Đồ án tính toán mô phỏng hệ thống treo xe 5 chỗ và treo tích cực - ĐH SPKT

Phương pháp tính toán mô phỏng hệ thống treo xe 5 chỗ và nghiên cứu hệ thống treo tích cực ứng dụng trong ô tô. Phân tích ưu nhược điểm và hiệu quả vận hành.

• Tác giả: Lê Hoàng Huy
• Người hướng dẫn: TS.Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Tính toán, mô phỏng hệ thống treo trên xe 5 chỗ và nghiên cứu hệ thống treo tích cực
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống treo xe 5 chỗ

Hệ thống treo xe 5 chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng chuyển động và độ an toàn. Hệ thống này bao gồm các bộ phận đàn hồi, giảm chấn, thanh cân bằng và khớp nối. Mục tiêu chính là hấp thụ dao động từ mặt đường, duy trì tiếp xúc bánh xe ổn định và cải thiện sự thoải mái cho hành khách. Hiện nay, ba loại hệ thống treo phổ biến gồm treo phụ thuộc, treo độc lập và treo tích cực. Mỗi loại có đặc điểm riêng về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng. Việc lựa chọn hệ thống treo phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu vận hành, điều kiện đường sá và tiêu chuẩn an toàn. Nghiên cứu hệ thống treo tích cực đang thu hút sự quan tâm do khả năng điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện thực tế.

1.1. Cấu trúc hệ thống treo

Hệ thống treo gồm ba thành phần chính: bộ phận đàn hồi (lò xo, thanh xoắn), giảm chấn thủy lực và thanh cân bằng. Bộ phận đàn hồi hấp thụ năng lượng từ dao động, giảm chấn chuyển đổi năng lượng thành nhiệt thông qua ma sát chất lỏng, trong khi thanh cân bằng phân phối tải trọng đều giữa các bánh xe. Ở hệ thống treo độc lập, mỗi bánh xe hoạt động độc lập, cải thiện độ ổn định và thoải mái. Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng dầm cầu cứng, đơn giản nhưng hạn chế khả năng điều chỉnh. Cấu trúc này ảnh hưởng trực tiếp đến độ võng tĩnh và động của xe.

1.2. Nguyên lý hoạt động

Khi xe di chuyển, bánh xe tiếp xúc với mặt đường không bằng phẳng tạo ra dao động. Bộ phận đàn hồi nén lại, hấp thụ năng lượng, trong khi giảm chấn thủy lực dập tắt dao động bằng cách chuyển đổi cơ năng thành nhiệt. Van một chiều trong giảm chấn điều chỉnh dòng chảy dầu, kiểm soát tốc độ nén và giãn. Hệ thống treo tích cực sử dụng cảm biến và bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh độ cứng theo điều kiện đường sá. Nguyên lý này giúp tối ưu hóa sự thoải mái và an toàn, đặc biệt trên địa hình gồ ghề.

II. Phân tích nhược điểm hệ thống treo thụ động

Hệ thống treo thụ động gặp hạn chế trong việc đáp ứng đa dạng điều kiện đường sá. Độ cứng cố định không thể điều chỉnh theo tải trọng hoặc địa hình, dẫn đến dao động không mong muốn khi xe chở nặng hoặc chạy trên đường xấu. Giảm chấn thủy lực truyền thống có khả năng dập tắt dao động chậm, gây ra rung lắc không cần thiết. Thanh cân bằng cũng gây mất mát năng lượng do ma sát. Những nhược điểm này ảnh hưởng đến độ bền của hệ thống treo, tăng nguy cơ hư hỏng và giảm tuổi thọ. Ngoài ra, hệ thống thụ động không thể ngăn chặn hoàn toàn va đập từ mặt đường, gây khó chịu cho hành khách. Việc cải tiến hệ thống treo tích cực trở nên cấp thiết để khắc phục những hạn chế này.

