40400092 Dung Thuyetminh

BỘ MÔN ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

==============================================================

MỤC LỤC3.1.1. Các khối chức năng có sẵn thường dùng trong phần mềm Matlab-Simulink ......... 37 3.1.2. Tạo mới một khối để mô phỏng trong Matlab Simulink ......................................... 57 3.1.3. Mô phỏng một khối trong Matlab Simulink ............................................................ 59 3.1.4. Ứng dụng của Matlab Simulink .............................................................................. 61

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - 80 - 4.1.Kết luận chung - 80 - 4.2. Hướng phát triển của đề tài - 80 -TÀI LIỆU THAM KHẢO - 81 -

LỜI NÓI ĐẦUÔ tô là phương tiện vận tải có vai trò hết sức quan trọng

trong nền kinh tế quốc dân, có tính cơ động cao, được ứng dụng

rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực dân sự cũng như quốc phòng.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nền

công nghiệp ô tô trên thế giới phát triển ngày càng cao, cho ra

đời nhiều loại xe hiện đại và tiện nghi. Việc thiết kế các hệ thống,

cụm chi tiết trên ôtô, đánh giá chất lượng làm việc của chúng

ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng

của ôtô.

Hệ thống treo trên ôtô rất đa dạng và có vai trò hết sức

quan trọng, nó góp phần nâng cao độ êm dịu và an toàn chuyển

động của ôtô. Bên cạnh quá trình thiết kế, để đánh giá hệ thống

treo thì việc đánh giá chất lượng dao động của hệ thống treo

cũng góp phần không nhỏ trong quá trình kiểm định thiết kế cũng

như đánh giá sự phù hợp giữa thông số cơ bản, thông số kết cấu

và điều kiện chuyển động thực tế của ôtô trên đường.

Hiện nay phương pháp mô phỏng số đang được sử dụng

rộng rãi để nghiên cứu các cơ hệ đặc biệt là hệ dao động của ô

tô. Thực tế đã cho thấy Matlab-Simulink là một trong những

phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc giải các bài

toán kỹ thuật bằng cách lập trình, xử lý số và đồ hoạ để mô

phỏng, phân tích một hệ thống động học, giải các bài toán vi

phân và phương trình bậc cao ...

Xuất phát từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn đề tài:

“Ứng dụng Simulink khảo sát dao động của phần tử cơ câu

========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 1


==============================================================treo ô tô”. Đề tài đã tập trung vào tim hiêu hệ thống treo cho xe

du lich và sử dụng phần mềm Matlab-Simulink 7.0 để nghiên cứu

mô phỏng hệ dao động của xe.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS.Nguyên

Ngoc Quê cùng các thầy cô trong bộ môn Đông Lưc, khoa Cơ

Điên, Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp

đỡ cho em trong quá trình thực hiện và hoàn thành đô an nay.

Em xin trân trọng cảm ơn !

Sinh viên: Nguyên Tiên

Dung

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống treo dùng trên xe hai cầu mà chủ yếu

là hệ thống treo có bộ phận đàn hồi là lò xo xoắn trụ hoặc nhíp lá và bộ phận

giảm chấn kiểu ống thủy lực. Trên cơ xở ứng dụng MATLAB SIMULINK

mô phỏng dao động của phần tử của hệ thống treo để khảo sát sự ảnh hưởng

của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ nhớt của dầu thông qua hệ số

cản c, độ cứng của lò xo k đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại, thời

gian ổn định của hệ…ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều kiện

chuyển động thông qua việc thay đổi tần số và biên độ kích thích đầu vào.

Mặt khác đề tài cũng khảo sát mô hình dao động liên kết thông qua mô hình

phẳng nhằm khảo sát ảnh hưởng của đường và phân bổ tải trọng của xe.

1.1.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài đã giải quyết những vấn đề sau :

Tìm hiểu Simulink toolbox trong Matlab

Mô phỏng dao động của phần tử khối lượng bằng Matlab Simulink

Chạy mô phỏng đưa ra kết quả và kết luận



==============================================================

1.2. Tổng quan về hệ thống treo

Hình1.1-Hệ thống treo và bố trí chung trên xe

1.2.1. Công dụng và yêu cầu của hệ thống treo

Hệ thống treo ở đây được hiểu là hệ thống liên kết mềm giữa bánh xe

và khung xe hoặc vỏ xe. Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi có

chức năng chính sau đây:

+ Tạo điều kiện cho bánh xe thực hiện chuyển động tương đối theo

phương thẳng đứng đối với khung xe hoặc vỏ xe theo yêu cầu dao động “êm

dịu”, hạn chế tới mức có thể chấp nhận được những chuyển động không

muốn có khác của bánh xe như lắc ngang, lắc dọc.

+ Truyền lực giữa bánh xe và khung xe bao gồm lực thẳng đứng, lực

dọc và lực bên.

Trên hệ thống treo, sự liên kết giữa bánh xe và khung vỏ cần thiết phải

mềm nhưng cũng phải đủ khả năng để truyền lực, quan hệ này được thể hiện

ở các yêu cầu chính sau đây:

+ Hệ thống treo phải phù hợp với điều kiện sử dụng theo tính năng kỹ

thuật của xe (xe chạy trên đường tốt hay xe chạy trên các loại đường khác

nhau, hay đường đồi núi, xe du lịch hay chở hàng, chở vật liệu…).

+ Bánh xe có thể chuyển dịch trong một giới hạn nhất định.

+ Quan hệ động học của bánh xe phải hợp lý thoả mãn mục đích chính

của hệ thống treo là làm mềm theo phương thẳng đứng nhưng không phá

hỏng các quan hệ động học và động lực học của chuyển động bánh xe.



==============================================================

+ Không gây nên tải trọng lớn tại các mối liên kết với khung hoặc vỏ.

+ Có độ tin cậy lớn, độ bền cao và không gặp hư hỏng bất thường.

+ Giá thành thấp và độ phức tạp của hệ thống treo không quá lớn.

+ Có khả năng chống rung và chống ồn truyền từ bánh xe lên khung,

vỏ xe tốt.

+ Đảm bảo tính ổn định và tính điều khiển chuyển động của ô tô ở tốc

độ cao, ô tô điều khiển nhẹ nhàng.

1.2.2. Các bộ phận chính của hệ thống treo

Hình 1.2- Cơ cấu treo trước và các bộ phận chính

1.2.2.1. Bộ phận đàn hồi

Là bộ phận nối mềm giữa bánh xe và thùng xe, làm giảm nhẹ các tải

trọng động tác dụng từ bánh xe lên khung, đảm bảo độ êm dịu cần thiết khi

di chuyển nhằm biến đổi tần số dao động cho phù hợp với cơ thể con người

(khoảng 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.

Bộ phận đàn hồi có các phần tử đàn hồi thường gặp là:

a. Nhíp lá



==============================================================

Hình 1.3- Cơ cấu treo phụ thuộc dùng nhíp lá

Bó nhíp được làm từ các lá thép cong, gọi là lá nhíp, sắp xếp lại với

nhau theo thứ tự từ ngắn đến dài. Đặc tính làm việc của nhíp là khi tải trọng

tác dụng lên nhíp tăng thì biến dạng của nhíp cũng tăng theo quy luật tuyến

tính.

Trong hệ thống treo nó không chỉ có nhiệm vụ làm êm dịu chuyển

động mà còn đồng thời làm nhiệm vụ của bộ phận dẫn hướng và ma sát giữa

các lá nhíp góp phần làm tắt dao động.

Ưu điểm của kiểu treo này là không cần thanh ổn định, đơn giản rẻ

tiền, dễ chăm sóc bảo dưỡng nhưng lại có nhược điểm là khối lượng lớn,

thùng xe ở trên cao nên chiều cao trọng tâm xe sẽ lớn ảnh hưởng đến tốc độ

và sự ổn định khi xe chuyển động, mặt khác vết bánh sẽ thay đổi khi một

bánh bị nâng lên làm phát sinh lực ngang và tính chất bám đường kém và dễ

bị trượt ngang.

b. Thanh xoắn

Thanh xoắn là một thanh bằng thép lò xo, dùng tính đàn hồi xoắn của

nó để cản lại sự dao động. Một đầu thanh xoắn được ngàm vào khung hay

một dầm nào đó của xe, đầu kia gắn vào kết cấu chịu tải xoắn của hệ thống

treo. Trên một số ô tô để dành chỗ cho việc lắp bán trục cầu chủ động người

ta dùng thanh xoắn thường được gây tải trước (có ứng suất dư) do đó nó chỉ

thích hợp cho một chiều làm việc. Trên các thanh xoắn ở hai phía đều phải

đánh dấu để tránh nhầm lẫn khi lắp ráp.

Sử dụng thanh xoắn có các đặc điểm sau:


http://www.hondazcar.co.uk/images/Rear%20Suspension.jpg


==============================================================

+ Chiếm ít không gian, có thể bố trí để điều chỉnh chiều cao thân xe.

