MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................................. xii
TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN.................................................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TREO VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ...... 8
1.1 Tổng quan về hệ thống treo..................................................................................................................8
1.1.1 Công dụng của hệ thống treo................................................................................................................8
1.1.2 Yêu cầu đối với hệ thống treo.............................................................................................................. 8
1.1.3 Kết cấu của hệ thống treo.................................................................................................................... 8
1.1.4 Phân loại hệ thống treo....................................................................................................................... 10
1.1.5 Hệ thống treo tích cực......................................................................................................................... 13
1.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo..................................................................................... 13
1.2.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo cơ khí............................................................................. 13
1.2.2 Lựa chọn phương án điều khiển hệ thống treo................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO TRƯỚC.................................................................................. 15
2.1 Tính toán hệ thống nhíp trước............................................................................................................ 15
2.1.1 Xác định độ cứng và độ võng tĩnh của nhíp........................................................................................ 15
2.2.2 Tính toán nhíp..................................................................................................................................... 15
2.2 Tính toán giảm chấn trước.................................................................................................................. 23
2.2.1 Lực cản giảm chấn.............................................................................................................................. 23
2.2.2 Hệ số cản khi nén và trả của giảm chấn............................................................................................. 23
2.2.3 Các thông số của giảm chấn............................................................................................................... 25
2.2.4 Kích thước lỗ van nén và trả............................................................................................................... 26
2.2.5 Lò xo các van nén và trả giảm chấn.................................................................................................... 29
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO SAU.........................................................................................32
3.1 Tính toán nhíp sau................................................................................................................................ 32
3.1.1 Xác định thông số cơ bản của nhíp..................................................................................................... 32
3.1.2 Tính toán nhíp chính............................................................................................................................ 32
3.1.3 Tính toán nhíp phụ.............................................................................................................................. 36
3.1.4 Kiểm tra bền nhíp................................................................................................................................ 39
3.2 Tính toán giảm chấn............................................................................................................................ 43
3.2.1 Lực cản giảm chấn.............................................................................................................................. 43
3.2.2 Hệ số cản khi nén và trả của giảm chấn............................................................................................. 43
3.2.3 Thông số của giảm chấn..................................................................................................................... 45
3.2.4 Kích thước lỗ van nén và trả............................................................................................................... 46
3.2.5 Lò xo các van nén và trả giảm chấn................................................................................................... 48
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC.......................................................................... 51
4.1 Đặt vấn đề............................................................................................................................................. 51
4.2 Mô phỏng hệ thống treo cơ khí.......................................................................................................... 51
4.2.1 Xây dựng mô hình hệ thống treo ½ dọc............................................................................................. 51
4.2.2 Xây dựng mô hình hệ thống treo ½ ngang........................................................................................ 54
4.3 Mô phỏng hệ thống thuỷ lực.............................................................................................................. 56
4.3.1 Bơm thuỷ lực...................................................................................................................................... 57
4.3.2 Van phân phối.................................................................................................................................... 57
4.3.3 Xy lanh thủy lực................................................................................................................................. 58
4.4 Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống treo tích cực....................................................................... 58
4.4.1 Bộ điều khiển PID.............................................................................................................................. 58
4.4.2 Bộ điều khiển Fuzzy.......................................................................................................................... 58
4.5 Kịch bản mô phỏng............................................................................................................................ 59
4.6 Kết quả mô phỏng hệ thống treo tích cực....................................................................................... 61
4.6.1 Kết quả mô phỏng hệ thống treo tích cực mô hình ½ dọc................................................................ 61
4.6.2 Kết quả mô phỏng hệ thống treo tích cực mô hình ½ ngang............................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….….................................….............…73
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em đã nhận được sự quan tâm, hướng dẫn và hỗ trợ tận tình từ quý thầy cô, các anh chị cũng như bạn bè. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các cá nhân và tập thể đã đồng hành, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Trước hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy: TS.…….....……., người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và định hướng chuyên môn cho chúng em xuyên suốt quá trình thực hiện đồ án. Những ý kiến đóng góp và sự đồng hành của thầy là nguồn động viên to lớn, giúp chúng em vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy: TS.…….....……. vì sự hỗ trợ quý báu, những góp ý xác đáng và sự giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình triển khai đề tài.
Bên cạnh đó, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Nhóm chuyên môn Ô tô và Xe chuyên dụng, cùng các anh chị và bạn bè tại nhà Khung, những người đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm thực tế và hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện và hoàn thiện đồ án.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do thời gian thực hiện có hạn và kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế, chắc chắn đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét từ quý thầy cô và các chuyên gia để hoàn thiện hơn nữa đề tài, đồng thời tích lũy thêm kinh nghiệm phục vụ cho công việc thực tiễn sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hệ thống treo tích cực cho xe tải nhằm nâng cao độ êm dịu và ổn định trong quá trình vận hành. Hệ thống treo tích cực có khả năng chủ động điều chỉnh lực thông qua bộ điều khiển thủy lực, từ đó cải thiện hiệu quả triệt tiêu dao động thân xe và tăng mức độ thoải mái cho người lái cũng như hiệu quả bảo vệ hàng hóa.
Phương pháp đồng mô phỏng (Co-Simulation) được sử dụng để kết hợp giữa mô hình hệ thống treo cơ khí và bộ điều khiển được xây dựng trong MATLAB/Simulink, hệ thống thủy lực được xây dựng trong Simcenter Amesim. Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID cho van phân phối và bộ điều khiển mờ (Fuzzy) cho bơm thủy lực, nhằm tận dụng ưu điểm của từng phương pháp điều khiển theo đặc tính riêng của từng phần tử.
