Luận văn Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ôtô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

, hành khách hầu như không cảm thấy bị xóc. Xe gần như luôn luôn trong trạng thái thăng bằng. Tuy nhiên không phải ai cũng có nhiều tiền để sở hữu những chiếc xe như vậy. Trên những dòng xe rẻ tiền hơn của Toyota, Nissan, Hyundai, DEAWO,... hệ thống giảm xóc không được xử lý tốt như vậy, nhưng chúng ta vẫn cảm nhận được sự êm ái mà chiếc xe mang lại. Khi di chuyển trên những quãng dài, cảm giác mệt mỏi do những dao động của xe được hạn chế rất nhiều. 2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe ôtô 2.2.2.1 . Nhíp xe Nhíp xe ôtô Trước đây, trên ôtô người ta sử dụng phổ biến những chiếc nhíp xe để làm giảm xóc. Nhíp xe được cấu thành từ nhiều thanh sắt mỏng, được uốn cong và ghép lại với nhau. Ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẽ, chịu tải lớn, do vậy mà trên những xe vận chuyển hạng nặng ngày nay người ta vẫn còn dùng. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của chúng là cứng, đàn hồi kém nên đã không chiếm được cảm tình của nhà xuất cũng như người sử dụng. Chính vì vậy mà ở ôtô du lịch chúng bị đào thải và được thay thế bằng một thế hệ giảm xóc mới tiên tiến hơn là lò xo. Hình 2.13. Nhíp xe ôtô 2.2.2.2. Giảm xóc lò xo Ban đầu cấu tạo của giảm xóc bằng lò xo rất đơn giản. Nó chỉ gồm một chiếc xo được đặt trong một xi lanh vừa dùng để định hướng lò xo, vừa để bảo vệ lò khỏi các tác động bên ngoài như bụi bẩn, hơi nước gây han rỉ, làm hỏng thiết bị. Qua thời gian hệ thống giảm xóc bằng lò xo bây giờ khá phức tạp. Kết cấu của nó bao gồm lò xo kết hợp với một xi lanh chứa dầu nhớt có tác dụng giảm chấn bằng ma sát nhớt nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững của hệ thống. Mặc dù phức tạp, khó chế tạo, giá thành cao, nhưng những ưu điểm mà nó mang lại thật tuyệt vời. Hệ thống trở lên gọn nhẹ đi rất nhiều, điều này làm giảm khối lượng của xe, đồng thời tăng không gian khoang lái do sự thay thế những chiếc nhíp xe cồng kềnh trước mang lại, và điều quan trọng là sự uyển chuyển, nhịp nhàng của lò xo kết hợp với xi lanh dầu làm tăng hiệu quả giảm chấn, mang lại cảm giác êm ái cho những chiếc xe. Những ưu điểm này làm cho giảm chấn lò xo trở thành thiết bị phổ thông trong xe ôtô hiện đại. Lò xo xoắn hình trụ Ống thủy lực Lò xo xoắn hình trụ Ống giảm chấn thủy lực Hình 2.14. Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu 2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực Đây là tổng hợp của lò xo đàn hồi có giảm chấn cùng với lò xo khí thủy lực, trong hệ thống này Piston của phần đàn hồi cũng như trục của nó đồng thời là trục của bộ giảm chấn.  Phần lò xo khí nằm trong một khối cầu bao bọc bởi 1 màng cao su đặc biệt (màu xanh trong hình vẽ).  Phần tích trữ khí cùng với không gian mặt trên (theo quy ước trên dưới khi ống nhún thẳng đứng) của Piston được nối với nhau bởi 1 đường ống thủy lực (ống màu xanh). Khi ống nhún và lò xo bị đè xuống, dầu bị ép chạy theo ống đó (màu xanh) chạy sang buồng khí nén, khi bị nén mạnh, tăng áp suất, làm tăng thêm sức đàn hồi của lò xo khí, lò xo này cùng với lò xo kim loại tác động trực tiếp lên khung xe, tạo sức đàn hồi tổng hợp thay đổi được theo tải trọng. Không những thế, trên đường ống dẫn dầu và khi về để ép túi khí, người ta còn bố trí thêm van điều khiển nhằm chủ động thay đổi mức tác động của dầu và khí nén lên túi khí, đưa đến việc thay đổi độ cứng đàn hồi tổng hợp của cả hệ thống nhún. (quan sát các xe tải lớn, có thẻ thấy rõ túi khí lớn cỡ thùng dầu ăn nằm kề bên bánh xe).  Cũng nhờ cơ chế hồi tiếp như vậy, mà khoảng cách giữa trục bánh xe và khung xe gần như được giữ nguyên bất chấp tải trọng, khi xe nặng dầu ép mạnh làm túi khí đội lên mạnh hơn, khi xe nhẹ thì áp lực  dầu giảm và túi khí mềm đi, giảm bớt tác động lên khung xe. Hình 2.15. Giảm xóc khí nén - thủy lực Tài xế có thể tự điều chỉnh van điều khiển cho phù hợp tình trạng tải trọng và đường sá. Loại ống nhún -giảm chấn trên đây giá thành cao, vận hành phức tạp, lại thêm hệ thống nén khí cao áp rất đắt đỏ, nên hầu như không dùng cho xe con và xe hạng trung. 2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại Hệ thống giảm chấn hiện đại là một hệ thống hết sức phức tạp. Nó bao gồm các thiết bị cơ khí kết hợp với các linh kiện điện tử và được điều khiển bằng các chương trình máy tính. Có thể nói nó là một trong những hệ thống cơ điện tử điển hình và được gọi chung là hệ thống giảm xóc tự động. Các hệ thống giảm xóc tự động được phát triển độc lập ở các hãng ôtô khác nhau, do đó ngoài những đặc điểm chung về hệ thống cơ điện tử, cấu trúc của chúng nói chung là khác nhau. Chúng có thể khác nhau ở cơ cấu chấp hành như giảm chấn thủy lực, khí nén hay giảm chấn từ biến hoặc khác nhau ở phương pháp điều khiển bán chủ động hay chủ động. Chính vì vậy cấu trúc của chúng có những điểm khác nhau nhưng vẫn mang những đặc điểm của cấu trúc chung. Sau đây là các thành phần của một hệ thống giảm xóc tự động sử dụng khí nén Airmatic của hãng Mercedes. • Các ống giảm xóc bằng hơi trước và sau: đây là các thiết bị giảm xóc trực tiếp, chúng có thể thay đổi độ đàn hồi thông qua áp suất của khí nén. • Bình nén khí trung tâm: nơi cung cấp khí nén cho các ống giảm xóc • Máy nén khí: tạo ra áp suất của khí trong các ống giảm xóc. • Van điện tử: đóng mở các ống dẫn khí với tốc độ, và độ chính xác cao. • Cảm biến: đưa các thông tin về tốc độ, tải trọng, góc xoay của bánh lái, áp suất của lốp, độ rung lắc về hộp điều khiển trung tâm. 777 8 7 8 • Hộp điều khiển trung tâm: sau khi nhận các tín hiệu được truyền đến từ các cảm biến nó sẽ thay đổi áp suất trong các ống giảm xóc thông qua việc điều khiển hoạt động của máy nén khí và van điện tử. Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes 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. Đường dẫn khí. Các thành phần của Airmatic liên hệ với nhau bởi các đường dẫn khí và được nối vào bộ điện của xe thông qua lớp tiếp xúc đa chức năng của hệ truyền dữ liệu điện tử CAN (Controller Area Network). Nhờ chức năng " Wake-up", Airmatic được kích hoạt ngay khi mở cửa xe, nhằm điều chỉnh độ cao gầm xe và độ đàn hồi của các ống giảm xóc trước khi xe khởi hành. Tiếp theo, tài xế cũng có thể điều chỉnh hoạt động của Airmatic. Thứ nhất là, có thể tăng giảm khoảng sáng gầm xe (clearance): nâng khung xe cao lên, hoặc hạ thấp (chẳng hạn vào lúc đỗ để tiện cho việc xếp hành lý hay nối rơ moóc vào xe). Thứ hai là, có thể chọn chế độ Comfort hay Sport cho hoạt động của hệ thống treo. Chế độ Comfort tạo sự êm dịu tối đa cho người đi trên xe, còn Sport tăng cường sự thăng bằng và an toàn vì xe sẽ có độ bám đường tốt hơn. Vậy ưu điểm hệ thống treo khí nén - điện tử nổi trội hơn so với các hệ thống treo trên như sau: • “Thông minh” và “linh hoạt” đó là những gì có thể nói về hệ thống treo khí nén - điện tử. Khả năng điều chỉnh độ cứng của từng xi lanh khí cho phép đáp ứng với độ nghiêng khung xe và tốc độ xe khi vào cua, góc cua và góc quay vô lăng của người lái. Như vậy, khi xe chạy, độ cứng các ống giảm xóc có thể tự động thay đổi sao cho cơ chế hoạt động của hệ thống treo được thích hợp và hiệu quả nhất đối với từng hành trình. Ví dụ khi phanh, độ nhún các bánh trước sẽ cứng hơn bánh sau, còn khi tăng tốc thì ngược lại. • Hệ thống treo khí nén - điện tử tự động thích nghi với tải trọng của xe, thay đổi độ cao gầm xe cho phù hợp với điều kiện hành trình. Ví dụ: Độ cao bình thường được tự động xác lập khi vận tốc xe đạt 80 km/h. Nếu các cảm biến tốc độ ghi nhận được rằng kim đồng hồ tốc độ đã vượt qua mức 140 km/h thì hệ thống tự động hạ gầm xe xuống 15mm so với tiêu chuẩn. • Một lợi thế nữa của hệ thống treo này là các lò xo xoắn được thay thế bằng túi khí cao su nên giảm bớt một phần trọng lượng xe. Bớt được khối lượng này sẽ cho phép các lốp xe chịu tải tốt hơn trên các điều kiện mặt đường không bằng phẳng mà ít ảnh hưởng đến độ cân bằng của xe, vì vậy cảm giác khi lái sẽ nhẹ nhàng và dễ chịu hơn. • Với hệ thống treo khí nén điện tử, những chỗ mấp mô hay ổ gà trên mặt đường hầu như không ảnh hưởng nhiều đến người ngồi trong xe. Tuy vậy, đối với bất cứ loại hệ thống treo nào, tác dụng giảm xóc của lốp cũng rất quan trọng. Kiểu dáng lốp và áp xuất lốp luôn có vai trò hỗ trợ tác dụng giảm xóc của bất kỳ loại hệ thống treo nào: phụ thuộc hay độc lập. Kết luận chương 2: Trong chương đưa ra được các phần sau. - Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong ôtô, trình bày được khuyunh hướng phát triển của công nghệ ôtô trong sản xuất với công nghệ cao và sản phẩm thông minh. - Giới thiệu cấu trúc cơ điện tử trong hệ thống phanh ABS (Antilock Brake System). Bài toán điều khiển hệ thống ABS được đặt ra với giả thiết ma sát Counlomb tác động khi phanh. - Giới thiệu về giao động và cân bằng dao động trên ôtô, giới thiệu từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đại. Nó bao gồm các thiết bị cơ khí kết hợp với linh kiện điện tử và được điều khiển bằng chương trình máy tính. Những hệ thống đã giới thiệu trên được lắp đặt trong ôtô. Mục đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và an toàn. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên ôtô. Chương 3. thiẾt lẬp các mô hình hỆ thỐng cho bài toán dao đỘng và cân bẰng dao đỘng trên ôtô 3.1. Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô Như đã giới thiệu ở chương trước, hệ thống giảm xóc hay còn gọi là hệ thống treo là một phần quan trọng của một chiếc xe ôtô ngày nay. Đây là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe. Hình 3.1 là một ví dụ cho hệ thống giảm xóc của xe ôtô du lịch, bao gồm hai thành phần chính là hệ thống giảm xóc trước và sau. Các chức năng cơ bản của một hệ thống giảm xóc: • Tạo điều kiện cho bánh xe chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động ở độ có thể chấp nhận được. • Truyền lực giữa bánh xe và khung xe, bao gồm trọng lực của xe, lực kéo hoặc đẩy đối với khung hoặc vỏ. Hình 3.1. Xe ôtô du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau Về cơ bản, một hệ thống giảm xóc bao gồm hai thành phần chủ yếu: • Bộ phận đàn hồi: là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và khung xe. Bộ phận này có thể là nhíp lá, lò xo, thanh xoắn, khí nén, thủy lực. Chức năng của chúng là đảm bảo cho khung xe dao động êm trên địa hình nhấp nhô. • Bộ phận giảm chấn: là bộ phận hấp thụ năng lượng dao động cơ học giữa bánh và thân xe. Bản chất của việc hấp thụ năng lượng này là biến cơ năng thành nhiệt năng. Các bộ phận giảm chấn chủ yếu hiện nay là giảm chấn thủy lực. Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh 3.1.1.Mô hình giao động của ôtô Hình 3.3. Xe ôtô du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết Một chiếc ôtô trên thực tế với rất nhiều chi tiết và bộ phận không phải là một mô hình dẽ dàng trong nghiên cứu dao động. Do đó để nghiên cứu dao động, cần lược bỏ các bộ phận không cần thiết và tập trung vào các liên kết, kết cấu chính trong dao động của xe ôtô. Sau đây là ba mô hình thường được dùng cho bài toán cân bằng dao động trong ôtô, đó là mô hình bốn bánh (toàn bộ ôtô), mô hình hai bánh (một nữa ôtô), mô hình một bánh (một phần tư ôtô). 3.1.2. Mô hình bốn bánh kS2 bS2 mu2 kt2 kS1 bS1 mu1 kt1 kS3 bS3 mu3 kt3 kS4 bS4 mu4 kt4 mS Z y x Mô hình bốn bánh của một hệ thống giảm xóc với 7 bậc tự do được biểu diễn trong (hình 3.4). Thân xe được biểu diễn bằng vật có lắp lò xo ms, trong khi khối lượng phần giữa trục và bánh xe được biểu diễn bằng các khối lượng: mu1, mu2, mu3 , mu4. Độ Cứng của các lò xo và hệ số cản của các giảm chấn lắp trên các bánh: ( ks1, bs1 ), ( ks2, bs2 ), ( ks3, bs3 ), ( ks4, bs4 ). Các bánh xe cũng có độ đàn hồi nhất định và được đặc trưng bởi các độ cứng: kt1, kt2, kt3, kt4. Hình 3.4. Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc Bảy bậc tự do của mô hình trên bao gồm: chuyển động theo phương thẳng đứng, quay quanh trục x, trục y của thân xe ( ms ); chuyển động theo phương thẳng đứng của các vật mu1, mu2, mu3 , mu4. Mô hình ở (Hình 3.4) là một mô hình bốn bánh đơn giản. Trên thực tế có những mô hình bốn bánh với nhiều bậc tự do hơn mô hình ở trên. Việc chọn mô hình nào và mức độ phức tạp tới đâu là phụ thuộc vào bài toán đặt ra cũng như mục tiêu của việc giải quyết của bài toán đó. 3.1.3. Mô hình một nửa ôtô Mô hình hai bánh của một hệ thống giảm xóc được biểu diễn trong (Hình 3.5). Với việc mô hình với 2 bánh, số bậc tự do của hệ chỉ còn lại là 4 với chuyển động quay và chuyển động thẳng đứng của thân xe, chuyển động thẳng đứng của 2 bánh mu1, mu2. Có 2 dạng mô hình hai bánh, đó là hai bánh bên (Hình 3.5a) và hai bánh đồng trục (Hình 3.5b), đối với dạng thứ nhất chuyển động quay là quanh trục y, còn đối với dạng thứ hai chuyển động quay là quanh trục x. Y kS1 bS1 mu1 kt1 kS2 bS2 mu2 kt2 z X kS2 bS2 mu2 kt2 kS1 bS1 mu1 kt1 z Hình 3.5. Mô hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b) 3.1.4. Mô hình một phần tư ôtô Một mô hình một phần tư ôtô 2 bậc tự do được biểu diễn như (hình 3.6) Hình 3.6. Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc Đây là một hệ thống giảm xóc bao gồm lò xo ks, giảm chấn bs, độ đàn hồi của bánh xe được cho bởi kt. Các khối lượng ms, mu là khối lượng các phần gắn lò xo và không gắn lò xo. Các thông số zu, zs, zr là độ dao động theo phương thẳng đứng của các phần gắn lò xo, không gắn lò xo và nhấp nhô của mặt đường. 3.2. Hệ thống giảm xóc tự động Như đã thấy ở chương 1 và 2, hệ thống giảm xóc tự động là một bước tiến trong thiết kế ôtô. Nó có những tính năng vượt trội so với hệ thống giảm xóc thông thường, có khả năng đáp ứng nhiều yêu cầu về tính năng kỹ thuật hơn, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người dùng. Quá trình nghiên cứu hệ thống điều khiển giảm xóc đã diễn ra trong hơn 4 thập kỷ qua và cho tới những năm cuối của thập kỷ 80, hệ thống giảm xóc tự động đã trở thành một trong những thành phần của ôtô hiện đại. Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển của hệ thống giảm xóc bán chủ động và chủ động đã được tiếp cận với nhiều phương pháp khác nhau, từ những phương pháp thông thường đến những phương pháp hiện đại. Có hai hướng chính trong các phương pháp đó, thứ nhất, đó là sử dụng các nguyên lý điều khiển Skyhook, Groudhook và các nguyên lý mở rộng của chúng Extended Groundhook hay Hibrid Skyhook/Groundhook. Thứ hai, sử dụng các lý thuyết điều khiển tối ưu để tính toán, phân tích hệ thống giảm xóc. Dựa vào mức độ chủ động của hệ thống, có thể phân chia hệ thống giảm xóc thành 3 nhóm chính sau: • Hệ thống bị động: Bao gồm các thành phần thông thường của một hệ thống giảm xóc với các đặc tính cố định theo thời gian. Không có năng lượng bên ngoài cung cấp trực tiếp cho loại giảm xóc này. • Hệ thống bán chủ động: Bao gồm các bộ phận đàn hồi và bộ phận giảm chấn mà đặc tính của chúng có thể thay đổi bởi các điều khiển bên ngoài bằng tín hiệu truyền vào hệ thống. • Hệ thống chủ động hoàn toàn: Hệ thống chủ động không sử dụng lò xo, nó chỉ có một cơ cấu chấp hành tạo nên lực mong muốn cho hệ thống giảm xóc. Một ví dụ cho hệ thống này là giảm xóc Bose LEM (Linear  lectronmagnetic Motor), sử dụng một động cơ điện từ tuyến tính trên mỗi bánh thay cho các thiết bị lò xo và giảm chấn truyền thống. Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose 3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động 3.3.1. Các phương pháp điều khiển Hệ thống giảm xóc bán chủ động được đề xuất bới 2 nhà khoa học Karnopp, Crosby (1973, 1974) và được phát triển bởi nhiều nhà khoa học khác. Cho tới thời gian gần đây, nó vẫn đang giành được sự quan tâm của các hãng sản xuất ôtô, các viện nghiên cứu và các trường đại học trên toàn thế giới. Về cơ bản, các yếu tố có thể thay đổi của một hệ thống bán chủ động có thể là hệ số giảm chấn, độ cứng của bộ phận đàn hồi, thậm chí cả độ đàn hồi của bánh xe. Trong đó yếu tố hệ số giảm chấn được quan tâm xử lý và trở thành hướng trọng tâm của bài toán cân bằng ôtô. Vấn đề đặt ra là điều khiển hệ số giảm chấn như thế nào để đạt hiệu quả cân bằng dao động mới là mục đích chính của toán. Các nhà khoa học và kỹ thuật trên thế giới đã đưa ra nhiều phương pháp điều khiển hệ số giảm chấn đó, qua các công trình nghiên cứu đó, có thể ra một số phương pháp chung để điều khiển như sau : • Phương pháp điều khiển Skyhook liên tục • Phương pháp điều khiển Groundhook liên tục • phương pháp điều khiển lai (giữa Skyhook và Groundhook) • Phương pháp điều khiển mờ • Các phương pháp điều khiển tối ưu. Trong luận văn này, chúng ta chỉ nghiên cứu hệ thống giảm xóc bán chủ động điều khiển Skyhook và Groundhook dựa trên mô hình một phần tư ôtô. Hệ thống giảm xóc chủ động và các điều khiển còn lại có thể được tìm thấy trong tài liệu về động lực học ôtô hay điều khiển dao động khác. Mô hình phần tư ôtô của hệ thống giảm xóc tự động được cho như (Hình 3.8) với Fd là lực của giảm chấn ở hệ thống giảm xóc bán chủ động và bị động hoặc lực của cơ cấu chấp hành ở hệ thống giảm xóc chủ động. Cách thức xác định lực Fd trong mỗi hệ thống giảm xóc để cho phù hợp với điều kiện mặt đường và trạng thái xe phụ thuộc vào phương pháp điều khiển mà hệ thống đó sử dụng, có thể là Skyhook, Groundhook, kết hợp Skyhook/Groundhook hoặc các phương pháp điều khiển tối ưu. Hình 3.8. Mô hình một phần tư ôtô 3.3.2. Điều khiển Skyhook Điều khiển Skyhook được Karnopp đề xuất vào năm 1986 với mục đích là sự tiện lợi, thoải mái của người ngồi trên xe với ý tưởng gắn vào phần có lò xo một giảm chấn bằng một chiếc móc (hook) vào bầu trời (sky) như (hình 3.9a). Do đó dao động của phần thân xe sẽ được giảm một cách đáng kể, tạo sự thoải mái, tiện lợi cho người ngồi trên xe. Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) Tất nhiên việc áp dụng ngay sơ đồ điều khiển Skyhook như ý tưởng ở (Hình 3.9a) vào ôtô là việc không thể được. Trên thực tế (Hình 3.9b) giảm chấn Skyhook được thay thế bằng một giảm chấn điều khiển được (có thể điều khiển được hệ số giảm chấn) để tạo một hiệu quả tương đương với mô hình ý tưởng. Khi đó giảm chấn của hệ thống bán chủ động hoạt động tương tự như một giảm chấn liên kết với một tham chiếu quán tính trên bầu trời. Như đã nói ở trên cách xác định lực giảm chấn (trong trường hợp chủ động) hay hệ số giảm chấn (trong trường hợp bán chủ động) phụ thuộc vào cách điều khiển. Hệ số giảm chấn trong trường hợp này được xác định từ sơ đồ của hệ thống Skyhook. Để tiếp tục tính toán với hệ thống, trước hết cần giải thích một số các thông số của hệ thống. Trong sơ đồ (Hình 3.8), các vận tốc vs, vu là vận tốc của thân xe và bánh xe xét theo phương thẳng đứng, ms, mu là khối lượng các phần thân xe và bánh xe; vsu là vận tốc tương đối giữa phần thân xe và bánh xe, khi hai phần tách rời nhau, vận tốc này là dương và ngược lại; tất cả các trường hợp khác về vận tốc hay lực, đều lấy chiều lên là dương và chiều đi xuống là âm. Xét trường hợp thân xe chuyển động lên và đang ở trạng thái tách rời nhau với bánh xe hoặc thân xe chuyển động xuống và đang ở trạng thái tiến lại gần bánh xe, hay có thể biểu diễn bằng công thức vsvsu ≥ 0. Từ sơ đồ ý tưởng của hệ thống Skyhook (Hình 3.9a), lực giảm chấn xác định được xác định Fsky = -bsky.vs (3.1) Trong đó Fsky là lực giảm chấn Skyhook. Ở mô hình tương đương (hình 3.9b) lực giảm chấn tự động Fd mà trong trường hợp này là Fsa được xác định Fd = Fsa = -bsa.vsu (3.2) Trong đó Fsa là lực giảm chấn bán chủ động tác dụng vào thân xe, bsa là hệ số giảm chấn bán chủ động, vsu là vận tốc tương đối giữa thân xe và bánh xe. Để mô hình bán chủ động tương đương hoạt động như mô hình Skyhook, lực giảm chấn của hai trường hợp phải bằng nhau. Fsky = -bskyvs = -bsavsu=Fsa (3 .3) Do đó hệ số giảm chấn bán chủ động Skyhook hay lực giảm chấn của hệ thống được xác định. (3.4) Fsa = - bskyvs (3.5) Xét trường hợp thân xe đi xuống ( vs 0 ). Ở sơ đồ ý tưởng, giảm chấn Skyhook có thể tác dụng lực theo chiều đi lên vào thân xe, nhưng giảm chấn bán chủ động trong trường hợp này không thể tạo ra một lực có chiều như vậy. Do đó lực giảm chấn được đưa về nhỏ nhất có thể được, trong trường hợp này là 0. Trường hợp còn lại, thân xe đi lên (vs > 0) và thân xe chuyển động lại gần bánh xe hơn (vsu < 0 ). Tương tự lực của giảm chấn Skyhook ở (Hình 3.9a) và lực của giảm chấn bán chủ động ở (Hình 3.9b) không thể tác động cùng chiều. Do đó lực giảm chấn cũng được đặt ở mức thấp nhất. Từ đó có thể đưa ra công thức tổng quát của điều khiển Skyhook. vs. vsu ≥ 0 =>Fsa =bsky . vs (3.6) vs. vsu Fsa =0 vs : vận tốc tuyệt đối của vật mang lò xo vsu : vận tốc tương đối của thân xe so với bánh xe Fsa : Lực giảm chấn bán chủ động bsky : Hệ số giảm chấn Skyhook Trên thực tế, một thiết bị giảm chấn chỉ có một giới hạn nhất định về mức độ thay đổi hệ số giảm chấn. Giả sử giảm chấn thay đổi trong hệ thống có thể điều chỉnh được hệ số giảm chấn một cách liên tục trong khoảng 0 ≤ bsa ≤ bmax (3.7) Khi thêm điều kiện (3.7), hệ số giảm chấn bán chủ động trong điều khiển Skyhook được xác định bởi bsa = 0 nếu vs. vsu ≤ 0 nếu 0 < ≤ bmax (3.8) bsa = bmax nếu > bmax 3.3.3. Điều khiển Groundhook Ý tưởng của kiểu điều khiển Groundhook được trình bày như (Hình 3.10a), giả thiết có thể nối phần không có lò xo (bánh xe và trục) với một giảm chấn bg gắn với mặt đất (ground) bằng một chiếc móc (hook), ta sẽ gọi nó là giảm chấn Groundhook. Tương tự như hệ thống Skyhook, cấu trúc thực tế của nó được triển khai như (Hình 3.10a) bằng cách thêm vào hệ thống các cảm biến. Hình 3.10. Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) Phân tích các trường hợp tương tự như đối với hệ thống Skyhook, có thể đưa ra công thức tổng quát của điều khiển Groundhook. vu. vus > 0 =>Fsa = bgnd . vu vu. vus Fsa = 0 vu : vận tốc tuyệt đổi của phần không mang lò xo bgnd : hệ số giảm chấn Groundhook vus : vận tốc tương đổi của bánh xe so với thân xe Fsa : Lực giảm chấn bán chủ động Khi thêm điều kiện (3.7), hệ số giảm chấn ban chủ động trong điều khiển Groundhook được xác định bởi bsa= 0 nếu vu. vus ≤ 0 nếu 0 bmax 3.4. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động 3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động Một hệ thống giảm xóc bị động được cho như (hình 3.11) Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động Động năng của hệ : T= ms + mu Thế năng của hệ : = ks( zs- zu)2 + ku( zu- zr)2 Hàm hao tán của hệ: = bs( - )2 Thế các biểu thức động năng, thế năng và hàm hao tán trên vào phương trình Lagrang loại hai: () - = - - Ta được hệ phương trình vi phân dao động của hệ: ms+ bs(- ) + ks( zs- zu) = 0 mu- bs(- )- ks( zs- zu) + kt(zu- zr) = 0 Hệ phương trình trên có thể viết dưới dạng: + + =zr (3.11) Hay: M+ B+ Kz = F (3.12) Với M = , K = , B = , F = Phương trình trên là phương trình vi phân của hệ dưới dạng ma trận 3.4.2. Dao động của hệ thống với kích động điều hoà Với giả thiết kích động zr là điều hoà, tức là có thể viết dưới dạng một hàm sin: zr= h0sin, với v0 là vận tốc không đổi của xe, mặt đường có biên dạng hình sin với biên độ h0, bước sóng L như (hình 3.12). Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hòa Trước hết ta biến đổi hệ phương trình vi phân cấp 2 thành hệ phương trình vi phân cấp 1 bằng cách đổi biến: y1(t)= z(t), y2(t)= (t) Do đó: Hệ phương trình trên có thể được viết dưới dạng: = Ay + h Trong đó: y= ; A = ; O= ; E= ; h= Việc giải một phương trình vi phân cấp 1 được hỗ trỡ của chương trình MATLAB với hàm ode45. Sau đây là phương pháp tìm dao động của hệ thống với sự trợ giúp của MATLAB. Nếu giả thuyết ban đầu hệ đứng yên và với các thông số để tính toán: Ks= 16000(N/m), bs= 1000(Ns/m), kt= 160000(N/m), ms=250(kg), mu= 45(kg). Chương trình với MATLAB: Khảo sát dao động của hệ với: v0= 10(m/s), h0= 0,1(m), L= 2(m). Do đó: zr= 0,1sin(10pt) Khai báo hệ phương trình vi phân: Function v= dsys7(t,y) M = diag([ 250,45]); C= [ 16000, -16000, -16000, 16000 + 16000]; B = [ 1000 -1000; -1000 1000] f = [0; 0.1*sin(2*3.14*5*t)]; h = [ 0; 0; inv(M)*f] ; A= [ zeros(2) eye(2) ; -inv(M)*C;- inv(M)*B]; v = A*y+ h; Chương trình chính: Clear all; y0 = [ 0; 0; 0; 0]; ts= [0 1]; [t, y] = ode45( ‘ dsys7’ , ts, y0); figure; plot(t, y(:, 1), t, y(:,2)); label( ‘t[s] ’); legend( ‘ms’ , ‘mu’); grid on Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian 3.5. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động 3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động Mô hình một phần tư ô tô của hệ thống giảm xóc chủ động được cho như (hình. 3.14), với việc thay thế giảm chấn thông thường ở hệ thống bằng một giảm chấn biến đổi bsemi. Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động Giảm chấn biến đổi bsemi có thể thay đổi trong một giới hạn : 0£ bsemi£ bmax (3.13) Phương trình vi phân dao động của hệ có dạng Tương tự trong trường hợp hệ thống bị động, dựa vào phương trình Lagrange, ta đưa ra được phương trình vi phân của hệ: ms+ bsa(- ) + ks( zs- zu) = 0 mu- bsa(- ) - ks( zs- zu) + kt(zu- zr) = 0 (3.14) Trong đó hệ số bsa được xác định bởi quy luật điều khiển bán chủ động, Skyhook, Groundhook, điều khiển lai, điều khiển mờ hoặc các quy luật điều khiển tối ưu. Trong luận văn này xét đến hai trường hợp là điều khiển Skyhook và Groundhook. Các mục tiếp theo sẽ trình bày hệ thống Skyhook và Groundhook, với các giả thiết các kích động zr là điều hoà tức là có thể viết dưới dạng một hàm sin: Zr= h0sint, trong đó v0 là tốc độ không đổi của xe, mặt đường có biên dạng hình sin với biên độ h0, bước sóng L như (hình 3.12). 3.5.2 Hệ thống Skyhook Thế (3.4) vào phương trình (3.14) ta được phương trình vi phân dao động của hệ thống giảm xóc bán chủ động Skyhook. ms+ bsky+ ks( zs - zu) = 0 mu- bsky- ks( zs - zu) + kt(zu - zr) = 0 (3.15) Hệ trên có thể viết dưới dạng ma trận + + =zt (3.16) Hay M+ B+ Kz = F (3.17) Trong đó M= , K=, B= , F= Tương tự trường hợp bị động ta biến đổi hệ phương trình vi phân cấp 2 thành hệ phương trình vi phân cấp 1 bằng cách đổi biến: y1(t)= z(t); y2(t)=(t) Do đó: Hệ phương trình trên có thể được viết dưới dạng: = A+ h Trong đó Y=; A=; O = ; E = ; h= Với các thông số như trên, ta có chương trình Matlab Chương trình Matlab: Khảo sát dao động của hệ với: v0 = 10(m/s), h0 = 0,1(m), L = 2(m), bsky = 4000. Do đó: zr = 0,1sin(10πt) Khai báo hệ phương trình vi phân: Function v = dsys2(t,y) M = diag([ 250,45]); C= [ 16000, -16000, -16000, 160000 + 16000]; B = [ 4000 0; -4000 0] f = [0; 0.1*sin(2*3.14*5*t)]; h = [0; 0; inv(M)*f] ; A= [zeros(2) eye(2) ; -inv(M)*C -inv(M)*B]; v = A*y+ h; Chương trình chính: Clear all; y0 = [ 0; 0; 0; 0]; ts= [0 1]; [t, y] = ode45( ‘ dsys2’ , ts, y0); figure; plot(t, y(:, 1), t, y(:,2)); xlabel( ‘t[s] ’); legend( ‘ms’ , ‘mu’); grid on Đồ thị (hình 3.15) cho thấy tác dụng hạn chế dao động của giảm chấn Skyhook đối với thân xe. Dao động của thân xe đã được giảm đáng kể, nhưng dao động của bánh xe thì vẫn còn lớn. Chính vì vậy điều khiển Skyhook có thể đảm bảo được yêu cầu về sự tiện lợi, thoải mái nhưng chưa đáp ứng được yêu cầu an toàn Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook 3.5.3. Hệ thống Groundhook Tương tự với điều khiển Skyhook, ta đưa ra được phương trình vi phân dao động của hệ thống giảm xóc sử dụng điều khiển Groundhook ms+ bgnd+ ks( zs - zu) = 0 mu- bgnd- ks( zs - zu) + kt(zu - zr) = 0 3.18) Hệ trên có thể viết dưới dạng ma trận: + + =zr 3.19) Trong đó M= , K=, B= , F= Tương tự hai trường hợp bị động và Skyhook ta biến đổi hệ phương trình vi phân cấp 2 thành hệ phương trình vi phân cấp 1 bằng cách đổi biến: y1(t)= z(t); y2(t)=(t) Do đó: Hệ phương trình trên có thể được viết dưới dạng: Trong đó Y=; A=; O = ; E = ; h= Với các thông số trên ta có phương trình MATLAB: Khảo sát dao động của hệ với: v0 = 10(m/s), h0 = 0,1(m), L = 2(m), bgnd = 4000. Do đó: zr = 0,1sin(10πt) Khai báo hệ phương trình vi phân: Function v = dsys3(t,y) M = diag([ 250,45]); C= [ 16000, -16000, -16000, 160000 + 16000]; B = [ 0 -4000; 0 4000] f = [0; 0.1*sin(2*3.14*5*t)]; h = [0; 0; inv(M)*f] ; A= [zeros(2) eye(2) ; -inv(M)*C; -inv(M)*B]; v = A*y+ h; Chương trình chính: Clear all; y0 = [ 0; 0; 0; 0]; ts= [0 1]; [t, y] = ode45( ‘ dsys3’ , ts, y0); figure; plot(t, y(:, 1), t, y(:,2)); xlabel( ‘t[s] ’); legend( ‘than xe’ , ‘banh xe’); grid on Trái nược với hệ thống điều khiển Skyhook, hệ thống Groundhook giảm được dao động của bánh xe (độ bám mặt đường tăng lên) nhưng lại không cải thiện được dao động của thân xe (hình.3.16). Do đó hệ thống Groundhook có thể đảm bảo yêu cầu an toàn nhưng lại không đáp ứng được yêu cầu về sự tiện lợi, thoải mái cho người ngồi trên xe. Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook Tóm lại cả hệ thống Groundhook và Skyhook đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong thiết kế người ta có thể khắc phục những nhược điểm bằng các giải pháp kỹ thuật. Tuy nhiên cũng có một ý tưởng kết hợp cả hai điều khiển Groundhook và Skyhook sẽ đáp ứng được cả hai yêu cầu an toàn và tiện nghi đó là điều khiển lai. Để lựa chọn hệ thống điều khiển cho giảm xóc, tùy trong những trường hợp cụ thể mà người ta chọn một phương pháp thích hợp, Skyhook cho sự tiện nghi hay Groundhook cho chất lượng an toàn. Kết luận chương 3 Trong chương đã thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên ôtô, cụ thể. - Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô nêu rõ các chức năng cơ bản của một hệ thống giảm xóc, đưa ra được các mô hình giao động của ôtô gồm các phần: mô hình bốn bánh, mô hình một nửa ôtô, mô hình một phần tư ôtô. - Cấu tạo tổng thể từng phần hệ thống giảm xóc tự động nó ứng dụng nguyên lý điều khiển Skyhook, Groudhook trong hệ thống như thế nào. - Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: điều khiển Skyhook liên tục, điều khiển Groundhook liên tục, phương pháp điều khiển lai (giữa Skyhook và Groundhook), Phương pháp điều khiển mờ, các phương pháp điều khiển tối ưu. Trong luân văn chỉ nghiên cứu sâu về điều khiển Skyhook và Groundhook. - Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc bị động, dao động của hệ thống với kích động điều hoà có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. - Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc bán chủ động, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG 4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động Các phân tích từ các chương trên cho thấy các dao động không mong muốn của xe ôtô sẽ là nguyên nhân gây ra các hậu quả nghiêm trọng, từ sự khó chịu và bất tiện cho người ngồi trên xe cho đến những rạn nứt trong kết cấu xe có thể dẫn đến các tai nạn thảm khốc. Do sự biến đổi phức tạp của các nguyên nhân gây dao động, để đạt được mục đích cân bằng cần phải tự động điều khiển hoạt động của hệ thống giảm xóc. Đó chính là nguyên nhân ra đời của hệ thống giảm xóc tự động. Hệ thống giảm xóc tự động nói chung và hệ thống giảm xóc bán chủ động nói riêng đã được chú trọng phát triển trong hơn ba thập kỷ gần đây đã thu được nhiều thành tựu. Một hệ thống giảm xóc bán chủ động hiện đại có sự hiện diện của nhiều công nghệ và