Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, rung động và tiếng ồn chiếm tới hơn 65% nguyên nhân làm suy giảm mức độ thỏa mái của hành khách. Rung động tác động lên xe du lịch xuất phát từ hai nguồn chính: kích thích ngẫu nhiên từ mấp mô mặt đường và lực kích thích chu kỳ từ động cơ đốt trong. Khi động cơ hoạt động ở dải vòng tua từ 760 vòng/phút đến 5400 vòng/phút, các lực quán tính tịnh tiến và mô men lật không cân bằng có thể làm gia tăng gia tốc dao động thân xe thêm 9,7% đến 15,2% nếu không được triệt tiêu hiệu quả.

Vấn đề đặt ra là hệ thống chân máy cao su truyền thống chỉ hoạt động tốt ở vùng tần số cao, trong khi đệm cao su thủy lực bị động lại không thể tự động biến thiên hệ số cản khi điều kiện vận hành thay đổi. Để giải quyết hạn chế này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực của tác giả Đinh Công Hào, thực hiện năm 2019 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, đã tập trung nghiên cứu ứng dụng điều khiển bán chủ động cho hệ thống treo động cơ đốt trong trên xe du lịch.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình dao động không gian toàn xe 10 bậc tự do dưới tác động đồng thời của mặt đường và động cơ, đồng thời thiết kế bộ điều khiển logic mờ nhằm tối ưu hóa hệ số cản thủy lực của 4 cụm chân máy. Luận văn đánh giá sự biến thiên của chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng dựa trên tiêu chuẩn ISO 2631-1 và tiêu chuẩn VDI 2057. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học quan trọng giúp giảm rung chấn truyền lên thân xe, nâng cao độ êm dịu chuyển động và tăng cường sức cạnh tranh cho ngành sản xuất ô tô du lịch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết động lực học nhiều vật kết hợp nguyên lý D’Alembert để thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ dao động phức tạp. Mô hình động lực học không gian toàn xe được xây dựng với 10 bậc tự do bao gồm: 3 bậc tự do của khối lượng thân xe (chuyển vị đứng, góc lắc dọc, góc lắc ngang), 3 bậc tự do của khối lượng động cơ (chuyển vị đứng, chuyển vị góc quanh trục dọc và trục ngang) và 4 bậc tự do chuyển vị đứng tại 4 cụm bánh xe.

Ba khái niệm lý thuyết nền tảng chi phối nghiên cứu gồm:

  1. Đệm cao su thủy lực bán chủ động: Cơ cấu cho phép thay đổi tức thời hệ số cản thông qua việc điều tiết dòng chảy của dầu thủy lực hoặc từ trường điều khiển van tiết lưu.
  2. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control): Thuật toán xử lý các biến ngôn ngữ đầu vào gồm sai lệch chuyển vị tương đối và vận tốc tương đối giữa động cơ với thân xe, từ đó xác định chính xác lực cản dập tắt dao động thích ứng theo quy tắc hợp thành cực đại - cực tiểu.
  3. Tiêu chuẩn đánh giá độ êm dịu ISO 2631-1 và phân loại mặt đường ISO 8068: Khung quy chuẩn quốc tế xác định mức độ ảnh hưởng của gia tốc rung động đến cơ thể con người và mô tả phổ mấp mô mặt đường ngẫu nhiên bằng hàm phân bố Gauss qua biến đổi Fourier ngược.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số trên nền tảng phần mềm chuyên dụng Matlab/Simulink kết hợp mô hình hóa toán học. Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng bộ thông số thực tế của mẫu xe du lịch 5 chỗ với tổng khối lượng thân xe 1200 kg và khối lượng động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng là 180 kg. Kích thích mặt đường được khảo sát trên đường cấp B theo tiêu chuẩn ISO 8068 với mật độ phổ mấp mô 64 nhân 10 mũ trừ 6 mét khối trên chu kỳ.

Cỡ mẫu khảo sát gồm 5 kịch bản vận hành trọng điểm: 4 kịch bản xe đứng yên tại chỗ khi tốc độ xe bằng 0 km/h tương ứng các tốc độ động cơ 760 vòng/phút (không tải), 1800 vòng/phút, 3600 vòng/phút, 5400 vòng/phút; và 1 kịch bản xe chạy với vận tốc 72 km/h trên đường cấp B ở tốc độ động cơ 5400 vòng/phút. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các điểm làm việc tới hạn nhằm bao quát toàn bộ dải kích thích nguy hiểm. Việc lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian và thuật toán điều khiển mờ giúp đánh giá trực quan phản ứng quá độ của xe mà không đòi hỏi thiết lập mô hình vi phân tuyến tính hóa phức tạp. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý dữ liệu được tiến hành liên tục trong 12 tháng của năm 2018 và năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu mô phỏng cho thấy hệ thống đệm cao su thủy lực bán chủ động mang lại hiệu quả vượt trội so với hệ thống đệm bị động trên tất cả các chế độ vận hành:

  1. Chế độ không tải (vận tốc xe 0 km/h, động cơ 760 vòng/phút): Giá trị gia tốc bình phương trung bình của thân xe giảm từ 0,084 m/s2 ở hệ thống bị động xuống còn 0,058 m/s2 ở hệ thống bán chủ động, tương đương mức cải thiện độ êm dịu đạt 30,95%.
  2. Chế độ vòng tua trung bình (vận tốc xe 0 km/h, động cơ 1800 và 3600 vòng/phút): Gia tốc dao động thân xe được dập tắt nhanh chóng, biên độ dịch chuyển đỉnh giảm bình quân 24,5%, giúp triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng cục bộ giữa động cơ và khung vỏ xe.
  3. Chế độ vòng tua cao (vận tốc xe 0 km/h, động cơ 5400 vòng/phút): Lực kích thích cực đại từ động cơ tác động lên sàn xe giảm 28,3%, giữ cho mức độ rung động thân xe luôn nằm sâu trong vùng an toàn theo phân cấp của ISO 2631-1.
  4. Chế độ chuyển động phức hợp (vận tốc xe 72 km/h trên đường cấp B, động cơ 5400 vòng/phút): Giá trị gia tốc hiệu dụng thẳng đứng giảm từ 0,425 m/s2 xuống 0,336 m/s2, đạt tỷ lệ suy giảm chấn động 20,94%, chuyển mức cảm nhận rung động của hành khách từ ngưỡng khá khó chịu về mức ít khó chịu.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm rõ rệt của gia tốc thân xe bắt nguồn từ khả năng thích ứng linh hoạt của bộ điều khiển mờ. Khi lực kích thích từ trục khuỷu tăng cao theo bình phương tốc độ góc, hệ thống bán chủ động lập tức tăng hệ số cản thủy lực để hấp thụ năng lượng, sau đó nhanh chóng giảm độ cứng cản khi dao động suy giảm nhằm tránh truyền phản lực ngược lại sàn xe. So sánh với các công bố khoa học trước đây về đệm cao su bị động của một số tác giả trong nước, giải pháp bán chủ động này giúp triệt tiêu rung chấn tốt hơn từ 18% đến 22%.

Dữ liệu mô phỏng phản ánh mối tương quan chặt chẽ giữa tốc độ quay động cơ và biên độ gia tốc. Khi biểu diễn dưới dạng biểu đồ miền thời gian, đường đặc tính gia tốc của hệ thống bán chủ động có biên độ dập tắt nhanh hơn khoảng 0,15 giây và ổn định hơn hẳn so với hệ thống truyền thống. Việc tổng hợp các thông số trên bảng so sánh giá trị hiệu dụng RMS khẳng định việc điều khiển chân máy không chỉ nâng cao độ êm dịu mà còn giảm tải trọng động tác dụng lên các mối ghép cơ khí của khung vỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm từ mô hình mô phỏng, bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm ứng dụng kết quả vào thực tiễn:

  1. Ứng dụng tích hợp bộ điều khiển mờ vào vi điều khiển chuyên dụng trên ô tô: Các kỹ sư phòng nghiên cứu và phát triển cần nạp thuật toán điều khiển mờ Mamdani vào chip xử lý 32-bit nhằm kiểm soát van điện từ của gối đỡ động cơ với thời gian đáp ứng dưới 15 mili giây, đặt mục tiêu hoàn thiện thử nghiệm trong vòng 6 tháng.
  2. Nâng cấp cấu trúc đệm cao su thủy lực thành đệm lưu chất lưu biến từ (MR Mount): Các doanh nghiệp sản xuất linh kiện cơ khí động lực cần nghiên cứu thay thế dầu thủy lực thông thường bằng chất lỏng từ biến, hướng tới nâng cao hiệu suất dập tắt dao động thêm 12% đến 18% trong giai đoạn 12 tháng tới.
  3. Thiết lập hệ thống cảm biến gia tốc đa điểm tại chân máy: Các kỹ thuật viên thiết kế hệ thống điện - điện tử xe cần lắp đặt tối thiểu 4 cảm biến gia tốc góc và vận tốc tại vị trí các gối đỡ, đảm bảo độ chính xác tín hiệu đạt trên 98% nhằm cung cấp dữ liệu tức thời cho bộ điều khiển trong vòng 9 tháng.
  4. Mở rộng mô hình kiểm chứng trên băng thử động lực học thực tế: Các trung tâm thử nghiệm ô tô quốc gia cần xây dựng quy trình đo kiểm rung động theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 trên băng thử chuyên dụng cho xe du lịch, hoàn thành việc hiệu chuẩn sai số giữa mô phỏng và thực tế xuống dưới 5% trong vòng 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp trong công trình này mang lại giá trị thực tiễn cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tài liệu cung cấp quy trình hoàn chỉnh để thiết lập hệ phương trình vi phân 10 bậc tự do cho xe du lịch, đóng vai trò như bộ khung mẫu để phát triển các đề tài phân tích dao động chuyên sâu.
  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển xe tại các nhà máy sản xuất ô tô: Nắm bắt phương pháp tính toán, lựa chọn thông số độ cứng và hệ số cản tối ưu cho chân máy, áp dụng trực tiếp vào việc nâng cao chất lượng cách âm và giảm ồn rung cho các dòng xe mới.
  3. Lập trình viên hệ thống điều khiển nhúng trong ô tô: Khai thác chi tiết bảng 49 luật hợp thành mờ và thuật toán giải mờ trọng tâm để xây dựng phần mềm điều khiển thời gian thực cho các cơ cấu chấp hành bán chủ động.
  4. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng mô hình mô phỏng Matlab/Simulink trong luận văn làm học liệu giảng dạy các môn học Động lực học ô tô, Dao động kỹ thuật và Điều khiển tự động phương tiện giao thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống treo bán chủ động cho động cơ khác gì so với hệ thống treo thông thường? Hệ thống thông thường sử dụng khối cao su hoặc đệm thủy lực với độ cứng và hệ số cản cố định, không thể tối ưu ở mọi chế độ làm việc. Hệ thống bán chủ động tích hợp van tiết lưu điều khiển điện tử, cho phép thay đổi hệ số cản tức thời theo thời gian thực, giúp giảm gia tốc rung động từ 20% đến 30% khi điều kiện vận hành thay đổi.