2.1. Độ võng tĩnh không đạt yêu cầu

Độ võng tĩnh quá nhỏ khiến hệ thống treo trở nên cứng nhắc, không thể hấp thụ hiệu quả các rung động nhỏ từ mặt đường. Điều này dẫn đến tình trạng xe rung lắc liên tục, ảnh hưởng đến sự thoải mái của hành khách. Ở chế độ đầy tải, độ võng tĩnh thường thấp hơn so với yêu cầu tiêu chuẩn (60-90 lần/phút). Tần số dao động không nằm trong phạm vi tối ưu, gây mệt mỏi cho người ngồi trên xe. Việc tính toán sai lệch độ cứng hệ thống treo là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này.

2.2. Hạn chế của giảm chấn thủy lực

Giảm chấn thủy lực truyền thống hoạt động dựa trên nguyên lý ma sát chất lỏng, nhưng hiệu suất dập tắt dao động không đồng đều. Khi xe chạy trên đường gồ ghề, giảm chấn không đủ nhanh để ngăn chặn va đập cứng. Ngược lại, trên đường bằng phẳng, giảm chấn hoạt động quá chậm, gây ra rung lắc không mong muốn. Van một chiều trong giảm chấn cũng dễ bị tắc nghẽn do tạp chất trong dầu, làm giảm hiệu suất hoạt động. Những hạn chế này đòi hỏi phải nghiên cứu cải tiến hệ thống treo tích cực với khả năng điều khiển chủ động.

III. Phương pháp tính toán mô phỏng hệ thống treo

Tính toán hệ thống treo bao gồm xác định độ cứng, độ võng tĩnh và động, cũng như kiểm nghiệm tần số dao động. Phương pháp sử dụng các công thức vật lý như định luật Hooke cho bộ phận đàn hồi và phương trình dao động cho hệ thống treo. Phần mềm mô phỏng như MATLAB/Simulink được ứng dụng để mô hình hóa hệ thống treo trước và sau. Mô phỏng giúp đánh giá hiệu suất trước khi chế tạo, tiết kiệm thời gian và chi phí. Các thông số đầu vào bao gồm khối lượng xe, tải trọng, đặc tính mặt đường. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu về độ võng, tần số dao động và lực tác động lên bánh xe. Phương pháp này đảm bảo hệ thống treo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện vận hành.

3.1. Mô hình toán học hệ thống treo

Mô hình toán học hệ thống treo dựa trên phương trình vi phân mô tả dao động. Hệ thống treo trước và sau được xem như khối lượng treo và không treo kết nối qua bộ phận đàn hồi và giảm chấn. Phương trình dao động phi tuyến tính được giải bằng phương pháp số như Runge-Kutta. Các tham số như độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn được xác định từ dữ liệu thực nghiệm. Mô hình này cho phép dự đoán hành vi của hệ thống treo dưới tác động của ngoại lực. Kết quả mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo.

3.2. Kiểm nghiệm độ võng động

Độ võng động được tính toán dựa trên tổng hành trình bánh xe, bao gồm độ võng tĩnh và động. Hành trình động không vượt quá khoảng sáng gầm xe để tránh va đập vào ụ đỡ. Phương pháp kiểm nghiệm sử dụng công thức fđ ≤ H0 - Hmin, trong đó H0 là khoảng sáng gầm khi chịu tải tĩnh, Hmin là khoảng sáng khi đầy tải. Kết quả cho thấy hành trình động của hệ thống treo thiết kế nằm trong giới hạn an toàn. Việc đặt vấu cao su hạn chế hành trình giúp ngăn chặn va đập cứng, bảo vệ hệ thống treo khỏi hư hỏng.

IV. Nghiên cứu hệ thống treo tích cực

Hệ thống treo tích cực sử dụng cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành để điều chỉnh độ cứng theo điều kiện thực tế. Cảm biến đo gia tốc, độ võng và tải trọng cung cấp dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển. Hệ thống điều khiển chủ động điều chỉnh áp suất dầu trong giảm chấn hoặc thay đổi độ cứng lò xo điện từ. Điều này giúp tối ưu hóa sự thoải mái và an toàn, đặc biệt trên địa hình phức tạp. Nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống treo tích cực giảm thiểu dao động không mong muốn, cải thiện độ bám đường và độ ổn định. Mặc dù chi phí cao hơn, hệ thống treo tích cực hứa hẹn mang lại trải nghiệm lái xe vượt trội.

