PHẠM THỊ NGUYỆT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC
CỦA HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG

PHẠM THỊ NGUYỆT

2011 - 2013
Hà Nội
2013

HÀ NỘI 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC
CỦA HỆ THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG

NGÀNH : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
8

PHẠM THỊ NGUYỆT

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. PHẠM HỮU NAM

HÀ NỘI 2013


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này tác giả đã nhận được sự
quan tâm giúp đỡ tận tình của rất nhiều người. Tác giả xin bày tỏ lòng trân
trọng và cảm ơn đến:
Thầy PGS.TS Phạm Hữu Nam, người hướng dẫn khoa học trực tiếp.
Người đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và
giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
Quý thầy cô và các anh chị trong Bộ môn Ơ tơ và xe chun dùng,
Viện Cơ khí động lực, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ dẫn
và tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu tại đây.
Nhóm học viên Cao học chuyên ngành Ơ tơ và xe chun dùng và
chun ngành Động cơ đốt trong đang theo học chương trình Cao học của
trường Đại học Bách khoa Hà Nội mở tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật
Hưng Yên.
Gia đình, bạn bè và các thầy cơ giáo thuộc khoa Cơ khí động lực,
trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên. Những người đã luôn ở bên cổ
vũ động viên tôi trong thời gian học tập cũng như làm luận văn.

Hưng Yên, ngày 5 tháng 1 năm 2013


Phạm Thị Nguyệt

-1-


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ...................................................................................................................
1
Mục lục

...................................................................................................................
2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...........................................................................
4
Danh mục các bảng .........................................................................................................
5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ..........................................................................................
6
Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...............................................
9
1.1 Lĩnh vực nghiên cứu ...........................................................................................
9
1.2 Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................
10
1.3 Các vấn đề liên quan đến đối tượng nghiên cứu ................................................
10
1.3.1 Vai trò của hệ thống treo trên ô tô ............................................................

10
1.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô ...................................................
11
1.3.3 Các yêu cầu của hệ thống treo ..................................................................
15
1.4 Phương trình mơ tả dao động hệ thống treo .......................................................
16
1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ........................................................
22
1.5.1 Tình hìnhn nghiên cứu trong nước............................................................
22
1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .............................................................
23
1.6 Đặt vấn đề nghiên cứu ........................................................................................
24
Chương II. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU GIẢM CHẤN CÓ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ 26
THỐNG TREO BÁN CHỦ ĐỘNG ................................................................................
2.1 Kết cấu của giảm chấn ..............................................................................................
26
2.2 Các chế độ làm việc của giảm chấn ..........................................................................
28
2.2.1 Lực giảm chấn mềm ........................................................................................
28
2.2.2 Lực giảm chấn trung bình ................................................................................
29
2.2.3 Lực giảm chấn cứng ........................................................................................
29
2.3 Hệ thống điều khiển giảm chấn .................................................................................
30
2.4 Kết luận .....................................................................................................................

34
Chương III. MƠ HÌNH TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG 36

-2-


TREO BÁN CHỦ ĐỘNG ...............................................................................................
3.1 Mơ hình ¼ hệ thống treo bán chủ động ....................................................................
36
3.2 Xây dựng phương trình vi phân chuyển động...........................................................
37
3.3 Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái ..........................................................
37
3.4 Xây dựng hàm điều khiển hệ thống treo bán chủ động ............................................
40
3.4.1 Hàm mục tiêu của bài toán ..............................................................................
40
3.4.2 Xây dựng hàm điều khiển hệ thống treo ........................................................
42
3.5 Kết luận ....................................................................................................................
46
Chương IV. MƠ PHỎNG SỐ .........................................................................................
48
4.1 Thơng số đầu vào mô phỏng .....................................................................................
48
4.2 Giới thiệu về công cụ Simulink ................................................................................
49
4.2.1 Đặc điểm của Simulink ...................................................................................
49
4.2.2 Cấu trúc của một sơ đồ Simulink ....................................................................

49
4.2.3 Trình tự thực hiện quá trình mơ phỏng............................................................
50
4.3 Xây dựng chương trình mơ phỏng dao động của hệ thống treo bằng công 52
cụ Simulink .....................................................................................................................
4.3.1 Khối mô phỏng mặt đường ..............................................................................
52
4.3.2 Khối mô phỏng hệ thống treo bị động .............................................................
54
4.3.3 Khối mô phỏng hệ thống treo bán chủ động ...................................................
56
4.4 Phân tích kết quả .......................................................................................................
57
4.4.1 Đồ thị trong miền tần số của lực kích động mặt đường ..................................
57
4.4.2 Đồ thị trong miền thời gian .............................................................................
59
KẾT LUẬN .....................................................................................................................
66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................
68
PHỤ LỤC ........................................................................................................................
70

-3-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu


Tên gọi

Đơn vị

ms

Khối lượng phần được treo

kg

mu

Khối lượng phần không được treo

kg

ks

Độ cứng của phần tử đàn hồi

N/m

kt

Độ cứng của lốp xe

N/m

bs


Hệ số cản giảm chấn của phần tử giảm chấn

N.s/m

bt

Hệ số cản giảm chấn của lốp xe

N.s/m

bsemi

Hệ số cản giảm chấn có điều khiển trên hệ thống treo bán N.s/m
chủ động

zs

Chuyển vị thẳng đứng của khối lượng được treo

m

zu

Chuyển vị thẳng đứng của khối lượng không được treo

m

zr

Chiều cao nhấp nhô mặt đường theo phương thẳng đứng


m

i

Bộ trọng số của hàm mục tiêu (i = 1 ÷ 4)

f

Tần số dao động

LQG

Tồn phương tuyến tính Gauss (Linear Quadratic Gaussian)

LQR

Tồn phương tuyến tính lặp (Linear Quadratic Regular)

ECU

bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm (Electronic Control
Unit)

MR

Từ hóa (Magneto Rheological)

ER


Điện hóa (Electro Rheological)

Hz

-4-


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
2.1

Diễn giải
Điện áp điều khiển của ECU.

