026-2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị lý thuyết và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D), kỹ sư thiết kế khung gầm ô tô tại các nhà máy sản xuất xe thương mại. Luận văn cung cấp toàn bộ hệ thống phương trình động lực học và mô hình Simulink hoàn chỉnh để phục vụ tính toán, hiệu chỉnh thông số hệ thống treo cho các dòng xe mới.

Nhóm thứ hai là giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô và Điều khiển Tự động. Tài liệu này đóng vai trò như một cẩm nang học thuật mẫu mực về phương pháp mô hình hóa hệ thống phi tuyến và ứng dụng công cụ mô phỏng số.

Nhóm thứ ba là các nhà quản lý kỹ thuật, cán bộ điều hành tại các công ty vận tải hành khách liên tỉnh quy mô lớn. Luận văn giúp họ hiểu rõ bản chất vận hành của hệ thống ECAS, từ đó xây dựng định mức khai thác an toàn và quy trình bảo dưỡng phòng ngừa hiệu quả cho đội xe.

Nhóm thứ tư là các đăng kiểm viên và chuyên gia thẩm định an toàn kỹ thuật phương tiện giao thông. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá giới hạn an toàn chuyển động của phương tiện cơ giới cải tạo hoặc nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống treo khí lại kiểm soát góc nghiêng tốt hơn lò xo kim loại?

Lò xo kim loại có độ cứng cố định nên khi chịu tải lệch, khoảng biến dạng đàn hồi sẽ tỷ lệ thuận với lực tác dụng khiến thân xe bị nghiêng mạnh. Ngược lại, hệ thống treo khí có khả năng thay đổi áp suất và nạp thêm khí vào buồng đàn hồi, làm tăng độ cứng tức thời tại bánh xe chịu tải để duy trì chiều cao thân xe cân bằng.

Vai trò của phần mềm MATLAB-Simulink trong đề tài nghiên cứu này là gì?

Phần mềm MATLAB-Simulink đóng vai trò là môi trường giải thuật số, cho phép thiết lập sơ đồ khối mô tả các phương trình vi phân động lực học phi tuyến phức tạp. Công cụ này giúp mô phỏng chính xác sự biến thiên của áp suất, khối lượng khí và chuyển vị thân xe trong các điều kiện tăng tốc, phanh và quay vòng mà không cần thử nghiệm phá hủy thực tế.

Sự khác biệt giữa hệ số đoạn nhiệt n bằng 1 và n bằng 1,4 trong tính toán là gì?

Hệ số n bằng 1 biểu diễn quá trình biến thiên nhiệt độ không đổi, áp dụng khi xe vào cua ổn định với tốc độ thay đổi thể tích túi khí chậm. Hệ số n bằng 1,4 biểu diễn quá trình đoạn nhiệt hoàn toàn, áp dụng khi xe di chuyển trên đường mấp mô có dao động tần số cao, thể tích túi khí co giãn nhanh khiến nhiệt độ và áp suất khí biến đổi tức thời.

Hệ thống treo khí trên xe Thaco Mobihome HB120SSL hoạt động ra sao khi quay vòng ở tốc độ 30 km/h?

Khi xe quay vòng ở vận tốc 30 km/h, lực ly tâm đẩy trọng tâm nghiêng ra phía ngoài. Cảm biến vị trí ghi nhận độ nén của túi khí bên ngoài và truyền tín hiệu về ECU để mở van cấp thêm khí, làm tăng độ cứng trung bình của túi khí chịu lực lên khoảng 35% đến 40%, giữ cho thùng xe luôn cân bằng.

Những thách thức kỹ thuật lớn nhất khi vận hành hệ thống treo khí tại Việt Nam là gì?

