Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống treo là một cụm chi tiết cơ học giữ vai trò cốt lõi trong kết cấu ô tô, quyết định trực tiếp đến tính êm dịu chuyển động, độ an toàn và cảm giác điều khiển của người lái. Khi vận hành trên đường, phương tiện liên tục chịu tác động từ hai nguồn dao động chính: sự mấp mô của bề mặt địa hình và sự thay đổi tải trọng động lực học phát sinh trong các quá trình tăng tốc, phanh hoặc quay vòng. Hệ thống treo truyền thống sử dụng các phần tử đàn hồi cơ khí cố định (nhíp lá, lò xo xoắn, thanh xoắn) luôn tồn tại mâu thuẫn kỹ thuật: nếu thiết kế hệ thống giảm chấn quá mềm sẽ triệt tiêu xung lực mặt đường tốt nhưng làm tăng dao động rung lắc thân xe; ngược lại, nếu giảm chấn quá cứng sẽ duy trì sự ổn định khung vỏ nhưng làm xe bị rung xóc mạnh, gây mệt mỏi cho hành khách và giảm tuổi thọ chi tiết.

Sự xuất hiện của các công nghệ điều khiển điện tử cho phép dung hòa hai yêu cầu đối nghịch nêu trên bằng cách tự động điều chỉnh độ cứng phần tử đàn hồi và lực cản giảm chấn theo thời gian thực. Xuất phát từ thực tiễn ứng dụng ngày càng phổ biến của các hệ thống treo thông minh trên các dòng xe hiện đại, đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu các hệ thống treo điều khiển điện tử" được thực hiện nhằm hệ thống hóa lý thuyết và phân tích sâu cấu trúc kỹ thuật của công nghệ này.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Phân loại được các hệ thống treo điều khiển điện tử trên ô tô.
  2. Nắm vững cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại hệ thống treo điều khiển điện tử.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết cơ bản về hệ thống treo ô tô và nguyên lý điều khiển dao động.
  2. Nghiên cứu cấu tạo, sơ đồ khối, mạch điện và nguyên lý hoạt động chi tiết của hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử.
  3. Nghiên cứu cấu tạo, bố trí chung và hoạt động của hệ thống treo thủy khí điều khiển điện tử.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các dạng kết cấu hệ thống treo điều khiển điện tử trên ô tô, trọng tâm là hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử (TEMS - Toyota Electronically Modulated System) và hệ thống treo thủy khí điều khiển điện tử (AHC - Active Height Control).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian thực hiện từ ngày 20/03/2022 đến ngày 09/08/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô, điều khiển tự động và cơ điện tử ô tô. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

  • Lý thuyết điều khiển Skyhook: Mô hình giả định thân xe được treo vào một điểm cố định trong không gian (móc trời ảo) để triệt tiêu gia tốc thẳng đứng. Khóa luận phân tích mô hình dao động tương đương với các thông số: khối lượng được treo toàn bộ ($M$), khối lượng được treo phân bổ cầu trước/sau ($M_1, M_2$), khối lượng không được treo ($m_1, m_2$), hệ số cứng lò xo ($C_1, C_2$), hệ số cứng của lốp ($C_{11}, C_{12}$) và hệ số cản của giảm chấn ($K_1, K_2$).
  • Phân loại hệ thống treo theo điều khiển: Hệ thống treo bị động (passive suspension), hệ thống treo bán chủ động (semi-active suspension - chỉ điều chỉnh hệ số cản giảm chấn) và hệ thống treo chủ động (active suspension - sử dụng nguồn năng lượng ngoài để sinh lực nâng hạ độc lập tại từng bánh xe).
  • Nguyên lý điều khiển điện tử chuyên biệt: Hệ thống điều khiển giảm chấn điện tử của Toyota (TEMS) và hệ thống điều khiển chiều cao chủ động (AHC).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Tra cứu, dịch thuật và tổng hợp các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành, tài liệu hướng dẫn sửa chữa chính hãng và video kỹ thuật tiếng Anh về cấu tạo cơ khí, cảm biến, bộ chấp hành và sơ đồ mạch điện.
  • Phương pháp phân tích hệ thống: Phân rã cấu trúc hệ thống thành các khối chức năng (cảm biến đầu vào, khối xử lý trung tâm ECU, cơ cấu chấp hành đầu ra), phân tích nguyên lý thủy lực, khí nén và giải thuật chuyển đổi trạng thái làm việc.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu sử dụng trong khóa luận là các sơ đồ nguyên lý, thông số kết cấu cơ khí, cấu tạo cảm biến và sơ đồ chân giắc điều khiển ECU được trích xuất từ tài liệu kỹ thuật chính thống của các nhà sản xuất ô tô.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc nâng cao độ êm dịu và tính ổn định chuyển động của ô tô thông qua hệ thống treo. Tác giả xác định rõ 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, 2 nội dung triển khai chính và phương pháp thu thập tài liệu chuyên ngành phục vụ cho đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Tổng quan hệ thống treo điều khiển điện tử

