<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

Giáo viên hướng dẫn: <b>ThS. LÊ NGỌC DUY </b>

Sinh viên thực hiện :

Lã Văn Ngọc : 2020604691 Đào Văn Mạnh : 2020607989 Nguyễn Văn Nguyên : 2020602010

Hà Nội – 2022

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều ... 10

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song ... 11

1.1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều ... 12

1.2 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều ... 12

1.3 Xây dụng phương trình mơ tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý13 1.3.1 Phân tích mơ hình hệ thống động cơ điện một chiều ... 13

1.3.2 Phân Tích Vật Lý ... 17

1.4 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. ... 19

BÀI 2: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN Ô TÔ ... 22

2.1 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô. ... 23

2.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo ... 23

2.2.1 Công dụng ... 23

2.2.2 Phân loại ... 25

2.2.3 Một số hệ thống treo thông dụng ... 26

2.3 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo ... 29

2.4 Mô phỏng và đánh giá đặc tính giao động của thân xe... 37

BÀI 3: HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC ... 41

3.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống con lắc ngược ... 42

3.1.1 Cấu tạo của con lắc ngược 2 bậc tự do ... 42

3.1.2 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng ... 42

3.1.3 Các thông số của hệ thống con lắc ngược ... 44

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

3.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc. 47

3.2.1 Xây dựng Bond Graph cho con lắc ... 47 3.2.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính ... 60

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ song </b>

song như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>Yêu cầu: </b>

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

<b>- S</b>ử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động cơ điện một chiều. - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.

<b>Bài số 2 </b>

<b> Cho c</b>ấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mơ hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2. Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo. Các thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 4500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>Yêu cầu: </b>

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ơtơ.

<b>- S</b>ử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus. - Mơ phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim.

<b>Bài số 3 </b>

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2. Trong đó: Trong đó: R là tín hiệu đặt góc nghiêng con lắc; 𝜃 là góc nghieng cơn lắc; u là tín hiệu điều khiển. Các thơng số của con lắc như sau:

- Khối lượng thân xe: 0.5kg - Khối lượng con lắc: 0.2kg - Chiều dài con lắc : 0.3m

- Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2 - Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s

Hình 2

Hình 1

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>Yêu cầu: </b>

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược.

<b>- S</b>ử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ con lắc - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc.

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20-sim.

<b>TS. Nguyễn Anh Tú ThS. LÊ NGỌC DUY </b>

Hình 2

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>LỜI MỞ ĐẦU </b>

Trong quá trình sản xuất cơng nghiệp như hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từ chỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã được cải tiến, thiết kế mới thành các sản phẩm tích hợp. Các mạch điện tử đã thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí làm cho các bộ phận cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năng thực hiện chương trình hóa. Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được thay thế bằng thiết bị nhỏ gọn, tin cậy hơn nhờ các thành tựu mới trong lĩnh vực điện- điện tử và từ đó tác động trở lại quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ về điều khiển, tự động hố, điện tử và kỹ thuật máy tính cùng với những ứng dụng rộng rãi vào việc thiết kế và chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau này và có nhiều các định nghĩa khác nhau. Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sản phẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra. Trong bài báo cáo nhóm em xin sẽ làm rõ về hệ thống động cơ điện một chiều kích từ song song, hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và hệ thống điều khiển con lắc ngược bằng cách phân tích vật lí hệ thống đem ra phương trình mơ tả hệ thống, biểu đồ Bond Graph và xây dựng mơ hình hóa hệ thống mơ phỏng, đánh giá trên phần mềm 20-sim.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>BÀI 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG </b>

<b>Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ </b>

song song như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thơng số của động cơ như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

<b>- S</b>ử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động cơ điện một chiều.

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.

<b>BÀI LÀM 1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều </b>

1.1.1 Định nghĩa

Động cơ điện 1 chiều DC (DC chính là từ viết tắt của từ tiếng Anh “Direct Current Motors”) tức là động cơ điều khiển bằng dịng điện có hướng được xác định. Hay nói dễ hiểu hơn thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC - nguồn điện áp 1 chiều.

Động cơ điện 1 chiều là loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng dòng điện 1 chiều. Tốc độ quay của 1 động cơ điện 1 chiều tỉ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng tỷ lệ thuận đối với dịng điện. Chính vì 2 đặc tính trên mà động cơ DC được coi là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống máy móc kỹ thuật địi hỏi mơ men khởi động lớn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Gồm có các bộ phận như sau:

Stator: Thông thường được tạo thành từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có khi là nam châm điện.