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống treo tích cực giúp giảm đáng kể gia tốc thân xe, cải thiện độ bám đường và hạn chế dao động so với hệ thống treo bị động truyền thống. Đồng thời, phương pháp Co-Simulation cho phép mô hình hóa chính xác cả phần cơ khí, thủy lực và điều khiển, tạo nền tảng vững chắc cho việc phát triển hệ thống treo tích cực ứng dụng thực tế trong các dòng xe tải hiện đại.
Nội dung đồ án gồm các chương sau:
Chương 1: Khái quát chung về hệ thống treo và lựa chọn phương án thiết kế.
Chương 2: Thiết kế hệ thống treo trước.
Chương 3: Thiết kế hệ thống treo treo sau.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống treo tích cực
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
1./ …………………..
2./ …………………
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TREO VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1 Tổng quan về hệ thống treo
Hệ thống treo ô tô là bộ phận quan trọng trong cấu trúc của xe, đóng vai trò chính trong việc giữ cho xe di chuyển êm ái và ổn định.
1.1.1 Công dụng của hệ thống treo
Các công dụng của hệ thống treo bao gồm
- Nâng đỡ thân xe, phân bố dều lực lên các bánh xe giúp đảm bảo độ bám của xe khi đi trên đường.
- Liên kết giữa khung xe và bánh xe, giúp truyền lực giữa thân xe và bánh xe, làm giảm độ nghiêng thân xe khi vào cua.
- Dập tắt dao động khi xe di chuyển.
- Bảo vệ khung gầm và các hệ thống khác.
1.1.3 Kết cấu của hệ thống treo
Hệ thống treo thông thường gồm 3 bộ phận chính:
- Bộ phận đàn hồi: nối đàn hồi cầu xe với khung (vỏ) tạo độ êm dịu chuyển động.
- Bộ phận giảm chấn: dập tắt nhanh dao động của thân xe.
- Bộ phận hướng: liên kết cầu xe với khung (vỏ), truyền lực và momen tương tác giữa chúng.
1.1.3.1. Bộ phận đàn hồi
Hiện nay, bộ phận đàn hồi có các kiểu chính sau:
- Nhíp: đóng vai trò của cả ba bộ phận trong hệ thống treo, có khả năng chịu tải cao nhưng độ êm dịu thấp, thường được sử dụng trên xe tải.
- Lò xo: công nghệ chế tạo đơn giản, độ êm dịu tốt nhưng khó bố trí, thường sử dụng trên các dòng xe con.
1,1,3,2, Bộ phận giảm chấn
Bộ giảm chấn đóng vai trò kiểm soát dao động phát sinh sau khi xe chịu tác động từ mặt đường, giúp bánh xe duy trì tiếp xúc liên tục với mặt đường, đồng thời cải thiện độ êm ái và ổn định hướng khi xe di chuyển.
- Giảm chấn thuỷ lực: khi bánh xe gặp chướng ngại vật, piston dịch chuyển trong ống trụ, ép dầu qua các van tiết lưu. Ma sát giữa dầu và van tiết lưu chuyển hoá động năng thành nhiệt năng.
- Giảm chấn khí: tương tự giảm chấn dầu, nhưng khí Nitơ giúp giảm hiện tượng tạo bọt khí, đảm bảo hiệu suất ổn định hơn.
1.1.4 Phân loại hệ thống treo
1.1.4.1. Phân loại theo bộ phận hướng
Phân loại theo bộ phận hướng hệ thống treo gồm 2 loại:
* Hệ thống treo phụ thuộc: là hệ thống treo mà hai bánh xe cùng trục được liên kết với nhau bằng trục cứng hoặc dầm, khi một bánh xe chuyển động lên hoặc xuống thì bánh xe còn lại cũng bị ảnh hưởng và di chuyển theo. Hệ thống treo này được ứng dụng phổ biến trên các mẫu SUV khung xe rời và xe bán tải.
* Hệ thống treo độc lập: hệ thống treo độc lập cho phép hai bánh xe trên cùng trục dao động độc lập, không ảnh hưởng lẫn nhau. Nhờ vậy, dao động từ mặt đường lên khung xe được kiểm soát tốt hơn. Một số cấu trúc hệ thống treo độc lập phổ biến bao gồm: dạng MacPherson, hệ thống tay đòn kép (double wishbone), và hệ thống treo đa liên kết (multi-link), mỗi loại có đặc điểm hình học và khả năng điều khiển dao động khác nhau, phù hợp với từng mục đích thiết kế xe.
Hệ thống treo tay đòn kép: gồm 3 bộ phận là lò xo, giảm chấn và bộ phận điều hướng. So với hệ thống treo MacPherson, các dạng treo sử dụng hai thanh dẫn hướng tách biệt để điều khiển chuyển động của bánh xe, từ đó cải thiện khả năng kiểm soát hình học và tăng độ ổn định khi vận hành.
1.1.4.2. Phân loại theo các bộ phận đàn hồi
Phân loại theo bộ phận đàn hồi gồm các loại: nhíp, lò xo, balong khí,…
.1.1.4.3. Phân loại theo khả năng điều khiển
Phân loại theo khả năng điều khiển có: hệ thống treo bị động, hệ thống treo bán tích cực, hệ thống treo tích cực
1.1.5 Hệ thống treo tích cực
Hệ thống treo tích cực là loại hệ thống treo được trang bị cơ cấu chấp hành (có thể là thủy lực, khí nén hoặc điện tử) kết hợp cùng bộ điều khiển, nhằm chủ động điều chỉnh độ cứng lò xo theo điều kiện vận hành thực tế. Nhờ đó, xe đạt được sự êm ái, tăng độ bám đường và nâng cao khả năng vận hành trong nhiều tình huống khác nhau.
