Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, rung động và tiếng ồn tác động trực tiếp đến sự tiện nghi của hành khách, trong đó khoảng 80% xung lực truyền vào thân xe bắt nguồn từ sự tương tác phức hợp giữa mấp mô mặt đường và hoạt động của động cơ đốt trong. Đối với các dòng xe du lịch, hệ thống đệm cách dao động truyền thống dạng cao su thụ động thường chỉ đạt hiệu quả dập tắt rung động tối ưu ở dải tần số cao trên 50 Hz nhưng lại bộc lộ hạn chế lớn ở dải tần số thấp từ 1 Hz đến 20 Hz, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng làm gia tăng gia tốc dao động của thân xe. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp điều khiển bán chủ động cho hệ thống đệm cách dao động cao su kết hợp thủy lực trang bị trên động cơ đốt trong của xe du lịch.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình dao động không gian toàn xe với 10 bậc tự do chịu đồng thời hai nguồn kích thích độc lập, từ đó thiết kế bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Control - FLC) có khả năng tự động điều chỉnh hệ số cản giảm chấn của đệm động cơ theo thời gian thực. Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên trong giai đoạn năm 2018 đến năm 2019, lấy đối tượng khảo sát là dòng xe du lịch 4 chỗ đến 5 chỗ sử dụng động cơ xăng 4 kỳ, 4 xi-lanh thẳng hàng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn được lượng hóa cụ thể thông qua việc giảm chỉ số gia tốc bình phương trung bình theo phương thẳng đứng (awz) từ 15% đến 28,5% so với hệ thống bị động, đồng thời kiểm soát mức độ rung động nằm trong ngưỡng êm dịu dưới 0,315 m/s² theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1, đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho ngành công nghiệp ô tô nội địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học hệ nhiều vật (Multi-body Dynamics) kết hợp với nguyên lý D'Alembert nhằm thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến mô tả dao động không gian của toàn xe. Mô hình động lực học tích hợp 10 bậc tự do bao gồm: 3 bậc tự do của thân xe (chuyển vị đứng Z, góc lắc ngang φ, góc lắc dọc θ), 3 bậc tự do của khối lượng động cơ (chuyển vị đứng Ze, góc lắc ngang φe, góc lắc dọc θe) và 4 bậc tự do dịch chuyển thẳng đứng của 4 khối lượng không được treo tại các cụm bánh xe (z1l, z1r, z2l, z2r).

Lý thuyết điều khiển thông minh được áp dụng là hệ thống điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control - FLC) dựa trên cấu trúc suy luận kiểu Mamdani với thuật toán giải mờ trọng tâm (Centroid Method). Bộ điều khiển xử lý 2 biến đầu vào là sai lệch vận tốc và gia tốc dao động của động cơ, xuất ra giá trị biến thiên của hệ số cản thủy lực (Cie) tác động trực tiếp lên 4 gối đỡ động cơ. Bốn khái niệm then chốt cấu thành khung lý thuyết bao gồm: độ cứng động lực học của đệm cao su (Kie), hệ số cản biến thiên của dòng chất lưu thủy lực (Cie), chỉ số gia tốc quân phương theo phương thẳng đứng (awz) theo tiêu chuẩn ISO 2631-1, và mật độ phổ công suất mấp mô mặt đường Sq(n0) theo tiêu chuẩn ISO 8068.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn kế thừa từ các thông số hình học và cơ tính chuẩn của xe du lịch thương mại với khối lượng được treo toàn xe đạt 1250 kg, khối lượng động cơ đạt 180 kg, cùng hệ thống 4 gối đỡ cao su thủy lực bố trí đối xứng. Kích thích mặt đường được tạo lập từ quá trình ngẫu nhiên Gauss thông qua biến đổi Fourier ngược trên mặt đường cấp B theo tiêu chuẩn ISO 8068 với mật độ phổ chuẩn Sq(n0) bằng 64×10⁻⁶ m³/chu kỳ tại vận tốc di chuyển 72 km/h (tương đương 20 m/s). Nguồn kích thích từ động cơ 4 xi-lanh được xác lập qua các phương trình lực quán tính tịnh tiến, lực quán tính quay và mô men xoắn tại các dải tốc độ từ 760 vòng/phút đến 5400 vòng/phút.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink 2014b. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ khả năng giải quyết chính xác các hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc hai phức tạp trong miền thời gian thực, đồng thời cho phép tích hợp trực tiếp thuật toán điều khiển mờ mà không cần tiêu tốn chi phí chế tạo mẫu thử cơ khí đắt tiền. Quy trình nghiên cứu thực hiện trên cỡ mẫu gồm 5 kịch bản vận hành đặc thù của động cơ (từ chế độ không tải cầm chừng 760 vòng/phút đến chế độ toàn tải 5400 vòng/phút kết hợp chạy trên đường mấp mô), tiến hành liên tục trong khung thời gian 24 tháng (từ tháng 10/2017 đến tháng 09/2019).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán định lượng trên 5 trường hợp vận hành cụ thể đã mang lại các phát hiện cốt lõi về hiệu quả dập tắt rung động của hệ thống treo bán chủ động:

Thứ nhất, ở chế độ chạy không tải (vận tốc xe bằng 0 km/h, tốc độ động cơ ở mức cầm chừng 760 vòng/phút), hệ thống đệm cao su thủy lực bán chủ động điều khiển bằng logic mờ giúp gia tốc dao động thẳng đứng tại trọng tâm thân xe giảm từ 0,182 m/s² xuống còn 0,135 m/s², đạt mức cải thiện độ êm dịu 25,8% so với khi sử dụng đệm bị động.

Thứ hai, ở các dải tốc độ động cơ trung bình và cao (1800 vòng/phút và 3600 vòng/phút khi xe đứng yên), biên độ dịch chuyển thẳng đứng của động cơ giảm lần lượt 22,4% và 26,1%, giúp triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng tần số thấp truyền qua khung gầm vào khoang lái.

Thứ ba, tại chế độ làm việc khắc nghiệt nhất khi xe di chuyển với vận tốc 72 km/h trên mặt đường mấp mô cấp B và động cơ quay ở tốc độ cực đại 5400 vòng/phút, chỉ số gia tốc bình phương trung bình awz của thân xe giảm mạnh từ 0,425 m/s² xuống 0,312 m/s², tương ứng mức giảm 26,6%.

Thứ tư, biên độ góc lắc ngang (φ) và góc lắc dọc (θ) của thân xe khi trang bị hệ thống bán chủ động giảm tương ứng 19,5% và 21,8%, góp phần giữ ổn định tư thế thân xe và cải thiện cảm giác lái an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của hệ thống bán chủ động nằm ở khả năng thích ứng linh hoạt của bộ điều khiển logic mờ. Khác với hệ thống bị động có hệ số cản cố định chỉ tối ưu tại một điểm làm việc đơn lẻ, bộ điều khiển FLC đã liên tục nhận biết mức độ biến thiên vận tốc và gia tốc của động cơ để điều chỉnh hệ số cản dòng thủy lực Cie tức thời, nhanh chóng hấp thụ năng lượng kích động trước khi sóng dao động lan truyền đến vỏ thân xe. Khi đối chiếu với công trình của các tác giả đi trước trong cùng lĩnh vực, kết quả này vượt trội hơn 14,2% so với đệm cao su thủy lực thuần túy trong nghiên cứu năm 2019 của Hoàng Anh Tấn, đồng thời mở rộng mô hình đa chiều so với đánh giá của Nguyễn Khắc Tuân và Lê Văn Quỳnh năm 2010.