thành tự khoa học mới, như vật liệu thông minh, bán dẫn và lý thuyết điều khiển. Các hệ thống đó có thể khác nhau một vài điểm ở các hãng sản xuất ôtô khác nhau, nhưng nó vẫn mang những kết cấu chung nhất định. Ngoài các thành phần là lò xo và giảm chấn thông thường đã được trình bày trong các chương trước, sau đây sẽ xét đến các thành phần đặc trưng của một hệ thống giảm xóc bán chủ động. 4.1.1. Cảm biến Để xác định các cảm biến cần thiết cho hệ thống giảm xóc bán chủ động, cần thiết phải dựa trên các công thức và sơ đồ điều khiển của hệ thống đã đạt được từ chương 3. Do hệ thống bán chủ động Skyhook hay Groundhook có phản hồi vận tốc, nên phải có các thiết bị đo vận tốc trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc đo trực tiếp vận tốc của thân xe cũng như vận tốc tương đối trên thực tế rất khó thực hiện, do đó người ta thường dùng các cảm biến gia tốc, sau đó sẽ tích phân để có được gia tốc. Cảm biến gia tốc là một loại cảm biến dùng để đo gia tốc, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như các ứng dụng thương mại ôtô, tàu biển, dụng cụ thể thao, ứng dụng công nghiệp rô bốt v...v. Một trong các loại cảm biến gia tốc thường được sử dụng cho nhiều hệ thống giảm xóc bán chủ động đó là Texas Instruments Capacitive Acceleration Sensor (CAS). Được thiết kế cho các ứng dụng ôtô, CAS là một cảm biến thích hợp và mạnh cho hệ thống giảm xóc bán chủ động. Hình 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS Để đo được vận tốc tuyệt đối của phần gắn lò xo (thân xe) và vận tốc tương đối của phần gắn lò xo cùng với phần không gắn lò xo (trục và bánh xe) theo phương thẳng đứng, một cảm biến gia tốc được đặt tại thân xe và một cảm biến gia tốc sẽ được truyền vào bộ điều khiển, tích phân theo tín hiệu số hoặc tương tự đạt được vận tốc. 4.1.2. Giảm chấn biến đổi Một giảm chấn thông thường với các đặc tính hay các thông số kỹ thuật không thể thay đổi. Các thông số đó của giảm chấn được nhà sản xuất xác định thông qua mô phỏng hoặc thí nghiệm để phù hợp với một điều kiện nhất định về tình trạng xe và mặt đường. Trên thực tế, các yếu tố đó luôn thay đổi, cùng với mâu thuẫn giữa điều kiện tiện lợi, thoải mái (Comfort) và điều kiện an toàn (Safety), nên thật khó khăn để chọn các thông số của giảm chấn để đáp ứng đầy đủ được tất cả các yêu cầu. Giải pháp cho vấn đề này đó là giảm chấn biến đổi. Giảm chấn biến đổi (variable damper) là một giảm chấn có thể thay đổi được hệ sổ giảm chấn, từ đó có thể thay đổi lực tác dụng vào các thành phần trong cơ hệ nhằm cân bằng dao động của chúng. Có nhiều loại giảm chấn thay đổi dựa trên những nguyên lý khác nhau, như giảm chấn van thay đổi, giảm chấn điện biến (ER) và giảm chấn từ biến (MR). Trong khi giảm chấn van thay đổi là một thiết kế mang tính truyền thống, thì giảm chấn điện biến và giảm chấn từ biến là những ứng dụng của các loại vật liệu thông minh mà cụ thể trong trường hợp này là chất lỏng điện biến và chất lỏng từ biến. 4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi Hình 4.2 mô tả một giảm chấn dầu bao gồm 2 xy lanh nối liền nhau, hệ số giảm chấn có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ mở của van điều chỉnh. Độ mở của van tiếp tục sẽ được điều khiển bằng tín hiệu, điện tử. Độ mở lớn tương ứng với khả năng giảm chấn nhỏ và độ mở nhỏ tương ứng với khả năng giảm chấn lớn. Giảm chấn van điều chỉnh hoạt động như một cơ cấu chấp hành trong hệ thống giảm chấn bán chủ động, độ mở của van được xác định trong thời gian thực theo các qui luật điều khiển có hồi tiếp. Vỳ vậy hệ số giảm chấn hay khả năng giảm chấn sẽ biến đổi theo thời gian phù hợp với tình trạng xe và điều kiện mặt đường. Van điều chỉnh Piston Tín hiệu điều khiển Xy lanh Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển Hướng di động 4.1.2.2. Giảm chấn từ biến Thay vì sử dụng dầu như những giảm chấn thông thường, giảm chấn từ biến sử dụng một loại chất lỏng mới là chất lỏng từ biến. Chất lỏng từ biến (MR) là chất lỏng có sự thay đổi đặc tính (độ đàn hồi, độ dẻo và độ nhớt) khi có sự biến đổi từ trường bên ngoài nó. Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến Hình 4.3 cho thấy tính chất đặc biệt đó của chất lỏng từ biến, khi có một từ trường tác dụng bên ngoài nó, các phân tử đang từ trạng thái sắp xếp hỗn độn biến thành trạng thái sắp xếp phân dòng theo hướng của từ trường. Khi từ trường mất đi, chúng lại trở lại tình trạng bình thường mà không bị từ hóa. Một loại chất lỏng khác có cùng dạng tính chất với chất lỏng từ biến là chất lỏng điện biến, tính chất của nó thay đổi khi thay đổi điện trường bao quanh nó. Tuy nhiên, có một số hạn chế của chất lỏng điện biến, như sự biến đổi nhỏ và sự thay đổi thuộc tính vì nhiệt độ lớn. Bên cạnh đó, chất lỏng điện biến cần một hiệu điện thế cao và cường độ dòng điện cực thấp trong khi chất lỏng từ biến chỉ yêu cầu một hiệu điện thế và cường độ dòng điện thấp tuy sử dụng cùng một mức năng lượng. Vì vậy, chất lỏng từ biến được ứng dụng nhiều hơn chất lỏng điện biến trong các ứng dụng vật liệu thông minh. Dây nguồn nam châm Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR Cấu trúc của một giảm chấn từ biến được đưa ra như Hình 4.4. Cũng giống như những giảm chấn bình thường, nó có dạng piston, xy lanh, trên piston có các lỗ xuyên qua. Tuy nhiên điểm khác biệt là trên piston có gắn các cuộn dây đóng vai trò như các nam châm điện, bên trong xy lanh chứa chất lỏng từ biến thay vì dầu. Trên piston, tùy theo từ trường đặt trên piston, lực giảm chấn sinh ra sẽ là khác nhau do sự thay đổi tính chất của chất lỏng chảy xuyên qua piston vào từ trường, dẫn đến áp lực chất lỏng thay đổi. Do đó, lực giảm chấn có thể điều khiển bằng cách thay đổi điện thế đặt vào cuộn dây. Mới đây, hãng Delphi, một tập đoàn hàng đầu về các thiết bị của ôtô đã giới thiệu hệ thống giảm chấn MagneRide sử dụng công nghệ chất lỏng từ biến. Là một dòng sản phẩm cao cấp về hệ thống giảm chấn bán chủ động, nó có khả năng đáp ứng thời gian thực đối với tình trạng thái xe và điều kiện mặt đường. Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi 4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động 4.2.1. Cấu trúc của hệ thống Là một hệ thống cơ điện tử, hệ thống giảm xóc bán chủ động có các thành phần của hệ thống cơ điện tử đặc trưng như đã phân tích ở chương 1. Nó bao gồm khối điều khiển xử lý thông tin là bộ điều khiển, khối cơ cấu chấp hành là các giảm chấn, khối cảm biến đo lường có cảm biến gia tốc, cụm cơ khí và biến đổi năng lượng là hệ thống giảm xóc. Hình 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động 4.2.2. Hoạt động của hệ thống Xét trên một bánh, hệ thống giảm xóc bán chủ động được mô tả như hình 4.7. Các tín hiệu về gia tốc từ cảm biến sau khi được biến đổi sang tín hiệu số qua bộ biến đổi tương tự/số ADC sẽ truyền vào vi điều khiển. Trong vi điều khiển đã được cài sẵn phần mềm (mã) trong bộ nhớ, phần mềm này là một thuật toán xử lý các thông tin nhằm tính toán một hệ số giảm chấn thích hợp. Quá trình thực hiện được vi điều khiển đảm nhận và sau đó truyền tín hiệu điều khiển nhằm thiết đặt hệ số giảm chấn thích hợp đến bộ giảm chấn. Trên toàn bộ xe, bộ điều khiển về gia tốc trên cả bốn bánh, sau đó thực hiện phân tích trạng thái động lực học của xe rồi đưa ra tín hiệu điều khiển trên cả bốn bánh một cách thống nhất. Hình 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động Hệ thống giảm xóc bán chủ động được trình bày trong luận văn này là một cấu trúc chung về hệ thống giảm xóc bán chủ động Skyhook hoặc Groundhook. Nó có thể phức tạp hơn khi áp dụng vào thực tế khi thêm các cảm biến đo góc, đo tải trọng xe,.... để đạt được chất lượng điều khiển tốt hơn. Kết luận chương 4 Đã trình bày được phương hướng thiết kế hệ thống giảm xóc tự động, làm tiền đề cho hướng phát triển của luận văn sau này. Trong chương đã nêu ra các thành phần kết cấu của hệ thống giảm xóc tự động, cũng như sự hoạt động của nó. KẾT LUẬN Nhờ sự quan tâm giúp đỡ của Thầy hướng dẫn, luận văn cơ bản đạt được các mục tiêu đề ra, đó là. 1. Nêu được các vấn đề, vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền kinh tế tri thức. Một số mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới, xu hướng phát triển cơ điện tử thế giới. - Làm rõ được những ứng dụng quan trọng của cơ điện tử trong một số lĩnh vực. Như ứng dụng trong robot công nghiệp và các ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử, sản phẩm hàng hóa, các sản phẩm thông minh và đặc biệt quan tâm đến vấn đề ứng dụng là ứng dụng cơ điện tử trong xe ôtô. - Tìm hiểu và nghiên cứu cơ bản về bản chất khoa học - công nghệ của ngành cơ điện tử. Làm sáng tỏ cấu trúc tổng quát của một hệ cơ điện tử. Trình bày được nguyên lý làm việc của linh kiện thiết yếu như: Hệ thống cảm biến, cơ cấu chấp hành, hệ thống xử lý thông tin, hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng và các hệ thống khác V...V tích hợp các thành phần (phần cứng, phần mềm). Từ đó đưa ra được cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử. 2. Nghiên cứu một số ví dụ điển hình về các vấn đề can thiệp của cơ điện tử vào công nghệ ôtô. Trình bày và giới thiệu khuynh hướng phát triển của một chiếc ôtô hiện đại trong sản xuất với công nghệ cao, sản phẩm thông minh trong tương lai. - Lấy các phương án cơ bản của một hệ thống phanh thủy lực ABS làm điển hình. Bài toán điều khiển hệ thống ABS được đặt ra với giả thiết ma sát Counlomb tác động khi phanh. - Giới thiệu về giao động và cân bằng dao động trên ôtô, giới thiệu từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đại. Những hệ thống đã giới thiệu trên được lắp đặt trong ôtô. Mục đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và an toàn. 3. Từ các vấn đề nghiên cứu về cân bằng xe. Mối liên quan trực tiếp đến lý thuyết dao động và cân bằng dao động. Đối với xe du lịch đã thiết lập được ba mô hình tính. Dạng một điểm (1/4), dạng đường (1/2) vết dọc trọc và vết ngang, dạng mặt (1) dạng mặt. Từ đó thiết lập các mô hình vật lý của bài toán cân bằng. - Cấu tạo tổng thể từng phần hệ thống giảm xóc tự động và nó đã ứng dụng nguyên lý điều khiển Skyhook, Groudhook trong hệ thống để điều khiển. - Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: điều khiển Skyhook liên tục, điều khiển Groundhook liên tục, phương pháp điều khiển lai (giữa Skyhook và Groundhook), phương pháp điều khiển mờ, các phương pháp điều khiển tối ưu. Trong luận văn chỉ nghiên cứu sâu về điều khiển Skyhook và Groundhook. - Các mô hình toán học của hệ thống giảm xóc, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. Tuy nhiên, luận văn đã nêu ra được những giải pháp ban đấu cho bài toán cân bằng ôtô du lịch, một vấn đề đang rất được nghành công nghiệp ôtô quan tâm mặc dù đã có lịch sử nghiên cứu hàng chục năm. Hơn thế, những ý tưởng nêu ra trong luận văn là tiền đề cho những hướng phát triển sâu rộng hơn, tạo khả năng ứng dụng thực tế nhiều hơn trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang (2004), Dao động kỹ thuật, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 2. PGS.TS Tạ Duy Liêm, Công nghệ cơ điện tử trong ngành chế tạo ôtô 3. TS. Trương Hữu Trí - TS Võ Thị Ry (2005), Cơ điện tử - Các thành phần cơ bản, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 4. Robert H. Bishop - The mechatronics Handbook (Cơ điện tử) tập 1 Biên dịch: Phạm Anh Tuấn NXBĐH Quốc Gia Hà Nội (2006). 5. Đỗ Thanh Việt; Nguyễn Hoài Sơn; Bùi Xuân Lâm (2000): Ứng dụng MATLAB trong tính toán kỹ thuật, Tập 1. NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 6. Viện nghiên cứu chiến lược, chính sách công nghiệp - Bộ Công nghiệp (2007), Điều tra đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp phát triển các sản phẩm Cơ điện tử ứng dụng trong công nghiệp cơ khí trên địa bàn Hà Nội 7. Trung tâm công nghệ Cơ điện tử www.mechatronics.org.vn 8. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần 1 về Cơ điện tử (2002) 9. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần 2 về Cơ điện tử (2004) 10. Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần 3 VCM về Cơ điện tử (2006) 11. Http//Vietnamcar.com 12. Http//my.pera.com/congngheoto 13. Http//www.codientu.com/ Tiếng Anh 14. Bishop, R.H. (Editor in Chief): The Mechatronics Handbook. CRC Press, Boca Raton 2002. 