-5-

Trang
32


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình

Diễn giải

Trang

1.1

Đường đặc tính của gia tốc và thời gian đáp ứng với tần số dao

động.

13

1.2

Quan hệ giữa tần số dao động với vận tốc, gia tốc và biên độ
dao động.

14

1.3

Mơ hình ¼ hệ thống treo bị động.

17

1.4

Các lực tác dụng lên khối lượng được treo.

18

1.5

Các lực tác dụng lên khối lượng không được treo.

18

1.6


Mơ hình hệ thống treo có điều khiển.

21

2.1

Cấu tạo và các trạng thái đóng mở lỗ tiết lưu của giảm chấn

26

2.2

Cấu tạo của động cơ bước.

27

2.3

Sơ đồ nối dây động cơ bước.

28

2.4

Hoạt động của giảm chấn điện từ khi lực giảm chấn mềm.

29

2.5


Hoạt động của giảm chấn điện từ khi lực giảm chấn trung bình.

29

2.6

Hoạt động của giảm chấn điện từ khi lực giảm chấn cứng.

30

2.7

Sơ đồ hệ thống điều khiển giảm chấn

30

2.8

Sơ đồ mạch điện điều khiển giảm chấn

31

2.9

Hoạt động của động cơ bước

32

2.10


Sự chúi đuôi xe.

33

2.11

Sự nghiêng ngang thân xe.

33

2.12

Sự chúi mũi xe.

34

3.1

Mơ hình ¼ hệ thống treo bán chủ động.

36

3.2

Sơ đồ khối mơ hình ¼ hệ thống treo bán chủ động.

39

4.1


Các khối chức năng.

50

4.2

Lập đường truyền kết nối giữa các khối chức năng.

50

4.3

Các khối chức năng sau khi kết nối hồn chỉnh.

51

4.4

Nhập thơng số mơ phỏng.

51

-6-


4.5

Hiển thị kết quả mô phỏng


52

4.6

Nhấp nhô mặt đường dạng hình sin.

52

4.7

Nhấp nhơ mặt đường dạng bước nhảy.

53

4.8

Khối mơ phỏng nhấp nhô mặt đường đơn giản

53

4.9

Biên dạng ngẫu nhiên của mặt đường và hàm mật độ Gauss.

54

4.10

Khối mô phỏng nhấp nhô mặt đường như đại lượng ngẫu nhiên.


54

4.11

Khối mô phỏng hệ thống treo bán chủ động.

54

4.12

Khối tính hệ số cản giảm chấn bsemi tối ưu.

55

4.13

Khối lấy kết quả mô phỏng.

56

4.14

Khối mô phỏng hệ thống treo bị động.

56

4.15

Thay thế đầu vào và ra của khối mô phỏng hệ thống treo bị
động.


57

4.16

So sánh gia tốc khối lượng được treo của hệ thống treo bán chủ
động và hệ thống treo bị động trong miền tần số.

58

4.17

So sánh không gian làm việc của hệ thống treo bán chủ động và
hệ thống treo bị động trong miền tần số.

58

4.18

So sánh biến dạng lốp của hệ thống treo bán chủ động và hệ
thống treo bị động trong miền tần số.

59

4.19

So sánh gia tốc khối lượng được treo của hệ thống treo bán chủ
động và hệ thống treo bị động trong miền thời gian với nhấp
nhô mặt đường có dạng hình sin.


60

4.20

So sánh khơng gian làm việc của hệ thống treo bán chủ động và
hệ thống treo bị động trong miền thời gian với nhấp nhô mặt
đường có dạng hình sin.

61

4.21

So sánh biến dạng lốp của hệ thống treo bán chủ động và hệ
thống treo bị động trong miền thời gian với nhấp nhơ mặt
đường có dạng hình sin.

61

4.22

Quan hệ giữa gia tốc khối lượng được treo và hệ số cản giảm
chấn bsemi.

62

4.23

So sánh gia tốc khối lượng được treo của hệ thống treo bán chủ
động và hệ thống treo bị động trong miền thời gian với nhấp
nhơ mặt đường có dạng bước nhảy.


63

-7-


4.24

So sánh không gian làm việc của hệ thống treo bán chủ động và
hệ thống treo bị động trong miền thời gian với nhấp nhơ mặt
đường có dạng bước nhảy.

64

4.25

So sánh biến dạng lốp của hệ thống treo bán chủ động và hệ
thống treo bị động trong miền thời gian với nhấp nhơ mặt
đường có dạng bước nhảy.

