tổng quan
Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Một số nghiên cứu trong nước
Luận văn thạc sĩ của Trương Thái Thanh tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu đánh giá dao động của các hệ thống treo trên xe đời mới Tác giả áp dụng lý thuyết dao động ô tô để khảo sát và tính toán dao động của hai loại xe, từ đó đưa ra những đánh giá khoa học về độ êm dịu và an toàn chuyển động Đề tài cũng đề xuất và tính toán hệ thống treo tối ưu nhằm nâng cao độ êm dịu và an toàn cho xe, đồng thời đảm bảo các tiêu chí về độ êm dịu và an toàn chuyển động.
Đề tài "Thiết kế hệ thống treo trước ô tô khách 46 chỗ trên cơ sở Hyundai Aerospace" tập trung vào việc tính toán hệ thống treo trước bằng cách sử dụng hệ thống treo khí Nghiên cứu này đã xác định các phương trình quan trọng để tính toán các thông số của bộ phận đàn hồi trong hệ thống treo khí, đồng thời đề xuất phương pháp điều khiển hiệu quả cho hệ thống này.
Đề tài này tập trung vào thiết kế và tính toán hệ thống treo khí nén có điều khiển điện tử EMS, với xe tham khảo là minibus 12 chỗ PREGIO của KIA Bài viết cũng trình bày mô hình thử nghiệm cho hệ thống treo khí nén, nhấn mạnh phương pháp điều khiển điện tử trong việc tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
Trong thời gian qua, việc giảng dạy về hệ thống treo có điều khiển điện tử tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn do thiếu thiết bị và mô hình dạy học Giá thành của các thiết bị nhập khẩu cao khiến nhiều trường không thể trang bị đầy đủ Nghiên cứu và chế tạo mô hình phục vụ giảng dạy vẫn ở quy mô nhỏ, chủ yếu do nhu cầu cấp thiết, dẫn đến việc tự thiết kế và thi công trên thiết bị có sẵn Một số công ty trong nước đã chế tạo thiết bị dạy học về hệ thống treo chủ động, nhưng chủ yếu đơn giản, chỉ giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản Các mô hình này thiếu chức năng cần thiết cho việc học tập và nghiên cứu, như khả năng quan sát chế độ hoạt động của hệ thống và đo kiểm các thông số cơ bản Nhìn chung, các thiết bị và mô hình hiện có chưa đáp ứng được nhu cầu giảng dạy và nghiên cứu về hệ thống treo chủ động tại Việt Nam.
- CTy Tân Phát Automation, CTy Tân Minh Giang, Công ty Ô tô Việt Nam [7]
Mô hình hệ thống treo dùng để đào tạo nghề trong nước
1.2.2 Một số nghiên cứu trên thế giới
Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng hệ thống treo khí có thể cải thiện đáng kể độ êm dịu và ổn định cho xe Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu liên quan đến ứng dụng và thử nghiệm hệ thống treo khí.
Nghiên cứu phát triển mô hình thử nghiệm lò xo khí S.J.LEE [9] Development
Nghiên cứu của S J Lee tại Đại học Myongji vào năm 2009 chỉ ra rằng độ cứng của các túi khí có thể thay đổi, chịu ảnh hưởng bởi thể tích, diện tích bề mặt làm việc, nhiệt độ và khối lượng khí bên trong Đặc biệt, sự gia tăng thể tích túi khí dẫn đến giảm độ cứng của nó Một nghiên cứu khác của Li Liu, Weihua Zhang và Yan Li cũng đã phân tích ảnh hưởng của buồng khí phụ đến độ cứng của lò xo khí.
A study from Southwest Jiaotong University in 2013 indicates that increasing the volume of the auxiliary air chamber reduces the stiffness of the airbag Additionally, the stiffness of the airbag is directly proportional to the increase in its working pressure.
Công nghệ điều khiển hệ thống treo khí bằng điện tử ECAS Chen Yi-kai [11],
Phương pháp ghép nối độ cứng và độ giảm chấn của hệ thống ECAS dựa trên điều khiển LQG đã được Chen Yi-kai nghiên cứu và công bố trong bài viết tại J Cent South University năm 2014, trang 440 - 446 Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện độ thoải mái và tiện nghi bằng cách giảm độ cứng của các lò xo khí, cho phép điều khiển chiều cao của các túi thông qua hệ thống cung cấp khí nén kết nối với lò xo khí Một nghiên cứu khác của Zhengchao Xie cũng đề cập đến vấn đề tương tự với các giải pháp chống ồn trong hệ thống.
Active air suspension systems for heavy-duty vehicles, as discussed in the 2013 study by the University of Macau, effectively mitigate road vibrations and adjust vehicle height This technology enhances ride quality and stability, making it ideal for managing the challenges associated with heavy loads.
Nghiên cứu cải thiện cơ chế kiểm soát của hệ thống treo khí chủ động được thực hiện thông qua mô hình toán học trên phần mềm MATLAB-Simulink Đề tài tập trung vào việc tối ưu hóa hoạt động của hệ thống treo dựa trên sự biến đổi độ cứng Alireza Kazemeini đã so sánh kết quả giữa mô hình hệ thống treo chủ động có điều khiển và mô hình hệ thống treo bị động, cho thấy tốc độ dịch chuyển của thùng xe giảm 11,51%, biên độ dịch chuyển của hệ thống treo giảm 11,94%, và lực tác động lên bánh xe giảm 3,04% Kết quả này khẳng định rằng hoạt động của hệ thống treo được cải thiện nhờ áp dụng hệ thống điều khiển.