Rotor: Chính là phần lõi có quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện.

Chổi than (còn gọi là brushes): Có nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp. Cổ góp (cịn gọi là commutator): Có nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc thông thường phải tương ứng với số cuộn có trên rotor.

Ngun lí hoạt động của động cơ điện một chiều

Stato củ động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), cịn rotor có các cuộn dây quấn, chúng được nối với nguồn điện 1 chiều. Còn bộ phận chỉnh lưu sẽ có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

động quay của rotor là chuyển động liên tục. Thông thường bộ phận này bao gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp.

Nếu trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực từ bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF). Trong quá trình vận hành bình thường, rotor sẽ quay và phát ra 1 điện áp (cịn gọi là sức phản điện động) có tên là counter - EMF (CEMF) hoặc còn gọi là sức điện động đối kháng.

Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng giống như 1 chiếc máy phát điện. Khi đó, điện áp đặt trên động cơ đã bao gồm 2 thành phần đó là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng.

Dòng điện chạy qua động cơ lúc này sẽ được tính theo biểu thức sau:

1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Thơng thường, chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dịng điện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo cơng thức: I = I<i><small>ư</small> + I<small>kt</small></i>. Để mở máy, người ta thường dùng biến trở để mở máy (gọi là R<i><small>mở</small></i>).

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dịng

<i>điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ. Phương pháp này hiện đang sử dụng rất </i>

r<i>ộng rãi, song cần chú ý một điều rằng, khi giảm từ thơng Φ, có thể dịng điện trong phần </i>

ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép. Khi đó, cần có bộ phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động cơ làm việc trong trường hợp từ thông giảm xuống quá nhiều.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

1.1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

• Có momem mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động. • Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.

• Tiết kiệm điện năng. • Bền bỉ, tuổi thọ lớn.

Nhược điểm của động cơ điện một chiều:

• Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên.

• Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.

• Giá thành đắt mà cơng suất khơng cao.

<b>1.2 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều </b>

Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dân cho những loại động cơ truyền thống. Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể. Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả.

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn...

Điều khiển hệ thống động cơ điện 1 chiều

Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều mà bạn đọc có thể tham khảo dưới đây:

• Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở: • Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất giúp chúng ta có thể điều khiển

tốc độ của động cơ điện 1 chiều. Chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng.

• Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển từ thơng: • Điều chỉnh từ thơng hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện

động của động cơ.

Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên. Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện

Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điểu khiển điện áp phần ứng: Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ. Khi thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng.

<b>1.3 Xây dụng phương trình mơ tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý </b>

1.3.1 Phân tích mơ hình hệ thống động cơ điện một chiều

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>Khái quát hệ thống: </b>

<b>• R: tín hiệu đặt góc quay • α: góc quay của động cơ • u: tín hiệu điều khiển động cơ • controller: bộ điều khiển • plant: hàm truyền </b>

<b>Các thơng số của động cơ: </b>

• Điện cảm phần ứng Lư: 17.5. H (Armature inductance) • Điện trở phần ứng Rư: 0.6 (Armature resistance) • Điện trở mạch kích từ Rkt: 400 (Field resistance) • Điện cảm kích từ Lkt: 80. H (Field inductance)

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>Các phương pháp điểu khiển động cơ điện 1 chiều </b>

Ta có phương trình tốc độ quay của động cơ:

Từ phương trình trên muốn thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều có 3 phương pháp: - Thay đổi điện trở phần ứng.

- Điều chỉnh từ thông.

- Điều chỉnh điện áp U phần ứng

<b>a. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng </b>

Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ khơng tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng. Điện áp U chỉ có thể thay

<b>đổi về phía giảm (U<Uđm) nên phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ. </b>

<b>b. Phương pháp thay đổi từ thông động cơ </b>

Để thay đổi từ thông động cơ: ta tiến hành thay đổi dịng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp này chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thơng. Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc hơn và có tốc độ khơng tải lớn hơn.

Đặc điểm:

• Từ thơng càng giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.

• Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thơng.

• Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1. • Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.

• Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thơng nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải khơng lớn (M1<Mc) thì tốc độ tăng khi từ thơng giảm. Cịn ở vùng tải lớn (M2>Mc) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dịng kích từ là 0,1% dòng định mức của phần ứng. Tổn hao điều chỉnh thấp.

<b>c. Phương pháp thay đổi từ thông động cơ: </b>

Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng. Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng:

• Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.

• Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về • phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)

• Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.

• Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải. Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều chỉnh càng nhỏ. Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh: D≈5:1

Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế thường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình khơng gian trạng thái </b>

1.3.2 Phân Tích Vật Lý

Xét phần ứng của động cơ

𝑉(𝑡) = 𝑈_𝑅ư(𝑡) + 𝑈_𝐿ư(𝑡) + 𝐸(𝑡) (01.1) Trong đó:

𝑉(𝑡) là điện áp đầu vào (V). 𝑈_𝑅ư(𝑡) là điện áp của điện trở (V).

𝑈_𝐿ư(𝑡) là điện áp hai đầu của cuộn cảm (V).

w là vận tốc góc quay của trục (rad/s). Phương trình chuyển động quay của phần động cơ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

𝜃̈ = ^{𝐾Φ𝑖 − 𝑏𝜃̇}_𝐽

Với: 𝐾 là hệ số.

𝑏 là hệ số cản của động cơ (Nms/rad). 𝐽 là momen quán tính (Nms/rad).

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Hàm truyền hệ thống

𝐺(𝑠) =^W(𝑠)_𝑉(𝑠) =(𝑅 + 𝐿𝑠)(𝐽s + 𝑏) + (𝐾Φ)^𝐾Φ <small>2</small>

10.9)

Mơ hình hóa hệ thống

<b>1.4 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. </b>

Vẽ trong biểu đồ 20-sim

Biểu đồ bond grab bao gồm các phần tử: • Se : là nguồn cung cấp cho hệ thống. • I,I2 tương ứng với giá trị L1,L2 trên sơ đồ. • R,R1 tương ứng với giá trị R1, R2 trên mạch

Controller

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Kết luận: vận tốc của động cơ chạy đến một tốc độ cực đại thì sẽ giảm xuống một mức nhất định vào chỉ hoạt động tại vận tốc đó.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<b>BÀI 2: BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN Ơ TƠ Bài số 2 </b>

<b> Cho c</b>ấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mơ hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2. Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo. Các thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 3500kg - Khối lượng bánh xe: 420kg

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô.

<b>- S</b>ử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus. - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<b>BÀI LÀM </b>

<b>2.1 Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô. </b>

Giới thiệu về hệ thống treo

Hệ thống treo của xe bus cũng như ơ tơ nói chung, là hệ thống liên kết đàn hồi các cầu xe (cầu chủ động và bị động) với khung và thân xe. Hệ thống treo thường bao gồm ba phần cơ bản: cơ cấu liên kết đàn hồi khung vỏ xe với các cầu xe, đảm bảo khi xe chuyển động cầu xe không va chạm với khung vỏ; cơ cấu truyền lực bao gồm các chốt, trục, thanh đòn, dầm cầu,…

<i><b>Hình 1: Hệ thống treo xe bus </b></i>

Hệ thống treo đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chạy với tốc độ cao, đảm bảo các bánh luôn tiếp xúc với mặt đường, nhất là khi hai bánh dẫn hướng của cầu trước. Chính trên cơ sở này hệ thống treo được phân ra làm hai loại: hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụ thuộc.

<b>2.2 Công dụng, yêu cầu và phân loại hệ thống treo </b>

2.2.1 Công dụng

Hệ thống treo là một tổ hợp các cơ cấu thực hiện liên kết các bánh xe với khung xe để đảm bảo độ êm dịu và an toàn chuyển động trên cơ sở tạo ra các dao động của thân xe và

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

bánh xe theo ý muốn, giảm các tải trọng va đập cho xe khi chuyển động trên địa hình khơng bằng phẳng. Ngồi ra hệ thống treo cịn dùng để truyền các lực và mô men tác động giữa bánh xe và khung xe (vỏ xe).

Phần tử giảm chấn: năng lượng dao động của thân xe và của các bánh xe được hấp thụ bởi các giảm chấn trên cơ sở biến cơ năng thành nhiệt năng.