4.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống treo tích cực

Hệ thống treo tích cực hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển phản hồi. Cảm biến đo lường các thông số như gia tốc thẳng đứng, độ võng bánh xe và tải trọng. Dữ liệu được gửi đến bộ điều khiển trung tâm, nơi xử lý và đưa ra lệnh điều chỉnh. Cơ cấu chấp hành, thường là van điện từ hoặc bơm thủy lực, thay đổi áp suất dầu trong giảm chấn hoặc độ cứng lò xo. Hệ thống có khả năng phản ứng nhanh chóng với thay đổi điều kiện đường sá, đảm bảo sự thoải mái tối đa.

4.2. Lợi ích và thách thức ứng dụng

Hệ thống treo tích cực mang lại nhiều lợi ích như cải thiện sự thoải mái, an toàn và độ bám đường. Nó giúp giảm thiểu dao động không mong muốn, đặc biệt trên địa hình gồ ghề, và nâng cao trải nghiệm lái xe. Tuy nhiên, chi phí sản xuất và bảo trì cao, cũng như độ phức tạp trong điều khiển là những thách thức lớn. Việc nghiên cứu cải tiến thuật toán điều khiển và tối ưu hóa cấu trúc cơ khí là cần thiết để đưa hệ thống treo tích cực vào ứng dụng rộng rãi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế nước nhà thì nhu cầu của người dân nói chung và nhu cầu đi lại nói riêng được tăng lên một cách rõ rệt. Khi sử dụng một phương tiện giao thông ngoài những yêu cầu về khả năng thuận lợi trong lưu thông thì một phương tiện gọi là tốt còn phải đảm bảo an toàn trong chuyển động, tính thẩm mỹ cao và độ êm dịu cao trong quá trình sử dụng để bảo sức khỏe cho người tham gia giao thông. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đang có những bước đi ban đầu về thiết kế, chế tạo ô tô.

Song do điều kiện đường xá kém chất lượng, ở các xe này chưa đáp ứng được một số các yêu cầu đòi hỏi về độ êm dịu chuyển động, tính tiện nghi, tính an toàn chuyển động,. Một trong những nguyên nhân là do chất lượng đường của chúng ta còn hạn chế. Chính vì vậy, việc quan tâm đến độ êm dịu cho một chiếc xe khi tham gia giao thông là một quan trọng trong quá trình chế tạo một phương tiện giao thông nói chung và ô tô nói riêng. Trong đồ án tốt nghiệp này em xin trình bày về phương pháp nghiên cứu về động lực học hệ thống treo trên xe ô tô 5 chỗ.

Em xin đề xuất đề tài: “Tính toán mô phỏng hệ thống treo trên xe 5 chỗ và nghiên cứu hệ thống treo tích cực” để làm đồ án bảo vệ tốt nghiệp cho mình. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay các ngành khoa học công nghệ ngày càng phát triển, mục tiêu là tăng năng suất, giải phóng sức của con người. Ngành công nghệ ô tô là một trong những ngành công nghiệp phát triển ưu tiên đứng đầu ở nước ta. Khi ô tô ngày càng hoàn thiện thì tiêu chí đánh giá của các kết cấu ngày càng được quan tâm đúng mức.

Nghiên cứu hoàn thiện các kết cấu của ô tô nhằm nâng cao độ êm dịu chuyển động, an toàn chuyển động và thân thiện với môi trường là một nhu cầu cần thiết. Trong đó đánh giá đúng về yêu cầu chất lượng động học hệ thống treo là một vấn đề quan trọng, nhất là với điều kiện đường ở Việt Nam. Hệ thống treo là một trong các hệ thống rất quan trọng trên ô tô, nó góp phần tạo nên độ êm dịu khi lái xe, ổn định và tính tiện nghi của ô tô giúp người ngồi có cảm giác thoải mái dễ chịu. Ở Việt Nam hiện nay đã có rất nhiều hãng và nhiều loại ô tô.

Cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật thì nghành công nghiệp ô tô đã có sự phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng những yêu cầu của con người. Những chiếc ô tô 1 ngày càng trở nên xịn hơn, nhanh hơn, an toàn hơn, tiện nghi hơn… để theo kịp với xu thế thời đại. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 1. Tính khoa học Bài nghiên cứu mô tả sơ bộ về hệ thống treo bị động và treo tích cực đã và đang phát triển trong hiện tại và tương lai gần.

Xây dựng mô hình động lực học và tính toán dựa trên các thông số chính xác của hệ thống treo bị động và treo tích cực áp dụng trên các dòng xe hiện đại 1. Tính thực tiễn Hệ thống treo tích cực đã áp dụng rộng rãi trên thị trường, sự nâng cấp của treo tích cực là bàn đạp để các hãng xe hiện nay áp dụng vào các dòng xe cao cấp nhất của hãng để cho thấy được sự phát triển không ngừng của nền công nghệ ô tô hiện đại trong tương lai. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ. Mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc chuyển đổi từ hệ thống treo ô tô thông thường sang hệ thống treo tích cực cho công nghệ xe điện tương lai.

Phương pháp thực hiện - Nghiên cứu thông qua việc tìm hiểu các bài báo nghiên cứu khoa học về các cập nhật của công nghệ hiện đại trong hệ thống treo tích cực Active Suspension. - Chọn lọc và phân tích nội dung nghiên cứu phù hợp. - Tổng hợp tài liệu và tính toán sơ bộ về hệ thống. Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo Hệ thống treo là hệ thống có liên kết giữa bánh xe và khung xe.

Mối liên kết hệ thống treo của xe là mối liên kết đàn hồi có chức năng chính sau: Truyền lực và mô men giữa bánh xe và khung xe gồm lực thẳng đứng (tải trọng, phản lực), có lực dọc (lực kéo, lực phanh, lực đẩy và lực kéo với khung vỏ), có cả lực bên (lực li tâm, lực gió bên, phản lực bên) mô men chủ động, mô men phanh của xe. 2 Tạo điều kiện cho xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung và vỏ xe theo yêu cầu dao động êm dịu hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không muốn có của bánh xe như là lắc ngang, lắc dọc. Trong hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung xe cần thiết phải mềm nhưng vẫn phải đủ khả năng để truyền lực. Quan hệ này được thể hiện ở các yêu cầu chính như sau: - Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý và thoả mãn mục đích chính của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng phải đảm bảo các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe.

- Bánh xe chỉ dịch chuyển trong một giới hạn nhất định. - Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung và vỏ. - Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo kỹ thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hoặc xe chạy trên các loại đường khác nhau). - Có độ tin cậy lớn nhất là không gặp hư hỏng bất thường.

- Đối với xe ô tô con chúng ta cần phải quan tâm đến các yêu cầu như sau: - Giá thành phải thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn. - Có khả năng chống rung, chống ồn truyền từ bánh xe lên thùng và vỏ tốt. - Đảm bảo tính ổn định, tính điều khiển chuyển động của ô tô ở những khoảng tốc độ cao, ô tô phải điều khiển nhẹ nhàng. Các bộ phận chính của hệ thống treo 1.

Bộ phận đàn hồi Bộ phận đàn hồi trên ô tô là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe nhằm để biến đổi tần số dao động cho thích hợp với cơ thể con người (khoảng 60÷90 lần/phút). Bộ phận đàn hồi có thể bố trí khác trên xe nhiều loại xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng. 3 Bộ phận đàn hồi có các phần tử đàn hồi thường gặp là: 1: Bộ phận đàn hồi nhíp lá 2: Bộ phận đàn hồi lò xo trụ 3: Bộ phận đàn hồi thanh xoắn Hình 1.1: Bộ phận đàn hồi a.2: Nhíp lá Nhíp lá được sử dụng khá rộng rãi trên những xe yêu cầu tải trọng lớn, làm việc trong môi trường mấp mô mặt đường lớn. Nhíp làm từ các lá thép cong, được gọi là nhíp, sắp xếp với nhau theo thứ tự từ ngắn đến dài.