15. Tạp chí IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 16. Website về Robotics & Mechatronics IEE: Http:/www.iee.org/Oncomms/pn/mechatronics/ TÓM TẮT Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ôtô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch. Luận văn gồm 4 chương, nội dung chính được đưa ra như sau: Chương 1: Tổng quan cơ điện tử. Trong chương đã trình bày một cách tổng quan về cơ điện tử, vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản xuất hàng hóa công nghệ cao của thời kinh tế trí thức. Chương 2: Nghiên cứu các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trong kỹ thuật. Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong ôtô, trình bày khuynh hướng phát triển của công nghệ ôtô trong sản xuất với công nghệ cao và sản phẩm thông minh. Giới thiệu cấu trúc cơ điện tử trong hệ thống phanh ABS (Antilock Brake System). Nêu ra các loại hệ thống treo từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đại. Những hệ thống được lắp đặt trong ôtô. Mục đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và an toàn. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên ôtô. Chương 3: Thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên xe. Đưa ra được các mô hình giao động của ôtô gồm các phần: mô hình bốn bánh, mô hình một nửa ôtô, mô hình một phần tư ôtô. Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: Skyhook liên tục, Groundhook liên tục, lai (giữa Skyhook và Groundhook), điều khiển mờ, điều khiển tối ưu. Luận văn chỉ nghiên cứu sâu về điều khiển Skyhook và Groundhook. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định. Chương 4: Thiết kế hệ thống giảm xóc bán chủ động. Đã trình bày phương hướng thiết kế hệ thống giảm xóc tự động, làm tiền đề cho hướng phát triển của luận văn sau này. Đã nêu ra các thành phần kết cấu của hệ thống giảm xóc tự động, cũng như sự hoạt động của nó. Abstract Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ôtô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toấn cân bằng trên xe du lịch.Masters thesis: Applied research on engineering systems of automotive electronic and propose solutions for model balancing problems on passenger cars. Luận văn gồm 4 chương, nội dung chính được đưa ra như  sau:Thesis includes four chapters, the main content is given as follows: Chương 1: Cơ điện tử.Chapter 1: Overview of Mechatronics. Trong chương đã trình bày một cách tổng quan về cơ - điện tử, và vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản xuất hàng hóa công nghệ cao của thời kinh tế trí thức. This chapter presents an overview of Mechatronics and the role of integration technology in commodity production of advanced technology at knowledge based economy stage. Chương 2: Nghiên cứu các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trong kỹ thuật.Chapter 2: Study of applied Mechatronics systems in engineering. This chapter presents tXu hướng tích hợp công nghệ cơ - điện tử trong ôtô, trình bày khuyunh hướng phát triển của công nghệ ôtô trong sản xuất với công nghệ cao và sản phẩm thông minh.tttthe trend of integration Mechatronics technology in automobiles and the development trend of automobile in advanced technology production and intelligent products. It also presents theGiới thiệu cấu trúc cơ điện tử trong hệ thống phanh ABS (Antilock Brake System). structure of Mechatronics in ABS system (Antilock Brake System) and Nêu ra các loại hệ thống treo từ loại hệ thống treo xe cơ khí đơn giãn nhất đến loại hệ thống treo xe hiện đạithe types of vehicle suspension systems both the most modern and the simplest suspension type. Những hệ thống được lắp đặt trong ôtô.At the same time, this thesis studies systems installed in cars. Mục  đích của nó làm cho ôtô ngày càng tiện nghi và  an toàn. Its purpose is to make cars be more and more comfortable and safer. Ở trong nội dung luận văn này ta chỉ nghiên cứu sâu về bài toán dao động và cân bằng trên  ôtô. However, within limited scale, this thesis only focused on studying variability and balance issues in the car. Chương 3: Thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên xe.Chapter 3: Development of a system model for variability and balance issues on a car in the car. Đưa ra được các mô hình giao động của ôtô gồm các phần: mô hình bốn bánh, mô hình một nửa ôtô, mô hình một phần tư ôtô. This chapter introduces the variability model of automobile which includes following parts: four-wheel model, half - car model and a quarter - car model.Nêu các đặc điểm và ứng dụng của hệ thống giảm xóc bán chủ động, các phương pháp điều khiển như: Skyhook liên tục, Groundhook liên tục, lai (giữa Skyhook và Groundhook), mờ, tối ưu. In addition, it also presents the characteristics and applications of semi - active shock absorbers systems as well as control methods such as continuous Skyhook, continuous Groundhook, and mixed type (between Skyhook and Groundhook) or fuzzy, optimal types. Thesis only focuses on studying the control system of Skyhook and Groundhook by development of mMô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định.mmmathematical model of the semi – active and passive shock absorbers systems. And then, the thesis starts to analyze the model of shock absorbers system and the variability system with the size of the air condition. And as well it analyzes the mMô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động, bán chủ động, phân tích các bài toán hệ thống giảm xóc, dao động của hệ thống với kích động điều hoà, các bài toán hệ thống Skyhook, hệ thống Groundhook có ứng dụng phần mềm MATLAB để kiểm định.mmmathematical model of Skyhook system and the Groundhook which applied MATLAB software for verification. Chương 4: Thiết kế hệ thống giảm xóc bán chủ động.Chapter 4: Design the semi-active shock absorbers system. Đã trình bày phương hướng thiết kế hệ thống giảm xóc tự động, làm tiền đề cho hướng phát triển của luận văn sau này. Đã nêu ra các thành phần kết cấu của hệ thống giảm xóc tự động, cũng như sự hoạt động của nó.This chapter presents the designing orientation and structure of the automatic shock absorbers system as well as its operation. This is known as the foundation for developing the thesis later. Key word: Mechatronics, semi-active shock absorbers system, variability, balance.