Về mặt trực quan hóa dữ liệu học thuật, toàn bộ các phát hiện trên được biểu diễn qua các đồ thị phản hồi miền thời gian (Time-domain Response) với trục tung là biên độ gia tốc dao động (m/s²) trong khoảng từ -1,5 đến 1,5 và trục hoành là chuỗi thời gian khảo sát từ 0 đến 30 giây. Đi kèm với đồ thị là bảng tổng hợp so sánh giá trị gia tốc hiệu dụng (RMS) và tỷ lệ phần trăm cải thiện ở từng chế độ, minh chứng rõ ràng cho việc chuyển đổi trạng thái cảm nhận từ mức "khá khó chịu" (awz dao động từ 0,315 m/s² đến 0,63 m/s²) sang mức "hoàn toàn êm dịu" (awz dưới 0,315 m/s²) theo đúng phân loại của tiêu chuẩn ISO 2631-1.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích động lực học và mô phỏng điều khiển, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và giải pháp hành động cụ thể:

Thứ nhất, nâng cấp giải thuật điều khiển sang cấu trúc điều khiển mờ thích nghi kết hợp giải thuật di truyền (GA-Fuzzy) hoặc điều khiển mờ lai PID (Fuzzy-PID) nhằm tối ưu hóa thêm 10% đến 15% thời gian đáp ứng của bộ điều khiển, hướng tới mục tiêu giảm gia tốc rung động toàn xe xuống dưới 0,28 m/s² trong lộ trình nghiên cứu 2020–2022 do các viện nghiên cứu cơ khí động lực đảm nhiệm.

Thứ hai, ứng dụng vật liệu chất lưu từ biến (Magnetorheological Fluid - MRF) hoặc chất lưu điện biến (ERF) vào kết cấu đệm cao su thủy lực để rút ngắn thời gian trễ đáp ứng của van điều khiển xuống dưới 15 mili-giây, giao cho các phòng thí nghiệm R&D công nghệ cao tiến hành chế tạo thử nghiệm trong thời gian 12 tháng.

Thứ ba, triển khai thử nghiệm thực tế (Hardware-in-the-loop - HIL) và lắp đặt hệ thống cảm biến gia tốc 3 trục trên bệ thử xe thực nghiệm nhằm kiểm chứng sai số giữa mô hình mô phỏng số và điều kiện vận hành thực tế dưới 5%, thực hiện bởi các nhóm nghiên cứu chuyên sâu trong vòng 18 tháng.

Thứ tư, hoàn thiện và ban hành quy chuẩn kỹ thuật cấp cơ sở về quy trình đánh giá độ êm dịu rung ồn (NVH) cho các phương tiện giao thông sản xuất trong nước theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 và ISO 8068, do Cục Đăng kiểm phối hợp cùng các trường đại học kỹ thuật xây dựng trong giai đoạn 2021–2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu khoa học chuyên sâu và mang tính ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư R&D, chuyên viên thiết kế khung gầm và hệ thống truyền lực tại các doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô; họ có thể ứng dụng trực tiếp bộ thông số 10 bậc tự do và quy trình thiết lập bộ điều khiển FLC để tối ưu hóa vị trí đặt 4 gối đỡ động cơ trên các dòng xe du lịch thương mại.

Nhóm thứ hai là các giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô và Cơ điện tử; công trình cung cấp phương pháp luận chặt chẽ về việc thiết lập phương trình vi phân Lagrange và D'Alembert cho hệ nhiều vật phức tạp.

Nhóm thứ ba là các nhà sản xuất linh kiện phụ tùng giảm chấn ô tô trong nước; tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật giá trị để chuyển đổi dây chuyền sản xuất từ gối đỡ cao su cơ học truyền thống sang đệm thủy lực thông minh có van điều tiết.

Nhóm thứ tư là các chuyên gia nghiên cứu thuật toán điều khiển tự động hóa; luận văn đóng vai trò là một ca điển hình (case study) mẫu mực về việc ứng dụng logic mờ trong kiểm soát dao động phi tuyến thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống đệm cách dao động bán chủ động khác gì so với hệ thống bị động thông thường? Hệ thống bị động sử dụng độ cứng và hệ số cản cố định, chỉ dập tắt dao động tốt ở dải tần hẹp. Ngược lại, hệ thống bán chủ động sử dụng đệm cao su thủy lực tích hợp bộ điều khiển mờ FLC có thể tự động thay đổi hệ số cản Cie theo dải tốc độ động cơ từ 760 đến 5400 vòng/phút, giúp giảm thêm 26% gia tốc rung động.

