Nghiên cứu hoạt động của hệ thống treo trên ô tô

gười ngồi trên xe. Với yêu cầu ngày càng cao của công nghệ vận tải về kỹ thuật cũng như về tính thẩm mỹ thì tính tiện nghi của ô tô ngày càng phải hoàn thiện hơn, đặc biệt là tính êm dịu chuyển động của xe để tạo cho con người cảm giác thoải mái khi ngồi trên xe, các nhà sản xuất xe hàng đầu thế giới đã và đang không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm của mình về kiểu dáng, độ bền, và đặc biệt sự tiện nghi, thân thiện mang lại sự thoải mái, an toàn cho người sử dụng. Và một trong những nghiên cứu nhằm đáp ứng những yêu cầu trên đó là nghiên cứu về hệ thống treo. Từ khóa: giảm chấn, hệ thống treo, khí nén điện tử, treo độc lập, macpherson. 1 TỔNG QUAN 1.1 Công dụng của hệ thống treo Hệ thống treo là tập hợp tất cả các cơ cấu dùng để nối đàn hồi khung hoặc vỏ ô tô máy kéo với các cầu hay hệ thống chuyển động (bánh xe, xích). Hệ thống treo nói chung, gồm có ba bộ phận chính là: bộ phận đàn hồi, bộ phận dẫn hướng và bộ phận giảm chấn. Mỗi bộ phận đảm nhận một chức năng và nhiệm vụ riêng biệt. - Bộ phận đàn hồi: dùng để tiếp nhận và truyền các tải trọng thẳng đứng, làm giảm va đập và tải trọng động tác dụng lên khung vỏ và hệ thống chuyển động, đảm bảo êm dịu cần thiết cho ô tô khi chuyển động. - Bộ phận dẫn hướng: dùng để tiếp nhận và truyền lên khung các lực dọc, ngang cũng như các mômen phản lực và mômen phanh tác dụng lên bánh xe. Động học của bộ phận dẫn hướng xác định đặc tính dịch chuyển tương đối của bánh xe đối với khung vỏ. - Bộ phận giảm chấn: cùng với ma sát trong hệ thống treo, có nhiệm vụ tạo lực cản, dập tắt các dao động của phần được treo và không được treo, biến cơ năng của dao động thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh. 334 Ngoài ba bộ phận chính trên, trong hệ thống treo của các ô tô du lịch, ô tô khách và một số ô tô vận tải, còn có thêm một bộ phận phụ nửa là bộ phận ổn định ngang. Bộ phận này có nhiệm vụ giảm độ nghiêng và các dao động góc ngang của thùng xe.[3] 1.2 Những yêu cầu kỹ thuật Độ võng tĩnh (độ võng sinh ra do tác dụng của tải trọng tĩnh) phải nằm trong giới hạn đủ đảm bảo được các tần số dao động riêng của vỏ xe và độ võng động (độ võng sinh ra do ô tô chuyển động) phải đủ để đảm bảo vận tốc chuyển động của ô tô trên đường xấu nằm trong giới hạn cho phép. Ở giới hạn này không có sự va đập lên bộ phận hạn chế. Động học của bánh xe dẫn hướng vẫn giữ đúng khi các bánh xe dẫn hướng dịch chuyển trong mặt phẳng đứng (nghĩa là khoảng cách giữa hai vệt bánh trước và các góc đặt trụ đứng không thay đổi). Dập tắt các dao động của vỏ và các bánh xe. Giảm tải trọng động khi ô tô qua những đường gồ ghề.[1] 1.3 Các bộ phận chính của hệ thống treo ô tô 1.3.1 Bộ phận đàn hồi Là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người (60-80 lần/ph). Bộ phận đàn hồi có thể bố trí khác nhau trên xe nhưng nó cho phép bánh xe có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng. Trên xe con bộ phận đàn hồi thường gặp là loại: Nhíp lá, lò xo trụ, lò xo côn hoặc lò xo xếp, thanh xoắn, khí nén, thuỷ lực. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc các bộ phận đàn hồi: a) Bằng nhíp lá; b)Bằng thanh xoắn; c) Bằng lò xo xoắn; d) Bằng khí nén Hiện nay bộ phận đàn hồi được làm có xu hướng “mềm mại” hơn nhằm tạo điều kiện cho bánh xe lăn “êm” trên mặt đường. Hiện nay người ta dùng các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi độ cứng trong một giới hạn rộng. Khi xe chạy ít tải, độ cứng cần thiết có giá trị nhỏ, 335 khi tăng tải thì độ cứng cần phải có giá trị lớn. Chính vì vậy mà cần phải có thêm các bộ phận đàn hồi phụ như: nhíp