64

-8-


Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Lĩnh vực nghiên cứu
Lĩnh vực nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu dao động của ô tô. Khi ô tô làm
việc, có hai ngun nhân chính gây ra dao động. Thứ nhất là dao động có tính quy
luật được gây ra bởi các chi tiết quay trên xe như trục khuỷu động cơ, bánh đà, các

bánh răng trong hộp số, trục các đăng,…. Thứ hai là dao động có tính ngẫu nhiên
được gây ra do ô tô chuyển động trên mặt đường khơng bằng phẳng, lực cản gió,…
Nghiên cứu dao động trên ơ tơ có vai trị đặc biệt quan trọng. Bởi những dao
động này có ảnh hưởng lớn đến độ bền các bộ phận cũng như những chỉ tiêu khác
đặt ra khi thiết kế ô tô. Một trong số đó là chỉ tiêu đảm bảo độ êm dịu chuyển động
cho người và hàng hóa trên xe.
Những dao động có tính quy luật được sinh ra chủ yếu do sự mất cân bằng
động của các chi tiết chuyển động quay. Từ đó sinh ra lực qn tính ly tâm thay đổi
theo mỗi chu kỳ quay của chi tiết máy. Do đó dao động thường thay đổi tùy thuộc
vào tốc độ quay của các chi tiết. Những dao động này rất khó triệt tiêu hồn tồn
nhưng lại có thể làm giảm tới mức thấp nhất. Điều đó được thực hiện bằng cách tính
tốn phân phối khối lượng vật quay để khử lực qn tính và mơ men qn tính. Do
đó nhìn chung những dao động mang tính quy luật khơng gây ra lực tác dụng quá
lớn lên các bộ phận ô tơ trong q trình làm việc.
Tải trọng tác dụng lên ô tô do dao động ngẫu nhiên thường có ảnh hưởng lớn
hơn nhiều so với tải trọng mà dao động có tính quy luật tạo ra. Bởi ngồi việc gây
ra những hư hỏng cho các chi tiết máy mà điển hình nhất là những hư hỏng do mỏi
thì dao động ngẫu nhiên còn gây ra các tải trọng va đập lớn đặc biệt khi xe di
chuyển trên những địa hình xấu. Do vây khi khảo sát vấn đề dao động trên ơ tơ thì
dao động ngẫu nhiên ln được các nhà nghiên cứu đặt lên hàng đầu.
Ơ tơ là một tổ hợp rất nhiều hệ thống ghép nối phức tạp, cho nên để đáp ứng
việc đảm bảo dao động ngẫu nhiên trên ơ tơ là nhỏ nhất thì người thiết kế cần phải
giải quyết rất nhiều vấn đề liên quan. Nghĩa là có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
dao động ngẫu nhiên trên ô tô như: kết cấu vỏ, kiểu dáng khí động học của ơ tơ, hệ

-9-


thống treo, kết cấu và áp suất hơi của lốp,… Trong số đó, hệ thống treo có vai trị
đặc biệt quan trọng và có ảnh hưởng quyết định đến dao động ngẫu nhiên trên ơ tơ.

Việc nghiên cứu tính tốn hợp lý hệ thống treo là một trong những vấn đề mấu chốt
giải quyết bài tốn dao động trên ơ tô.
1.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống treo ơ tơ, qua đó khảo sát so sánh
khả năng làm việc, khả năng đảm bảo dao động của ơ tơ giữa hệ thống treo có điều
khiển và hệ thống treo không điều khiển.
Như vậy với mục đích nghiên cứu đặt ra như trên, trước hết cần tìm hiểu các
vấn đề liên quan đến hệ thống treo gồm có: vai trị của hệ thống treo trên ô tô; các
chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô; các yêu cầu đối với hệ thống treo. Các chỉ tiêu
sẽ là thước đo khả năng đáp ứng tốt hay không tốt của một hệ thống treo. Những nội
dung trên sẽ được trình bày ở phần dưới đây.
1.3 Các vấn đề liên quan đến đối tượng nghiên cứu
1.3.1 Vai trị của hệ thống treo trên ơ tơ
Hệ thống treo là bộ phận đàn hồi đặt giữa phần được treo (thân xe) và phần
không được treo (cầu xe và bánh xe), hình thành một liên kết “mềm” giữa hai phần.
Hệ thống treo có vai trị ngăn cách thân xe với bánh xe, qua đó nó có tác dụng làm
giảm tải trọng động thẳng đứng tác dụng từ bánh xe lên thân xe và dập tắt nhanh các
dao động của thân xe khi bánh xe chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng.
Ngồi ra, hệ thống treo cịn giúp truyền lực từ bánh xe lên thân xe và ngược lại, để
xe có thể chuyển động được.
Để thực hiện được nhiệm vụ đó, hệ thống treo bao gồm có các bộ phận chính
là đàn hồi, dẫn hướng, giảm chấn.
Bộ phận đàn hồi có tác dụng làm êm dịu sự chuyển động của thân xe, giảm tải
trọng va đập tác dụng lên thân xe khi đi trên mặt đường mấp mô. Bộ phận đàn hồi
thường là lị xo hoặc nhíp với thơng số kỹ thuật đặc trưng là độ cứng k. Bộ phận dẫn
hướng có nhiệm vụ: xác định quan hệ dịch chuyển tương đối của bánh xe so với
thùng xe, cho phép dịch chuyển theo phương thẳng đứng và hạn chế các chuyển