Đặc tính làm việc của nhíp là khi tải trọng tác dụng lên nhíp tăng cao thì biến dạng của nhíp cũng tăng lên theo quy luật tuyến tính. Hệ thống treo không chỉ có nhiệm vụ làm êm dịu chuyển động mà nó còn đồng thời làm nhiệm vụ dẫn hướng. Có 2 loại nhíp lá là nhíp lá đơn và nhíp là kép. Bu lông tai nhíp; 4.

Bu lông quang nhíp; 10. Vấu hạn chế; 12. Bu lông treo giảm chấn; 13. Bích che tai nhíp; 16.

Nhíp kép: Nhíp kép được chế tạo bằng cách ghép cả hai tấm nhíp có chiều dài khác nhau lại với nhau, trong quá trình hoạt động lò xo nhíp bị nén lại và hấp thụ dao động của mặt đường, lò xo nhíp có thể bị uốn cong và bị trượt trong quá trình hoạt động. Giá đỡ nhíp bên trái; 3. Nhíp chính lắp ghép; 5. Giá đỡ nhíp phụ; 6.

Quang nhíp chính; 7. Lá nhíp chính của nhíp phụ; 8. Lá nhíp thứ hai của nhíp chính; 9. Lá nhíp phụ số 5; 10.

Lá nhíp phụ số 6; 11. Bu lông quang nhíp; 12. Tấm đệm nhíp; 16. Bu lông quang nhíp; 17.

Quang nhíp phụ; 18. Giá đỡ nhíp chính bên phải; 20. Bạc chốt nhíp; 23. Bu lông giữ các nhíp phụ; 26.

Bu lông giữ các nhíp chính; 27. Bạc của bu lông quang nhíp; 28.  Ưu điểm: - Đơn giản, không cần thanh ổn định. - Chi phí thấp.

- Dễ chăm sóc bảo dưỡng.  Nhược điểm: - Khối lượng lớn. - Thùng xe ở trên cao nên chiều cao trọng tâm xe sẽ lớn ảnh hưởng đến tốc độ và sự ổn định khi xe chuyển động. Lò xo: Gồm các dạng là lò xo xoắn ốc, lò xo côn và lò xo trụ.

Do lò xo trụ có đường kính vòng ngoài không đổi nên biến dạng của nó sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với lực tác dụng, còn đối với lò côn hay lò xo xoắn ốc thì khi tải nhẹ đầu lò xo sẽ bị nén lại và hấp thụ năng lượng va đập, còn phần giữa lò xo có độ cứng lớn hơn sẽ đủ cứng để chịu tải lớn.5: Bộ phận đàn hồi bằng lò xo  Ưu điểm: - Kết cấu gọn gàng. 6 - Nếu cùng độ cứng và độ bền với nhíp thì lò xo trụ có khối lượng nhỏ hơn nhíp và tuồi thọ cao hơn nhíp, kết cấu gọn nên tiết kiệm không gian và cho phép hạ thấp trọng tâm xe nhằm nâng cao tốc độ.  Nhược điểm: - Do lò xo chỉ làm nhiệm vụ đàn hồi, còn nhiệm vụ dẫn hướng và giảm chấn do các bộ phận khác đảm nhận nên với hệ thống treo dùng lò xo trụ thì có kết cấu phức tạp hơn do nó còn phải bố trí thêm hệ thống đòn dẫn hướng để dẫn hướng cho bánh xe và truyền lực kéo hay lực phanh. - Khi làm việc ở giữa các vòng lò xo không có nội ma sát như nhíp nên thường phải bố trí thêm giảm chấn kèm theo để dập tắt nhanh dao động.

 Lò xo trụ: Lò xo trụ được sử dụng nhiều ở hệ thống treo kiểu MacPherson của những loại ô tô hiện đại. Chúng có thể bố trí ở cầu trước hoặc cầu sau tùy thuộc vào cấu tạo từng xe  Ưu điểm: - Khi làm việc ở giữa các vòng lò xo không có ma sát như nhíp. - Kết cấu rất gọn gàng nhất là khi được bố trí lồng vào giảm chấn.