Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô, nâng cao độ êm dịu và giảm tiếng ồn là yếu tố then chốt để cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng tính cạnh tranh sản phẩm. Theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997), gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ êm dịu chuyển động của xe. Đặc biệt, hệ thống treo động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc giảm dao động truyền từ động cơ xuống thân xe và ngược lại. Tuy nhiên, các hệ thống treo truyền thống như cao su hoặc cao su thủy lực bị động còn hạn chế trong việc điều chỉnh linh hoạt hệ số cản để thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau.

Luận văn tập trung nghiên cứu tối ưu điều khiển hệ thống treo động cơ đốt trong trên xe du lịch, nhằm nâng cao hiệu quả giảm dao động và tiếng ồn. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình dao động toàn xe với 10 bậc tự do, kết hợp hai nguồn kích thích dao động từ mấp mô mặt đường và lực mô men động cơ, đồng thời phát triển bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control - FLC) tối ưu để điều khiển lực cản của hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xe du lịch, sử dụng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, với dữ liệu thu thập và mô phỏng dựa trên tiêu chuẩn ISO 8068 về phân loại mặt đường.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện độ êm dịu chuyển động, giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của dao động động cơ đến người lái và hành khách, đồng thời góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu suất của hệ thống truyền lực. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ hỗ trợ các nhà thiết kế và kỹ sư trong việc phát triển hệ thống treo động cơ hiệu quả hơn, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam và các thị trường tương tự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính:

  1. Mô hình dao động không gian toàn xe với 10 bậc tự do: Mô hình này bao gồm các khối lượng được treo (thân xe, động cơ) và không được treo (bánh xe, hệ thống treo), cùng các thông số đặc trưng như độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo và lốp xe. Mô hình sử dụng nguyên lý D’Alembert kết hợp cơ sở lý thuyết hệ nhiều vật để thiết lập hệ phương trình vi phân bậc hai mô tả chuyển động dao động của xe dưới tác động của hai nguồn kích thích: mấp mô mặt đường và lực mô men động cơ.

  2. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control - FLC): Hệ thống điều khiển mờ được sử dụng để điều chỉnh hệ số cản thủy lực của hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động. FLC dựa trên các luật "nếu-thì" (if-then rules) và tập mờ để xử lý các tín hiệu không chắc chắn, cho phép điều khiển linh hoạt và tối ưu hóa lực cản theo điều kiện vận hành động cơ và mặt đường. Các phép toán trên tập mờ như hợp, giao, bù được áp dụng để xây dựng bộ điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: khối lượng được treo và không được treo, độ cứng và hệ số cản của hệ thống treo, gia tốc bình phương trung bình theo thời gian tác động, tập mờ và hàm liên thuộc, luật hợp thành mờ, và giải mờ bằng phương pháp cực đại.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 2631-1 (đánh giá độ êm dịu), ISO 8068 (phân loại mặt đường), cùng các thông số kỹ thuật của xe du lịch và động cơ đốt trong. Dữ liệu mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink, xây dựng mô hình dao động toàn xe với 10 bậc tự do, bao gồm các khối lượng, độ cứng, hệ số cản và lực kích thích từ mặt đường và động cơ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của các khối lượng trong hệ thống.
  • Mô hình hóa hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động với lực cản điều khiển bằng FLC.
  • Xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên luật "nếu-thì" để điều chỉnh lực cản thủy lực.
  • Tối ưu bộ điều khiển bằng thuật toán bầy đàn Particle Swarm Optimization (PSO) nhằm nâng cao hiệu quả giảm dao động.
  • Mô phỏng và phân tích hiệu quả hệ thống treo dưới các điều kiện kích thích khác nhau, đánh giá dựa trên chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phát triển bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm dao động của hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động: Mô phỏng cho thấy hệ thống treo bán chủ động với bộ điều khiển mờ tối ưu giảm được gia tốc bình phương trung bình của thân xe từ 15% đến 25% so với hệ thống treo bị động truyền thống dưới các điều kiện kích thích từ mặt đường và động cơ.

  2. Ảnh hưởng của hai nguồn kích thích dao động: Khi không xét đến lực kích thích từ mô men xoắn động cơ, gia tốc bình phương trung bình của thân xe tăng khoảng 9,7%, cho thấy tầm quan trọng của việc kết hợp cả hai nguồn kích thích trong mô hình để đánh giá chính xác độ êm dịu.

  3. Tối ưu hóa bộ điều khiển mờ bằng thuật toán PSO: Việc áp dụng thuật toán bầy đàn PSO giúp cải thiện hiệu quả điều khiển lực cản thủy lực, giảm dao động vượt trội so với bộ điều khiển mờ không tối ưu, với mức giảm dao động thêm khoảng 5-7%.

  4. Phân tích trên miền tần số và thời gian: Kết quả phân tích cho thấy hệ thống treo bán chủ động giảm đáng kể các thành phần dao động ở tần số thấp và trung bình, vốn là các tần số gây khó chịu nhất cho người lái và hành khách.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cải thiện là khả năng điều chỉnh linh hoạt hệ số cản thủy lực theo điều kiện vận hành, giúp hệ thống treo thích ứng tốt hơn với các dạng kích thích dao động khác nhau. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào hệ thống treo bị động hoặc bán chủ động không tối ưu, nghiên cứu này đã kết hợp đồng thời hai nguồn kích thích và áp dụng bộ điều khiển mờ tối ưu, mang lại kết quả toàn diện và thực tiễn hơn.

Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hệ thống treo bán chủ động và chủ động, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng FLC kết hợp PSO trong điều khiển hệ thống treo động cơ đốt trong. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh gia tốc bình phương trung bình theo thời gian và miền tần số, minh họa rõ ràng sự giảm dao động khi sử dụng bộ điều khiển tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động với bộ điều khiển mờ tối ưu trong các mẫu xe du lịch mới nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động, giảm tiếng ồn và tăng tuổi thọ hệ thống truyền lực. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các nhà sản xuất ô tô và trung tâm nghiên cứu phát triển.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và tối ưu điều khiển hệ thống treo dựa trên mô hình dao động toàn xe và thuật toán PSO để hỗ trợ thiết kế và thử nghiệm nhanh các hệ thống treo mới. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật.

  3. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển mờ và tối ưu bầy đàn trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực, nhằm phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao phục vụ ngành công nghiệp ô tô trong nước. Thời gian: liên tục; Chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

  4. Khuyến khích hợp tác quốc tế và chuyển giao công nghệ để cập nhật các công nghệ điều khiển hệ thống treo tiên tiến, đồng thời áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế về đánh giá độ êm dịu và an toàn vận hành. Thời gian: 2-3 năm; Chủ thể: Bộ Công Thương, Bộ Khoa học và Công nghệ, doanh nghiệp ô tô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và kỹ sư ô tô: Nghiên cứu cung cấp mô hình và phương pháp điều khiển hệ thống treo động cơ bán chủ động, giúp cải tiến thiết kế hệ thống treo nhằm nâng cao độ êm dịu và giảm tiếng ồn.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu về dao động, điều khiển mờ và tối ưu trong lĩnh vực cơ khí động lực và kỹ thuật ô tô.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô trong nước: Giúp hiểu rõ hơn về các công nghệ hệ thống treo hiện đại, từ đó áp dụng vào sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và cạnh tranh trên thị trường.

  4. Các chuyên gia trong lĩnh vực điều khiển tự động và kỹ thuật cơ khí: Cung cấp kiến thức về ứng dụng thuật toán bầy đàn PSO và điều khiển mờ trong thực tiễn, mở rộng phạm vi ứng dụng trong các hệ thống cơ khí phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động khác gì so với hệ thống treo bị động?
    Hệ thống bán chủ động có khả năng điều chỉnh linh hoạt hệ số cản thủy lực theo điều kiện vận hành, giúp giảm dao động hiệu quả hơn so với hệ thống bị động có hệ số cản cố định.

  2. Tại sao cần kết hợp hai nguồn kích thích dao động trong mô hình?
    Hai nguồn kích thích là mấp mô mặt đường và lực mô men động cơ đều ảnh hưởng đến dao động xe. Kết hợp giúp mô hình phản ánh chính xác hơn thực tế vận hành và đánh giá hiệu quả hệ thống treo.

  3. Bộ điều khiển mờ (FLC) hoạt động như thế nào trong hệ thống treo?
    FLC sử dụng các luật "nếu-thì" dựa trên tập mờ để điều chỉnh lực cản thủy lực, xử lý các tín hiệu không chắc chắn và thay đổi liên tục nhằm tối ưu hóa giảm dao động.

  4. Thuật toán PSO được sử dụng để làm gì?
    PSO là thuật toán tối ưu bầy đàn giúp tìm ra các tham số điều khiển mờ tối ưu, nâng cao hiệu quả giảm dao động của hệ thống treo bán chủ động.

  5. Tiêu chuẩn ISO 2631-1 có vai trò gì trong nghiên cứu?
    ISO 2631-1 cung cấp chỉ tiêu gia tốc bình phương trung bình để đánh giá độ êm dịu chuyển động, là cơ sở khoa học để phân tích và so sánh hiệu quả các hệ thống treo.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình dao động toàn xe với 10 bậc tự do, kết hợp hai nguồn kích thích dao động từ mặt đường và động cơ đốt trong.
  • Phát triển bộ điều khiển mờ tối ưu bằng thuật toán PSO cho hệ thống treo cao su thủy lực bán chủ động, nâng cao hiệu quả giảm dao động từ 15% đến 25%.
  • Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ êm dịu chuyển động theo tiêu chuẩn ISO 2631-1.
  • Nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng điều khiển mờ và tối ưu bầy đàn trong kỹ thuật cơ khí động lực và công nghiệp ô tô.
  • Đề xuất triển khai áp dụng và phát triển công nghệ hệ thống treo bán chủ động tại các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước trong vòng 1-2 năm tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp hoàn thiện mô hình, mở rộng phạm vi điều khiển sang hệ thống treo chủ động và tích hợp các công nghệ cảm biến hiện đại. Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp tối ưu này để nâng cao chất lượng sản phẩm và trải nghiệm người dùng trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.