-10-



dịch khác không mong muốn của bánh xe; truyền lực và mô mên từ bánh xe lên
thùng xe hoặc khung xe. Bộ phận giảm chấn dùng để dập tắt các dao động do bộ
phận đàn hồi tạo ra nhờ vậy mà bảo vệ bộ phận đàn hồi. Giảm chấn trên ô tô có
nhiều loại, trong đó thường sử dụng giảm chấn thủy lực hay khí nén với thơng số kỹ
thuật đặc trưng là hệ số cản giảm chấn b.
Tóm lại hệ thống treo ô tô thực hiện các nhiệm vụ như nâng đỡ trọng lượng
thân xe, duy trì sự tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường, đảm bảo sự ổn định chuyển
động của xe, ngăn cách giữa thân xe với những rung động của bánh xe khi xe
chuyển động trên mặt đường mấp mô đem lại sự êm dịu chuyển động và khả năng
bám đường của phương tiện.
1.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô
Khi ô tô chuyển động trên đường, dao động xuất hiện trong tồn bộ hệ thống
của xe dưới tác động kích thích của các mấp mô biên dạng đường. Dao động của ô
tô ảnh hưởng đến người ngồi trên xe, hàng hóa chuyên chở cũng như độ bền và tuổi
thọ của các kết cấu ô tô. Các chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô được xây dựng trên
cơ sở đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động ô tô đến con người, hàng hóa và an
tồn trong q trình chuyển động. Có rất nhiều chỉ tiêu đưa ra để đánh giá ảnh
hưởng của dao động trên ô tô trong đó có các chỉ tiêu cơ bản sau:
- Các chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu chuyển động;
- Chỉ tiêu về hành trình làm việc của hệ thống treo;
- Chỉ tiêu về độ bám đường và lực tác dụng của hệ dao động lên mặt đường.
a. Các chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu chuyển động
Các chỉ tiêu đánh giá về độ êm dịu chuyển động nhằm mục tiêu kiểm sốt các
rung động của ơ tơ, sao cho cảm giác mà hành khách ngồi trên xe cảm nhận được là
khơng vượt q một giới hạn nhất định. Ngồi ra các chỉ tiêu này đưa ra còn nhằm
tập trung giải quyết về tính tốn độ bền của ơ tơ. Tuy nhiên, do sự nhạy cảm của
mỗi người đối với rung động là khác nhau nên giới hạn đánh giá độ êm dịu sẽ rất
khó xác định chung và phù hợp cho mọi người.
Phương pháp chung để xây dựng các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động


-11-


là nghiên cứu phản ứng của con người với dao động khích thích hình sin nhằm nhận
dạng các vùng cảm giác về sự dễ chịu (hoặc khó chịu) của con người ứng với các
giá trị biên độ, tốc độ hoặc gia tốc của dao động tác dụng theo một hướng nhất định
(từ chân đến đầu, từ bên này sang bên kia hoặc từ trước ra sau) ứng với dải tần số
nhất định.
Hiện nay có nhiều chỉ tiêu đánh giá chất lượng độ êm dịu tùy theo quan điểm
của chuyên gia nghiên cứu, tùy từng quốc gia và các tổ chức nghiên cứu tác động
của dao động đến con người. Các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động gồm:
1. Tần số dao động
Tần số dao động của phần được treo là chỉ tiêu đầu tiên để đánh giá độ êm dịu
chuyển động của ô tô. Giá trị cho phép của tần số dao động được xác định theo tần
số dao động phù hợp với người đi bộ. Một người khi đi bộ có thể coi như một hệ
dao động với tần số riêng. Tùy thuộc vào hình thể, trọng lượng, thói quen của từng
người mà có thể bước đi trong 1 phút khoảng 60 ÷ 90 bước, tương ứng với tần số
dao động khoảng 1 ÷ 1,5 Hz. Khi đi xe ô tô, con người sẽ bị dao động theo tần số
dao động của phần được treo, tần số dao động của phần được treo làm cho người dễ
chịu nhất khi nó nằm trong khoảng tần số dao động riêng của người đó. Nếu tần số
dao động nằm ngồi khoảng tần số dao động riêng của con người sẽ nhanh chóng
làm người ngồi trên xe xuất hiện cảm giác mệt mỏi.
2. Gia tốc và thời gian dao động
Dao động của ơ tơ ở những gia tốc khác nhau có ảnh hưởng lớn đến khả năng
chịu đựng của con người ngồi trên ơ tơ. Nhìn chung, khi gia tốc càng tăng thì thời
gian chịu được dao động của cơ thể người càng giảm. Do đó gia tốc dao động là
một chỉ tiêu quan trọng đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô. Để cải thiện độ
êm dịu chuyển động thì ngồi việc giảm biên độ gia tốc dao động còn phải giảm
thời gian dao động ở gia tốc đó.

Trên hình 1.1 là tiêu chuẩn ISO2631-1985 mơ tả khả năng chịu đựng được của
con người trong điều kiện dao động của cabin máy kéo. Có thể thấy rằng ở tần số từ
4 ÷ 8 Hz nếu gia tốc dao động thẳng đứng của cabin là 0,15 m/s2 thì người ngồi trên

-12-


xe chịu được thời gian tối đa là 24 giờ. Còn cũng trong dải tần số ấy, nếu gia tốc
tăng lên 3,15 m/s2 thì người ngồi trên cabin chỉ chịu được trong thời gian 1 phút.