Chương 2 tập trung phân tích tổng quan về phân loại, ưu nhược điểm và mô hình toán học cơ sở của hệ thống treo điều khiển điện tử.

  • Phân loại: Phân định rõ hệ thống treo bị động, bán chủ động và chủ động. Hệ thống bán chủ động chỉ biến thiên độ cản giảm xóc, trong khi hệ thống chủ động sử dụng cơ cấu truyền động thủy lực/khí nén để kiểm soát vị trí thân xe độc lập tại từng bánh.
  • Ưu và nhược điểm: Ưu điểm chính là khả năng dập tắt nhanh dao động lắc ngang (roll), lắc dọc (pitch) khi phanh/tăng tốc và tự điều chỉnh khoảng sáng gầm xe giúp tối ưu khí động học và góc thoát khi vượt địa hình. Nhược điểm là kết cấu phức tạp, chi phí sản xuất cao, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và quy trình bảo dưỡng khắt khe.
  • Mô hình Skyhook: Trình bày sơ đồ dao động tương đương của ô tô, giải thích nguyên lý tính toán gia tốc thẳng đứng của thân xe dựa trên cảm biến gia tốc lắp trên khung vỏ để điều khiển van tuyến tính.
Tiêu chí Hệ thống treo bị động Hệ thống treo bán chủ động Hệ thống treo chủ động
Phần tử đàn hồi Lò xo kim loại, nhíp cố định Lò xo khí/kim loại Lò xo khí/bình tích áp thủy khí
Khả năng điều chỉnh giảm chấn Cố định theo thiết kế cơ học Thay đổi độ cứng giảm chấn nhiều cấp Thay đổi độ cứng và sinh ngoại lực
Điều chỉnh chiều cao xe Không có Có thể tích hợp bóng hơi Điều chỉnh độc lập tại từng bánh
Nguồn năng lượng ngoài Không tiêu thụ năng lượng Tiêu thụ dòng điện nhỏ cho van Yêu cầu bơm thủy lực/máy nén áp suất cao

Chương 3: Hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử

Chương 3 là phần nội dung chi tiết nhất về cấu tạo phần cứng, cấu trúc mạch điện và thuật toán điều khiển của hệ thống treo khí nén điều khiển điện tử.