+ Trọng lượng nhỏ, Đơn giản, gọn, giá thành rẻ và dễ chế tạo.

+ Thanh xoắn không có nội ma sát nên thường phải lắp kèm giảm

chấn để dập tắt nhanh dao động.

Trên xe con và xe minibus bộ phận đàn hồi là thanh xoắn được sử dụng

phổ biến chỉ sau lò xo.

c. Lò xo

Bao gồm các dạng là lò xo xoắn ốc, lò xo côn và lò xo trụ. Do lò xo

trụ có đường kính vòng ngoài không đổi nên biến dạng của nó sẽ thay đổi tỷ

lệ thuận với lực tác dụng, còn đối với lò côn hay lò xo xoắn ốc thì khi tải nhẹ

đầu lò xo sẽ bị nén lại và hấp thụ năng lượng va đập, còn phần giữa lò xo có

độ cứng lớn hơn sẽ đủ cứng để chịu tải lớn.

Lò xo có các đặc điểm chính sau:

Ưu điểm

- Kết cấu rất gọn gàng nhất là khi được bố trí lồng vào giảm chấn.

- Nếu cùng độ cứng và độ bền với nhíp thì lò xo trụ có khối lượng nhỏ

hơn nhíp và tuổi thọ cao hơn nhíp, kết cấu gọn nên tiết kiệm không gian và

cho phép hạ thấp trọng tâm xe nhằm nâng cao tốc độ.

Hình 1.3. Cấu tạo một số dạng lò xo.

Nhược điểm

- Khi làm việc ở giữa các vòng lò xo không có nội ma sát như nhíp

nên thường phải bố trí thêm giảm chấn kèm theo để dập tắt nhanh dao động.

- Do lò xo chỉ làm nhiệm vụ đàn hồi, còn nhiệm vụ dẫn hướng và

giảm chấn do các bộ phận khác đảm nhận nên với hệ thống treo dùng lò xo



==============================================================

trụ thì có kết cấu phức tạp hơn do nó còn phải bố trí thêm hệ thống đòn dẫn

hướng để dẫn hướng cho bánh xe và truyền lực kéo hay lực phanh.

d. Phần tử đàn hồi loại khí

Hình 1.4-bộ phận đàn hồi loại khí

Phần tử đàn hồi sử dụng đệm khí dựa trên nguyên tắc không khí có

tính đàn hồi khi bị nén. Hệ thống treo loại khí được sử dụng tốt ở các ôtô có

trọng lượng phần lớn được thay đổi khá lớn như ở ôtô trở khách, ô tô vận tải

và đoàn xe. Loại này có thể tự động thay đổi độ cứng của hệ thống treo bằng

cách thay đổi áp suất không khí bên trong phần tử đàn hồi. Giảm độ cứng

của hệ thống treo sẽ làm cho độ êm dịu chuyển động tốt hơn.

Hệ thống treo khí không có ma sát trong phần tử đàn hồi, trọng lượng

nhỏ và giảm được chấn động cũng như giảm được tiếng ồn từ bánh xe truyền

lên buồng lái và hành khách. Nhưng hệ thống này có kết cấu phức tạp hơn vì

phải có bộ phận dẫn hướng riêng và trang thiết bị cung cấp khí, bộ điều

chỉnh áp suất, lọc, các van v...v...điều chỉnh độ cứng một cách chủ động.



==============================================================

Hình 1.5-Hệ thống treo có bộ phận đàn hồi loại túi khí cao su (airbag suspension)

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. Đồng thời 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, 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.

1.2.2.2. Bộ phận giảm chấn

Trên xe ôtô giảm chấn được sử dụng với các mục đích sau:

+ Giảm và dập tắt các va đập truyền lên khung khi bánh xe lăn trên

nền đường không bằng phẳng nhằm bảo vệ được bộ phận đàn hồi và tăng

tính tiện nghi cho người sử dụng.

+ Đảm bảo dao động của phần không treo (unsprung) ở mức độ nhỏ

nhất, nhằm làm tốt sự tiếp xúc của bánh xe với mặt đường đảm bảo tính năng

lái và tăng tốc cũng như chuyển động an toàn.

+ Nâng cao các tính chất chuyển động của xe như khả năng tăng tốc,

khả năng an toàn khi chuyển động.



==============================================================

Để dập tắt các dao động của xe khi chuyển động giảm chấn sẽ biến đổi

cơ năng thành nhiệt năng nhờ ma sát giữa chất lỏng và các van tiết lưu.

Trên ôtô hiện nay chủ yếu sử dụng là giảm chấn ống thuỷ lực có tác

dụng hai chiều ở cấu trúc hai lớp.

a. Giảm chấn hai lớp vỏ

Giảm chấn hai lớp vỏ ra đời vào năm 1938, đây là một loại giảm chấn

quen thuộc và được dùng phổ biến cho đến nay. Trong giảm chấn, piston di

chuyển trong xy lanh chứa đầy dầu, chia không gian trong thành hai buồng A

và B. ở đuôi của xy lanh thuỷ lực có một cụm van bù. Bao ngoài vỏ trong là

một lớp vỏ ngoài, không gian giữa hai lớp vỏ là buồng bù thể tích chất lỏng

và liên hệ với B qua các cụm van một chiều (III, IV). Buồng C được gọi là

buồng bù chất lỏng, trong C chỉ điền đầy một nửa bên trong là chất lỏng,

không gian còn lại chứa không khí có áp suất bằng áp suất khí quyển.

Các van (I) và (IV) lần lượt là các van nén mạnh và nén nhẹ, còn các

van (II) và (III) lần lượt là các van trả mạnh và trả nhẹ của giảm chấn.

Giảm chấn hai lớp vỏ có cấu tạo như sau:

1- Khoang vỏ trong;

2- Phớt làm kín;

3- Bạc dẫn hướng;

4- Vỏ chắn bụi;

5- Cần piston;

6- Piston;

7- Van cố định;

8- Vỏ ngoài.

Hình 1.6- Sơ đồ cấu tạo của giảm chấn hai lớp vỏ.

+ Nguyên lý làm việc

Ở hành trình nén bánh xe tiến lại gần khung xe, lúc đó ta có thể tích

buồng B giảm nên áp suất tăng, chất lỏng qua van (I) và (IV) đi lên khoang

A và sang khoang C ép không khí ở buồng bù lại. Trên nắp của giảm chấn có ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 9


==============================================================

phớt che bụi, phớt chắn dầu và các lỗ ngang để bôi trơn cho trục giảm chấn

trong quá trình làm việc.

ở hành trình trả bánh xe đi xa khung xe, thể tích buồng B tăng do đó

áp suất giảm, chất lỏng qua van (II, III) vào B, không khí ở buồng bù giãn ra,

đẩy chất lỏng nhanh chóng điền đầy vào khoang B.

Trong quá trình làm việc của giảm chấn để tránh bó cứng bao giờ

cũng có các lỗ van lưu thông thường xuyên. Cấu trúc của nó tuỳ thuộc vào

kết cấu cụ thể. Van trả, van nén của hai cụm van nằm ở piston và xylanh

trong cụm van bù có kết cấu mở theo hai chế độ, hoặc các lỗ van riêng biệt

để tạo nên lực cản giảm chấn tương ứng khi nén mạnh, nén nhẹ, trả mạnh, trả

nhẹ.

Khi chất lỏng chảy qua lỗ van có tiết diện rất nhỏ tạo nên lực ma sát

làm cho nóng giảm chấn lên. Nhiệt sinh ra truyền qua vỏ ngoài (8) và truyền

vào không khí để cân bằng năng lượng.

+ Ưu điểm của giảm chấn hai lớp có độ bền cao, giá thành hạ làm việc

tin cậy ở cả hai hành trình, trọng lượng nhẹ.

+ Nhược điểm là khi làm việc ở tần số cao có thể xảy ra hiện tượng

không khí lẫn vào chất lỏng làm giảm hiệu quả của giảm chấn. Hơn nữa việc

lắp đòi hỏi chính xác, tản nhiệt chậm hơn…

b. Giảm chấn một lớp vỏ

Giảm chấn một lớp vỏ có cấu tạo như sau:

1- Van một chiều;

2- Cần piston;

3- Cụm làm kín;

4- Xy lanh;

5- Buồng chứa dầu;

6- Piston;

7- Van một chiều;

8- Khoang chứa khí.

12

8

6

7

3

2

5

Hình 1.7- Sơ đồ cấu tạo của giảm chấn một lớp vỏ.

Nguyên lý làm việc:========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 10


==============================================================

Trong một giảm chấn một lớp vỏ không còn bù dầu nữa mà thay thế

chức năng của nó là buồng 8 chứa khí nén có P = 2-3 kG/cm2 đây là sự khác

nhau giữa giảm chấn một lớp vỏ và hai lớp vỏ.