Hình 1.1. Đường đặc tính của gia tốc và thời gian đáp ứng với tần số dao động.
3. Biên độ và vận tốc dao động
Theo tiêu chuẩn êm dịu chuyển động J6a của Hiệp hội kỹ sư ơ tơ quốc tế (SAE
international) thì khi tần số tăng thì biên độ dao động giảm đáng kể (hình 1.2). Theo
đó, quan hệ giữa tần số và giới hạn biên độ dao động được chia ra 3 vùng, mỗi vùng
có các chỉ tiêu đánh giá êm dịu khác nhau, cụ thể là:
Trong khoảng tần số từ 1 ÷ 6 Hz giá trị đỉnh của đặc tính được xác định bằng
tích của biên độ và lập phương của tần số góc dao động khơng được vượt q 12.6
m/s3. Ví dụ ứng với tần số f = 1 Hz (tần số góc  = 2πf = 2π rad/s), thì giá trị biên
độ dao động cho phép là: 12,6 m.s-3/ (2π rad.s-1)3 = 0,0508 m;
Trong khoảng tần số 6 ÷ 20 Hz, giá trị của đỉnh gia tốc được xác định bằng
tích biên độ và bình phương của tần số góc dao động không được nhỏ hơn 0,33
m/s2.
Trong khoảng tần số từ 20 ÷ 60 Hz, giá trị đỉnh của vận tốc được quy dịnh
bằng tích của biên độ và tần số góc khơng được vượt q 2,7 m/s.

-13-


Hình 1.2. Quan hệ giữa tần số dao động với vận tốc, gia tốc và biên độ dao động.

Tóm lại, các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển động của ô tô nhằm mục đích đảm
bảo dao động của ô tô nằm trong giới hạn chịu đựng của con người. Ngồi ra nó cịn
là cơ sở để tính tốn bền các bộ phận trên ô tô. Các chỉ tiêu về độ êm dịu chuyển
động bao gồm tần số, biên độ, vận tốc, gia tốc và thời gian dao động và chúng có
mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau.
b. Chỉ tiêu hành trình làm việc của hệ thống treo
Hành trình làm việc của hệ thống treo được tính bằng giá trị cực đại của hiệu
số giữa chuyển vị phần được treo và không được treo max ( zs − zu ) . Hay đó chính là
khơng gian làm việc cần thiết cho hệ thống treo hoạt động không xảy ra va đập lên

-14-


các ụ hạn chế trong các hành trình nén và hành trình xả của hệ thống. Khi hành trình
làm việc của hệ thống treo thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi về các thông số dao động
của phần không được treo và phần được treo như biên độ, tần số, gia tốc dao
động,…. Chỉ tiêu này sẽ đảm bảo hành trình làm việc của hệ thống treo nằm trong
một khoảng nhất định để dao động của ô tô hợp lý ( f dt  max ( zs − zu )  f dn ) .
c. Chỉ tiêu về độ bám đường
Khi ô tô chuyển động trên đường, do xe bị dao động nên lực pháp tuyến tác
dụng giữa lốp xe và mặt đường luôn thay đổi. Lực pháp tuyến này đặc trưng cho
khả năng bám đường của ô tô. Ngoài ra các trị số của các thành phần lực như lực
ngang, lực kéo, lực phanh phát huy tại vùng tiếp xúc của bánh xe và mặt đường phụ
thuộc vào lực pháp tuyến giữa lốp và mặt đường. Do vậy dao động thẳng đứng của
bánh xe sẽ ảnh hưởng đến khả năng bám đường, tính điều khiển cũng như tới tải
trọng tác dụng lên mặt đường.
Do hệ số cản giảm chấn của lốp thường nhỏ hơn nhiều so với hệ số cản giảm
chấn của hệ thống treo, cho nên có thể coi như lực pháp tuyến giữa mặt đường và
lốp xe sẽ tỉ lệ thuận với dịch chuyển tương đối giữa lốp xe và mặt đường (zu – zr),
hay còn gọi là biến dạng động của lốp. Trị số biến dạng động càng nhỏ thì lực tác

dụng lên mặt đường càng nhỏ (tính bảo vệ đường tốt) và ngược lại.
1.3.3 Các yêu cầu của hệ thống treo
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến dao động của ô tô khi di chuyển, trong đó hệ
thống treo là một yếu tố đóng vai trò then chốt quyết định sự dao động của thân xe.
Để đáp ứng được mục đích chính là treo mềm cụm bánh xe theo phương thẳng
đứng, đồng thời thỏa mãn được những chỉ tiêu đánh giá dao động của ô tô như đã
đề cập ở trên thì hệ thống treo cần phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
Quan hệ động lực học và động học chuyển động bánh xe như: tính chất động
học bánh xe dẫn hướng, độ bám đường của bánh xe,...;
Độ cứng vững và độ tin cậy cao khi làm việc;
Trọng lượng phần không được treo nhỏ;
Giảm tới mức tối thiểu dao động của phần được treo và các chuyển động theo