Thách thức lớn nhất nằm ở khả năng dẫn hướng độc lập của túi khí rất kém, đòi hỏi hệ thống đòn dẫn hướng phức tạp phải luôn chuẩn xác. Ngoài ra, điều kiện khí hậu nóng ẩm và bụi bẩn dễ làm lão hóa vỏ cao su của túi khí và gây kẹt các cụm van điện từ chia khí nếu không được bảo dưỡng định kỳ.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích toàn diện mô tả ổn định thùng xe trong hai trạng thái chuyển động thẳng có gia tốc và chuyển động quay vòng ổn định.
• Thiết lập hoàn chỉnh mô hình mô phỏng động lực học trên phần mềm MATLAB-Simulink dựa trên bộ thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe khách Thaco Mobihome HB120SSL.
• Chứng minh tính ưu việt của hệ thống treo khí nén với khả năng tự điều chỉnh độ cứng đàn hồi theo tải trọng phân bố, giúp triệt tiêu góc nghiêng dọc khi phanh, tăng tốc và kiểm soát góc nghiêng ngang khi vào cua.
• Đóng góp nguồn tư liệu khoa học chuẩn xác, khẳng định việc ứng dụng hệ thống treo khí nén giúp giảm hơn 11% biên độ dao động thùng xe và nâng cao vượt bậc chỉ số an toàn chuyển động.
• Mở ra hướng phát triển mở rộng mô hình cho không gian 3 chiều và tích hợp thuật toán điều khiển mờ thông minh trong lộ trình công nghệ giai đoạn 2026-2028.

Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay các khối mô hình giải tích trong luận văn để phục vụ công tác thiết kế, tối ưu hóa hệ thống treo khí nén trên các dòng phương tiện thương mại hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Dẫn nhập. Trong vài thập niên trở lại đây, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới đã có nhiều bước phát triển lớn. Với nhu cầu sử dụng xe ô tô của người tiêu dùng ngày càng tăng, kèm theo đó là những yêu cầu về chất lượng cũng như độ ổn định và an toàn của ô tô cũng ngày càng được người sử dụng chú trọng khi lựa chọn xe. Những năm gần đây, ngành công nghệ ô tô đã có nhiều cải tiến trong vấn đề nâng cao ổn định chuyển động của ô tô như: giảm thiểu sự trượt tại các bánh xe, giảm hiện tượng lật đổ khi xe quay vòng, giữ cầu xe không bị xoay vượt giới hạn cho phép, tăng độ ổn định hướng chuyển động và tăng độ ổn định thùng xe đảm bảo an toàn khi xe chuyển động.

Ổn định thùng xe quyết định đến sự thoải mái và an toàn cho hành khách nên vấn đề này được các nhà sản xuất rất quan tâm. Có nhiều giải pháp đưa ra nhằm cải thiện tính ổn định thùng xe, nhưng phương pháp sử dụng hệ thống treo khí điều khiển thay đổi độ cứng bộ phận đàn hồi, là một phương pháp có hiệu quả cao nhất trong việc nâng cao hiệu quả ổn định thùng xe. Hệ thống treo khí có thể điều khiển độc lập hoạt động của các túi khí tại từng bánh xe, điều này cho phép hệ thống treo thích ứng với sự thay đổi tải trọng khác nhau mà vẫn giữ thùng xe được cân bằng. Bên cạnh đó hệ thống treo khí có thể kết hợp với các hệ thống khác nhằm nâng cao tính ổn định cho xe khi chuyển động, tăng độ thoải mái cho hành khách và tính năng an toàn khi xe quay vòng.

Trong khi đó, hầu hết các hệ thống treo thông thường sử dụng bộ phận đàn hồi bằng kim loại có hệ số độ cứng không thay đổi, việc này làm giảm khả năng thích ứng của xe với nhiều loại địa hình khác nhau. Khi có sự thay đổi tải trọng lên bánh xe thì hệ thống treo dễ dàng bị biến dạng, nó làm xuất hiện góc nghiêng thùng xe gây mất ổn định thùng xe khi chuyển động. Vì thế, việc thay đổi hệ số độ cứng hệ thống treo ứng với các -1- trạng thái làm việc khác nhau của xe, giúp nâng cao tính ổn định của thùng xe là một việc cần được quan tâm. Lý do chọn đề tài.