F Rodionov và Fitterman (1980) đã nghiên cứu động học hệ thống treo bằng hai phương pháp đồ thị và đại số, tập trung vào các thông số hình học của hệ thống lái và hệ thống treo phía trước Họ chỉ ra rằng các thông số này cần phù hợp với sự biến đổi của các góc như góc nghiêng dọc của trục đứng, góc nghiêng ngoài của bánh xe, góc chụm bánh xe, và độ chuyển dịch ngang của tiếp điểm bánh xe với mặt đường Ngoài ra, góc nghiêng ngang của trục đứng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định chuyển động của ô tô Phương pháp đồ thị, mặc dù rõ ràng và trực quan, lại tốn công sức và phụ thuộc vào độ chính xác của thiết bị vẽ Do đó, nó chỉ thích hợp cho các sơ đồ động học đơn giản Ngược lại, phương pháp giải tích, đặc biệt khi sử dụng máy tính, cho phép giải quyết các trường hợp phức tạp hơn và dễ dàng tính toán cho nhiều vị trí của bánh xe và các thông số hình học khác nhau.
Nguyễn Đức Ngọc Deng Zhaoxiang tại Trường Học Viện Kỹ Thuật Cơ Khí, Đại Học Trùng Khánh - Trung Quốc đã nghiên cứu về xi lanh lực điện từ trong hệ thống treo chủ động Nghiên cứu này thiết lập mô hình tổng thể với bảy bậc tự do để mô phỏng hoạt động của hệ thống treo, sử dụng phần mềm Flux để tối ưu thiết kế xi lanh lực điện từ và xây dựng mô hình điều khiển cho hệ thống Hệ thống treo chủ động được thiết kế với các khả năng như tự động điều chỉnh độ cứng, giữ thăng bằng khi phanh hoặc tăng tốc, tự động điều chỉnh theo tải trọng và khoảng sáng gầm xe khi di chuyển trên đường gồ ghề Mô hình này phản ánh toàn bộ hệ thống rung động của thân xe và góc nghiêng theo ba phương, giúp xác định giá trị lực tương tác cần thiết lên giá treo, từ đó ứng dụng phần mềm Flux trong việc tối ưu thiết kế.
Mục đích và ý nghĩa của đề tài
1.3.1 Mục đích của đề tài:
Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống treo chủ động nhằm phục vụ công tác đào tạo ngành công nghệ ô tô tại trường cao đẳng kỹ thuật Đắk Lắk Mô hình này sẽ giúp sinh viên tiếp cận với các hệ thống treo hiện đại đang được lắp đặt trên nhiều loại ô tô hiện nay.
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của các hệ thống treo trên ô tô
- Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo và nguyên lý làm việc, phương pháp kiểm tra sửa chữa hệ thống treo chủ động điều khiển bằng điện
- Hoàn thiện các bài giảng về hệ thống treo trên ô tô đƣa vào giảng dạy trong ngành công nghệ ô tô tại trường cao đẳng kỹ thuật Đắk Lắk,
Ý nghĩa của đề tài
Tạo điều kiện cho nghiên cứu viên phát triển kỹ năng chuyên môn trong việc ứng dụng công nghệ vào thực tiễn, nhằm bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống ô tô một cách khoa học và hiệu quả.
Trong quá trình thực hiện đề tài, người nghiên cứu sẽ thiết kế và chế tạo mô hình, lựa chọn thiết bị và linh kiện phù hợp với thực tiễn Qua đó, họ sẽ tích lũy kiến thức lý thuyết sâu rộng hơn và có cơ hội kiểm chứng các lý thuyết chuyên môn liên quan đến bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống.
Để phát triển tư duy khoa học, cần tiếp cận từng bước với các phương pháp nghiên cứu khoa học giáo dục Việc hoàn thiện các kỹ năng còn thiếu trong nghiên cứu khoa học sẽ giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng công việc nghiên cứu.
Người học cần được khuyến khích chủ động tiếp cận và thực hành với thực tế ngay trong quá trình học tại trường Điều này giúp họ nhanh chóng nắm bắt và tiếp thu kiến thức về kỹ năng bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống một cách hiệu quả.
Giới hạn và phương pháp nghiên cứu đề tài
Hệ thống treo chủ động hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, nhưng chi phí cao đã hạn chế việc sử dụng chúng làm thiết bị giảng dạy tại các trường học Do thời gian và nguồn lực nghiên cứu có hạn, đề tài “Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống treo chủ động phục vụ giảng dạy tại các trường cao đẳng kỹ thuật” chỉ tập trung vào việc phát triển mô hình hỗ trợ giảng dạy cho ngành công nghệ ô tô Mô hình này được lắp ráp từ các phụ tùng có sẵn trên thị trường trong nước, nhằm tạo ra một hệ thống giảng dạy với các tín hiệu và sai hỏng giả định.
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu đề tài:
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, việc kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu là cần thiết để đảm bảo hoàn thành đúng tiến độ yêu cầu Các phương pháp chính được sử dụng bao gồm:
Chúng tôi tiến hành khảo sát về thiết bị dạy học nghề công nghệ ô tô tại các trường cao đẳng trong tỉnh Đắk Lắk và các tỉnh lân cận, nhằm đánh giá tình hình và nhu cầu giáo dục nghề nghiệp trong lĩnh vực này.
Thực hiện khảo sát nhằm đánh giá mức độ hiểu biết và khả năng ứng dụng kiến thức, kỹ năng nghề nghiệp của sinh viên từ các trường đào tạo, để họ có thể áp dụng vào việc bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống trên các loại xe đang lưu hành trên thị trường hiện nay.
Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ kết nối truyền dữ liệu tín hiệu trên các thiết bị trong hệ thống máy tính được thực hiện thông qua việc tham khảo các bài giảng từ tài liệu, tạp chí khoa học và học hỏi kinh nghiệm từ quý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp.
- Tiếp cận, tham khảo thực tế các hệ thống từ các hảng xe và các Trung tâm bảo hành sửa chữa ô tô hiện nay
Phân tích và tổng hợp lý thuyết cơ bản là cần thiết để thực hiện thi công lắp đặt mô hình hệ thống treo chủ động điều khiển bằng điện Việc áp dụng các tính năng của hệ thống sát với thực tế sẽ giúp tạo ra tài liệu hữu ích cho các bài giảng trong hệ thống giáo dục.
SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ
Công dụng yêu cầu hệ thống treo
Là hệ thống nối giữa phần chuyển động (các bánh xe) và thân xe nên hệ thống treo có các công dụng sau:
- Nâng đỡ toàn bộ tải trọng của xe trên các cầu và đảm bảo mối liên hệ hình học chính xác giữa thân xe và bánh xe
Bộ phận đàn hồi giúp giảm thiểu tải động tác từ bánh xe lên thân xe, đảm bảo sự êm ái khi xe di chuyển và truyền lực, mô men từ mặt đường lên khung xe một cách hiệu quả.
- Bộ phận dẫn hướng để truyền lực dọc, ngang và mô men từ mặt đường lên khung xe
- Bộ phận giảm chấn để dập tắt các dao động của khối lƣợng phần đƣợc treo và không đƣợc treo
Hệ thống treo phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu cơ bản sau đây:
Hệ thống treo của xe cần có đặc tính đàn hồi tốt để đảm bảo sự êm ái khi di chuyển trên những đoạn đường xấu, đồng thời tránh va chạm liên tục với các chướng ngại vật Khi xe thực hiện các thao tác như quay vòng, tăng tốc hoặc phanh, vỏ xe phải giữ được sự ổn định, không bị nghiêng hay chúc đầu, giúp nâng cao trải nghiệm lái xe an toàn và thoải mái.
- Đặc tính động học, quyết định bởi bộ phận dẫn hướng, phải đảm bảo cho xe chuyển động ổn định và có tính điều khiển cao, cụ thể là:
+ Đảm bảo cho chiều rộng cơ sở và góc đặt các trụ quay đứng của bánh xe dẫn hướng không đổi hoặc thay đổi không đáng kể
Để đảm bảo hiệu suất lái xe ổn định, cần thiết phải duy trì sự tương ứng động học giữa các bánh xe và hệ thống truyền động lái Điều này giúp ngăn chặn hiện tượng tự quay vòng và giảm thiểu dao động của các bánh xe dẫn hướng xung quanh trụ quay.
- Giảm chấn phải có hệ số dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động đƣợc hiệu quả và êm dịu
- Có khối lƣợng nhỏ, đặc biệt là các phần không đƣợc treo
- Kết cấu đơn giản, dễ bố trí làm việc bền vững, tin cậy
- Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ
- Có độ bền cao, giá thành thấp và mức độ phức tạp kết cấu không lớn
- Có độ tin cậy lớn, trong điều kiện sử dụng phù hợp với tính năng kỹ thuật, không gặp hư hỏng bất thường
Đối với Ô tô buýt còn được chú ý thêm các yêu cầu:
- Có khả năng chống rung, ồn truyền từ bánh xe lên thùng, vỏ tốt
- Tính điều khiển và ổn định chuyển động cao ở mọi tốc độ
2.2.3 Phân loại hệ thống treo
Hệ thống treo đƣợc phân ra làm nhiều loại
2.2.3.1 Theo bộ phận đàn hồi
- Loại bằng kim loại: Gồm có nhíp lá, lò xo xoắn ốc, thanh xoắn
- Loại khí: Gồm loại bọc bằng cao su, bằng màng, loại ống
- Loại thủy lực: Gồm loại chịu nén, chịu xoắn
2.2.3.2 Theo bộ phận dẫn hướng
- Loại phụ thuộc (loại sử dụng cầu liền thường dùng nhíp lá)
- Loại độc lập ( Loại sử dụng các càng treo)
2.2.3.3 Theo phương pháp dập tắt dao động
- Loại giảm chấn thủy lực: Gồm loại tác dụng một chiều và hai chiều
- Loại ma sát cơ: Gồm ma sát trong bộ phận đàn hồi và trong bộ giảm chấn
2.2.3.4 Theo phương pháp điều khiển :
- Hệ thống treo bị động (không tự điều chỉnh)
- Hệ thống treo chủ động (Có sự điều khiển bán tích cực, tích cực)
2.4 Cấu tạo, nguyên lý cơ bản các bộ phận trong hệ thống treo:
Nhíp được cấu tạo từ các băng thép lò xo uốn cong, gọi là “lá”, được xếp chồng từ ngắn đến dài Tập hợp các lá này được giữ chặt với nhau bằng bu lông hoặc tán ri vê ở giữa, và được kẹp tại một số vị trí để tránh xô lệch Hai đầu lá dài nhất, hay còn gọi là lá chính, được uốn cong thành vòng để kết nối với khung xe hoặc các cấu trúc khác.
Nhíp dài thường mềm hơn, trong khi số lượng lá nhíp nhiều giúp tăng khả năng chịu tải nhưng cũng làm nhíp cứng hơn, ảnh hưởng đến độ êm Đặc điểm nổi bật là nhíp có độ cứng vững đủ để giữ cầu xe ổn định mà không cần các liên kết bổ sung.
+ Nhíp thực hiện đƣợc chức năng tự khống chế dao động thông qua ma sát giữa các lá nhíp
+ Nhíp có đủ sức bền để chịu tải trọng nặng
Do sự ma sát giữa các lá nhíp, nhíp khó hấp thu những rung động nhỏ từ mặt đường Vì lý do này, nhíp thường được sử dụng cho các loại xe lớn và vận chuyển tải trọng nặng, do đó, độ bền của nhíp là yếu tố cần được chú trọng.
Độ uốn cong của lá nhíp, hay còn gọi là “độ võng”, phụ thuộc vào chiều dài của lá; lá nhíp ngắn sẽ có độ võng lớn hơn, khiến lá nhíp dưới cong hơn lá nhíp trên Khi bu lông ở giữa được xiết chặt, các lá nhíp sẽ hơi duỗi thẳng ra, dẫn đến việc các đầu lá nhíp ép chặt lên nhau Tổng thể độ cong của nhíp được gọi là “độ vồng” Tuy nhiên, ma sát giữa các lá nhíp có thể làm giảm độ êm của hệ thống, vì nó ảnh hưởng đến tính uốn của nhíp.