-15-


phương không mong muốn;
Không gian làm việc của hệ thống treo nhỏ qua đó giảm bớt kích thước của hệ
thống, để đáp ứng yêu cầu kết cấu hệ thống treo nhỏ gọn.
Bánh xe không được tạo ra áp lực quá lớn lên mặt đường, gây tác động xấu
đến mặt đường;
Khả năng thích nghi tốt của ơ tơ khi di chuyển trên những loại mặt đường có
độ mấp mơ khác nhau.
Nhận xét:
Do đặc điểm của các thông số kết cấu hệ thống treo (gồm các khối lượng dao
động, độ cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn của phần tử giảm chấn,
các kích thước bố trí) mà các đáp ứng đầu ra của hệ thống không thể thỏa mãn đồng
thời các chỉ tiêu đã đặt ra về độ êm dịu, về khả năng bám đường, về không gian làm
việc cho hệ thống hoạt động tốt nhất, hoặc việc đáp ứng các chỉ tiêu lại có sự mâu
thuẫn nhau, ví dụ:

Tăng độ êm dịu chuyển động thì cần giảm độ cứng của hệ thống treo, nhưng
điều đó sẽ làm tăng không gian làm việc của hệ thống;
Muốn tăng khả năng bám đường của phương tiện thì cần tăng áp lực pháp
tuyến của bánh xe với mặt đường, nhưng điều đó lại làm mặt đường nhanh hỏng.
Giảm dao động của phần không được treo lại làm tăng cường độ dao động của
phần không được treo, làm cho phần tử đàn hồi và giảm chấn phải hấp thụ lực tác
dụng lớn hơn, đồng thời bánh xe cũng tác dụng lực lớn hơn lên mặt đường.
Như vậy hệ thống treo hiện tại thường chỉ đảm bảo được chỉ tiêu chính là êm
dịu chuyển động. Cịn các u cầu khác thì vẫn chưa được tính tốn đến.
1.4 Phương trình mơ tả dao động hệ thống treo
Các phương pháp xây dựng mơ hình dao động của hệ thống treo gồm mơ hình
¼, mơ hình ½ và mơ hình tồn xe. Phần này sẽ trình bày phương pháp xây dựng
phương trình vi phân mơ tả dao động của hệ thống treo trên cơ sở mơ hình ¼.
Các khối lượng quy dẫn khi mơ hình hóa hệ thống treo gồm khối lượng phần
khơng được treo và khối lượng phần được treo. Trong đó, khối lượng được treo ký

-16-


hiệu là ms gồm các khối lượng như thân xe, khung xe, động cơ, hàng hóa và hành
khách,... có trọng tâm đặt tại trọng tâm xe. Khối lượng không được treo ký hiệu là
mu gồm khối lượng vành bánh xe, cầu xe,...
Hệ thống treo liên kết mềm giữa khối lượng ms và mu gồm lị xo có độ cứng
ký hiệu là ks và giảm chấn có hệ số cản giảm chấn là bs. Lốp xe là một phần tử đàn
hồi nên cũng được mơ hình hóa thành một lị xo có độ cứng ký hiệu là kt và một
giảm chấn có hệ số cản giảm chấn ký hiệu là bt.
Lực kích động gây ra dao động cho cơ hệ do các nhấp nhô của mặt đường sinh
ra. Các dao động của ô tô sinh ra khi di chuyển gồm: dao động thẳng đứng, dao
động lắc ngang và lắc dọc của thân xe. Trong đó dao động theo phương thẳng đứng
là lớn nhất và là thơng số đánh giá tính êm dịu chuyển động của ơ tơ.

Mơ hình hệ thống treo ¼ là mơ hình cơ bản nhất để khảo sát dao động của ơ tơ
thích hợp cho việc nghiên cứu dao động theo phương thẳng đứng của thân xe hay
của một bánh xe. Mơ hình ¼ hệ thống treo được biểu diễn như ở hình 1.3.
ms
zs

ks

bs

mu

zu

bt

kt

zr
Hình 1.3. Mơ hình ¼ hệ thống treo bị động.
Trong mơ hình trên, tọa độ suy rông zs được gắn với khối lượng ms, zu với
khối lượng mu tương ứng là độ lệch của các khối lượng đó so với vị trí cân bằng

-17-


tĩnh của chúng. Tọa độ zr gắn với vị trí tiếp xúc của bánh xe với mặt đường chỉ độ
lệch của vị trí đó so với một vị trí cố định chọn trước. Hệ dao động gồm hai bậc tự
do là dao động thẳng đứng của ms và mu theo tọa độ zs và zu.
Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho hệ dựa trên nguyên lý

Đalămbe. Theo nguyên lý này,

F + F

qt

= 0 , trong đó

F

là tổng các ngoại lực

tác dụng lên vật, Fqt là lực quán tính. Dưới đây tiến hành lập phương trình cân bằng
cho từng vật. Đối với khối lượng được treo, các ngoại lực tác dụng là:
Fqt
ms
zs
Fb

Fk

Hình 1.4. Các lực tác dụng lên khối lượng được treo.
Lực do phần tử đàn hồi của hệ thống treo tác dụng lên:

Fk = ks ( zs − zu )
Lực do phần tử giảm chấn của hệ thống treo tác dụng lên:

Fb = bs ( zs − zu )
Lực quán tính của khối lượng được treo:


Fqt = ms .zs
Phương trình cân bằng lực:

ms .zs + bs ( zs − zu ) + ks ( zs − zu ) = 0

(1-1)

Với khối lượng không được treo, các ngoại lực tác dụng như sau:
Fqt1

Fk

mu
Fk1

Fb

zu
Fb1

Hình 1.5. Các lực tác dụng lên khối lượng không được treo.