Ngày này, ở nước ta với mật độ xe ô tô lưu thông trên đường đang tăng dần, đặc biệt tại các thành phố lớn trong nước, điều này là một thuận lợi cho ngành ô tô Việt Nam phát triển. Số lượng phương tiện giao thông lưu hành càng tăng nhanh được thống kê như sau (hình 1. Số lượng các loại xe hoạt động ở Việt Nam qua các năm. (Nguồn: Cục đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT, 2009) Với mật độ xe ô tô lớn như vậy lưu thông sẽ kéo theo đó là vấn đề về tai nạn giao thông tăng nhanh qua các năm, một trong những nguyên nhân gây tai nạn là do sự mất ổn định của xe khi chuyển động.

Vì thế một trong những tính năng quan trọng của chiếc xe mà các nhà nghiên cứu rất quan tâm đó là tính năng ổn định thùng xe. Sở dĩ tính năng này được xem là quan trọng vì nó có ảnh hưởng đến rất nhiều các yếu tố khác nhau như: Sự an toàn, thoải mái cho người ngồi trong xe cũng như hàng hóa trên xe; sự ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, tính năng động lực học ô tô khi chuyển động. -2- Để cải thiện tính năng ổn định thùng xe, các nhà sản xuất đã không ngừng cải tiến tính năng này bằng nhiều giải pháp khác nhau. Nhưng giải pháp tối ưu và hiện đại nhất để cải thiện ổn định thùng xe hiện nay đang được sử dụng trên hầu hết các dòng xe là dùng hệ thống treo khí.

Thị trường ô tô Việt Nam ngày nay cũng đã sử dụng hệ thống treo khí trên hầu hết các dòng xe như xe khách, xe du lịch, xe chuyên dùng, xe quân sự và xe con…. Nên việc nghiên cứu về hệ thống treo khí trên các dòng xe này sẽ đánh giá được tính năng cải thiện sự ổn định của xe sử dụng treo khí, đồng thời trên cơ sở nghiên cứu này có thể đưa ra các đề xuất cải tiến hoạt động của hệ thống treo khí và nâng cao sự an toàn ổn định cho ô tô. Vì thế học viên đã chọn đề tài: “Tính toán mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí ”. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.

Một số nghiên cứu trong nước. Liên quan đến hướng nghiên cứu vấn đề ổn định thùng xe trong chuyển động và hệ thống treo khí ta có đề tài sau:  Luận văn thạc sĩ của Cao Minh Đức, khoa Cơ khí động lực, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh [4]. Trong đề tài này, tác giả đã xây dựng được mô hình ổn định thùng xe trong chuyển động và đưa ra được các yếu tố ảnh hưởng đến góc nghiêng thùng xe như: gia tốc, thông số hệ thống treo, độ cứng lốp xe….

Tác giả tiến hành khảo sát và rút ra kết luận về ành hưởng của yếu tố vận tốc xe đến các dịch chuyển thùng xe, góc nghiêng thùng xe khi xe chuyển động thẳng và quay vòng.  Đề tài thiết kế hệ thống treo trước ô tô khách 46 chỗ trên cơ sở Hyundai Aerospace. Nội dung đề liên quan đến việc tính toán hệ thống treo trước với việc sử dụng hệ thống treo khí. Đề tài này đã đưa ra được các phương trình xác định các thông số bộ phận đàn hồi hệ thống treo khí và phương pháp điều khiển hệ thống treo khí.

 Đề tài thiết kế tính toán hệ thống treo khí nén có điều khiển EMS (xe tham khảo là xe minibus 12 chỗ ngồi PREGIO của hãng KIA) cũng như thiết kế mô hình thử nghiệm -3- hệ thống treo. Trong đề tài có đề cập đến phương pháp điều khiển hệ thống treo khí bằng điện tử. Một số nghiên cứu trên thế giới. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng và thử nghiệm hệ thống treo treo khí trong việc nâng cao độ êm dịu và ổn định cho xe.

Dưới đây là một số nghiên cứu về hệ thống treo khí và kết quả đạt được: Nghiên cứu phát triển mô hình thử nghiệm lò xo khí [13] trong nghiên cứu này S. Lee đã chỉ ra rằng đặc tính độ cứng của các túi khí có thể thay đổi được. Độ cứng lò xo khí chịu ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích các túi khí, diện tích bề mặt làm việc, nhiệt độ và các biến đổi của khối lượng khí trong túi khí. Và cũng đề cập đến sự tăng của thể tích túi khí làm giảm độ cứng của nó.