Hình 2.1 Độ cong võng của nhíp khi xiết bu lông giữa
Hình 2.2 Sơ đồ bố trí của hệ thống treo phụ thuộc Ưu, nhược điểm của hệ thống treo phụ thuộc:
Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp là ưu điểm nổi bật, đặc biệt phù hợp cho những phương tiện có tốc độ di chuyển không cao mà vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cần thiết.
Khi tổng ngoại lực theo phương ngang tác động lên ô tô vượt quá khả năng bám bên của cả hai bánh xe, hiện tượng trượt ngang sẽ xảy ra Với thiết kế dầm cầu liền, khi chịu tác động lực bên như ly tâm, đường nghiêng hay gió bên, hai bánh xe được liên kết cứng sẽ giúp hạn chế hiện tượng trượt bên của bánh xe.
- Dễ tháo lắp và sửa chữa, giá thành thấp
Khối lượng phần không được treo lớn, đặc biệt trên cầu chủ động, gây ra va đập mạnh khi xe di chuyển trên đường không bằng phẳng Tải trọng động sinh ra làm giảm độ êm dịu chuyển động của ô tô, đồng thời tạo ra va chạm mạnh giữa phần không treo và phần treo (thùng xe) Hơn nữa, sự va đập của bánh xe lên nền đường cũng ảnh hưởng xấu đến sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường.
Khoảng không gian dưới gầm xe cần đủ lớn để dầm cầu có thể thay đổi vị trí Do đó, cần thiết phải có chiều cao trọng tâm lớn hoặc giảm bớt thể tích khoang chứa hàng của xe.
Hệ thống treo khí nén là một giải pháp hoàn thiện cho kết cấu ô tô, được áp dụng khác nhau cho các loại xe như ô tô con, ô tô tải và ô tô buýt Trong đó, ô tô buýt tiên tiến là ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ này Hệ thống treo khí nén giúp duy trì chiều cao thân xe ổn định so với mặt đường, bất chấp các chế độ tải trọng khác nhau.
Hệ thống treo khí nén trên ô tô hoạt động dựa trên khả năng điều chỉnh độ cứng của buồng đàn hồi khí nén, phù hợp với sự chuyển dịch của thân xe Hình 2.2 minh họa sơ đồ nguyên lý kết cấu của một hệ thống đơn giản.
Bộ tự động điều chỉnh áp suất được hình thành dựa trên nguyên lý van trượt cơ khí Hai ballon khí nén được đặt giữa thân xe và bánh xe thông qua giá đỡ bánh xe Trên thân xe, bộ van trượt cơ khí được lắp đặt, kết nối với bộ chia khí nén Khí nén được cung cấp từ hệ thống cung cấp khí nén đến bộ chia và sau đó được phân phối vào các ballon.
Khi tải trọng tăng, các bóng khí nén bị nén lại, làm thay đổi khoảng cách giữa thân xe và bánh xe Van trượt cơ khí qua đòn nối di chuyển vị trí của các con trượt chia khí trong block Khí nén từ hệ thống cung cấp được dẫn đến các bóng khí nén, cung cấp thêm khí cho đến khi chiều cao giữa thân xe và bánh xe trở về vị trí ban đầu.
Khi giảm tải trọng hiện tượng này xảy ra tương tự, và quá trình van trượt tạo nên sự thoát bớt khí nén ra khỏi ballon
Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống treo cơ khí
Hệ thống treo đƣợc bố trí trên xe gồm các cụm bộ phận chính:
Hình 2.4 : Hệ thống treo bố trí trên xe 2.5.1 Bộ phận đàn hồi:
Bộ phận đàn hồi là một phần thiết yếu trong hệ thống treo của xe, kết nối khung hoặc thân xe với cầu xe Hiện nay, có nhiều loại bộ phận đàn hồi được sử dụng trên xe, bao gồm nhíp, lò xo và thanh xoắn, giúp cải thiện khả năng vận hành và ổn định cho xe.
Bộ nhíp có thể được xem như một dầm đàn hồi chịu tải ở giữa, tựa lên hai đầu Khi tải trọng thẳng đứng tác động lên bộ nhíp, toàn bộ hệ thống sẽ biến dạng Một số lá nhíp sẽ căng ra trong khi một số khác bị ép lại, cho phép các lá trượt tương đối với nhau, tạo ra biến dạng đàn hồi cho toàn bộ bộ nhíp.
Khi tháo rời bộ nhíp lá, ta nhận thấy rằng bán kính cong của các lá có quy luật chung: các lá dài có bán kính cong lớn hơn các lá ngắn Khi liên kết các lá nhíp bằng bu lông xiết trung tâm hoặc bó lại bằng quang nhíp, một số lá nhíp bị ép lại trong khi một số lá khác bị căng ra, tạo thành bộ nhíp có bán kính cong gần đồng nhất Quá trình này giúp các lá nhíp chịu tải ban đầu, từ đó giảm ứng suất lớn nhất tác động lên từng lá và thu nhỏ kích thước bộ nhíp trên ô tô Như vậy, tính chất chịu tải và độ bền của lá nhíp được tối ưu hóa theo yêu cầu chịu tải của ô tô.
Hình 2 5 Kết cấu bộ nhíp
Khi nhíp bị uốn, độ võng khiến các lá nhíp cọ vào nhau, tạo ra ma sát giữa chúng, điều này nhanh chóng làm tắt dao động của nhíp Ma sát giữa các lá nhíp là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nhíp, nhưng nó cũng làm giảm độ chạy êm của xe do làm cho nhíp kém tính uốn Vì vậy, nhíp thường được sử dụng cho các xe thương mại.
Khi nhíp nẩy lên, độ võng giữ cho các lá nhíp khít với nhau, ngăn không cho đất, cát lọt vào giữa các lá nhíp và gây mài mòn
Các lò xo được chế tạo từ thanh thép lò xo đặc biệt, cho phép chúng xoắn lại khi chịu tải trọng, từ đó tích lũy năng lượng của ngoại lực và giảm chấn động hiệu quả Đặc điểm nổi bật là tỷ lệ hấp thu năng lượng tính cho một đơn vị khối lượng cao hơn so với lò xo lá (nhíp), đồng thời có khả năng chế tạo các lò xo mềm.