Phần tử hướng: dùng để truyền các lực ngang, lực dọc và mô men từ mặt đường lên khung xe. Động học của phần tử hướng xác định đặc tính dịch chuyển của bánh xe đối với khung xe và ảnh hưởng tới tính ổn định và tính quay vịng của ơ tơ.

u cầu của các bộ phận trong hệ thống treo:

• Đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi xe chuyển động.

• Độ êm dịu chuyển động của ô tô được đánh giá qua giá trị cho phép của các thông số như tần số dao động riêng, biên độ dao động lớn nhất, gia tốc dao động lớn nhất…

• Sự thay đổi quĩ đạo lăn của các bánh xe không đáng kể để đảm bảo độ êm dịu chuyển động thẳng và tính năng thơng qua của ô tô.

a, Ph<i>ần tử hướng: </i>

Phần tử hướng có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và mô men từ mặt đường lên khung xe. Động học của phần tử hướng xác định đặc tính dịch chuyển của bánh xe đối với khung xe và ảnh hưởng tới tính ổn định và tính quay vịng của ô tô.

Độ nghiêng của thùng xe trong mặt phẳng ngang phải bé. Phần tử dẫn hướng có ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các phần tử đàn hồi (khoảng cách nhíp), tuỳ theo phần tử dẫn hướng mà ta có khoảng cách này lớn hay bé, phần tử dẫn hướng còn ảnh hưởng đến vị trí tâm của độ nghiêng bên.

Phần tử dẫn hướng phải đảm bảo bố trí hệ thống treo trên ô tô được thuận tiện. b, Phần tử đàn hồi:

Phần tử đàn hồi dùng để nối đàn hồi giữa bánh xe và thân xe, làm giảm các va đập đột ngột từ đường lên, đảm bảo độ êm dịu khi ô tô chuyển động.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Để thực hiện các nhiệm vụ trên, phần tử đàn hồi phải có độ cứng phù hợp với tải trọng của xe, nhằm tạo ra dao động với tần số thấp của thân xe theo yêu cầu đề ra (do tải trọng của xe thực tế là ln biến động, có lúc ơ tơ đủ tải, có lúc ơ tơ non tải, do vậy cần thiết phải có phần tử đàn hồi thay đổi độ cứng theo tải trọng).

2.2.2 Phân loại

Có rất nhiều cách phân loại hệ thống treo trên ô tô. Dựa vào những căn cứ khác nhau ta có thể phân loại hệ thống treo trên ô tô thành các loại cơ bản sau:

Dựa theo loại của bộ phận đàn hồi ta có thể chia ra:

• Bộ phận đàn hồi bằng kim loại: nhíp lá, lị xo, thanh xoắn.

• Bộ phận đàn hồi bằng khí nén: loại bọc bằng cao su – sợi, màng hoặc loại ống.

<i><b>Hình 2: Bộ phận đàn hồi bằng lò xo </b></i>

Dựa vào bộ phận dẫn hướng ta chia thành:

• Hệ thống treo phụ thuộc với cầu liền (loại riêng và loại thăng bằng). • Loại độc lập (một đòn, hai đòn,...).

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

2.2.3 Một số hệ thống treo thông dụng

Đặc trưng của hệ thống treo phụ thuộc là các bánh xe lắp trên một dầm cầu cứng. Trong trường hợp cầu xe là bị động thì dầm đó là một thanh thép định hình, cịn trường hợp là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong đó có một phần của hệ thống truyền lực. − Ưu điểm:

+ Trong quá trình chuyển động vết bánh xe được cố định do vậy không xảy ra hiện tượng mòn lốp nhanh như hệ thống treo độc lập.

+ Khi chịu lực bên (lực li tâm, lực gió bên, đường nghiêng). 2 bánh xe liên kết cứng bởi vậy hạn chế hiện tượng trượt bên bánh xe.

− Nhược điểm:

+ Khối lượng phần liên kết bánh xe (phần không được treo) lớn, đặc biệt là ở cầu chủ động.

+ Khoảng khơng gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm cầu có thể thay đổi vị trí, do vậy chỉ có thể lựa chọn là chiều cao trọng tâm lớn hoặc là giảm bớt thể tích chứa hàng hố sau xe.

<i><b>Hình 3: Hệ thống treo phụ thuộc thường được đặt ở trục cầu sau của xe ô tô </b></i>

<b>Hệ thống treo độc lập </b>

Đặc điểm của hệ thống treo này là:

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

− Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà lắp trên hai loại cầu rời, sự dịch chuyển của hai bánh xe không phụ thuộc vào nhau (nếu coi như thùng xe đứng yên).