Tại sao nghiên cứu lại xây dựng mô hình 10 bậc tự do thay vì mô hình phẳng 4 bậc tự do? Mô hình phẳng 4 bậc tự do bỏ qua các chuyển động góc và sự tương tác chéo giữa các gối đỡ. Mô hình không gian 10 bậc tự do phản ánh chính xác 3 bậc tự do thân xe, 3 bậc tự do động cơ và 4 bánh xe, cho phép đánh giá đầy đủ tác động đồng thời của mấp mô mặt đường và lực kích động từ động cơ 4 xi-lanh.

Bộ điều khiển logic mờ (FLC) mang lại ưu thế gì trong bài toán điều khiển hệ thống treo động cơ? Logic mờ không đòi hỏi mô hình toán học chính xác tuyệt đối của dòng chất lưu phi tuyến trong đệm thủy lực. FLC xử lý linh hoạt các tín hiệu ngôn ngữ dựa trên 49 luật hợp thành If-Then, cho thời gian xử lý nhanh dưới 20 mili-giây và loại bỏ hiện tượng quá điều chỉnh, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định liên tục.

Tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá độ êm dịu của xe dựa trên những ngưỡng định lượng nào? Tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá độ êm dịu thông qua gia tốc bình phương trung bình awz theo phương thẳng đứng. Giá trị awz dưới 0,315 m/s² là mức hoàn toàn êm dịu, từ 0,315 đến 0,63 m/s² gây cảm giác khó chịu nhẹ, và vượt quá 2,0 m/s² thuộc ngưỡng cực kỳ khó chịu gây nguy hiểm cho sức khỏe.

Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng cho các dòng xe điện (EV) hiện đại hay không? Hoàn toàn có thể áp dụng hiệu quả. Mặc dù xe điện không có động cơ đốt trong, nhưng khối lượng mô tơ điện và hộp giảm tốc vẫn sinh ra dao động tần số cao từ 1000 đến 10000 vòng/phút. Việc thay đổi hàm kích thích đầu vào trong mô hình 10 bậc tự do sẽ giúp tối ưu hóa đệm treo mô tơ điện tương tự.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra với 5 đóng góp học thuật và kỹ thuật nổi bật:

  • Thiết lập thành công mô hình dao động không gian toàn diện 10 bậc tự do cho xe du lịch dưới tác động đồng thời của kích thích mặt đường ISO 8068 và động cơ 4 xi-lanh.
  • Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán điều khiển logic mờ (FLC) tự động điều chỉnh hệ số cản thủy lực của 4 gối đỡ động cơ trong miền thời gian thực.
  • Chứng minh tính ưu việt của hệ thống bán chủ động qua 5 kịch bản mô phỏng, giúp giảm gia tốc dao động thẳng đứng của thân xe từ 15% đến 28,5%.
  • Kiểm soát thành công chỉ số gia tốc quân phương awz nằm dưới ngưỡng 0,315 m/s², đáp ứng tuyệt đối tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1 về độ êm dịu chuyển động.
  • Cung cấp cơ sở lý thuyết và bộ công cụ mô phỏng đáng tin cậy phục vụ quá trình thiết kế, phát triển hệ thống khung gầm cho ngành công nghiệp ô tô.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2020 đến năm 2022, nhóm tác giả định hướng đưa mô hình vào thử nghiệm bán phần cứng (HIL) và chế tạo mẫu thử thực nghiệm. Các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất và các chuyên gia cơ khí động lực quan tâm được khuyến khích tiếp cận, hợp tác ứng dụng và phát triển sâu rộng các giải pháp điều khiển giảm chấn thông minh, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh cho các dòng phương tiện giao thông hiện đại.