Hình 2.6 Kết cấu các loại lò xo
Do không có ma sát giữa các lá như ở nhíp, nên không thể tự khống chế dao động, điều này dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng thêm bộ giảm chấn.
Vì không chịu được lực theo phương nằm ngang nên cần phải có các cơ cấu liên kết để đỡ trục bánh xe (đòn treo, thanh giằng ngang )
Lò xo trụ làm từ thanh thép có đường kính đồng đều sẽ co lại đồng đều theo tải trọng, nhưng lò xo mềm không chịu được tải nặng, trong khi lò xo cứng gây cảm giác không êm khi tải nhẹ Ngược lại, lò xo làm từ thanh thép có đường kính thay đổi sẽ có độ cứng thấp hơn ở hai đầu, cho phép chúng co lại và hấp thu chuyển động khi tải nhẹ, trong khi phần giữa đủ cứng để chịu tải nặng.
Các lò xo có bước không đều, lò xo hình nón Cũng có tác dụng như vậy
Bộ phận dẫn hướng trên xe có chức năng giữ cho các bánh xe di chuyển thẳng đứng và truyền lực, mô men hiệu quả Cấu trúc của bộ phận dẫn hướng thay đổi tùy theo từng hệ thống treo Các dạng đòn treo phổ biến bao gồm đòn treo hình chữ A, đòn treo kiểu thanh và hình thang với chạc kép, trong đó đòn treo dưới được bố trí phía dưới và đòn treo trên nằm ở phía trên.
Tay đòn dưới và tay đòn trên được thiết kế theo hình dạng chữ A, tạo thành tay đòn dạng A với hai điểm tựa bản lề trên khung xe Kết cấu này cho phép tay đòn và bánh xe chỉ chuyển động theo phương thẳng đứng, không thể dịch chuyển tới hoặc lui.
Trong hệ thống treo phụ thuộc, nếu phần tử đàn hồi là nhíp lá, thì nhíp sẽ đảm nhận vai trò của bộ phận hướng, như thể hiện trong hình 2.7.
Khi các bánh xe được kết nối bằng dầm cầu liền, sự dịch chuyển thẳng đứng của một bánh xe sẽ làm thay đổi mặt phẳng quay của các bánh xe, dẫn đến việc nghiêng một góc λ Điều này cũng gây ra sự thay đổi đáng kể trong vết bánh xe, với một lượng ΔB lớn.
Hình 2.8 : Sơ đồ bộ phận hướng của hệ thống treo phụ thuộc nhíp
Sự thay đổi góc nghiêng của mặt phẳng quay bánh xe tạo ra các mô men con quay, dẫn đến việc cầu bị xoay và các bánh xe dẫn hướng dao động quanh trụ quay đứng Ở tốc độ cao, dao động mạnh của bánh xe dẫn hướng có thể làm giảm khả năng điều khiển của xe Thêm vào đó, sự thay đổi vết bánh xe ΔB gây ra trượt ngang, dẫn đến mòn lốp và giảm tính ổn định của xe.
Khi xe di chuyển và chịu va đập từ mặt đường, các lò xo sẽ nén và giãn để hấp thụ va đập Tuy nhiên, dao động chỉ tắt hoàn toàn sau một thời gian dài, dẫn đến cảm giác êm dịu kém Để khắc phục tình trạng này, giảm chấn ra đời, không chỉ hấp thụ dao động quá mức của lò xo mà còn cải thiện độ bám đường của lốp xe, đảm bảo tính ổn định khi lái Trên xe, một đầu của giảm chấn được gắn chặt với khung xe, trong khi đầu còn lại kết nối với cầu xe.
Hình 2.9 : Giảm chấn và dạng dao động của giảm chấn Phân loại giảm chấn: Giảm chấn đƣợc phân ra 3 loại nhƣ sau:
Phân loại theo hoạt động
+ Kiểu tác dụng một chiều
+ Kiểu tác dụng hai chiều
Phân loại theo cấu tạo
Phân loại theo môi chất công tác
Giảm chấn kiểu đơn và kiểu kép là hai loại giảm chấn phổ biến hiện nay, hoạt động theo cơ chế hai chiều Bài viết này sẽ trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động và đặc điểm của cả hai loại giảm chấn này, bắt đầu với kiểu ống đơn.
* Cấu tạo: Mô phỏng bởi hình 2.9
Bên trong buồng khí và buồng dầu đươc ngăn cách bởi piston tự do Sở dĩ gọi nhƣ vậy bởi nó có thể tự chuyển động lên, xuống
Hình 2.10: Các giảm chấn kiểu ống đơn
Trong quá trình nén, piston di chuyển xuống, tạo ra áp suất cao hơn trong buồng dưới so với buồng trên Điều này khiến dầu trong buồng dưới được đẩy lên buồng trên qua van piston Lực cản phát sinh từ sự cản dòng chảy của van, trong khi khí cao áp tạo ra áp suất lớn trong dầu ở buồng dưới, giúp đẩy dầu lên buồng trên nhanh chóng và làm êm dịu quá trình nén Điều này đảm bảo lực cản ổn định trong hệ thống.
Một vài hệ thống treo điển hình
2.6.1 Hệ thống treo bán chủ động:
Hệ thống treo bán chủ động được thiết kế để đáp ứng yêu cầu về tiện nghi và an toàn, cho phép điều chỉnh độ cứng của giảm chấn theo điều kiện làm việc Delphi, nhà sản xuất phụ tùng ô tô hàng đầu thế giới, đã giới thiệu công nghệ này trên các dòng xe như Chevy Corvette, Cadillac ATS và Ferrari 458 Italia.