  • Cấu tạo các phần tử đầu vào:
    • Cảm biến độ cao kiểu quang: Gồm 1 đĩa đục lỗ gắn với thanh đòn và 4 cặp công tắc quang học (đèn LED - phototransistor). Đĩa quay tạo ra các tổ hợp tín hiệu đóng/ngắt (ON/OFF), phân chia độ cao xe thành 16 bước phân giải.
    • Cảm biến tốc độ/gia tốc: Sử dụng 2 đĩa gốm áp điện gắn trên màng chắn; khi có gia tốc, đĩa gốm bị uốn cong sinh ra điện áp tỷ lệ gửi về ECU để tính toán vận tốc thẳng đứng của khối lượng được treo.
    • Cảm biến góc xoay vô lăng: Đĩa xẻ 20 rãnh quay giữa 2 cặp LED và phototransistor, tạo xung tín hiệu số SS1 và SS2 giúp ECU nhận diện góc đánh lái và hướng quay vô lăng.
    • Các tín hiệu khác: Công tắc chọn chế độ (Sport/Normal tác động điện áp 12V/0V vào cực SW-S), công tắc phanh (cực STP nhận 12V khi đạp phanh), công tắc cửa (cực DOOR nhận điện áp ắc quy khi đóng, 0V khi mở).
  • Cấu tạo các phần tử chấp hành:
    • Bộ xử lý ECU: Sử dụng vi xử lý 8-bit một chip, tích hợp mạch an toàn dự phòng và tính năng tự chẩn đoán, hỗ trợ quét lỗi và thử mô phỏng chấp hành qua thiết bị HI-SCAN Pro.
    • Bộ máy nén và sấy khí: Máy nén piston dẫn động bởi mô tơ điện qua rơ le số 1. Bộ làm khô sử dụng hóa chất hút ẩm là hạt keo oxit silic (silica gel); hơi ẩm được xả ra môi trường khi van xả mở để hạ gầm.
    • Bộ chấp hành giảm chấn: Lắp trên đỉnh mỗi ống nhún, gồm stator 4 cực từ và nam châm vĩnh cửu. ECU cấp dòng kích thích khoảng 0,15 giây để xoay van bên trong ty giảm chấn.
    • Giảm chấn 3 chế độ: Điều chỉnh thông qua 3 lỗ tiết lưu A, B, C. Chế độ Mềm: mở cả A, B, C; Chế độ Trung bình: mở B, đóng A và C; Chế độ Cứng: đóng cả A, B và C.
    • Lò xo khí 2 buồng: Gồm buồng chính và buồng phụ ngăn cách bởi van khí. Khi van mở (chế độ mềm), thể tích khí tăng làm giảm độ cứng; khi van đóng (chế độ cứng), chỉ buồng chính làm việc làm tăng độ cứng đàn hồi.
  • Các thuật toán điều khiển vận hành:
    • Điều khiển chống chúi đuôi xe (Squat control) khi tăng tốc đột ngột.
    • Điều khiển chống nghiêng ngang (Roll control) khi vào cua dựa trên tốc độ và góc đánh lái.
    • Điều khiển chống chúi đầu xe (Dive control) khi phanh gấp thông qua tín hiệu công tắc đèn phanh.
    • Điều khiển xe chạy tốc độ cao (tự động hạ thấp trọng tâm và tăng độ cứng giảm chấn).
    • Điều khiển trên đường gồ ghề, chống lắc dọc (Pitch) và chống nhún (Bounce).
    • Điều khiển tự động duy trì chiều cao thân xe không đổi bất kể tải trọng và điều khiển xả khí cân bằng khi tắt khóa điện.

Chương 4: Hệ thống treo thủy khí điều khiển điện tử

Chương 4 khảo sát hệ thống treo thủy khí (AHC), sử dụng sự kết hợp giữa áp suất dầu thủy lực và khả năng đàn hồi của bình tích áp chứa khí ni-tơ.

