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.