1.1.5.1. Hệ thống treo khí nén điện tử EAS (Electronic Actuation System)
Hệ thống này có khả năng tự động điều chỉnh chiều cao thân xe nhờ các cảm biến thu thập dữ liệu và truyền về ECU. Dựa trên tín hiệu nhận được, ECU sẽ điều khiển việc nạp hoặc xả khí tại các xi lanh, giúp duy trì độ ổn định của xe khi di chuyển trên mặt đường gồ ghề hoặc khi tải trọng phân bố không đều lên từng bánh xe.
1.1.5.3. Hệ thống treo thuỷ lực
Hệ thống này sử dụng các cảm biến để thu thập thông tin về các điều kiện vận hành, bao gồm tốc độ, tình trạng đường, độ dịch chuyển của thân xe và cầu xe. Dựa trên các thông tin từ cảm biến, các xy lanh thuỷ lực được điều chỉnh để thay đổi độ cứng của hệ thống treo.
1.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo
1.2.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo cơ khí
Đối với xe tải 3,5 tấn, nghiên cứu này lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp làm bộ phận đàn hồi, giảm chấn 2 lớp vỏ cho cả hệ thống treo trước và treo sau. Lựa chọn này được tham khảo từ mẫu xe HINO 300 để thuận tiện cho việc mô phỏng và thí nghiệm.
Phân tích lựa chọn:
* Bộ phận đàn hồi là nhíp:
+ Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, ít chi tiết.
- Dễ bảo dưỡng sửa chữa.
- Đảm nhận cả chức năng đàn hồi và dẫn hướng.
- Khả năng chịu tải lớn, phù hợp với các loại xe tải nặng.
+ Nhược điểm:
- Cần không gian lớn để bố trí.
- Hoạt động kém êm ái và gây tiếng ồn do sự va đập của các lá nhíp.
* Bộ phận giảm chấn 2 lớp vỏ:
+ Ưu điểm:
- Dập tắt dao động tốt.
- Giá thành rẻ và tuổi thọ cao.
+ Nhược điểm: Khả năng tản nhiệt kém.
1.2.2 Lựa chọn phương án điều khiển hệ thống treo
* Hệ thống treo tích cực:
+ Ưu điểm:
- Sử dụng các bộ chấp hành riêng biệt cho từng bánh xe để cải thiện khả năng vận hành.
- Cho phép kiểm soát chủ động độ cứng của phần tử đàn hồi cũng như lực cản của bộ giảm chấn.
+ Nhược điểm:
- Chi phí cao.
- Hệ thống phức tạp, khó bảo dưỡng.
* Hệ thống treo bán tích cực:
+ Ưu điểm:
- Chi phí thấp.
- Tiêu thụ năng lượng thấp.
+ Nhược điểm: Thay đổi hệ số cản của giảm chấn theo từng mức điều khiển. Nghiên cứu này lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo tích cực nhờ khả năng kiểm soát vượt trội, chủ động tạo lực, kiểm soát dao động thân xe hiệu quả.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO TRƯỚC
2.1 Tính toán hệ thống nhíp trước
2.1.1 Xác định độ cứng và độ võng tĩnh của nhíp
Để đảm bảo sự êm ái cho phương tiện trong quá trình di chuyển, hệ thống đàn hồi cần có độ cứng và độ võng tĩnh thích hợp. Đối với xe tải, tần số dao động lý tưởng nằm trong khoảng từ 90 đến 120 chu kỳ mỗi phút, giúp mang lại cảm giác dễ chịu cho người ngồi trong xe. Mối liên hệ giữa độ võng tĩnh của hệ thống đàn hồi và tần số dao động của xe được xác định thông qua công thức lý thuyết như sau:
n=30/π √(g/ft ) (dao động/phút)
Với:
- ft : là độ võng tĩnh (m).
- g : là gia tốc trọng trường (m/s2).
Ta chọn tần số dao động n = 100 (dao động/phút) từ đó có thể tính độ võng tĩnh một cách gần đúng theo công thức sau: ft = 9(cm)
Độ võng của phần tử đàn hồi thay đổi liên tục khi xe dao động, biến dạng tức thời của phần từ đàn hồi gọi là độ võng động:
fd = fd + ft
2.1.2 Tính toán nhíp
2.1.2.1. Lựa chọn các thông số của nhíp
Vị trí nhíp lắp với dầm cầu chịu một lực có tải trọng Z được xác định theo công thức:
Z=Zbx-gbx-1/2 gc
Với:
- Zbx : là phản lực từ mặt đường tác dụng lên bánh xe, Zbx = Gbx. Với: Gbx: là trọng lượng tác dụng lên bánh xe, có:
Zbx=Gbx= 20900/2 = 10450(N)
- gbx : là trọng lượng của bánh xe, chọn gbx= 35 (kg)
- gc : là trọng lượng của cầu, chọn gc = 120(kg)
Vây Z = 9519 (N)
Lựa chọn các kích thước cơ bản của nhíp L0, L1, L2 như hình 2.1.
Chiều dài toàn bộ bó nhíp L0 được chọn theo chiều dài cơ sở của ô tô L theo công thức kinh nghiệm:
L0 = (0, 26 - 0,35) L = (0, 26 - 0,35).4700(mm) = 1222 - 1645(mm)
=> Chọn số lá nhíp n = 6
Chọn chiều rộng các lá nhíp b = 65 (mm), chiều dày h = 10 (mm).