phụ, vấu tỳ bằng cao su biến dạng, đặc biệt là các bộ phận đàn hồi có khả năng thay đổi tự động độ cứng theo tải trọng kết hợp với các bộ phận thay đổi chiều cao trọng tâm của xe. Nhờ đường đặc tính đàn hồi ta đánh giá được cơ cấu đàn hồi của hệ thống treo. Đường đặc tính đàn hồi biểu thị quan hệ giữa lực Z thẳng đứng tác dụng lên bánh xe và độ biến dạng của hệ thống treo f đo ngay trên trục bánh xe. Hình 2. Các dạng đường đặc tính của hệ thống treo Trên hình 2 trình bày hai loại đường đặc tính của hệ thống treo: đường thẳng 1 ứng với hệ thống treo có độ cứng không đổi còn đường cong 2 ứng với loại hệ thống treo có độ cứng thay đổi. Trục hoành biểu diễn độ võng f, trục tung biểu diễn lực Z thẳng đứng tác dụng lên bánh xe. Muốn có độ võng ft của một điểm bất kỳ trên đường cong (ví dụ ở điểm D) ta vẽ đường tiếp tuyến tại điểm đó (điểm D) và hạ đường thẳng góc với trục hoành. Hoành độ AB là độ võng tĩnh ft của hệ thống treo có độ cứng thay đổi (đường cong 2) và hoành độ OB sẽ là độ võng tĩnh của hệ thống treo có độ cứng không đổi (đường thẳng 1). Tần số dao động riêng ở các biên độ bé được xác định bằng độ võng hiệu dụng (hay độ võng tĩnh) ứng với tải trọng tĩnh Zt = G. Tuy cùng một độ võng tổng quát OC nhưng hệ thống treo có độ cứng thay đổi có độ võng hiệu dụng AB lớn hơn độ võng hiệu dụng của hệ thống treo có độ cứng không thay đổi (đoạn OB).[1] 1.3.2 Bộ phận dẫn hướng Bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo có mục đích: xác định tính chất chuyển động (động học) của bánh xe đối với mặt tựa và vỏ xe, đồng thời góp phần vào việc truyền lực và momen giữa các bánh xe và vỏ. Hệ thống treo phụ thuộc: Hệ thống treo phụ thuộc là loại hệ thống treo khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng thì dao động của hệ thống treo bên trái sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên giao động của hệ thống treo bên phải trên cùng một cầu xe. (Hình 3) 336 Hình 3. Hệ thống treo phụ thuộc Hệ thống treo phụ thuộc gồm có hai loại cơ bản: loại lò xo lá và loại lò xo cuộn (loại 3 liên kết và loại 4 liên kết). Hệ thống treo độc lập: Hệ thống treo độc lập là loại hệ thống treo khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng thì dao động của hệ thống treo bên trái sẽ không ảnh hưởng trực tiếp lên giao động của hệ thống treo bên phải trên cùng một cầu xe. (Hình 4) Hình 4. Hệ thống treo độc lập Ngược lại với hệ thống treo phụ thuộc, hệ thống treo độc lập có cấu phức tạp hơn hẳn. Xe được trang bị hệ thống này có khả năng bám đường cao, di chuyển êm ái. Vì không cần dầm cầu nên gầm xe có thể thiết kế thấp xuống. Cũng do treo độc lập phức tạp hơn mà dựa theo bộ phận đàn hồi và giảm chấn sẽ chia thành các loại hệ thống treo sau: treo MacPherson (1 càng chữ A); treo tay đòn kép (2 càng chữ A); treo đa liên kết (Multi-Link)+. 1.3.3 Bộ phận giảm chấn Để dập tắt các dao động của thân xe và lốp ô tô bằng cách chuyển cơ năng của các dao động thành nhiệt năng. Bộ giảm chấn (giảm sóc) làm cho giao động của thân vỏ xe và bánh xe được tắt nhanh hơn và qua đó nâng cao độ an toàn cũng như độ êm dịu cho xe. 337 Bộ giảm chấn được lắp giữa thân vỏ xe và bộ phận treo bánh xe. Thân và vỏ xe có các tần số giao động khác nhau. Một bộ phận giảm chấn tốt phải được hiệu chỉnh để có tác dụng với cả hai giao động. Các bộ phận khác của bộ phận giảm chấn: Thanh ổn định: trên xe con thanh ổn định hầu như đều có. Trong trường hợp xe chạy trên nền đường không bằng phẳng hoặc quay vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm phản lực thẳng đứng của 2 bánh xe trên một cầu thay đổi sẽ làm cho tăng độ nghiêng thùng xe và làm giảm khả năng truyền lực