Khi piston dịch chuyển xuống dưới tạo nên sự chênh áp, dẫn đến mở

van 1, chất lỏng chảy nên phía trên của piston. Khi piston đi lên làm mở van

7, chất lỏng chảy xuống khoang dưới piston, áp suất trong giảm chấn sẽ thay

đổi không lớn và dao động xung quanh vị trí cân bằng với giá trị áp suất tĩnh

nạp ban đầu, nhờ vậy mà tránh được hiện tượng tạo bọt khí, là một trạng thái

không an toàn cho sự làm việc của giảm chấn. Trong quá trình làm việc do

áp lực dầu chỉ có thể nén lên khí mà piston ngăn cách 4 di chuyển để tạo nên

sự cân bằng giữa chất lỏng và chất khí do đó áp suất không bị hạ xuống dưới

giá trị nguy hiểm.

Giảm chấn này có độ nhạy cao kể cả khi piston dịch chuyển rất nhỏ,

tránh được hiện tượng cưỡng bức chảy dầu khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho

áp suất thay đổi.

* So sánh giữa hai loại giảm chấn

a. giảm chấn 2 lớp vỏ b. giảm chấn 1 lớp vỏHình 1.8- Cấu tạo giảm chấn 2 lớp vỏ (a) và giảm chấn 1 lớp vỏ (b)

So sánh với loại giảm chấn hai lớp vỏ, giảm chấn một lớp vỏ có các

ưu điểm sau:



==============================================================

+ Khi có cùng đường kính ngoài, đường kính của cần piston có thể

làm lớn hơn mà sự biến động tương đối của áp suất chất lỏng sẽ nhỏ hơn.

+ Điều kiện toả nhiệt tốt hơn do không có “áo dầu”.

+ Giảm chấn có piston ngăn cách có thể làm việc ở bất kỳ góc nghiêng

bố trí nào.

+ Cùng một tác động bên ngoài thì nó dập tắt dao động nhanh hơn.

- Nhược điểm của loại giảm chấn một lớp vỏ là:

+ Làm việc kém tin cậy, có thể bị bó kẹt trong các hành trình nén hoặc

trả mạnh.

+ Chế tạo phức tạp và giá thành đắt hơn.

e. Ống nhún Vario

Với một kết cấu có nét tương tự như ống nhún loại hai ống, Ống nhún

Vario nổi lên đặc điểm là thích nghi nghi được với tình trạng dằng xóc khác

nhau để có thể thay đổi đặc tính giảm chấn :

Hình 1.9- Ống nhún vario

Khi xe có tải trọng nhẹ, vị trí của Piston nằm ở vùng trên của ống dầu,

nơi đó được thiết kế những khe nhỏ bên vách để tạo điều kiện cho dầu di

chuyển xuống vùng dưới một cách tương đối dễ dàng, trở lực trên Piston

giảm nhỏ, hiệu ứng giảm chấn vì vậy cũng thấp. Khi xe chở nặng, vị trí cân

bằng của Piston chìm xuống thấp, khi đó dầu từ ngăn trên không dễ dàng



==============================================================

tràn xuống ngăn dưới và ngược lại như trường hợp trên, chúng bắt buộc phải

chạy qua van tiết lưu trên piston chứ không có khe hở bên hông Piston để

lưu thông nữa. Trở lực chuyển động trên làm tăng khả năng dập tắt giao

động của của ống nhún, phần dầu dư do áp lực cao cũng được dẫn qua van

dưới đáy để vô khoang bù trừ như các truờng hợp trên.

f. Ống nhún loại 2 ống với hơi áp lực

Hình 1.10- loại 2 ống với hơi áp lực(a) và loại hơi (b)

Loại ống nhún Dầu-Khí kết hợp hoạt động theo nguyên tắc kết hợp

tính ưu việt của loại hai ống và loại một ống ở trên. Điểm cần lưu ý của loại

này là trong trạng thái đứng yên của xe thì phần dưới ống nhún không phải

chứa đầy dầu, mà 1/3 thể tích trong đó là khí nén (6-7bar). Như vậy, quá

trình nhún và giãn bao giờ cũng có sự hỗ trợ đàn hồi của buồng khí, lưu

chuyển từ ngăn trên xuống dưới và ngược lại và như đã trình bày ở các loại

trên, sự tham gia đàn hồi ngược chiều của các lớp khí giúp cho việc dập tắt

dao động nhanh chóng hơn, loại ống nhún này đặc biệt thích hợp cho các

lọai xe đi địa hình xấu, rung xóc tần số cao, mạnh và đột ngột.

Với yêu cầu chế tạo chính xác cao, đòi hỏi kiểm tra bảo dưỡng gắt gao,

loại ống giảm chấn trên chỉ dùng cho những xe có yêu cầu đặc biệt, đôi khi

cũng được sử dụng trong bộ bánh xe hạ cánh của những máy bay cánh quạt

thể thao loại nhỏ.

g. Ống nhún hơi

Đó là sự kết hợp hoạt động của một "Lò xo khí nén" ( Khác với lò xo

kim loại hay nhíp) với một bộ giảm chấn theo nguyên lý Hơi và Dầu. Hình



==============================================================

vẽ cấu tạo (h 1.8.b) thể hiện rõ nguyên tắc hoạt động, ở phần dưới các kết cấu

không có gì đặc biệt về nguyên lý, ở phần trên chính là đặc điểm nổi bật

trong cấu tạo của loại ống nhún này, ở đó trong một ống kín, khí nén được

dẫn vào dưới 1 áp lực điều khiển được, tùy mức độ áp lực khí nén ở trong đó

mà độ đàn hồi của lò xo khí thay đổi được, tạo ra sự chủ động trong việc

thay đổi khoảng làm việc cũng như hiệu quả tôt nhất cho cả bộ Giảm xóc-

Khử dao động. Tuy nhiên, lò xo khí thường được kết hợp thêm một lò xo cơ

khí khác nhằm mục đích giới hạn việc hoạt động của lò xo khí trong phạm vi

điều chỉnh độ cao gầm xe cũng như tăng giảm hệ số đàn hồi khi xe có tải

trọng thay đổi lớn chứ không đảm đương hoàn toàn tải trọng của xe .

Bất tiện là loại ống hơi này chỉ hoạt động khi máy đã nổ, nếu vô ý tắt

máy ở những chỗ có gờ cao thì đôi khi xe hạ xuống làm hư hại vỏ xe, do đó

người ta đã phải lắp thêm bộ phận cảnh báo khi mở và tắt máy.

h. Ống nhún Khí- Thủy lực

Hình 1.11- ống nhún 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 một màng cao su đặc biệt. Phần tích trữ khí cùng với không gian

mặt trên của Piston được nối với nhau bởi 1 đường ống thủy lực.

Khi ống nhún và lò xo bị đè xuống, dầu bị ép chạy theo ống nối chạy

sang buồng khí nén, khí 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 khí 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.

Cũng nhờ cơ chế hồi tiếp như vậy, mà khỏang 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 áp lực dầu giảm túi khí

mềm đi giảm bớt tác động lên khung xe. Tài xế có thể tự điều chỉnh van

điều khiển cho phù hợp tình trạng tải trọng và đường xá.

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 được phổ biến.

1.2.2.3. Thanh ổn định và các đòn dẫn hướng

Hình 1.12- Thanh ổn định trong cơ cấu treo

Trên các loại xe con ngày nay 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 li 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, một đầu chữ U được nối với phần không được treo,

còn đâu kia được nối với thân vỏ xe, các đầu nối này dùng ổ đỡ bằng cao su.

Bộ phận dẫn hướng có nhiệm vụ truyền các lực dọc, lực ngang và các

mômen từ bánh xe lên khung hoặc thân xe. Nó có thể có những chi tiết khác

nhau tùy thuộc hệ thống treo phụ thuộc hay độc lập, phần tử đàn hồi là nhíp,

lò xo hay thanh xoắn. Quan hệ của bánh xe với khung xe khi thay đổi vị trí

theo phương thẳng đứng được gọi là quan hệ động học. Khả năng truyền lực

ở mỗi vị trí được gọi là quan hệ động lực học của hệ treo.

Hình1.13- Các đòn liên kết và dẫn hướng, kết cấu lắp giáp cụm treo độc lập

1.2.2.4. Các chi tiết phụ

Trên xe con các vấu cao su thường được đặt kết hợp trong vỏ của giảm

chấn vừa tăng cứng vừa hạn chế hành trình của piston nhằm hạn chế hành

trình làm việc của bánh xe. Ngoài ra còn có đệm cao su cũng có tác dụng

giảm chấn. Vấu cao su có những ưu điểm sau:

+ Có thể được làm dưới mọi hình dạng khác nhau.

+ Không có tiếng ồn khi làm việc, không phải bôi trơn.



==============================================================

Hình 1.14- Các đệm cao su

1.2.3. Phân loại hệ thống treo

Có nhiều cách phân loại hệ thông treo như:

- phân loại theo bộ phận đàn hồi chia ra: loại sử dụng bộ phận đàn hồi

bằng kim loại (nhíp lá, lò xo xoắn…); loại khí; loại thủy lực; cao su…

- phân loại theo sơ đồ bộ phận dẫn hướng chia ra: cơ cấu treo phụ thuộc

với cầu liền; loại độc lập với cầu cắt.