  2. Tại sao nghiên cứu lại chọn mô hình dao động không gian 10 bậc tự do? Mô hình 10 bậc tự do phản ánh chính xác các chuyển động tịnh tiến đứng, lắc dọc và lắc ngang của cả thân xe lẫn động cơ, kết hợp với chuyển vị đứng của 4 bánh xe. Cách tiếp cận này bao quát đầy đủ sự tương tác phức tạp giữa hai nguồn kích thích từ mặt đường và động cơ mà các mô hình phẳng 2 hoặc 4 bậc tự do trước đây bỏ qua.

  3. Thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) mang lại lợi thế gì so với điều khiển PID truyền thống? Hệ thống dao động ô tô có tính phi tuyến mạnh và chịu nhiều kích thích ngẫu nhiên. Điều khiển mờ xử lý hiệu quả các thông tin không chắc chắn dựa trên tập luật nếu - thì mà không cần xây dựng hàm truyền tuyến tính chính xác, giúp thời gian xử lý nhanh và độ ổn định cao hơn phương pháp PID khoảng 15%.

  4. Tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá độ êm dịu của xe du lịch như thế nào? Tiêu chuẩn này dựa trên giá trị gia tốc bình phương trung bình awz theo phương thẳng đứng. Giá trị awz dưới 0,315 m/s2 mang lại cảm giác dễ chịu hoàn toàn, từ 0,315 đến 0,63 m/s2 bắt đầu gây khó chịu nhẹ, và trên 2,0 m/s2 sẽ gây mệt mỏi cực độ cho người ngồi trong xe.

  5. Kết quả của luận văn có thể triển khai thực tế trên các dòng xe thương mại không? Hoàn toàn khả thi vì hệ thống đệm cao su thủy lực bán chủ động không đòi hỏi nguồn công suất ngoài quá lớn như hệ thống chủ động toàn phần. Các cơ cấu van điện từ hiện nay có giá thành hợp lý và độ bền cao, rất thích hợp để thương mại hóa trên các dòng xe du lịch tầm trung.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình dao động không gian 10 bậc tự do tích hợp đồng thời hai nguồn kích thích từ mấp mô mặt đường ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn ISO 8068 và lực quán tính từ động cơ đốt trong.
  • Thiết lập hoàn chỉnh bộ điều khiển mờ với 49 luật logic giúp tối ưu hóa hệ số cản của 4 gối đỡ động cơ cao su thủy lực trong mọi dải tốc độ từ 760 đến 5400 vòng/phút.
  • Chứng minh hiệu quả giảm gia tốc bình phương trung bình của thân xe từ 20,94% đến 30,95%, nâng cao rõ rệt độ êm dịu chuyển động theo chuẩn ISO 2631-1.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực chứng để các nhà sản xuất xe trong nước nghiên cứu chế tạo hệ thống giảm chấn thông minh, tạo nền tảng chuyển giao công nghệ trong giai đoạn 2020 đến 2025.
  • Đề xuất lộ trình tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là tiến hành thử nghiệm phần cứng trên xe thực tế và tích hợp thêm công nghệ điều khiển thích nghi để hoàn thiện giải pháp thương mại.