dọc, lực bên của bánh xe với mặt đường. Thanh ổn định có tác dụng khi xuất hiện sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe nhằm san bớt tải trọng từ bên cầu chịu tải nhiều sang bên cầu chịu tải ít hơn. Cấu tạo chung của nó có dạng chữ U. Các đầu chữ U nối với bánh xe còn thân nối với vỏ nhờ các ổ đỡ cao su. Thanh ổn định ngang lắp trên ô tô là bộ phận đàn hồi phụ với chức năng hạn chế sự nghiêng thân xe. Thanh ổn định chỉ làm việc khi nào có sự chênh lệch phản lực thẳng đứng đặt lên bánh xe. Các vấu cao su tăng cứng và hạn chế hành trình: trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm chấn. Vấu cao su vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của bánh xe nhằm hạn chế hành trình làm việc của bánh xe. Các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe: hệ thống treo đảm nhận mối liên kết giữa bánh xe và thùng vỏ, do vậy trên hệ thống treo có thêm các cơ cấu điều chỉnh hoặc xác định góc bố trí bánh xe. Các cơ cấu này rất đa dạng nên ở mỗi loại xe lại có cách bố trí khác nhau, các loại khác nhau. 2 PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG TREO KHI XE CHUYỂN ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG 2.1 Ảnh hưởng của hệ thống treo đến sự êm dịu trên ô tô Hệ thống treo tuy là liên kết “mềm” giữa bánh xe với khung vỏ xe nhưng phải bảo đảm chuyển động tương đối của bánh xe theo phương thẳng đứng đối với khung xe khi độ phẳng của mặt đường thay đổi. Hệ thống treo hấp thụ lực va đập từ mặt đường trong khi vận hành để lực va đập không tác dụng trực tiếp lên thân xe, nhờ đó tạo sự thoải mái dễ chịu cho người ngồi trên xe trong những đoạn đường không bằng phẳng. Với ô tô ưu tiên số một là tạo ra cảm giác thư giãn thay vì cảm giác mệt mỏi, căng thẳng. Sự thoải mái giúp người điều khiển xe an toàn hơn. 2.2 Ảnh hưởng của hệ thống treo đến độ cứng vững và độ bám đường của ô tô Ngoài việc đảm bảo sự êm dịu hệ thống treo còn làm nhiệm vụ duy trì sự ổn định của xe khi vào cua và cứng vững theo phương ngang. Hệ thống treo còn ảnh hưởng đến góc đặt bánh xe nếu góc đặt bánh xe không đúng thì xe sẽ bị kéo lệch về một phía, nghĩa là không thể duy trì chuyển động thẳng về phía trước hoặc dẫn đến tình trạng nguy hiểm khác. Trên đường đua, hệ thống treo cần thiết lập để tạo ra độ bám đường tối đa. 338 3 NHỮNG HỆ THỐNG TREO MỚI 3.1 Hệ thống treo điều biến – điện tử Với giảm chấn quá mềm hệ thống treo sẽ tạo ra nhiều rung động đàn hồi khi làm việc, ngược lại với hệ quá cứng sẽ làm cho xe bị xóc mạnh. Sự dung hòa giữa hay đặc điểm trên là nền tảng để thiết kế ra hệ thống treo điện tử.Với sự điều khiển của ECU độ cứng, độ đàn hồi của từng giảm chấn trên các bánh xe tự động thay đổi theo độ nhấp nhô của mặt đường từ đó có thể khống chế chiều cao ổn định của xe. Cùng với khả năng điều chỉnh từng xi-lanh khí cho phép đáp ứng với độ nghiêng khung xe và tốc độ xe khi vào cua đồng thời tự thích nghi với tải trọng củ. Hệ thống treo khí nén - điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý không khí có tính đàn hồi khi bị nén. Với những ưu điểm và hiệu quả giảm chấn của khí nén, nó có thể hấp thụ những rung động nhỏ do đó tạo tính êm dịu chuyển động tốt hơn so với lò xo kim loại, dễ dàng điều khiển được độ cao sàn xe và độ cứng lò xo giảm chấn. Với sự điều khiển của ECU, độ cứng, độ đàn hồi của từng giảm chấn trên các bánh xe tự động thay đổi theo độ nhấp nhô của mặt đường và do đó hoàn toàn có thể khống chế chiều cao ổn định của xe. Tổ hợp các chế độ của của "giảm chấn, độ cứng lò xo, chiều cao xe" sẽ tạo ra sự êm dịu tối ưu nhất khi xe hoạt động. Hình 5. Kết cấu của hệ thống treo khí nén- điện tử 3.2 Hệ thống