Ta có chiều dài các lá nhíp còn lại li được tính bằng cách giải hệ phương trình sau:
d ≥ ∛((8DP2)/π[τ])
Trong đó:
- li : là hiều dài lá nhíp thứ i
- ji : là momen quán tính mặt cắt ngang của lá nhíp thứ i.
Dùng phương pháp thế để giải, ta tính ra được:
l2 = 0,849l1; l3 = 0,82l2; l4 = 0,788l3; l5 = 0,725l4; l6 = 0,6l5
Ta có bảng thông số chiều dài của các lá nhíp li như bảng 2.1.
2.1.2.3. Tính độ bền của nhíp
Sơ đồ tính toán của hệ thống nhíp (Hình 11.12 Tr242[1]):
Khi tính toán nhíp, ta coi tâm cầu là điểm phân chia nhíp thành hai đoạn, và mỗi đoạn được phân tích riêng biệt dựa trên các giả thiết sau:
Nhíp được cố định chắc chắn tại vị trí gắn với dầm cầu, còn đầu kia tiếp nhận lực từ khung xe.
Các lá nhíp có cùng bán kính cong.
Sự tiếp xúc giữa các lá nhíp chỉ xảy ra tại các đầu mút, và lực truyền qua những điểm này.
Kết quả tính toán như bảng 2.3.
Sau khi tính lực tác dụng, ta có biểu đồ momen uốn của các lá nhíp.
Momen uốn tại vị trí A: MA = Xi (li - li+1)
Momen uốn tại vị trí B: MB = Xili - Xi+1li+1
Momen chống uốn: Wu = (bh2)/6=(65×102)/6=1083 (mm3)
Chọn vật liệu làm nhíp là thép hợp kim 65Mn có ứng suất cho phép là [σ] = 1000 MPa, ở chế độ tải trọng tĩnh ta lấy [σ] = 940 MPa. Nhíp đạt yêu cầu về độ bền.
2.1.2,5. Tính bền chốt nhíp
Đường kính chốt nhíp và tai nhíp có giá trị bằng nhau:
Dcn = 6(cm)
Kiểm tra chốt nhíp chịu khả năng chèn dập:
σcd=Zt/(bDcn)
Trong đó:
- Zt: là tải trọng tĩnh tác dụng lên nhíp,Zt = 10450(N)
- b: là bề rộng lá nhíp, b = 6,5(cm).
=> σcd=10450/6,5.6=267,95(N/(cm^2 ))=2, 6795 (MPa)
Đểchốt nhíp đủ bền ta chọn vật liệu làm chốt nhíp là thép hợp kim có [σcd] =7,5(Mpa)
2.2 Tính toán giảm chấn trước
2.2.1 Lực cản giảm chấn
Theo sách lý thuyết ô tô, quá trình dập tắt dao động của giảm chấn được mô tả bằng cách tác dụng một lực cản Qc lên bánh xe.Lực cản này phụ thuộc vào vận tốc dao động V của giảm chấn và có quy luật như sau:
Theo lý thuyết động lực học ô tô, quá trình dập tắt dao động được thực hiện thông qua lực cản do giảm chấn tạo ra, ký hiệu là Qc, tác dụng tại vị trí bánh xe.
Lực cản này phụ thuộc vào vận tốc tương đối của chuyển động dao động tại giảm chấn, được biểu diễn bởi vận tốc V. Mối quan hệ giữa lực cản và vận tốc tuân theo một quy luật cụ thể như sau:
Q = k.Vm
Trong đó:
- k: là hệ số đặc trưng cho sức cản dao động của hệ thống treo, m ≈ 1
- ψ = 0,2
- C : là độ cứng của hệ thống treo:
- M: là trọng lượng tĩnh lên 1 bánh xe
2.2.3 Các thông số của giảm chấn
Chọn kích thước giảm chấn:
- Chiều dài giảm chấn: Chọn L = 400(mm) .
- Đường kính piston: Chọn Dp = 50(mm) .
- Đường kính cần piston: Dc thường nằm trong khoảng 0,4 ÷ 0,5 lần Dp. Ở đây chọn Dc= 65(mm) .
- Đường kính vỏ giảm chấn: Để đảm bảo khả năng thoát nhiệt và phù hợp với thiết ế, Dg = 65(mm) .
2.2.4 Kích thước lỗ van nén và trả
Các lỗ van có nhiệm vụ cản trở dòng chất lỏng lưu thông qua nó từ đó tạo ra lực cản dao động. Kích thước của chúng được tính toán theo phương trình lưu lượng và được tính như sau:
Q = μSΣ √(2Δp/ρ)
Trong đó:
- Q :là lưu lượng chất lỏng lưu thông trong giảm chấn, Q = Sp .Vg.
- d =4 (mm)
- Vg:là vận tốc chuyển động của dòng chất lỏng,
- m:là hệ thông qua của van tiết lưu, m = 0,6 ¸ 0,7. Chọn m = 0,6.
- Så:là tổng diện tích lưu thông của các van tiết lưu.
2.2.5. Lò xo các van nén và trả giảm chấn
Khi van bắt đầu mở lực P1 tác dụng lên lò xo :
P1=π/4 (D32-D42 )p
=> P1 = 33,40(N)
=>P2= 53,43(N)
Ứng suất trong lò xo sinh ra là:
τ = (8DP2)/(πd3)
Trong đó:
- D: là đường kính vòng trung bình của lò xo, D = 25 (mm).
- d: là đường kính dây lò xo.
- P2: là lực tác dụng lên lò xo khi mở van hoàn toàn.