  • Cấu trúc phần tử: Bao gồm bơm thủy lực piston hướng tâm tạo áp suất cao, các cụm van điện từ điều khiển độ cao, van cân bằng, cụm túi khí tích áp và giảm chấn thủy lực. Khí ni-tơ áp suất cao trong bình tích áp có khả năng chịu nén gấp 6 lần so với lò xo thép truyền thống.
  • Giao diện điều khiển và hiển thị: Công tắc chọn chế độ AHC, công tắc chọn chiều cao (các nấc HI - Cao, N - Trung bình, LO - Thấp) và đèn báo hiển thị trạng thái trên bảng đồng hồ.
  • Cảm biến chuyên biệt: Bổ sung cảm biến áp suất dầu (dạng màng chiết áp) và cảm biến nhiệt độ dầu thủy lực để bù sai lệch áp suất theo nhiệt độ môi trường.
  • Nguyên lý vận hành:
    • Tự động hạ chiều cao gầm xe khi tốc độ xe đạt trên 5 km/h hoặc khi chạy trên đường cao tốc nhằm giảm lực cản gió.
    • Tự động nâng gầm khi đi vào đường địa hình phức tạp và tự động hủy chế độ điều chỉnh nếu các điều kiện an toàn không thỏa mãn.
    • Hệ thống duy trì tính năng điều khiển vị trí khi tắt khóa điện để hỗ trợ hành khách lên xuống xe thuận tiện.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 đúc kết các nội dung đã hoàn thành của đề tài và đưa ra các đề xuất, kiến nghị nhằm phục vụ công tác đào tạo thực hành và nghiên cứu mở rộng trong ngành kỹ thuật ô tô.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp và mô hình hóa chi tiết cấu trúc phần cứng cũng như thuật toán điều khiển của hai loại hệ thống treo điện tử điển hình. Các số liệu và trạng thái kỹ thuật được hệ thống hóa cụ thể:

Cơ cấu Trạng thái điều khiển Cấu hình chi tiết / Trạng thái phần tử
Cảm biến độ cao quang học 16 bước phân giải Đĩa quay đục lỗ kết hợp 4 cặp LED - Phototransistor
Cảm biến góc xoay vô lăng Nhận diện góc và hướng Đĩa 20 rãnh kết hợp 2 cặp quang điện tạo xung SS1, SS2
Bộ chấp hành van quay Xung điều khiển ECU Kích thích cuộn dây stator trong khoảng thời gian 0,15 giây
Van tiết lưu giảm xóc Chế độ Mềm Mở hoàn toàn 3 lỗ tiết lưu A, B, C
Chế độ Trung bình Mở lỗ tiết lưu B; Đóng lỗ A và C
Chế độ Cứng Đóng hoàn toàn cả 3 lỗ tiết lưu A, B, C
Lò xo khí nén Chế độ đàn hồi Mềm Van khí mở, thông buồng khí chính và buồng khí phụ
Chế độ đàn hồi Cứng Van khí đóng, chỉ buồng khí chính hoạt động
Hóa chất hút ẩm khí nén Làm khô khí nén Hạt keo oxit silic (Silica gel), hoàn nguyên khi xả khí
Môi chất đàn hồi AHC Đàn hồi thủy khí Khí Ni-tơ nén cao áp, khả năng nén gấp 6 lần lò xo thép

Đóng góp của khóa luận:

  • Xây dựng một tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, mô tả mạch lạc cấu trúc phần cứng từ cảm biến, rơ le, ECU đến cơ cấu chấp hành cơ khí - khí nén - thủy lực.
  • Làm rõ giải thuật điều khiển đa trạng thái (chống nghiêng, chống chúi, tự động cân bằng gầm) giúp sinh viên chuyên ngành ô tô hiểu rõ mối liên kết giữa hệ thống điều khiển điện tử và động lực học khung gầm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết, phân tích tài liệu kỹ thuật và dịch thuật sơ đồ cấu tạo; chưa xây dựng được mô hình mô phỏng động lực học bằng phần mềm chuyên dụng (như Matlab/Simulink hay CarSim) và chưa tiến hành thử nghiệm đo đạc thực tế trên mô hình phần cứng hoặc sa bàn thực hành.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại (như điều khiển mờ - Fuzzy Logic hoặc điều khiển tối ưu LQR/PID) để mô phỏng đáp ứng dao động của hệ thống treo.
    • Thiết kế và chế tạo mô hình thực hành thí nghiệm hệ thống treo khí nén/thủy khí điều khiển điện tử phục vụ giảng dạy tại xưởng thực hành ô tô.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Sử dụng làm tài liệu nghiên cứu chuyên đề cho các học phần Lý thuyết ô tô, Kết cấu ô tô, Hệ thống điện - điện tử ô tô và Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô.
  • Kỹ thuật viên và người làm đồ án tốt nghiệp: Tham khảo chi tiết các sơ đồ chân giắc ECU, bảng mã trạng thái lỗ tiết lưu giảm chấn, cấu tạo cảm biến áp điện và quy trình chẩn đoán bằng thiết bị HI-SCAN Pro tại Chương 3 và Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến điều khiển độ cao kiểu quang học trong khóa luận phân biệt bao nhiêu cấp độ cao và hoạt động như thế nào? Cảm biến phân biệt độ cao thân xe theo 16 bước. Cấu tạo gồm 1 đĩa đục lỗ quay giữa 4 cặp đèn LED và transitor quang; chuyển động nâng hạ của đòn treo làm đĩa quay, đóng/ngắt các tia sáng quang học để tạo ra tổ hợp tín hiệu nhị phân 4-bit gửi về ECU.