- phân loại theo phương pháp dập tắt chấn động: loại dùng giảm chấn

thủy lực; loại giảm chấn nhờ ma sát cơ (ma sát trong bộ phận đàn hồi hoặc

bộ phận dẫn hướng)

Nhưng khi phân loại người ta chủ yếu dựa vào sơ đồ bộ phận dẫn

hướng và chia ra 2 nhóm chính là hệ thống treo độc lập và hệ thống treo phụ

thuộc:

Hình 1.15- Sơ đồ hệ thống treo

a) Hệ thống treo phụ thuộc; b) Hệ thống treo độc lập.

1- Thùng xe; 2- Bộ phận đàn hồi; 3- Bộ phận giảm chấn;

4- Dầm cầu; 5 - Các đòn liên kết của hệ treo.

1.2.3.1. Hệ thống treo phụ thuộc



==============================================================

Trong hệ thống treo phụ thuộc hình 1.12-a các bánh xe được đặt trên

một dầm cầu liền, bộ phận giảm chấn và đàn hồi đặt giữa thùng xe và dầm

cầu liền đó. Do đó sự dịch chuyển của một bánh xe theo phương thẳng đứng

sẽ gây nên chuyển vị nào đó của bánh xe phía bên kia.

h.a. dùng nhíp lá h.b. dùng lò xo trụHình 1.16- Sơ đồ hệ thống treo phụ thuộc dùng lò xo lá(a) và lò xo trụ(b)

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, còn trường hợp là cầu chủ động thì dầm là phần vỏ cầu trong

đó có một phần của hệ thống truyền lực.

+ Trong hệ treo phụ thuộc có phần tử đàn hồi là nhíp thì nó vừa

là phần tử đàn hồi đồng thời làm luôn bộ phận dẫn hướng. Vì nhíp làm bộ

phận hướng nên trong hệ treo này sẽ không cần đến các thanh giằng để

truyền lực dọc hay lực ngang nữa.

+ Đối với hệ treo phụ thuộc dùng lò xo xoắn thì phải dùng thêm hai

đòn dọc dưới được nối với cầu và khung. Để đảm bảo truyền được lực ngang

và ổn định vị trí khung xe so với cầu người ta cũng phải dùng thêm đòn chéo

một đầu nối với cầu còn đầu kia nối với khung xe.

- Nhược điểm:

+ Khối lượng phần không được treo lớn, đặc biệt là ở cầu chủ động nên

khi xe chạy trên đường không bằng phẳng, tải trọng động sinh ra sẽ gây nên

va đập mạnh giữa phần không được treo và phần được treo làm giảm độ êm

dịu chuyển động.



==============================================================

+ Khoảng không gian phía dưới sàn xe phải lớn để đảm bảo cho dầm

cầu có thể thay đổi vị trí, do vậy chiều cao trọng tâm lớn.

+ Khi một bánh bị nâng lên, vết bánh thay đổi làm phát sinh lực ngang

làm tính chất bám đường kém đi, dễ bị trượt ngang, xe bị nghiêng…

- 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.

+ Có khả năng tải lớn, tăng độ cứng vững cao cho xe và phù hợp với

địa hình xấu, cho xe tải, xe việt dã…

+ Công nghệ chế tạo đơn giản, dễ tháo lắp và sửa chữa, giá thành hạ.

1.2.3.2. Hệ thống treo độc lập

Đặc điểm của hệ thống treo này là:

- Hai bánh xe không lắp trên một dầm cứng mà là lắp trên loại cầu rời,

sự chuyển dịch của 2 bánh xe độc lập tương đối với nhau.

- Khối lượng phần không được treo nhỏ nên mô men quán tính nhỏ,

do đó xe chuyển động êm dịu, khả năng bám đường cao.

- Hệ treo này không cần dầm ngang (với kết cấu thân vỏ kiểu unibody)

nên khoảng không gian cho nó dịch chuyển chủ yếu là khoảng không gian 2

bên sườn xe như vậy sẽ hạ thấp được trọng tâm của xe và sẽ nâng cao được

vận tốc của xe.

* Trong hệ thống treo độc lập còn được phân ra các loại sau :

a. Dạng treo 2 đòn ngang

Cấu tạo của hệ treo 2 đòn ngang bao gồm 1 đòn ngang trên, một đòn

ngang dưới. Mỗi đòn không phải chỉ là 1 thanh mà thường có cấu tạo hình

tam giác (chữ A) hoặc hình thang. Cấu tạo như vậy cho phép các đòn ngang

làm được chức năng của bộ phận hướng, kết cấu chắc chắn đảm bảo truyền

lực tốt.



==============================================================

Hình 1.17- Sơ đồ nguyên lý của hệ treo 2 đòn ngang.

Các đầu trong được liên kết với khung, vỏ bằng khớp trụ. Các đầu

ngoài được liên kết bằng khớp cầu với đòn đứng để có thể xoay được. Đòn

đứng có ổ bi lắp với trục bánh xe. Bộ phận đàn hồi có thể nối giữa khung với

đòn trên hoặc đòn dưới. Giảm chấn cũng đặt giữa khung với đòn trên hoặc

đòn dưới hoặc lồng bởi lò xo trụ cho gọn. Hai bên bánh xe đều dùng hệ treo

này và được đặt đối xứng qua mặt phẳng dọc giữa xe.

b. Dạng treo Mc.Pherson

Hệ treo này chính là biến thể của hệ treo 2 đòn ngang, ở đây đòn

ngang chữ A phía trên thay bằng lò xo cùng ống nhún lồng nhau. Chính nhờ

cấu trúc này mà ta có thể có được khoảng không gian phía trong xe rộng hơn

để bố trí hệ thống truyền lực hoặc khoang hành lý. Giảm chấn đặt theo

phương thẳng đứng làm nhiệm vụ của trụ xoay đứng.

Hình 1.18- Sơ đồ cấu tạo hệ treo Mc.Pherson.



==============================================================

Nếu ta so sánh với hệ treo 2 đòn ngang thì hệ treo Mc.Pherson kết cấu

ít chi tiết hơn, không chiếm nhiều khoảng không và có thể giảm nhẹ được

trọng lượng kết cấu. Nhưng nhược điểm chủ yếu của hệ treo Mc.Pherson là

do giảm chấn vừa phải làm chức năng của giảm chấn lại vừa làm nhiệm vụ

của trụ đứng cơ cấu lái nên trục giảm chấn chịu tải lớn nên giảm chấn cần

phải có độ cứng vững và độ bền cao hơn do đó kết cấu của giảm chấn phải

có những thay đổi cần thiết và cần thêm đòn dẫn hướng.

Hình 1.19 - Mối quan hệ động học của hệ treo Mc.Pherson.

Trong hệ thống treo nói chung, và hệ treo của cầu dẫn hướng nói riêng

các góc đặt bánh xe có một ý nghĩa vô cùng quan trọng. Chúng phải đảm bảo

cho việc điều khiển nhẹ nhàng, chính xác, không gây lực cản lớn cũng như

làm mòn lốp quá nhanh.

Trong quá trình chuyển động bánh xe luôn luôn dao động theo phương

thẳng đứng, sự dao động này kéo theo sự thay đổi góc nghiêng ngang của

bánh xe, trụ xoay dẫn hướng và khoảng cách giữa hai vết bánh xe hình

1.18a, góc nghiêng dọc của trụ xoay đứng hình 1.18-b và độ chụm trước của

bánh xe hình 1.18-c. Các quan hệ giữa các thông số đó phụ thuộc vào sự

chuyển vị của bánh xe theo phương thẳng đứng khi gặp kích thích từ mặt

đường hoặc khi phanh, cua, gia tốc...đó là mối quan hệ động học của hệ treo.

c. Hệ treo 2 đòn dọc



==============================================================

1- Khung vỏ; 2- Lò xo; 3- Giảm chấn; 4-

Bánh xe; 5- Đòn dọc; 6- Khớp quay.Hình 1.20- Hệ treo hai đòn dọc

Hệ treo hai đòn dọc là hệ treo độc lập mà mỗi bên có một đòn dọc.

Các đòn dọc thường được bố trí song song sát hai bên bánh xe. Một đầu của

đòn dọc được gắn cố định với moayơ bánh xe, đầu còn lại liên kết bản lề với

khung hoặc dầm ôtô. Lò xo và giảm chấn đặt giữa đòn dọc và khung. Đòn

dọc vừa là nơi tiếp nhận lực ngang, lực dọc, và là bộ phận dẫn hướng. Do

phải chịu tải trọng lớn nên nó thường được làm có độ cứng vững tốt.