=> Chọn d = 4 (mm)
Khi van mở hoàn toàn chiều dài của lò xo là:
Hm = n.d +δ.n0 = 5.4 + 0,8.6 = 24,8 (mm)
Trong đó:
- δ :là khoảng cách giữa các vòng dây:
δ = 0,8 (mm)
Khi van đóng chiều dài của lò xo là:
Hd = Hm + h = 24,8 + 2 = 26,8 (mm)
Khi ở trạng thái tự do chiều dài của lò xo:
Htd = Hd + 𝜆 = 26,8 + 7,9 = 34, 7 (mm)
Bước của lò xo: t=(Htd-d(n-n0 ))/n0 =(34,7-4(5-6))/6=6,45 (mm)
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO SAU
3.1 Tính toán nhíp sau
3.1.1 Xác định thông số cơ bản của nhíp
Để đảm bảo sự êm ái cho phương tiện trong quá trình di chuyển, hệ thống đàn hồi cần có độ cứng và độ võng tĩnh thích hợpvà đó là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá độ êm là tần số dao động. Đối với xe tải, tần số dao động lý tưởng nằm trong khoảng từ 90 đến 120 chu kỳ mỗi phút, giúp mang lại cảm giác dễ chịu cho người ngồi trong xe. Mối liên hệ giữa độ võng tĩnh của hệ thống đàn hồi và tần số dao động của xe được xác định thông qua công thức lý thuyết như sau:
n = 30/π √(g/ft) (dao động/phút)
Với:
- ft : là độ võng tĩnh (m).
- g : là gia tốc trọng trường (m/s2).
Chọn tần số dao động n = 100 (dao động/phút), ta có thể tính độ võng tĩnh một cách gần đúng theo công thức sau:
ft≈ (300/n)2 = (300/100)2 = 9(cm)
Độ võng của phần tử đàn hồi thay đổi liên tục khi xe dao động, biến dạng tức thời của phần từ đàn hồi gọi là độ võng động:
fd = fd'+ft
3.1.2 Tính toán nhíp chính
3.1.2.1. Xác định thông số nhíp chính
Vị trí nhíp lắp với dầm cầu chịu một lực có tải trọng Z trong trường hợp xe không tải được tính theo công thức:
Z = Zbx-gbx-1/2 gc
Zbx : là phản lực từ đường lên bánh xe, Zbx = Gbx, Gbx là trọng lượng bánh xe.
Xe chạy không tải:
Zbx0= Gbx0=16825/2=8412,5(N)
Xe chạy đầy tải:
Zbxd= Gbxd=34100/2=17050(N)
Trọng lượng phần không được treo: 3500 (N)
3.1.2.2. Lựa chọn sơ bộ các thông số cơ bản của nhíp
Lựa chọn sơ bộ kích thước chiều dài của nhíp L0 , L1, L2 :
Chiều dài toàn bộ bó nhíp L0 được chọn theo chiều dài cơ sở của ô tô theo công thức kinh nghiệm:
L0 = (0,35 ÷ 0, 45).L
=> L0 =1645 ÷ 2115 (mm), chọn L0 = 1750 (mm)
Chọn số lá nhíp n = 6 .
- Chiều rộng lá nhíp b = 70 (mm).
- Chiều dày lá nhíp h = 11(mm).
Dùng phương pháp thế, ta có: l2 = 0,849.l1; l3 = 0,82.l2; l4 = 0, 788.l3; l5 = 0; 725.l4; l6 = 0,5.l5
=> l2 = 705(mm); l3 = 578(mm); l4 = 455(mm); l5 = 330(mm); l6 =198(mm)
Ta có bảng chiều dài của các lá nhíp Li như bảng 3.1.
3.1.3 Tính toán nhíp phụ
3.1.3.1. Xác định thông số nhíp phụ
Khi xe chuyển động ở chế độ đầy tải nhíp cần phải có độ cứng phù hợp để tần số dao động của xe nằm trong khoảng 90-120 lần/phút, ta có độ cứng sơ bộ cả nhíp chính và nhíp phụ:
Ct=Gt.(n/300)2
Với:
- Gt:là trọng lượng phần được treo khi ô tô chạy đầy tải, Gt = 15300 (N).
- n: là tần số dao động khi xe đầy tải, n0 = 100 (lần/phút).
=> Ct =1700(N/cm)=170000(N/m)
Độ cứng sơ bộ của nhíp phụ được tính theo công thức sau:
=> Cf= Ct-C0=1700-667,2=1022,8(N/cm)
3.1.3.3. Kiểm tra lại độ cứng của nhíp phụ
Thay tải trọng tĩnh Zt = 6662, 5( N ) , hệ số α lựa chọn, a = 0,87 ta có kết quả như bảng 3.4.
3.1.4 Kiểm tra bền nhíp
3.1.4.1. Kiểm tra bền nhíp chính
Với cách tính như mục [1.2.3], ta thu được hệ 5 phương trình với 5 ẩn số:
A2 .P + B2 .X 2 + C2 .X 3 = 0
A3.X 2 + B3.X 3 + C3.X 4 = 0
A4 .X3 + B4 .X 4 + C4 .X5 = 0
A5 .X 4 + B5 .X 5 + C5 .X 6 = 0
A6 .X5 + B6 .X 6 = 0
Giải hệ phương trình với các thông số sau:
P=Z/2=6662,5/2=3331,25(N)
Kết quả tính toán như bảng 3.5.