2. Giảm chấn trong hệ thống treo khí nén thay đổi 3 mức lực cản (Mềm, Trung bình, Cứng) bằng cách nào? Lực giảm chấn thay đổi nhờ một van xoay đóng mở 3 lỗ tiết lưu phụ (A, B, C) trong ty giảm xóc:

  • Mềm: Mở cả 3 lỗ A, B, C (dầu lưu thông tối đa).
  • Trung bình: Chỉ mở lỗ B, đóng lỗ A và C.
  • Cứng: Đóng hoàn toàn cả 3 lỗ A, B, C (dầu chỉ đi qua van chính).

3. Phần tử đàn hồi lò xo khí thay đổi độ cứng giữa hai chế độ Cứng và Mềm dựa trên nguyên lý nào? Lò xo khí gồm buồng khí chính và buồng khí phụ nối nhau qua một van khí. Ở chế độ mềm, van mở để thông 2 buồng, thể tích khí nén tăng lên làm giảm độ cứng. Ở chế độ cứng, van đóng lại làm cô lập buồng phụ, thể tích khí làm việc chỉ còn buồng chính nên độ cứng đàn hồi tăng lên.

4. Khí nén trong hệ thống được sấy khô bằng hóa chất gì và hơi ẩm được tái sinh/xả ra ngoài khi nào? Bộ làm khô sử dụng hóa chất hút ẩm là keo oxit silic (silica gel) để hấp thụ hơi nước từ khí nén của máy nén. Lượng hơi ẩm bị giữ lại này sẽ tự động xả ngược ra ngoài khí quyển khi van xả (SLEX) mở để hạ thấp chiều cao gầm xe.

5. Khí nén trong bình tích áp của hệ thống treo thủy khí AHC là loại khí gì và có đặc tính đàn hồi ra sao so với lò xo thép? Hệ thống treo thủy khí sử dụng khí ni-tơ nén áp suất cao chứa trong các túi khí/bình tích áp. Khí ni-tơ có khả năng nén gấp 6 lần so với độ đàn hồi của lò xo thép truyền thống.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu các hệ thống treo điều khiển điện tử" của sinh viên Lê Văn Đức và Võ Tài Trí (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thực hiện thành công việc phân loại và phân tích chuyên sâu hai hệ thống treo điện tử tiêu biểu là khí nén (TEMS) và thủy khí (AHC). Công trình làm sáng tỏ cơ sở lý thuyết dao động Skyhook, cấu trúc phần tử quang điện/áp điện và các thuật toán điều khiển tư thế thân xe theo thời gian thực. Mặc dù dừng lại ở mức độ nghiên cứu tài liệu lý thuyết và chưa có mô phỏng thực nghiệm, bản thuyết minh vẫn là nguồn tư liệu học thuật giá trị cho sinh viên và kỹ thuật viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.