Đồng thời đòn dọc đòi hỏi cần phải có độ cứng vững lớn, nhằm mục

đích chịu được các lực dọc, lực bên và chịu mômen phanh lớn. Do có kết cấu

như vậy, nên hệ treo này chiếm ít không gian và đơn giản về kết cấu, giá

thành hạ. Hệ treo này thường được bố trí cho cầu sau bị động, khi máy đặt ở

phía trước, cầu trước là cầu chủ động.

d. Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết

Hệ treo đòn dọc có thanh liên kết xuất hiện trên xe con vào những

năm 70 cùng với sự hoàn thiện kết cấu cho các xe có động cơ và cầu trước

chủ động. Theo cấu trúc của nó có thể phân chia thành loại treo nửa độc lập

và treo nửa phụ thuộc. Theo khả năng làm việc của hệ treo, tuỳ thuộc vào độ

cứng vững của đòn liên kết mà có thể xếp là loại phụ thuộc hay độc lập. Ở

đây hệ treo được phân loại là treo độc lập tức là đòn liên kết có độ cứng nhỏ

hơn nhiều so với độ cứng của dầm cầu phụ thuộc.



==============================================================1- Bánh xe;

2- Khớp quay trụ;

3- Đòn dọc;

4- Thùng xe;

5- Lò xo;

6- Giản chấn.

1

2 3

4 5

6

Hình 1.21 - Sơ đồ nguyên lý hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết.

Hệ treo đòn dọc có thanh ngang liên kết, có đặc điểm là hai đòn dọc

được nối cứng với nhau bởi một thanh ngang. Thanh ngang liên kết đóng vai

trò như một thanh ổn định như đối với các hệ treo độc lập khác. Bộ phận đàn

hồi của nó có thể là lò xo trụ xoắn được đặt giữa khung và đòn dọc.

e. Hệ treo đòn chéo:

Hệ thống treo trên đòn chéo là cấu trúc mang tính trung gian giữa hệ

treo đòn ngang và hệ treo đòn dọc. Bởi vậy sử dụng hệ treo này cho ta tận

dụng được ưu điển của hai hệ treo trên và khắc phục được một số nhược

điểm của chúng. Đặc điểm của hệ treo này là đòn đỡ bánh xe quay trên

đường trục chéo và tạo nên đòn chéo trên bánh xe.

1-Dầm cầu; 2- Đòn chéo; 3-truyền lực chínhHình 1.22 - Sơ đồ hệ treo đòn chéo.



==============================================================

Trong hệ treo đòn chéo hình vẽ 1.22 chi tiết đàn hồi phần lớn là lò xo

xoắn ốc. Ngoài ra đối với hệ treo này, người ta còn hay dùng thêm thanh ổn

định để làm tăng sự êm dịu trong quá trình chuyển động.

So với các hệ treo xét ở trên thì hệ treo đòn chéo có đặc điểm nổi bật ở

chỗ khi bánh xe dao động theo phương thẳng đứng thì cũng kéo theo sự thay

đổi khoảng cách giữa hai vết bánh xe, góc nghiêng ngang, nhưng sự thay đổi

đó nhỏ hơn các loại đã xét ở trên. Riêng độ chụm trước cửa bánh xe thì thay

đổi không đáng kể.

Hiện nay, đối với ôtô con hiện đại người ta thường hay sử dụng các

loại hệ thống treo độc lập cho hệ treo trước như: hệ thống treo hai đòn

ngang, hệ thống treo Mc.Pherson, hệ thống treo đòn dọc, đòn chéo ... là

những loại có cấu tạo đơn giản, ít số chi tiết, khối lượng phần không được

treo nhỏ, giá thành hạ, dễ tháo lắp sửa chữa và bảo dưỡng. Còn treo sau thì

đa số là dùng hệ treo phụ thuộc cho xe tải và xe SUV, xe pickup...và dùng hệ

thống treo độc lập cho xe con.

CHƯƠNG 2

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Nội dung nghiên cứu

2.1.1. Nghiên cứu hệ dao động một phần tử khối lượng

Mô hình hóa dao động của một phần tử (một khối lượng) của hệ thống

treo 1 bậc tự do (phương thẳng đứng). Trên cơ xở mô hình trên có thể khảo

sát ảnh hưởng của các thông số đặc trưng về kết cấu như độ cứng k của lò

xo, hệ số cản c của giảm chấn đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại,



==============================================================

thời gian ổn định của hệ…Ngoài ra cũng có thể khảo sát ảnh hưởng của điều

kiện chuyển động thông qua việc thay đổi tần số, biên độ kích thích đầu vào.

2.1.2. Nghiên cứu hệ dao động hai phần tử khối lượng

Khảo sát tính chất dao động của ô tô, với tư cách là một hệ hai khối

lượng: phần khối lượng được treo gồm khối lượng khung, gầm, động cơ và

người ngồi trên xe; phần khối lượng không được treo gồm khối lượng cầu

xe, bánh xe, cụm moay ơ và đĩa phanh. Trong thực tế ảnh hưởng tương tác

giữa các phần tử dao động là rất phức tạp, việc xây dựng mô hình toán với

vài giả thuyết nhất định sẽ rất thuận lợi cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của

đơn yếu tố hoặc đa yếu tố trong bài toán dao động xe ô tô, làm cơ xở khoa

học cho chẩn đoán kỹ thuật hệ thống treo và các bánh xe.

2.1.3. Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết

Khảo sát dao động của ô tô thông qua mô hình dao động liên kết (mô

hình phẳng) nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của kích thích của đường tới chuyển

động của ô tô và sự phân bố khối lượng của xe khi phanh hoặc tăng tốc.

2.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu dao động của ô tô liên quan đến việc tìm các quan hệ động

học, động lực học của các khối lượng dao động (khối lượng cầu xe và thân

xe phân bố trên các bánh xe) với các thông số đặc trưng của các phần tử hệ

thống treo khi chịu kích thích từ mặt đường. Như vậy bài toán phải đi xây

dựng mô hình dao động của ô tô khi chịu kích thích chỉ cho một bánh xe và

cho hai bánh xe cùng bên.

Nội dung của mô hình thực chất là các phương trình vi phân dao động

diễn tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và các thông số đặc trưng của

dao động. Các hệ phương trình vi phân này và các điều kiện giới hạn được

coi là mô hình toán của hệ thống. Từ mô hình toán đi xây dựng mô hình

bằng Matlab Simulink để thuận tiện cho việc mô phỏng động học và có

những kết luận sau khi chạy mô phỏng.

2.3. Các chỉ tiêu và mô hình nghiên cứu dao động ô tô



==============================================================

2.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá độ dao động

Khi ô tô chuyển động trên đường dao động xuất hiện trong toàn 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 bản thân người lái và hành khách, hàng

hoá chuyên chở trên xe, độ bền, tuổi thọ của các kết cấu ô tô. Nghĩa là trong

quá trình chuyển động ô tô luôn bị dao động, với thời gian kéo dài sẽ gây ra

mệt mỏi với người lái và hành khách, làm giảm hiệu suất công việc, có thể

gây ra nguy cơ mắc bệnh thần kinh và não dẫn đến mất phản ứng linh hoạt

và điều khiển chính xác gây ra tai nạn giao thông.

Vì vậy khi nói đến dao động của ô tô theo quan điểm của chế độ sử

dụng thì độ êm dịu chuyển động của ô tô có thể hiểu là tập hợp các tính chất

đảm bảo hạn chế các tác động của dao động có ảnh hưởng xấu tới con người,

hàng hoá và các kết cấu của ô tô.

Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì dao động của ô tô gây ra

sự thay đổi giá trị phản lực pháp tuyến giữa bề mặt tiếp xúc của bánh xe với

mặt đường. Nếu giá trị phản lực pháp tuyến giảm so với trường hợp tải trọng

tĩnh thì sẽ làm giảm khả năng tiếp nhận các lực dọc, ngang (Lực kéo, lực

phanh, lực bám ngang), dẫn đến hiện tượng tách bánh khỏi đường gây mất

an toàn khi xe chuyển động, phanh và quay vòng... còn khi giá trị phản lực

này tăng thì sẽ làm tăng tải trọng động tác dụng xuống nền đường và tác

động ngược lại đối với các kết cấu của xe.

Từ các khái niệm trên để có thể đánh giá chất lượng xe một cách

khách quan, chính xác cần phải nghiên cứu và phát triển lý thuyết dao động

trong tất cả lĩnh vực liên quan. Nghiên cứu tổng quát về dao động xe đó là

giải quyết mối quan hệ “Đường-Xe-Người”.



==============================================================

Ngõ¬i

HÖ thèng phanh,l i.

Th©n Xe

HÖ thèng treo

§õ¬ng

Hình 2.1 - Hệ thống “Đường-Xe-Người”

Quá trình nghiên cứu dao động của ô tô là quá trình xác định các

thông số của hệ thống treo, tạo cơ sở cho việc thiết kế các phần tử của

chúng: phần tử đàn hồi, phần tử giảm chấn và bộ phận dẫn hướng. Có như

vậy mới tạo ra một hệ dao động có chất lượng tốt, các kết quả nghiên cứu sẽ

góp phần nâng cao khả năng thiết kế, cải tiến công nghệ ô tô, nâng cao hiệu

quả sử dụng, tăng tính tiện nghi và năng suất vận chuyển của ô tô trong nền

kinh tế quốc dân.