Với các lực đã tính ở trên ta xây dựng biểu đồ momen uốn của các lá nhíp:
Momen uốn tại A: MA = Xi .(li - li+1)
Momen uốn tại B: MB = Xi .li - Xi+1.li+1
Chọn vật liệu chế tạo của nhíp là thép hợp kim 65Mn có ứng suất cho phép là [σ] = 1000 MPa, ở chế độ tải trọng tĩnh ta lấy [σ] = 940 MPa. Kết quả cho thấy nhíp đạt yêu cầu về độ bền. Kiểm tra bền nhíp phụ
Với cách tính như mục [1.2.3], ta thu được hệ 5 phương trình với 5 ẩn số:
A2 .P + B2 .X 2 + C2 .X 3 = 0
A3.X 2 + B3.X 3 + C3.X 4 = 0
A4 .X3 + B4 .X 4 + C4 .X5 = 0
A5 .X 4 + B5 .X 5 + C5 .X 6 = 0
A6 .X5 + B6 .X 6 = 0
Giải hệ phương trình với các thông số sau:
P = (15300-6662,5)/2=4318,75(N)
Kết quả tính toán như bảng 3.7.
Với các lực đã tính ở trên ta xây dựng biểu đồ momen uốn của các lá nhíp:
Momen uốn tại A: MA = Xi .(li – li+1)
Momen uốn tại B: MB = Xi .li – Xi+1.li+1
Chọn vật liệu chế tạo nhíp là thép hợp kim 65Mn có ứng suất cho phép là [σ] = 1000 MPa, ở chế độ tải trọng tĩnh ta lấy [σ] = 940 MPa So sánh với bảng thông số vừa tính toán ta thấy nhíp đạt yêu cầu về độ bền.
3.1.4.3. Tính bền chốt nhíp
Đường kính chốt nhíp và tai nhíp có giá trị bằng nhau:
Dcn= 6 (cm)
Kiểm tra chốt nhíp chịu khả năng chèn dập:
σcd = Zt/(b.Dcn)
Trong đó:
- Zt : là tải trọng tĩnh tác dụng lên nhíp: Zt= 6662,5(N)
- b: là bề rộng lá nhíp b = 7 (cm)
=> σcd=10450/7.6=158,63 (N/cm2) =1, 5863 (Mpa)
Để chốt nhíp đủ bền ta chọn vật liệu làm chốt nhíp là thép hợp kim có [σcd] = 7,5 (MPa)
3.2 Tính toán giảm chấn
3.2.1 Lực cản giảm chấn.
Theo như sách tham khảo ta có Q là lực giảm chấn phụ thuộc vào vận tốc biến dạng như công thức dưới:
Q = kVn
Trong đó:
- K: là hệ số đặc trưng cho sức cản dao động của hệ thống treo
- n ≈ 1
- M : là trọng lượng tĩnh lên 1 bánh xe: M=Gt/g
=> k = 6384(Ns/m)
3.2.3 Thông số của giảm chấn
Chọn các kích thước giảm chấn:
Chiều dài của giảm chấn L: Lựa chọn L = 500(mm)
Đường kính của piston Dp: Lựa chọn Dp = 70(mm)
Đường kính của cần piston :
Dc = (0, 4 ¸ 0, 5).Dp
Suy ra chọn Dc = 28(mm) .
=> Tg =117,35∘ ≤120∘. Thỏa mãn điều kiện nhiêt.
3.2.4 Kích thước lỗ van nén và trả
Các lỗ van có chức năng hạn chế dòng chảy của chất lỏng, từ đó sinh ra lực cản để dập tắt dao động. Kích thước các lỗ này được xác định dựa trên phương trình lưu lượng và được tính toán cụ thể như sau:
Q = μSΣ √(2Δp/ρ)
Trong đó:
Q = Sp Vg
- Q : là lưu lượng chất lỏng lưu thông trong giảm chấn:
- Sp: là diên tích đáy piston giảm chấn.
- Vg : là vận tốc chuyển động của dòng chất lỏng
- μ : là hệ thông qua của van tiết lưu, μ = 0,6 – 0,7, chọn μ = 0,6
- SΣ : là tổng diện tích lưu thông của các van tiết lưu
- ρ : là khối lượng riêng của chất lỏng, chọn dầu giảm chấn có ρ = 800 kg/m3
3.2.5 Lò xo các van nén và trả giảm chấn
Khi van bắt đầu mở lực P1 tác dụng lên lò xo :
P1=π/4 (D32-D42 )p
Trong đó:
- p : là áp suất chất lỏng ở cuối kỳ nén nhẹ.
- D3 = 19,3 (mm), D4=13,5 (mm)
=> P1 = 45,20(N)
=> P2 = 72,31(N)
Ứng suất trong lò xo sinh ra là:
τ = (8DP2)/(πd3)
Trong đó:
- D: là đường kính vòng trung bình của lò xo, D = 35(mm)
- d: là đường kính dây lò xo.
- P2 : là lực tác dụng lên lò xo khi van mở hoàn toàn
Khi van mở hoàn toàn chiều dài của lò xo là:
Hm = n.d + δ .n0 = 5.2 + 0,8.6 = 14,8 (mm)
Trong đó:
- δ : là khoảng cách giữa các vòng dây, δ = 0,8 (mm)
- n0: là số vòng toàn bộ của lò xo, n0 = n + 1 = 5 +1=6 (vòng)
Khi van đóng chiều dài của lò xo là:
Hd = Hm + h = 14,8 + 2 = 16,8 (mm)
Khi ở trạng thái tự do chiều dài của lò xo:
Htd = Hd + 𝜆 = 16,8 + 10, 4 = 27, 2(mm)
Bước của lò xo:
t = (Htd-d(n-n0 ))/n0 =(27,2-2(5-6))/6=4,86(mm)
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TREO TÍCH CỰC
4.1 Đặt vấn đề
Hệ thống treo tích cực đã trở thành hướng nghiên cứu quan trọng nhờ khả năng cải thiện độ êm dịu và tính ổn định cho phương tiện. Đồ án tập trung vào việc mô phỏng và phân tích hiệu quả của hệ thống treo tích cực sử dụng cơ cấu chấp hành thuỷ lực. Mô hình nghiên cứu dựa trên cấu trúc ½ dọc và ½ ngang của hệ thống treo. Hệ thống treo tích cực gồm 3 thành phần chính, hệ thống treo bị động, hệ thống thủy lực và bộ điều khiển. Bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Fuzzy được sử dụng để điều khiển hoạt động của hệ thống thủy lực. Quá trình mô phỏng được thực hiện bằng phương pháp Co-Simulation. Trong đó, hệ thống treo bị động và bộ điều khiển được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink. Hệ thống thuỷ lực được mô phỏng riêng bằng phần mềm Simcenter Amesim.