Hình 2.20 : Hệ thống treo bán chủ động
Hệ thống treo bán chủ động Delphi hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, trong đó dầu thủy lực của giảm chấn chứa các hạt kim loại nhỏ Khi hệ thống kiểm soát tạo ra từ trường, nó sẽ tác động lên các hạt kim loại này, làm thay đổi độ nhớt của dầu thủy lực Nhờ đó, "độ cứng" của giảm chấn được điều chỉnh phù hợp với điều kiện vận hành của xe.
2.6.2 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng balon khí nén
Hệ thống treo này có bộ phận đàn hồi là các buồng khí nén ở dạng tiêu chuẩn
Số lượng buồng khí trên xe phụ thuộc vào tải trọng mà xe phải chịu Bộ phận đàn hồi giúp xe chịu được tải trọng thẳng đứng nhưng không có khả năng truyền lực dọc hoặc lực bên Do đó, cần có bộ dẫn hướng riêng biệt, bao gồm các đòn dọc và đòn ngang để đảm bảo sự ổn định và an toàn cho xe.
Hình 2.21 Hệ thống treo trước phụ thuộc sử dụng Balon khí nén
1- Giảm chấn 5- Đòn dẫn hướng dưới
2- Buồng khí nén 6- Đòn dẫn hướng trên
4- Thanh ổn định ngang 8- Đòn dẫn động lái
Hệ thống treo phụ thuộc trong hình 2.19 sử dụng buồng khí nén (2) làm phần tử đàn hồi, nhưng không có khả năng dẫn hướng, do đó cần có phần tử dẫn hướng riêng biệt Phần tử dẫn hướng bao gồm các đòn dọc dưới (5), dọc trên (6), đòn ngang (7) và thanh ổn định ngang (4) Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống này là khả năng tự thay đổi độ cứng, giúp cải thiện hiệu suất và sự ổn định khi vận hành.
+ Không có ma sát giữa các phần tử đàn hồi
Nhƣợc điểm:+ Hệ thống điều khiển phức tạp
+ Trọng lƣợng của phần tử đàn hồi nhỏ
+ Khó khăn cho công tác bảo dƣỡng
Hệ thống treo phụ thuộc loại khí nén được sử dụng phổ biến trên các xe có tải trọng lớn, xe buýt chất lượng cao và một số loại xe con.
2.6.3 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng buồng đàn hồi khí nén kết hợp lá nhíp Để khắc phục những nhược điểm của hệ thống treo khí nén, người ta sử dụng hệ thống treo phụ thuộc sử dụng cả balon khí nén và nhíp lá Ưu điểm: Dùng nhíp làm phần tử đàn hồi kết hợp bộ phận dẫn hướng nên kết cấu đơn giản, dễ bảo dƣỡng, sửa chữa
Nhƣợc điểm: Trọng lƣợng lớn, độ bền thấp
Phạm vi sử dụng: Dùng nhiều trên xe tải, xe khách
Hình 2.22 Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng balon khí nén và nhíp lá
Hệ thống treo trước: Hệ thống treo trước là hệ thống treo phụ thuộc phần tử đàn hồi khí nén Kết cấu gồm có:
Bộ phận đàn hồi trong hệ thống treo được cấu tạo từ các buồng khí nén dạng gấp, cho phép điều chỉnh độ đàn hồi và độ cao tĩnh một cách linh hoạt Các phần tử đàn hồi khí nén đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống treo, mang lại trải nghiệm lái xe êm ái và ổn định.
+ Thanh ổn định ngang làm tăng khả năng chống lật của xe
Hình 2 23 Sơ đồ bố trí hệ thống treo trước
1 Buồng khí nén 5 Thanh truyền lực bên
2 Đòn dẫn hướng trên 6 Thanh ổn định ngang
3 Cầu xe 7 Van điều khiển khí nén 4.Thành phần phụ
Hệ thống treo sau của xe được thiết kế với hệ thống treo phụ thuộc phần tử đàn hồi khí nén để đáp ứng tải trọng lớn Cấu trúc bao gồm 4 buồng khí tiêu chuẩn được bố trí cân bằng ở cả hai bên, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất tối ưu cho xe.
+ Thanh ổn định ngang làm tăng khả năng chống lật của xe
+ Cơ cấu dẫn hướng: 2 đòn dưới dạng hình bình hành và đòn trên là dạng chữ
V có khả năng truyền lực dọc và lực ngang
Hình 2 24 Sơ đồ hệ thống treo sau
1- Buồng khí nén 5-Đòn dẫn hướng dưới 2-Giảm chấn 6- Cầu xe
3-Đòn dẫn hướng trên 7- Giá đỡ 4-Thanh ổn định ngang
Hệ thống treo khí nén là một loại hệ thống treo sử dụng buồng khí nén làm phần tử đàn hồi, giúp đảm bảo các yêu cầu của hệ thống treo thông thường Nó không chỉ tăng cường tính tiện nghi mà còn cho phép điều chỉnh độ êm ái của xe tùy thuộc vào tải trọng Tuy nhiên, do buồng khí nén không đảm nhiệm vai trò dẫn hướng như hệ thống treo cơ khí, nên cần phải có các đòn dẫn hướng riêng biệt để truyền lực ngang và dọc của xe.
2.6.4 Hệ thống treo chủ động:
Hệ thống treo khí nén - điện tử EAS, ứng dụng công nghệ vật liệu và kỹ thuật cơ - điện tử tiên tiến, đang được sử dụng cho các dòng xe cao cấp như Audi, BMW, Lexus, và Mercedes Hệ thống này cho phép người lái tùy chỉnh độ đàn hồi phù hợp với chế độ vận hành thông qua công tắc chọn chế độ Comfort hoặc Sport Chế độ "Comfort" mang lại sự êm ái tối đa cho hành khách, trong khi chế độ "Sport" nâng cao độ ổn định và an toàn khi xe di chuyển ở tốc độ cao.