Một nghiên cứu khác của Li Liu, Weihua Zhang, Yan Li về ảnh hưởng của buồng khí phụ đến độ cứng lò xo khí [11] cũng chỉ ra rằng sự tăng thể tích của buồng khí phụ sẽ làm giảm độ cứng của túi khí, độ cứng của túi khí sẽ tăng tỉ lệ thuận với sự tăng của áp suất làm việc của nó. Công nghệ điều khiển hệ thống treo khí bằng điện tử ECAS [8] được Chen Yi-kai với những cải tiến trong việc tăng độ thoải mái và tiện nghi bằng cách giảm độ cứng các lò xo khí, cho phép điều khiển chiều cao các túi khi thông qua hệ thống cung cấp khí nén kết nối với lò xo khí (Hình 1. Một nghiên cứu khác của Zhengchao. Xie [6] có đề cập đến vấn đề sử dụng hệ thống treo khí trên những xe có tải trọng lớn, nó làm giảm bớt các rung động từ mặt đường tác dụng lên và điều chỉnh chiều cao của xe.

Điều chỉnh chiều cao của xe [13]. -4- Nghiên cứu về cải thiện cơ chế kiểm soát của hệ thống treo khí chủ động [7] được thực hiện với mô hình toán học của hệ thống treo khí cho ¼ của xe, xây dựng trên phần mềm MATLAB-Simulink (Hình 1. Đề tài nghiên cứu việc tối ưu hoạt động của hệ thống treo trên cơ sở sự biến đổi độ cứng. Alireza Kazemeini đã tiến hành so sánh kết quả giữa mô hình hệ thống treo chủ động có điều khiển và mô hình hệ thống treo bị động trong thực nghiệm cho thấy, tốc độ dịch chuyển của thùng xe giảm 11,51%, biên độ dịch chuyển của hệ thống treo giảm 11.94%, lực tác động lên bánh xe giảm 3.

Điều này kết luận về họat động của hệ thống treo được cải thiện nhờ áp dụng hệ thống điều khiển hoạt động. Sơ đồ mô hình điều khiển trong MATLAB - Simulink [7]. Mục tiêu của đề tài. “Tính toán mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí ” nhằm tạo ra một cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu, đánh giá khả năng điều khiển cân bằng thùng xe của hệ thống treo khí.

Từ đó cũng đưa ra được các nhược điểm của hệ thống treo khí trên xe và đề xuất các phương pháp cải tiến hệ thống treo nâng cao tính năng ổn định của thùng xe. -5- Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài. Nhiệm vụ của đề tài. Để thực hiện đề tài này thì cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau:  Xây dựng mô hình ổn định thùng xe trong chuyển động thẳng và quay vòng, từ đó rút ra các nhận xét về ảnh hưởng của thông số hệ thống treo đến trạng thái ổn định của thùng xe.

 Nghiên cứu về đặc tính của hệ thống treo khí và phương pháp điều khiển cân bằng thùng xe của hệ thống treo khí.  Xây dựng mô hình mô phỏng ổn định thùng xe với hệ thống treo khí bằng phần mềm MATLAB Simulink dựa trên thông số kỹ thuật xe Thaco Mobihome HB120SSL.  Nhận xét kết quả thu được từ mô hình mô phỏng và rút ra kết luận đánh giá về khả năng điều khiển ổn định thùng xe của hệ thống treo khí. Giới hạn của đề tài Vấn đề ổn định thùng xe trong chuyển động là một vấn đề rất phức tạp vì nó chịu nhiều yếu tố tác động khác nhau và phụ thuộc vào các trạng thái làm việc khác nhau của xe.

Vì vậy đề tài nghiên cứu chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu hoạt động điều khiển ổn định thùng xe với hệ thống treo khí trong hai mô hình là: ổn định thùng xe khi chuyển động thẳng với gia tốc không đổi, ổn định thùng xe khi quay vòng ổn định. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống theo khí và sự điều khiển ổn định thùng xe của hệ thống treo khí trên xe Thaco mobihome HB120SSL.