4.2. Mô phỏng hệ thống treo cơ khí
4.2.1 Xây dựng mô hình hệ thống treo ½ dọc
Nghiên cứu này sử dụng mô hình ½ của hệ thống treo có cấu tạo như hình 4.1. Hệ thống được trang bị thêm một cơ cấu tạo lực bao gồm bơm thủy lưc, van phân phối và xy lanh thủy lực.Trên xe có gắn các cảm biến nhận biết độ dịch chuyển của thân xe, cầu xe cũng như áp suất thủy lực trong hệ thống. Các tín hiệu này được gửi về bộ điều khiển, sau khi tính toán bộ điều khiển sẽ đưa ra lệnh điều khiển hoạt động của bơm và van phân phối.
Mô hình dao động được thiết lập bằng hệ phương trình vi phân dựa trên:
- Phương trình Lagrange loại 2
- Nguyên lý D’Alembert
Từ hệ phương trình vi phân đã xây dựng ở trên, nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng hệ thống treo bằng các phần mềm chuyên dụng. Sơ đồ mô phỏng được thể hiện như hình dưới
4.3 Mô phỏng hệ thống thuỷ lực
Hệ thống thủy lực đóng vai trò cốt lõi, là bộ phận quan trọng quyết định hiệu quả của hệ thống treo tích cực. Đồ án đã xây dựng hệ thống thủy lực bằng phần mềm Simcenter Amesim- là một phần mềm vượt trội trong mô phỏng hệ thống thủy lực nhờ thư viện chuyên ngành phong phú, khả năng giải hệ phương trình phi tuyến tự động, dễ dàng tích hợp giữa hệ thống thủy lực với cơ khí, điện và điều khiển. Hệ thống thủy lực được xây dựng trong phần mềm theo sơ đồ hình 4.6.
4.3.1 Bơm thuỷ lực
Đối với hệ thống thủy lực trên xe tải, nghiên cứu chọn áp suất thủy lực của hệ thống trong phạm vi 10~12 bar. Từ đó, đối chiếu và chọn ra loại bơm phù hợp.
Bơm thủy lực được điều khiển bằng bộ điều khiển Fuzzy dựa theo tín hiệu áp suất từ bình tích năng, tốc độ quay của bơm sẽ thay đổi phù hợp với điều kiện làm việc.
4.3.2 Van phân phối
Van phân phối hoạt động tuân theo tín hiệu điều khiển u(t) từ bộ điều khiển PID Trạng thái làm việc của van được mô tả như bảng 4.
Lưu lượng qua các cửa van được mô tả bằng phương trình:
q = cq⋅A⋅√(2Δp/ρ)
Trong đó:
- cq: là hệ số lưu lượng.
- A: là tiết diện mặt cắt ngang của lỗ van.
- Δp: là chênh lệch áp suất tại cửa van.
- ρ: là mật độ chất lỏng.
4.4 Xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống treo tích cực
Mô hình sử dụng 2 thuật toán điều khiển là PID và Fuzzy cho 2 đối tượng được điều khiển là van phân phối và bơm thủy lực.
4.4.1 Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển van phân phối nhờ vào đặc tính tuyến tính và khả năng đáp ứng nhanh của van. Với cấu trúc đơn giản, dễ hiệu chỉnh, PID cho phép điều khiển chính xác lưu lượng hoặc áp suất tại đầu ra van, đặc biệt phù hợp trong các hệ thống yêu cầu phản hồi nhanh và ổn định.
Ngoài ra, mô hình động học của van thường rõ ràng nên việc áp dụng PID là hợp lý và hiệu quả.
4.4.2 Bộ điều khiển Fuzzy
Bộ điều khiển mờ (Fuzzy) được áp dụng để điều khiển bơm thủy lực, do bơm thường có đặc tính phi tuyến, chịu ảnh hưởng bởi tải thay đổi, tổn thất hệ thống và các yếu tố môi trường như nhiệt độ dầu. Fuzzy controller không yêu cầu mô hình toán học chính xác, có khả năng xử lý tốt sự không chắc chắn và thích nghi cao trong điều kiện làm việc phức tạp. Nhờ đó, điều khiển bơm bằng logic mờ giúp nâng cao tính ổn định và hiệu suất hệ thống.
Giá trị đầu vào của bộ điều khiển là áp suất bình tích năng, các giá trị đầu vào này sẽ được “mờ hóa” thành các tập mờ. Có 3 tập mờ cho biến đầu vào (Thấp~8 bar; Vừa~10 bar; Cao~12bar).
Sau khi làm mờ, các tập mờ được đưa vào khối suy luận, nơi chứ bộ luật được mô tả như bảng 4.5.