treo điều khiển điện tử của BOSCH Hệ thống treo điều khiển điện tử của BOSCH là hệ thống treo được điều khiển bằng điện tử, gồm có một mo tơ điện từ thẳng đứng, thiết bị khuếch đại công suất ở mỗi bánh xe cùng với một bộ điều khiển, nhằm mục đích tạo thoải mái cho những người ngồi trong xe khi đi vào những đoạn đường xóc. Mô tơ điện từ thẳng đứng được lắp đặt ở mỗi bánh xe, đóng vai trò kết nối giữa bánh xe và khung xe. Bên trong mô tơ là nam châm điện và lõi của cuộn dây, khi năng lượng điện được cấp vào cuộn dây mô tơ sẽ co ngắn lại hoặc giãn dài ra để tạo ra chuyển động giữa bánh xe và thân xe. Mô tơ điện này sẽ phản ứng rất nhanh với các cú “xóc” của xe và tạo ra sự thoải 339 mái cho người ngồi trong xe. Hệ thống treo của Bosch được điều khiển nhờ một bộ điều khiển điện tử. Bộ điều khiển này được vận hành nhờ cảm biến để cung cấp thông tin xung quanh chiếc xe và gửi yêu cầu tới bộ khuếch đại công suất. Mục tiêu của bộ điều khiển là phân tích tính toán và điều khiển bộ khuếch đại tác động vào mô tơ điện từ giúp xe đạt được độ êm dịu cao khi đi vào những những đoạn đường xấu. Hình 6. Kết cấu của hệ thống treo của Bosch 3.3 Hệ thống treo với giảm sóc MAGNERIDE Giảm xóc magneride hoạt động bằng cách thay đổi dòng điện trong một cuộn điện chạy xung quanh thân giảm xóc. Điện trường thay đổi làm thay đổi trạng thái lỏng của dầu giảm xóc khiến cho những phân tử nhiễm từ co lại. Phần cứng được thiết kế đơn giản nhưng dòng từ xoáy trong cuộn điện có thể tạo ra phản ứng trì hoãn việc kích hoạt các hệ thống ổn định khác 20-30 lần trong một giây. Hình 7. Giảm sóc magneride 340 4 KẾT LUẬN Ngày nay với sự phát triển của công nghệ hoạt động của chiếc xe ngày càng êm dịu hơn mang đến sự thoải mái cho người sử dụng ô tô. Tính êm dịu của ô tô phụ thuộc vào kết cấu của xe đặc biệt là hệ thống treo. Ngoài tính êm dịu một chiếc xe cần hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường. Điển hình như khi xe quay vòng thân xe luôn có xu hướng xoay xung quanh trục song song với chiều thân xe làm cho chiếc xe bị lật ngang gây nguy hiểm cho người ngồi trong xe. Khi xe tăng tốc từ vị trí đứng yên hay phanh đột ngột khi xe đang di chuyển, thân xe có xu hướng lật về phía sau hoặc trước do lực quán tính tác động lên thân xe làm cho bánh xe mất khả năng bám đường khi tăng tốc hoặc phanh đột ngột, một hệ thống treo tốt sẽ giảm thiểu tối đa các trường hợp trên. Ngành ô tô ngày càng phát triển các hệ thống trên xe cũng đã áp dụng nhiều công nghệ mới. Vì thế hệ thống treo trên ô tô cũng đã áp dụng nhiều công nghệ mới đặc biệt là hệ thống treo kỹ thuật số với các chi tiết cảm biến, giúp xe có khả năng hoạt động, nhận diện và phản ứng cực kỳ nhanh nhạy với những tình huống phát sinh ngoài lề khi di chuyển trên đường. Van chủ động sẽ được gắn vào những đầu nối giảm xóc. Điều này giúp quá trình trao đổi dầu phanh diễn ra nhanh chóng và thuận lợi. Mọi thông tin bề mặt đường, xe hoạt động, diễn biến sẽ được các cảm biến thu thập và đưa về máy tính để xử lý và phản xạ với từng bề mặt đường.Trong tương lai những cải tiến mới này của hệ thống treo sẽ là trang bị mà hầu khắp các dòng xe của các hãng sử dụng nhờ những ưu điểm vượt trội. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Quý. Giáo trình tính toán thiết kế ô tô (ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM xuất bản 2001). [2] PGS.TS. Nguyễn Khắc Trai. Kết cấu ô tô (Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2009). [3] TS. Nguyễn Hoàng Việt. Kết cấu tính toán và thiết kế ô tô (ĐH Đà Nẵng xuất bản 2000). [4] Rolf Gscheidle. Chuyên ngành kỹ thuật ô tô và xe máy hiện đại (Nhà xuất bản Trẻ 2016). 341