Các tính chất dao động của ô tô thường đánh giá theo 2 quan điểm:

- Quan điểm về độ êm dịu chuyển động mà thông số gia tốc dao động

có tính chất quyết định vì nó tác dụng lên lái xe và hành khách.

- Quan điểm về độ an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống

nền thì giá trị tải trọng động giữa bánh xe và nền đường là thông số mang

tính chất quyết định.

2.3.1.1. Chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu chuyển động:

Để đánh giá độ êm dịu chuyển động của ô tô, các nước có nền công

nghiệp ô tô phát triển hàng đầu trên thế giới đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá

độ êm dịu khác nhau. Dựa vào các công trình nghiên cứu của nước ngoài và

các tài liệu của viện khoa học kĩ thuật bảo hộ lao động Việt Nam, đưa ra một

số chỉ tiêu đặc trưng cho độ êm dịu chuyển động của ô tô như sau:

a.Chỉ tiêu về tần số:========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 27


==============================================================

Con người khi tham gia vào giao thông cũng là một hệ dao động, di

chuyển là hoạt động thường xuyên của con người đã trở thành một thói quen.

Khi con người di chuyển tương đương với hệ thực hiện dao động, số lần

bước trong một phút thường trong khoảng 60-85 bước, tương ứng với tần số

dao động khoảng 1-1,5Hz. Vậy nên từ thói quen đó con người chịu dao động

hợp lý trong khoảng tần số vừa nêu trên. Khi đánh giá độ êm dịu chuyển

động của ô tô với các điều kiện mặt đường cũng như kết cấu cụ thể thì tần số

dao động của ô tô phải nằm trong giới hạn 1-1,5 Hz, thường lấy chuẩn để

đánh giá dao động của ô tô như sau:

- Đối với xe du lịch n = 60-85 (dđ/ph)

- Đối với xe vận tải n = 85-120 (dđ/ph).

b.Chỉ tiêu về gia tốc dao động.

Các thí nghiệm káo dài trong 8 giờ liền cho thấy nhạy cảm hơn cả đối

với người là dải tần 4-8 Hz. Trong dải tần số này các giá trị cho phép của

toàn phương gia tốc như sau [1].

Dễ chịu : 0,1 (m/s2)

Gây mệt mỏi : 0,315 (m/s2)

Gây ảnh hưởng tới sức khỏe : 0,63 (m/s2)

Các số liệu trên có thể xem là gần đúng để đánh giá độ êm dịu chuyển

động của ô tô, bởi vì nó dựa trên cơ sở số liệu thống kê. Mặt khác, điều quan

trọng hơn là dao động ô tô truyền cho con người thực chất là tác động ngẫu

nhiên với dải tần số rộng và phức tạp cả theo hướng tác dụng. Ngoài ra theo

một số tài liệu tham khảo các tác giả còn đưa ra một số chỉ tiêu khác đánh

giá độ êm dịu chuyển động của ô tô như chỉ tiêu tính êm dịu chuyển động

dựa vào gia tốc dao động và thời gian tác động của nó.

2.3.1.2. Chỉ tiêu về an toàn chuyển động và tải trọng tác dụng xuống nền

đường:

Theo quan điểm về an toàn chuyển động(xét theo khía cạnh về tính

điều khiển) và tải trọng tác dụng xuống nền đường thì trị số lực tác dụng

thẳng đứng giữa bánh xe với đường cũng là thông số quan trọng để đánh giá.



==============================================================

Lực động )(tFd xác định phức tạp hơn vì nó phụ thuộc vào tính chất dao

động của ô tô, vận tốc chuyển động và độ mấp mô biên dạng đường.

Theo quan điểm về tải trọng tác dụng xuống nền đường thì sẽ dựa vào

trị số lớn nhất của tải trọng bánh xe, nghĩa là tương ứng với giá trị dương của

)(tFd để đánh giá, nếu )(tFd càng lớn thì sự ảnh hưởng do lực tác động tới

lốp xe và các bộ phận chi tiết của xe và nền đường càng bị tác động xấu

nhiều hơn. Mặt khác để giảm sự ảnh hưởng của )(tFd thì trong trường hợp

giảm tải trọng bánh xe so với giá trị tải trọng tĩnh, nghĩa là làm giảm khả

năng tiếp nhận lực tiếp tuyến(nhất là khi phanh) và lực ngang(quan trọng khi

quay vòng). Trong trường hợp đặc biệt bánh xe bị nảy khỏi mặt đường khi

đó lực tác dụng từ đường lên bánh xe sẽ bằng 0 và ô tô sẽ mất tính điều

khiển. Để đánh giá tính chất dao động của ô tô theo quan điểm về an toàn

chuyển động cần xác định tỉ số giữa lực tác động )(tFd và tải trọng tĩnh của

bánh xe là KtR :

kt

d

RFK =

Khảo sát dao động của ô tô người ta quan tâm đến sự bám của lốp với

mặt đường, nhằm đảm bảo dao động của ô tô thoả mãn các chỉ tiêu về độ êm

dịu nhưng bánh xe vẫn phải bám đường, nếu không đạt 2 chỉ tiêu đó sẽ dẫn

đến làm mất tính ổn định khi điều khiển xe, làm tăng tiêu hao nhiên liệu...

Giá trị gần đúng của lực tác dụng xuống nền đường có thể xác định

như sau: )( qKF Ld −≈ ξ

Trong đó: LK : độ cứng của lốp.

ξ : chuyển dịch của bánh xe theo phương thẳng đứng.

q : chiều cao mấp mô biên dạng đường.

Có thể xác định giá trị maxtdξ là giá trị cực đại của chuyển dịch tương đối

của bánh xe với đường theo biểu thức:)(max qMaxtd −= ξξ

Giá trị maxtdξ cũng có thể làm cơ sở đánh giá khả năng bám của lốp

với đường.

2.3.3. Mô hình dao động.



==============================================================

Ôtô thuộc hệ cơ học nhiều vật, dao động với dải tần số thấp không vượt

quá 50Hz. Việc lập và chọn mô hình dao động phải theo 3 tiêu chí sau:

- Mục tiêu nghiên cứu (đề tài này khảo sát theo mục đích chẩn đoán)

- Cấu trúc riêng của đối tượng nghiên cứu

- Khả năng tính toán và phương tiện tính toán.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật khả năng tính toán

hầu như không bị hạn chế (có nhiều phần mềm rất mạnh hỗ trợ tính toán),

nên chủ yếu khi chọn và lập mô hình thường căn cứ vào mục tiêu và đặc

điểm kết cấu của đối tượng.

Về mục tiêu nghiên cứu có thể bao hàm các vấn đề sau:

1. Nghiên cứu tối ưu hệ treo, kể cả hệ treo tích cực. Đối với mục tiêu

này thì chỉ cần khảo sát mô hình ¼ (một trong 4 bánh).

2. Nghiên cứu về dao động liên kết, thường dùng mô hình phẳng; mô

hình phẳng cũng còn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của đường.

3. Nghiên cứu sự trượt và lật dưới tác động của ngoại lực như đường

mấp mô, gió bên nên thường sử dụng mô hình ½ hoặc mô hình full.

a. Mô hình ¼

Mô hình ¼ bao gồm hai khối lượng được treo (thay thế cho khối

lượng thân xe) và khối lượng không được treo (thay thế cho khối lượng bánh

xe, cầu xe và các thành phần liên kết). Phần treo và không được treo liên kết

với nhau thông qua các phần tử đàn hồi của treo và giảm chấn, có độ cứng là

k, hệ số cản giảm chấn c như thể hiện trong hình 2.2

Để có thể chuyển mô hình vật lý thành mô hình động lực học hệ dao

động ô tô, cần phải có một số giả thiết nhằm đơn giản cho việc tính toán

nhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn của kết quả. Quá trình nghiên cứu trong

mô hình ¼ chỉ xét dao động của một trong bốn bánh xe, dao động của hệ là

nhỏ, tuyến tính, xung quanh vị trí cân bằng tĩnh, bánh xe lăn không trượt và

luôn tiếp xúc với đường...



==============================================================

Mô hình 1/4 có thể dùng để chọn

tối ưu các thông số như độ cứng lốp,

khối lượng không được treo m, độ

cứng c và hệ số cản giảm chấn k

theo các hàm mục tiêu vừa nêu trên.