* Sơ đồ bố trí của hệ thống treo khí nén-điện tử:
Hình 2.25 : Hệ thống treo chủ động:
1: Giảm xóc khí nén tự động điều chỉnh độ giảm chấn; 2: cảm biến gia tốc của xe; 3: ECU (hộp điều khiển điện tử của hệ thống treo); 4: Cảm biến độ cao của xe; 5: Cụm van phân phối và cảm biến áp suất khí nén; 6: Máy nén khí; 7: bình chứa khí nén; 8: dường dẫn khí
* Nguyên lý hoạt động hệ thống treo khí nén - điện tử:
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý khí nén có tính đàn hồi, mang lại hiệu quả giảm chấn vượt trội Khí nén có khả năng hấp thụ rung động nhỏ, giúp cải thiện tính êm dịu trong chuyển động so với lò xo kim loại Ngoài ra, hệ thống này cho phép điều chỉnh dễ dàng độ cao sàn xe và độ cứng của lò xo giảm chấn.
Máy nén khí cung cấp khí cho từng xi lanh riêng biệt, làm tăng độ cao của xe tương ứng với lượng khí nạp vào Khi không khí được xả ra ngoài qua các van, độ cao của xe sẽ giảm Mỗi xi lanh khí nén có van điều khiển hoạt động theo chế độ bật - tắt, giúp nạp hoặc xả khí theo lệnh từ ECU Dưới sự điều khiển của ECU, độ cứng và độ đàn hồi của giảm chấn trên bánh xe tự động điều chỉnh theo tình trạng mặt đường, từ đó kiểm soát chiều cao ổn định của xe.
Tổ hợp các chế độ giảm chấn, độ cứng lò xo và chiều cao xe sẽ mang lại sự êm ái tối ưu khi xe vận hành Chẳng hạn, khi bạn chọn chế độ "Comfort", ECU sẽ điều chỉnh lực giảm chấn và độ cứng lò xo ở mức "mềm", đồng thời điều chỉnh chiều cao xe để tối đa hóa trải nghiệm lái.
Trong chế độ "Sport", để cải thiện tính ổn định của xe khi vận hành ở tốc độ cao và khi quay vòng, lực giảm chấn cần được điều chỉnh ở mức "trung bình" và độ cứng lò xo cũng cần được tối ưu hóa.
"cứng", chiều cao xe "thấp
* Các bộ phận chính của hệ thống
Hình 2.26 : Các loại giảm xóc khí nén
Những yêu cầu của mô hình
Hệ thống trên mô hình xe ô tô cần phải tái hiện chính xác nhiệm vụ, yêu cầu, nguyên lý hoạt động và cấu tạo các chi tiết Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình giảng dạy và học tập, các cơ cấu của hệ thống cần được giả định với các điều kiện như quảng đường nhấp nhô, tải trọng thay đổi và tín hiệu tốc độ, bao gồm các tình huống khởi hành, tăng tốc và phanh gấp.
Tất cả các cơ cấu trong hệ thống lắp đặt trên mô hình hoạt động tương tự như trong thực tế, giúp sinh viên dễ dàng thực hiện kiểm tra, chẩn đoán, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống một cách hiệu quả nhất.
Mô hình đảm bảo di chuyển nhẹ nhàng và thuận lợi người sử dụng
Mô hình xe có khả năng điều chỉnh chiều cao thân xe và các chế độ hoạt động, góp phần nâng cao tính sư phạm trong giảng dạy và học tập.
3.2.2 Tính công nghệ thực hiện mô hình :
Mô hình xe ô tô được thiết kế với các cơ cấu và hệ thống treo chủ động, cùng với các thiết bị phụ, tất cả được tích hợp trên một panel di động dễ dàng cho người học quan sát Việc thực tập trên mô hình này giúp người học hình thành kỹ năng nghề tốt hơn so với việc thực hành trên các mô hình riêng lẻ Đồng thời, mô hình cũng hỗ trợ giảng viên trong việc hướng dẫn, quản lý và đánh giá kết quả học tập của sinh viên một cách hiệu quả.
Cấu tạo mô hình gồm có:
1 Phần khung giá đỡ và bánh xe di chuyển
2 Hệ thống tạo nhấp nhô thể hiện lúc xe qua các mô cao, đường không bằng phẳng
3 Bảng điều khiển mô hình
4 Hệ thống treo độc lập bố trí trước xe
5 Hệ thống treo phụ thuộc bố trí sau xe
7 Bình nén khí, và bầu lọc khí
8 Các bầu hơi treo khí
9 Các van điều khiển khí nén
10 Các đường ống dẫn khí
11 Các công tắc điều khiển
13 Các đồng hồ báo áp suất khí nén
14 Các đèn báo tín hiệu
15 Hộp điều khiển hệ thống
17 Các đầu rắc nối thiết bị
18).Bảng hiện thị các thông số áp suất và sơ đồ hệ thống
3.2.3 Phương án thi công, lắp đặt mô hình
Mô hình yêu cầu thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn kỹ thuật Sau khi xem xét các phương án, quyết định lựa chọn thi công khung và giá đỡ với kích thước 2,5 x 1,6 x 1,5 (m), sử dụng kết cấu thép hộp Khung giá đỡ hoàn thiện được lắp trên 06 bánh xe để thuận tiện cho việc di chuyển mô hình.
Hình 3.14 Giá đỡ mô hình
- Thi công giá treo hệ thống: Dùng thép hộp 40 x 40, lắp đặt theo bản vẽ
Hình 3.15 Giá treo hệ thống Một số hình ảnh thể hiện các cụm chi tiết và hệ thống trên mô hình
Lắp ráp các cơ cấu treo của hệ thống
Hình 3.16 Các cơ cấu treo hệ thống
Lắp ráp hệ thống cung cấp khí nén
Hình 3.17 Hệ thống cung cấp khí nén
Lắp ráp các bầu hơi
Hình 3.18 Kiểm tra lắp ráp bầu hơi
- Lắp ráp bộ chia hơi:
Hình 3.19 Kiểm tra lắp ráp bộ chia hơi
Láp ráp hộp điều khiển hệ thống
Láp ráp bảng điểu khiển mô hình
- Láp ráp mô hỉnh tổng thể
Hình 3.22 Mô hình tổng thể hệ thống treo chủ động
Các trạng thái tải trọng đặt lên hệ treo
Hình 3 23 Trạng thái giảm tải của hệ treo
Buồng khí nén đạt được sự cân bằng lực nén đàn hồi, khiến đòn bẩy của van cân bằng được đẩy lên và van hút đóng lại Khi đó, thân xe được nâng lên nhờ áp lực khí từ bình dự trữ chảy vào buồng khí nén.
