Nghiên cứu tính toán hệ thống treo khí nén cho ô tô tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hệ thống treo có nhiệm vụ chính là kết nối bánh xe với thân xe hoặc khung xe. Mục tiêu là tạo ra một liên kết mềm dẻo, giảm thiểu tối đa các tác động từ mặt đường lên thân xe. Ngoài ra, nó còn phải truyền lực từ bánh xe lên thân xe và ngược lại để đảm bảo khả năng di chuyển của xe. Hệ thống treo còn có nhiệm vụ dập tắt nhanh chóng các dao động từ mặt đường tác động lên thân xe. Do đó, hệ thống treo cần đảm bảo tần số dao động riêng thích hợp, độ võng động hợp lý, và khả năng chống rung, chống ồn tốt.

Hệ thống treo khí nén bao gồm các bộ phận chính như bộ phận đàn hồi (bầu khí nén), bộ phận giảm chấn, và bộ phận dẫn hướng. Bầu khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ rung động và duy trì chiều cao gầm xe. Bộ phận giảm chấn có nhiệm vụ kiểm soát dao động và đảm bảo sự ổn định của xe. Bộ phận dẫn hướng giúp truyền lực và đảm bảo bánh xe di chuyển theo đúng quỹ đạo. Việc phối hợp hiệu quả giữa các bộ phận này là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống treo khí nén.

Độ cứng của phần tử đàn hồi khí nén phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm áp suất khí, thể tích khí, và diện tích làm việc của piston. Công thức tính độ cứng có thể đượcDerived từ phương trình trạng thái khí lý tưởng hoặc các phương trình phức tạp hơn để mô tả chính xác hơn hành vi của khí nén. Việc tính toán này thường đòi hỏi các giả định về quá trình nén (đẳng nhiệt, đoạn nhiệt, hoặc polytropic) và cần xem xét ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến tính.

Đường kính piston có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng của hệ thống treo khí nén. Piston có đường kính lớn hơn sẽ tạo ra lực lớn hơn cho cùng một áp suất khí, dẫn đến độ cứng cao hơn. Tuy nhiên, việc tăng đường kính piston cũng có thể làm tăng trọng lượng và kích thước của hệ thống, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Do đó, việc lựa chọn đường kính piston phù hợp là một bài toán tối ưu, cần cân nhắc giữa độ cứng, trọng lượng, và kích thước.

Các phần mềm mô phỏng như MATLAB, Simulink, hoặc các phần mềm chuyên dụng trong lĩnh vực cơ khí động lực học có thể được sử dụng để tính toán độ cứng của hệ thống treo khí nén một cách chính xác. Các phần mềm này cho phép mô hình hóa các yếu tố phức tạp như phi tuyến tính, ma sát, và tác động của các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống treo và dự đoán hiệu suất trong thực tế.

Tần số dao động riêng là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ rung động và sự thoải mái của xe. Tần số dao động riêng quá cao sẽ dẫn đến cảm giác xóc nảy, trong khi tần số quá thấp có thể gây ra hiện tượng bồng bềnh. Việc xác định tần số dao động riêng có thể được thực hiện bằng các phương pháp thử nghiệm hoặc mô phỏng.

Tải trọng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động lực học của hệ thống treo khí nén. Khi tải trọng tăng lên, áp suất khí trong bầu khí sẽ tăng lên, dẫn đến độ cứng cao hơn và tần số dao động riêng thay đổi. Việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng là cần thiết để đảm bảo hệ thống treo hoạt động hiệu quả trong các điều kiện tải khác nhau. Nguyễn Văn Hoàng đã chỉ ra rằng, tải trọng càng thay đổi, áp suất khí nén sẽ thay đổi theo, từ đó làm thay đổi đặc tính động lực học của hệ thống.

Khả năng giảm xóc và duy trì ổn định là hai yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất của hệ thống treo khí nén. Hệ thống treo tốt cần có khả năng giảm thiểu rung động và duy trì sự ổn định của xe khi di chuyển trên các địa hình khác nhau. Các phương pháp đánh giá có thể bao gồm đo gia tốc, góc nghiêng, và lực tác dụng lên bánh xe.

Việc điều chỉnh độ cao gầm xe mang lại nhiều lợi ích, bao gồm cải thiện khả năng vượt địa hình, tăng tính khí động học, và nâng cao sự thoải mái cho hành khách. Khi di chuyển trên địa hình xấu, việc nâng cao gầm xe sẽ giúp tránh va chạm gầm xe với mặt đường. Ngược lại, khi di chuyển trên đường cao tốc, việc hạ thấp gầm xe sẽ giúp giảm lực cản không khí và tiết kiệm nhiên liệu. Chiều cao gầm xe được tối ưu sẽ mang lại cảm giác lái xe tốt nhất.

Hệ thống treo khí nén dạng hai đoàn ngang được ứng dụng phổ biến trên xe con và xe thể thao đa dụng để mang lại sự kết hợp hoàn hảo giữa sự thoải mái và khả năng vận hành. Hệ thống này cho phép điều chỉnh độ cứng và chiều cao gầm xe để thích ứng với các điều kiện lái khác nhau, từ lái xe hàng ngày đến lái xe thể thao.

Hệ thống treo khí nén còn được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như xe quân sự để đảm bảo khả năng vận hành ổn định và an toàn trong mọi tình huống. Khả năng điều chỉnh độ cao gầm xe linh hoạt giúp xe vượt qua các địa hình khó khăn và đảm bảo khả năng cơ động cao.

Nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ thống treo khí nén mang lại nhiều lợi ích, bao gồm cải thiện khả năng vận hành, tăng sự thoải mái, và nâng cao tính an toàn. Ứng dụng thực tế đã cho thấy hệ thống này có thể được sử dụng trên nhiều loại xe khác nhau, từ xe con đến xe quân sự.

Các thách thức trong tương lai bao gồm tối ưu hóa hiệu suất, giảm trọng lượng, và nâng cao độ bền. Hướng giải quyết tập trung vào việc tích hợp với các hệ thống điện tử, phát triển thuật toán điều khiển thông minh, và sử dụng vật liệu mới.

Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển hệ thống treo khí nén là rất quan trọng để nâng cao trải nghiệm lái xe, tăng tính an toàn, và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của thị trường ô tô. Cần tiếp tục nghiên cứu để hệ thống treo khí nén ngày càng tối ưu và được sử dụng rộng rãi hơn.