-18-


Lực do phần tử đàn hồi của và phần tử giảm chấn hệ thống treo tác dụng lên:

Fk = −ks ( zs − zu )
Fb = −bs ( zs − zu )
Lực đàn hồi của lốp xe:


Fk1 = kt ( zu − zr )
Lực giảm chấn của lốp xe:

Fb1 = bt ( zu − zr )
Lực quán tính của khối lượng khơng được treo:

Fqt 2 = mu .zu
Phương trình cân bằng lực khối lượng không được treo:

mu .zu + bt ( zu − zr ) + kt ( zu − zr ) − bs ( zs − zu ) − ks ( zs − zu ) = 0

(1-2)

Từ (1-1) và (1-2), phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ như sau:


ms .zs + bs ( zs − zu ) + ks ( zs − zu ) = 0



mu .zu + ( bt + bs ) zu − bs .zs + ( kt + ks ) .zu − ks .zs = bt .zr + kt .zr

(1-3)

Biểu diễn dưới dạng ma trận:
ms
0



0   zs   bs
−bs   zs   ks
+
+



mu   zu  −bs bs + bt   zu  −ks

−ks   zs   0 
 0
=   zr +   zr



ks + kt   zu  bt 
kt 

Đặt các giá trị:
0
−bs 
m
b
k
M = s
;B =  s
;K =  s


 0 mu 

 −bs bs + bt 
 −k s
0
0
z 
H1 =   ; H 2 =   ; z =  s 
bt 
kt 
 zu 

−k s 
;
ks + kt 

Thu được:

M.z + Bz + Kz = H1zr + H2 zr

(1-4)

Phương trình (1-3) hay (1-4) là các phương trình vi phân chuyển động của hệ
thống treo nói chung. Trong đó, lực kích thích dao động từ mặt đường là thành phần
lực F = bt .zr + kt .zr .

-19-


Các thông số cơ bản của hệ thống treo bị động gồm độ cứng ks của phần tử
đàn hồi và hệ số cản giảm chấn bs được tính như sau:
Tính độ cứng ks

Độ cứng ks được tính tốn với mục tiêu đảm bảo chỉ tiêu êm dịu chuyển động.
Tức là tần số dao động riêng của phần được treo ô tô phải phù hợp với tần số dao
động mà con người chịu được. Tần số mà con người chịu được lâu dài thường lấy
bằng tần số dao động của người đi bộ. Để đáp ứng được điều kiện đó, số lần dao
động trong một phút của khối lượng được treo ở xe chở người (xe buýt và xe du
lịch) là n = 60 ÷ 80 lần/phút; đối với xe tải, n = 80÷ 100 lần/phút.
Độ cứng ks của phần tử đàn hồi được tính theo cơng thức:

  .n 
ks = ms . = ms 
 ,( N / m)
 30 
2

2

Với  =

 .n
30

là tần số dao động riêng của khối lượng được treo.

Tính hệ số cản giảm chấn bs
Hệ số cản giảm chấn (bs) của giảm chấn theo công thức:

bs =  .

 .Zbx
3,13. ft


, ( Ns / m)

Trong đó:
Hệ số tắt chấn  = 0,15 ÷ 0,25;
Zbx = ms.g là lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe (N);
α là hệ số quy dẫn phụ thuộc vào vị trí đặt giảm chấn;
ft là độ võng tĩnh của hệ thống treo được xác định theo điều kiện êm dịu của
2

 30 
chuyển động: ft =   , ( m) .
n
Như vậy, đối với xe buýt và xe du lịch n =60 ÷ 80 lần/phút thì ft dao động
trong khoảng từ 0,14 ÷ 0,25 m, đối với xe tải n =80 ÷ 100 lần/phút thì ft = 0,09 ÷
0,14 m. Do ft thay đổi trong một khoảng nhất định nên với mỗi loại xe, ứng với các
giá trị α, , ms đã biết thì hệ số cản giảm chấn bs có thể được lựa chọn trong một

-20-


khoảng tương ứng, tức là: bmin1  bs  bmax1
Hệ thống treo khơng điều khiển và có điều khiển:
Hệ thống treo khơng điều khiển cịn được gọi là hệ thống treo bị động có các
thơng số đặc trưng là độ cứng của phần tử đàn hồi và hệ số cản giảm chấn của phần
tử giảm chấn có giá trị khơng thay đổi cùng với sự thay đổi liên tục của các kích
thích từ mặt đường khi xe di chuyển.
Hệ thống treo có điều khiển gồm hai loại: hệ thống treo hoàn toàn chủ động và
hệ thống treo bán chủ động. Với hệ thống treo loại này, hệ số cản giảm chấn hoặc
độ cứng phần tử đàn hồi có thể thay đổi được đồng thời với sự thay đổi của các kích

thích từ mặt đường. Thơng thường, hệ thống treo có điều khiển thường có hệ số cản
giảm chấn thay đổi. Khi đó mơ hình hệ thống treo có điều khiển được mơ tả như ở
hình 1.6. Thành phần lực Fa có thể thay đổi được do hệ số cản giảm chấn có thể
thay đổi đưa thêm vào.
ms
zs

ks

bs

Fa

mu

zu

bt

kt

zr
Hình 1.6. Mơ hình hệ thống treo có điều khiển.
Lực Fa liên tục thay đổi trong quá trình xe di chuyển trên đường giúp cho xe
đạt được độ êm dịu chuyển động cao nhất. Khi đó phương trình vi phân chuyển
động của hệ thống treo có điều khiển được bổ sung thêm thành phần lực Fa vào các