Việc này có ý nghĩa trong bài

toán điều khiển, tối ưu hệ treo.

m1 *g

z1

q

m1

c1k1

k2 c2

z2

m2 *g

m2

Hình 2.2 - Mô hình 1/4

b. Mô hình dao động liên kết

Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng

mô hình phẳng, có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe

và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như

nhau. Khối lượng treo được qui dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá

trị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2

(đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, ϕ ,

Z1, Z2 .

z3

q1

m1

J

m3 *g

m2*g

z '2

z2

q2

m2

ϕ

k21

k2 2 c2 2c12k1 2

k11

m3

m1 *g

z1

z '1

lf lr

Hình 2.3 - Mô hình phẳng dao động ô tô 2 cầu

Mô hình này hiệu quả với bài toán bố trí chung, và là mô hình đơn

giản khi nghiên cứu về đường và phân bổ tải khi phanh.

c. Mô hình không gian xe con



==============================================================

Mô hình không gian xe hai cầu được đưa ra như trong hình 2.5 [7]. Xe

con có khối lượng bé nhưng lại có yếu tố phi tuyến hình học và vật lý lớn

nên không thể bỏ qua khi lập mô hình. Đặc điểm kết cấu là vỏ chịu lực

(unibody),hệ treo độc lập có yếu tố phi tuyến hình học cao. Trong phạm vi

đề tài này do hạn chế về mặt thời gian, kỹ thuật nên chỉ đưa ra mô hình mang

tính tham khảo chứ chưa khảo sát được mô hình không gian này.

Hình 2.4 - Mô hình không gian xe con

2.3.4. Hàm kích động

Chuyển động của ô tô trên mặt đường không bằng phẳng sẽ sinh ra

các dao động của khối lượng phần không được treo và khối lượng phần được

treo của ô tô. Độ mấp mô của mặt đường là nguồn kích thích chính cho ô tô

dao động. Khi nghiên cứu mô hình dao động của ô tô cần thiết phải mô tả

toán học biên dạng của mặt đường, vì chiều cao mấp mô của biên dạng

đường tại vị trí tiếp xúc của bánh xe với đường sẽ tham gia vào phương trình

vi phân mô tả chuyển động của hệ. Hàm kích động là một yếu tố thuộc mô

hình dao động, mô tả những yếu tố gây dao động, và thường được mô tả

dưới dạng các hàm biên dạng sau:

- Kích thích dạng bậc với biên độ ho



==============================================================

- Hàm sin: h = hosinω t

- Hàm xung: ( )∑∞

−=0

jki ttfh

- Hàm dao động ngẫu nhiên: ( ) ( )( )τR,mtfh ff≈=

Với mf: giá trị trung bình

Rf: Hàm quan hệ

τ : Thời gian tương quan.

Việc chọn loại kích động nào thì phụ thuộc cụ thể vào từng mục tiêu

nghiên cứu. Nếu nghiên cứu về ảnh hưởng của đường thì buộc phải dùng

hàm kích động ngẫu nhiên. Còn nếu tối ưu hệ treo thì dùng hàm sin và hàm

xung là đủ. Trong phạm vi đề tài này chỉ khảo sát hệ dao động một phần tử

khối luợng, hệ dao động hai phần tử khối lượng va hệ dao động liên kết; do

đó chỉ dùng hàm sin và dạng kích thích bậc thang.

Ngoài mấp mô của đường là yếu tố gây dao động, còn có các yếu tố

gây dao động khác mà ta có thể kể ra như sau: Gió nhất là gió ngang; Gió

dọc; Góc quay vô lăng, đặc trưng qua gia tốc ngang với ngoại lực là lực quán

tính li tâm khi vào cua ...

Như vậy có tất cả 4 yếu tố gây ảnh hưởng đến dao động ôtô mà trong

khi nghiên cứu cũng phải đề cập, hoặc là riêng về từng yếu tố một, hoặc

đồng thời một số yếu tố kết hợp. Trong phạm vi đề tài này chỉ tập trung

nghiên cứu kích động từ mặt đường dạng bậc hoặc theo hình sin.



==============================================================

CHƯƠNG 3

ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG

CỦA PHẦN TỬ KHỐI LƯỢNG CỦA CƠ CẤU TREO

3.1. Giới thiệu phần mền Matlab-Simulink 7.0

Matlab (MATric LABoratory) là một công cụ phần mềm của

MathWork với giao diện cực mạnh cùng lợi thế trong kĩ thuật lập trình đáp

ứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực kỹ thuật chuyên

ngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, rôbôt công nghiệp, vật lý hạt

nhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê, kế toán ...

Matlab có bộ lệnh rất mạnh giúp nó có thể giải quyết các loại bài toán khác

nhau, đặc biệt là các hệ phương trình tuyến tính, phi tuyến hay các ma trận

với kết quả nhanh chóng và chính xác. Bộ lệnh này lên tới hàng trăm và

ngày càng được mở rộng thông qua các hàm ứng dụng được bởi người sử

dụng hay thông qua thư viện trợ giúp. Bên cạnh đó Matlab cho phép xử lý

dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong

không gian hai chiều cũng như ba chiều giúp người sử dụng có thể quan sát

một cách trực quan và đưa ra phương pháp giải tốt nhất. Phần cốt lõi của

chương trình bao gồm một số hàm toán, chức năng nhập/xuất cũng như khả

năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể dựng nên các Scripts. Thêm

vào đó là bộ công cụ (Toolbox) có thể bổ sung các chức năng chuyên dụng.

Thường hay sử dụng các Toolbox như: Control System Toolbox, Signal

Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow Blockset, Power

System Blockset, Real-time Workshop và Simulink. Simulink là một Toolbox

có vai trò đặc biệt quan trọng: Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô

hình hoá và mô phỏng các hệ thống Kỹ thuật - Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu

trúc dạng khối.

Simulink là phần chương trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích

mô hình hoá, mô phỏng và khoả sát các hệ thống động học. Giao diện đồ hoạ

trên màn hình Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 34


==============================================================

với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng

một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho

các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn. Hơn thế, người sử dụng có thể tạo

khối cho riêng mình. Một tính năng đặc biệt khác của Simulink là có thể

nhận tín hiệu trực tiếp từ các phần mềm khác giống như nhận tín hiệu từ bên

ngoài vào để xử lý của một số phần mềm Dasylab...sau khi xử lý nó có thể

phản hồi tín hiệu trở lại để điều khiển đối tượng đó.

Trên hình 3.1 thể hiện màn hình làm việc của Matlab, đây là màn hình

chính điều khiển toàn bộ tất cả các quá trình diễn ra ở Matlab.

Hình 3.1: Màn hình Matlab

Trên hình 3.2 thể hiện màn hình của Simulink Library Brower, màn hình

có chứa tất cả các phần tử có sẵn của Simulink để có thể sử dụng.



==============================================================

Hình 3.2- Cửa sổ tra cứu các khối trong thư viện

Trên hình 3.3 biểu diễn một màn hình mới chuẩn bị cho quá trình lập

trình với các phần tử có sẵn trong Matlab-Simulink.

Hình 3.3- Màn hình xây dựng sơ đồ khối (New model window)



==============================================================

3.1.1. Các khối chức năng có sẵn thường dùng trong phần mềm Matlab-Simulink

Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo một mẫu giống

nhau. Mỗi khối có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ trường hợp ngoại lệ: các

khối thuộc thư viện Sources và Sinks chỉ có đầu vào hoặc đầu ra), có tên và ở

trung tâm hình khối hình chữ nhật có biểu tượng (hàm truyền đạt, đồ thị đặc

tính hay tên files…) thể hiện đặc điểm riêng của khối. Người sử dụng có thể

tùy ý thay đổi tên của khối, tuy nhiên mỗi tên chỉ được dùng một lần duy

nhất trong phạm vi cửa sổ của màn hình mô phỏng. Khi nháy kép phím

chuột trái trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters (trừ

các khối Scope, Slider Gain, Subsystem) và có thể nhập thủ công các tham

số đặc trưng của khối. Nếu muốn định dạng lại khối ta click chuột phải vào

khối format xoay khối, ẩn hoặc hiện tên khối, tạo bóng mờ, đảo chiều

khối; hoặc thay đổi font chữ, mầu nền hay mầu của khối.

Simulink phân biệt (không phụ thuộc vào thư viện con) hai loại thuộc

khối chức năng: Khối ảo (virtual) và khối thực (not virtual). Các khối thực

đóng vai trò quyết định khi chạy mô phỏng mô hình Simulink. Việc thêm bớt

một khối thực sẽ làm thay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mô

hình Simulink mô tả (ví dụ như khối tích phân Intergrator hay hàm truyền

đạt Transfer Fcn của thư viện Continuous, khối Sum hay khối Product của

thư viện con Math). Ngược lại, khối ảo không có khả năng thay đổi đặc tính

của hệ thống, chúng chỉ làm thay đổi diện mạo của mô hình Simulink (khối

Mux, Demux hay enable thuộc thư viện Signal Routing và Ports &

Subsystems).

Sau đây là một vài các khối chức năng có sẵn và hay sử dụng trong thư viện

của Matlab Simulink:

a.Thư viện Commomly used blocks:

Thư viện này bao gồm các khối thường dùng trong việc xây dựng mô

hình, thiết lập thông số đàu vào và đầu ra, phục vụ mô phỏng.