− Mỗi bánh xe được liên kết bởi cách như vậy sẽ làm cho phần khối lượng không được treo nhỏ, như vậy mô men qn tính nhỏ do đó chuyển động của xe êm dịu.

Ngồi ra cịn có các hệ thống treo độc lập 2 địn ngang, hệ thống treo khí nén, hệ thống treo MacPherson... hoạt động dựa trên nguyên tắc và những bộ phận cơ bản ở trên với cơng nghệ và độ phức tạp cao hơn.

<i><b>Hình 4: Hệ thống treo độc lập thường ở trục cầu trước của xe ô tô. </b></i>

<b>Hệ thống treo đa liên kết </b>

Về bản chất, treo đa liên kết thuộc loại độc lập. Cải tiến từ “đàn anh” đòn chữ A đơi, treo đa liên kết sử dụng ít nhất 3 cần bên và một cần dọc. Những loại cần này không nhất thiết phải dài bằng nhau và có thể xoay theo một góc khác từ hướng ban đầu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<i><b>Hình 5: Hệ thống treo đa liên kết </b></i>

Mỗi cần đều có một khớp nối cầu hoặc ống lót cao su ở cuối, nhờ đó chúng ln ở trạng thái căng, nén và khơng bị bẻ cong.

<b>Hệ thống treo khí nén </b>

Ngồi các hệ treo đã kể trên thì trong hệ thống treo cịn hệ thống treo khí nén. Trong bình chứa khơng khí nén dưới áp suất từ (0,5 – 0,8 MN/M2). Khi bình chứa co lại thì có thể tích ở bên trong của bình giảm, áp suất khơng khí và độ cứng của hệ thống treo tăng.

<b>Một số ứng dụng về hệ thống treo </b>

Hệ thống treo khí nén chủ động Magic Body Control được áp dụng vào xe của Mercedes: Sử dụng các camera để theo dõi và phân tích địa hình qua đó điều chỉnh trước hệ thống treo khí nén nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và tính ổn định của xe lên mức tối đa.

Hệ thống treo khí nén chủ động sử dụng trí tuệ nhân tạo Audi AI Suspension System của Audi cũng sử dụng các camera để theo dõi và phân tích dự đốn trước địa hình để điều chỉnh hệ thống treo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<i><b>Hình 6: Hệ thống treo khí nén chủ động sử dụng camera lập thể </b></i>

<b>2.3 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo </b>

Phương trình mô tả hệ thống treo sử dụng phương pháp phân tích vật lý

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng trong thiết kế của xe. Khi đi qua những đoạn đường "ổ gà" gồ ghề, hệ thống này loại bỏ những dao động thẳng đứng, hạn chế các ảnh hưởng cơ học đến khung và các chi tiết kim loại, tránh việc xe bị "chồm" lên quá nhiều, đồng thời đem lại sự thoải mái cho người ngồi trong xe. Thiết kế hệ thống treo ô tô là một vấn thú vị và đầy thử thách. Khi hệ thống treo được thiết kế, chúng ta cần mơ hình ¼ chiếc xe (một trong bốn bánh xe) được sử dụng để đơn giản hóa vấn đề lên 1 hệ lò xo giảm chấn. Sơ đồ của hệ thống này được thể hiện như sau:

<i><b>Hình 7: Cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

<i><b>Hình 8: Mơ hình hệ thống treo xe bus. </b></i>

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 21 và 22. Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo. Các thông số của động cơ như sau:

- Khối lượng thân xe: 3500kg - Khối lượng bánh xe: 420kg - Độ cứng hệ treo K<small>1</small> : 80000N/m - Độ cứng lốp xe K<small>2</small> : 500000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m Yêu cầu của hệ thống để được coi là ổn định:

- Hệ thống ổn định giao động trong khoảng 0<small></small>⁵⁽<i><small>mm</small></i>⁾

- Khoảng thời gian xác lập <small></small>^{0.5( )}<i><small>s</small></i>

<b>Phân tích hệ thống treo </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh)(cho phép trọng lượng được phép bỏ qua). Ta chọn chiều dương theo hướng x₁ và x₂ như hình vẽ:

Phân tích Body Mass khối lượng M1, giả sử Suspension Mass khối lượng M2 cố định:

</div>