-21-



phương trình (1-3) và (1-4) như sau:


ms .zs + bs ( zs − zu ) + ks ( zs − zu ) = Fa



mu .zu + ( bt + bs ) zu − bs .zs + ( kt + ks ) .zu − ks .zs = bt .zr + kt .zr − Fa

(1-5)

Biểu diễn dưới dạng ma trận:

M.z + Bz + Kz = H1zr + H2 zr + H.Fa

(1-6)

1

Với H =  
−1
Nhận xét: Hệ thống treo không điều khiển với các thông số của bộ phận đàn
hồi và giảm chấn khơng thay đổi tương ứng với kích thích từ mặt đường khi xe di
chuyển sẽ chỉ đáp ứng được chuyển động êm dịu của ô tô trên những địa hình nhất
định. Do đó nếu xe di chuyển trên những loại mặt đường khác thì hệ thống treo cũ
lại trở nên khơng thích hợp. Hệ thống treo hiện nay chỉ đảm bảo độ êm dịu của ô tô
trong một vùng tần số làm việc nhất định. Như vậy nghiên cứu hệ thống treo có điều
khiển giúp ơ tơ làm việc được trong nhiều vùng tần số khác nhau, đáp ứng với nhiều
loại địa hình khác nhau chính là một u cầu cấp thiết đặt ra.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Để giải quyết vấn đề nêu ra ở trên, nhiều nhà nghiên cứu trong nước đã tiến
hành nghiên cứu về hệ thống treo đáp ứng tốt hơn các chỉ tiêu dao động của ơ tơ.
Một số nghiên cứu điển hình như sau:
1. Luận văn thạc sỹ khoa học “sử dụng thuật toán LQG để tối ưu hóa các
thơng số thiết kế của hệ thống treo ô tô” (năm 2006). Tác giả Hà Văn Thảo, trường
Đại học Bách khoa Hà Nội đã tìm hiểu và đưa ra được những nội dung lý thuyết
điều khiển tối ưu và thuật toán điều khiển LQG; từ đó tác giả đã ứng dụng điều
khiển LQG vào tính tối ưu các thông số thiết kế hệ thống treo của ơ tơ theo mơ hình
¼. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy các thông số tối ưu trên hệ thống treo
đảm bảo độ êm dịu chuyển động tốt hơn so với hệ thống treo với các thông số tính
tốn theo phương pháp truyền thống.
2. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật “nghiên cứu đánh giá độ êm dịu của ô tô khách

-22-


29 chỗ ngồi sản xuất tại Việt Nam”. Tác giả Bùi Quốc Vĩnh, trường Đại học Đà
Nẵng đã xây dựng được mơ hình phẳng tính tốn dao động của xe khách 29 chỗ
Hyundai County theo hai phương dọc, ngang, qua đó xác định được các thơng số
đặc trưng: dịch chuyển, vận tốc, gia tốc của phần được treo và không được treo.
Luận văn cũng đã chứng minh và minh họa bằng đồ thị ảnh hưởng của các thông số
kết cấu như độ cứng lốp, độ cứng hệ thống treo, hệ số cản giảm chấn đến độ êm dịu
của ô tô thơng qua đặc tính tần số, biên độ.
Nhận xét:
Các nghiên cứu vẫn chỉ chủ yếu tập trung vào tính tốn tối ưu các thông số của
hệ thống treo không điều khiển được và sử dụng những mơ hình đơn giản để khảo
sát. Việc tính tốn tối ưu đó phần lớn cũng mới chỉ đáp ứng được chỉ tiêu về độ êm
dịu chuyển động của ô tô mà chưa xét đến nhiều chỉ tiêu khác. Nói tóm lại, việc tìm
hiều và phát triển hệ thống treo có điều khiển hay cịn gọi là “hệ thống treo thông

minh” vẫn chưa được các tác giả đi sâu nghiên cứu.
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Trên thế giới, nghiên cứu dao động trên ơ tô đã được tiến hành từ lâu, với rất
nhiều công trình của nhiều tác giả khác nhau. Càng về sau này, từ khoảng những
năm 90 cho đến nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử với sự hỗ trợ
của các phần mềm tính tốn mạnh như Matlab Simulink, ANSYS,…việc nghiên
cứu dao động của ô tô trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Cũng vì thế mà có rất nhiều
nghiên cứu được tiến hành tập trung nhiều vào việc nghiên cứu khả năng điều khiển
được của hệ thống treo, tối ưu hóa các thơng số kết cấu của ô tô đặc biệt là ở hệ
thống treo để giảm dao động, nâng cao chất lượng của phương tiện. Một số nghiên
cứu điển hình:
Luận văn thạc sỹ khoa học “xây dựng luật điều khiển cho hệ thống treo ô tô
chủ động” của tác giả Chinny Yue, Học viện công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ
(năm 1987);
Luận án tiến sỹ “thiết kế hệ thống treo ô tô bán chủ động” của tác giả Tetsuro
Butsuen, Học viện công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ (năm 1989);

-23-