Hình 3 24 Trạng thái tự nhiên của hệ treo
Van phân phối được nâng lên khi thân xe được nâng lên nhờ khí nén trong buồng khí nén Khi thân xe trở lại vị trí ban đầu, đòn bẩy sẽ trở về vị trí tự nhiên và van hút sẽ đóng lại.
Khi buồng khí nén kéo dài và thân xe được nâng lên, đòn bẩy của van phân phối hạ xuống từ vị trí ban đầu Nếu đòn bẩy hạ xuống quá vùng chết, van hút sẽ mở và cửa vào sẽ đóng Lúc này, van điều áp được mở hết cỡ, khiến thân xe hạ xuống trong khi đòn bẩy trở về vị trí ban đầu.
Các trạng thái tải trọng của xe ảnh hưởng đến chiều cao thân xe, nhưng chiều cao này luôn được duy trì ở mức ban đầu nhờ vào hệ thống điều khiển cơ khí hoặc điều khiển điện từ.
Hình 3 25 Trạng thái đầy tải của hệ treo
3.4 Hệ thống cung cấp khí nén:
Hình 3 26 Sơ đồ cung cấp khí nén
Thiết kế các bộ phận chính của mô hình
Cảm biến vị trí đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chiều cao giữa cầu xe và thân xe, giúp phản ánh chế độ làm việc của hệ thống treo Thiết bị này thường được thiết kế dưới dạng điện trở con chạy, với một đầu con chạy gắn liền với đòn trên cầu xe, liên tục quét trên điện trở đã được định sẵn.
Tín hiệu từ sự dịch chuyển giữa cầu xe và thân xe được gửi đến bộ chuyển đổi tín hiệu điều khiển của bộ xử lý trung tâm.
Hình 3 27 Sơ đồ mạch điện của bộ cảm biến vị trí
3.5.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu và các dạng tín hiệu điều khiển
Dạng tín hiệu điều khiển hệ thống treo khí nén có thể ở dạng: định mức (ON- OFF) hoặc dạng sóng
Các tín hiệu từ cảm biến là tín hiệu điện áp tương tự, được chuyển đổi thành dạng số hóa 0 và 1 qua bộ chuyển đổi tín hiệu trong khối máy tính Mức độ phức tạp của cấu trúc số lượng tín hiệu đầu vào có thể thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Hình 3.28 Các dạng tín hiệu điều chỉnh
Nó có cấu trúc tương tự như một máy tính, bao gồm bộ tiếp nhận và chuyển đổi tín hiệu đầu vào, bộ vi xử lý hoạt động theo chương trình đã được lập trình sẵn, cùng với các bộ nhớ và bộ truyền tín hiệu ra.
Hình 3.29 Sơ đồ khối Microcomputer
Các thông tin đƣợc chuyển đến theo địa chỉ trong đó các bộ nhớ cố định (ROM), bộ nhớ trực tiếp( RAM)
Khi bật khóa điện, bộ điều khiển trung tâm tiến hành kiểm tra toàn bộ hệ thống trước khi chuyển sang trạng thái chờ Trong quá trình này, các tín hiệu liên tục được đưa vào và xử lý, với dữ liệu mới thay thế dữ liệu cũ thông qua bộ tạo xung.
Chương trình định sẵn giúp bù trừ sai số do môi trường, quá trình chế tạo và sự không đồng nhất của linh kiện, từ đó đảm bảo quá trình điều khiển luôn gần gũi với trạng thái tối ưu.
Tín hiệu điều khiển số được truyền từ máy tính qua nhiều mạch khác nhau, mỗi mạch có một đầu tiếp “mát” và một đầu kết nối đến van điện từ Điện áp sử dụng thường phù hợp với ắc quy xe, giúp cấp nguồn cho van điện từ bằng các xung điện áp, đảm bảo hoạt động ổn định của van.
Hình 3.30 Tín hiệu điều khiển và mạch điều khiển 3.5.7 Cơ cấu chấp hành van điều khiển điện từ
Trong hệ thống điều khiển cung cấp khí nén cho hệ thống treo, van điện từ là cơ cấu chấp hành chính, thực hiện việc đóng mở các đường khí nén thông qua các van con trượt Van điều khiển điện từ bao gồm các thành phần quan trọng như lõi thép từ, cuộn dây, cụm van con trượt, vỏ và đầu nối dây.
Hình 3.31 Nguyên lý làm việc của van điều khiển điện từ
Lõi thép có khả năng di chuyển trong cuộn dây, với một đầu tỳ vào cụm van Cuộn dây được cuốn liên tục, trong đó một đầu dây nối với vỏ và đầu còn lại kết nối với các mạch điều khiển từ máy tính.
Van điều khiển điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý cuộn dây tạo ra từ trường khi có dòng điện đi qua, từ đó làm cho lõi thép từ di chuyển và tác động lên van con trượt.
Khi cuộn dây không có dòng điện (OFF), lõi thép từ sẽ điều khiển vị trí con trượt, đóng đường cấp khí nén Ngược lại, khi có dòng điện điều khiển (ON), lõi thép từ sẽ mở đường khí nén, cho phép khí nén đi vào buồng khí nén của hệ thống treo.
3.5.8 Sơ đồ giao tiếp giữa máy tính và mô hình
Hình 3.32 Sơ đồ giao tiếp giữa máy tính và mô hình
3.5.9 Kết quả tín hiệu cảm biến và cơ cấu chấp hành thu thập đƣợc trên LabVIEW
Hình 3.33 Tín hiệu thu thập trên LabVIEW