4.5 Kịch bản mô phỏng
* Mấp mô mặt đường:
Biên dạng đường được sử dụng trong mô phỏng là mấp mô dạng hình sin có chiều dài L= 0,64m và chiều cao h = 0,65m (Sau đây gọi là mấp mô tiêu chuẩn). Mấp mô được mô tả theo phương trình:
h = A.sin(2πv/λ t)
Ngoài ra, nhóm đồ án xây dựng thêm mấp mô mặt đường ngẫu nhiên.
4.6 Kết quả mô phỏng hệ thống treo tích cực
Sau khi xây dựng hoàn thiện mô hình và kết nối thành công 2 phần mềm chuyên dụng. Dưới đây là kết quả của quá trình mô phỏng theo các kịch bản đã nêu trên.
4.6.1 Kết quả mô phỏng hệ thống treo tích cực mô hình ½ dọc
* Kết quả mô phỏng với mấp mô tiêu chuẩn ở vận tốc 35 km/h:
Hiệu quả của hệ thống treo tích cực ở vận tốc 35 km/h được đánh giá qua các số liệu trong bảng 4.8.
Đánh giá:
- Hệ thống treo tích cực hoạt động hiệu quả trong việc triệt tiêu dao động thân xe theo phương thẳng đứng. Việc giảm đến 40% dao động theo tiêu chí RMS cho thấy hiệu quả rõ rết. Đây là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao chất lượng vận hành ở vận tốc thấp.
- Gia tốc thân xe đạt mức cải thiện 26% theo tiêu chí RMS, góp phần tăng cảm giác êm dịu, giảm mệt mỏi và bảo vệ hàng hóa tốt hơn.
- Góc nghiêng cải thiện 60%, chứng minh khả năng kiểm soát dao động thân xe là rất tốt.
* Kết quả mô phỏng với mấp mô tiêu chuẩn ở vận tốc 80 km/h:
Hiệu quả của hệ thống treo tích cực ở vận tốc 80 km/h được đánh giá qua bảng 4.10.
Đánh giá:
- Dịch chuyển thân xe giảm 40% (tiêu chí RMS) cho thấy hệ thống vẫn duy trì mức hiệu quả dù ở vận tốc cao.
- Gia tốc thân xe giảm 24% (tiêu chí RMS) chứng tỏ hệ thống vẫn kiểm soát được dao động do mặt đường gây ra dù ở vận tốc cao hơn.
- Góc nghiêng thân xe giảm 60% (tiêu chí RMS) vẫn duy trì ở mức cao cho thấy hệ thống treo tích cực đảm bảo ổn định thân xe ở tốc độ cao.
4.6.2 Kết quả mô phỏng hệ thống treo tích cực mô hình ½ ngang
* Kết quả mô phỏng với mấp mô đơn tiêu chuẩn ở vận tốc 35km/h:
Hiệu quả của hệ thống treo tích cực qua mấp mô đơn tiêu chuẩn ở vận tốc 35 km/h được đánh giá qua bảng 4.12.
Đánh giá:
- Dịch chuyển giảm mạnh ở cả 3 tiêu chí, cho thấy hiệu quả kiểm soát dao động tốt.
- Gia tốc thân xe giảm tới 40% (tiêu chí RMS) cho thấy hiệu quả cao về êm dịu.
- Góc nghiêng thân xe cải thiện 60% (tiêu chí RMS) chứng minh khả năng kiểm soát thân xe khi đi qua mấp mô đơn.
* Kết quả mô phỏng với mấp mô đơn tiêu chuẩn ở vận tốc 80km/h:
Hiệu quả của hệ thống treo tích cực qua mấp mô đơn tiêu chuẩn ở vận tốc 80 km/h được đánh giá qua bảng 4.14.
Đánh giá:
- Dịch chuyển thân xe giảm 54% (tiêu chí RMS) ở vận tốc cao, cho thấy hệ thống vẫn duy trì được sự ổn định.
- Gia tốc thân xe giảm 35% (tiêu chí RMS), hiệu quả giảm gia tốc ổn định.
- Góc nghiêng giảm 59% (tiêu chí RMS), hệ thống vẫn thể hiện ưu điểm vượt trội trong việc kiểm soát góc nghiêng, đảm bảo khả năng giữ cân bằng thân xe.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Trọng Hoan, Thiết kế tính toán Ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam, 2019.
[2]. Lưu Văn Tuấn, Kết cấu Ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam,2020.
[3]. Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Tạ Tuấn Hưng, Lý thuyết Ô tô hiện đại, NXB Giáo dục Việt Nam, 2021.
[4]. Võ Văn Hường, Nguyễn Tiến Dũng, Dương Ngọc Khánh, Đàm Hoàng Phúc,
Động lực học Ô tô, NXB Giáo dục Việt Nam
[5]. ISO 8608:1995, Mechanical vibration - Road surface profiles - Reporting of measured data.
[6]. Lino Paolo, Bruno Maione, NEAR OPTIMUM CONTROL OF A FULL CAR ACTIVE SUSPENSION SYSTEM, International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. Vol. 2. SCITEPRESS, 2008.
[7]. Múčka, Peter, Simulated road profiles according to ISO 8608 in vibration analysis. Journal of Testing and Evaluation 46.1 (2018): 405-418.
[8]. Mouleeswaran, Senthilkumar. Design and development of PID controller- based active suspension system for automobiles, PID controller design approaches-theory, tuning and application to frontier areas (2012): 71-98.
[9]. Nhân Trần Hữu, et al. Phân tích động lực học theo phương thẳng đứng của tổ hợp xe đầu kéo-sơmi rơmóoc bằng Matlab. Simmechanics, Khoa học công nghệ Giao thông vận tải 31.8 (2019).
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"