==============================================================

Hình 3.4 – các khối của thư viện Commomly Used Blocks

Khối Bus selector: Ta có thể sử dụng khối Bus Selector để tái tạo lại

các tín hiệu từ một Bus tín hiệu, đồng thời gom chúng lại thành các tín hiệu

riêng rẽ ban đầu.

Khối constant: Khối constant tạo nên một hằng số (không phụ thuộc

vào thời gian) thực hoặc phức. Hằng số có thể là scalar, vector hay ma trận,

tùy theo cách khai báo tham số Constant Value và ô Interpret vector

parameter as 1-D có được chọn không. Nếu ô đó được chọn, ta có thể khai

báo tham số Constant Value là vector hàng hay cột với kích cỡ [1× n] hay

[n × 1] dưới dạng ma trận. Nếu ô đó không được chọn, các vector hàng hay

cột đó chỉ được sử dụng như vector với chiều dài n, tức là tín hiệu 1-D

Khối Data type Conversion

Khối Demux: Khối Demux có tác dụng ngược lại với Mux: tách tín

hiệu được chập lại từ nhiều tín hiệu riêng rẽ trở lại thành tín hiệu riêng rẽ mới.

Khối Demux làm việc theo chế độ vector (Bus selection mode = off) hay chế

độ Bus (Bus selection mode = on)

Khối Discrete-Time integrator: Khối Discrete – Time Integrator (tích

phân gián đoạn) về cơ bản cũng như khối Integrator (tích phân liên tục). Bên ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 38


==============================================================

cạnh chu kỳ trích mẫu ta còn phải chọn cho mỗi khối thuật toán tích phân (tích

phân Euler tiến, tích phân Euler lùi hay tích phân hình thang). Sau khi đã chọn

thuật toán tích phân, Biểu tượng (Icon) của khối lại thay đổi tương ứng.

Khối Gain: Khối Gain có tác dụng khuyếch đại tín hiệu đầu vào (định

dạng 1-D hay 2-D) bằng biểu thức khai báo tại ô Gain, biểu thức đó có thể chỉ

là một số hay là một biến. Nếu là biến, biến đó phải tồn tại trong môi trường

Matlab Workspace, chỉ khi ấy Simulink mới có thể tính toán được với biến.

Nhờ thay đổi giá trị của tham số Multiplication ta có thể xác định: phép nhân

của biến vào với Gain được thực hiện theo phương thức nhân ma trận hay

nhân từng phần tử.

Khối Integrator: Khối Integrator lấy tích phân tín hiệu đầu vào của

khối. Giá trị ban đầu được khai báo trực tiếp tại hộp thoại Block Parameter

hoặc thông qua chọn giá trị internal tại ô Initial condition source để sau đó

điền giá trị ban đầu lấy từ nguồn bên ngoài khối.

Đầu ra của khối Integrator có thể được một tín hiệu bên ngoài lặp về

(reset) một giá trị ban đầu. Tại ô External reset ta có thể chọn dạng tín hiệu

reset (ví dụ: rising có nghĩa là sườn lên). Khi chọn External reset một trong

các giá trị thì khối Integrator sẽ tự động thêm một đầu vào dành cho tín hiệu

reset.

Nếu cần chặn biên độ tín hiệu ở đầu ra, ta kích hoạt ô Limit output và

khai báo giá trị tối đa dòng (Upper hay Lower) saturation limit. Kích hoạt ô

Show saturation port ta có thể lấy được tín hiệu bảo hoà tương ứng (1: tại

đầu ra khi coc bão hoà dương, -1: khi có bão hoà âm, 0: cho các giá trị lưng

chừng giữa hai ngưỡng bão hoà). Nếu kích hoạt ô Show state port, trên biểu

tượng của khối sẽ xuất hiện thêm một đầu ra (state port) cho phép trích tín

hiệu trạng thái của khối Integrator. Biến trạng thái của khối thực chất đồng

nhất về giá trị với biến đầu ra, tuy nhiên Simulink tính hai biến đó (biến ra

và biến trạng thái) tại những thời điểm ít nhiều có khác nhau. Nếu mô hình

Simulink có chứa các biến trạng thái rất chênh lệch nhau về kích cở giá trị



==============================================================

thì khi ấy nên khai báo tham số Absolute tolerance riêng rẽ thêm cho từng

khối Integrator của mô hình.

Khối Logical Operator: Khối Logical Operator thực hiện kết hợp các

biến vào khối theo hàm Logic đã chọn tại ô Operator. Biến ra sẽ nhận các giá

trị 1 (TRUE, đúng) hay 0 (FALSE, sai). Nếu các biến có định dạng vector (tín

hiệu 1-D) hay ma trận (tín hiệu 2-D), các phần tử của chúng sẽ được kết hợp

theo hàm Logic đã chọn, và ở đầu ra sẽ xuất hiện một vector hay ma trận.

Khối Relational Operator: Khối Relational Operator thực hiện kết hợp

hai tín hiệu đầu vào thành một toán tử so sánh đã chọn tại ô Operator. Biến ra

sẽ nhận các giá trị 1(TRUE) hay 0 (FALSE).

Khối Mux: Các khối Mux có tác dụng như một bộ chập kênh

(multiplexer), có tín hiệu chập các tín hiệu 1-D riêng rẽ (tức là: các tín hiệu

Scalar hay vector) thành một vector tín hiệu mới. Nếu như một trong số các tín

hiệu riêng rẽ là 2-D (ma trận tín hiệu), khi ấy chỉ có thể tập hợp các tín hiệu

riêng rẽ thành Bus tín hiệu. Tại ô number of inputs ta có thể khai báo tên, kích

cở và số lượng tín hiệu vào.

Khối In1 và Out1: Inport và Outport là các khối đầu vào và đầu ra của

một mô hình mô phỏng. Tại hộp thoại Block Parameters ta có thể điền vào ô

Port Number số thứ tự của khối. Simulink tự động đánh số các khối Inport và

Outport một cách độc lập với nhau, bắt đầu từ 1. Khi ta bổ sung thêm khối thì

khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp. Khi xoá một khối nào đó, các khối lạ được

tự động đánh số mới. Trong hộp thoại Block Parameters của Inport, ta còn có

ô Port Winh dùng để khai báo bề rộng của tín hiệu vào.

Thông qua các ô Inport và Outport thuộc tầng trên cùng (chứ không

phải thuộc các hệ thống con), ta có thể cất vào hay lấy số liệu ra khỏi môi

trường Workspace. Để làm điều đó ta phải kích hoạt ô Input và Output ở

trang Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameters và khai báo tên các

biến cần lấy số liệu vào, hay tên của các biến mà ta sẽ gửi số liệu tới.



==============================================================

Khối Product: Khối Product thực hiện pháp nhân từng phần tử hay

phép nhân ma trận , cũng như phép chia giữa các tín hiệu (dạng 1-D hay 2-D)

của khối phụ thuộc vào giá trị đặt của tham số Multiplication và Number of

inputs.

Khối Scope: Nhờ khối Scope

ta có thể hiển thị các tín hiệu của quá

trình mô phỏng. Nếu mở cửa sổ

Scope sẵn từ trước khi bắt đầu quá

trình mô phỏng, ta có thể theo dõi

trực tiếp diễn biến tín hiệu.

Khối Subsystem: Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con

trong khôn khổ của một chương trình Simulink. Việc ghép với mô hình thuộc

các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khối Inport (cho tín hiệu vào) và Outport

(cho tín hiêuh ra). Số lượng đầu vào/ra của khối Subsystem phụ thuộc vào số

lượng khối Inport và Outport.

Đầu vào/ra của khối được đặt theo tên mặc định của các khối Inport và

Outport. Nếu chọn Format/Hide Port Labels trên menue của cửa sổ khối

Subsystem, ta có thể ngăn chặn được cách đặt tên kể trên và chủ động đặtc

cho Inport và Outport các tên phù hợp hơn với ý nghĩa vật lý của chúng.

Khối Sum: Đầu ra của khối Sum là tổng các tín hiệu đầu vào. Nếu các

tín hiệu là scalar, tín hiệu tổng cũng là scalar. Nếu đầu vào có nhiều tín hiệu

hỗn hợp, Sum tính tổng của tứng phần tử. Ví dụ nếu tín hiều vào bao gồm ba

tín hiệu: 1, sin(x) và [4 4 5 6], tín hiệu ra sẽ có dạng: [5+sin(x),

5+sin(x),6+sin(x),7+sin(x)]. Nếu khối Sum chỉ có một đầu vào dạng vector,

khi ấy các phần tử của vector sẽ được cộng thành scalar.

Khối Switch: Khối Switch có tác dụng chuyển mạch, đưa tín hiệu từ

đầu vào 1 hoặc 3 tới đầu ra. Tín hiệu điều khiển chuyển mạch được đưa tới

vào đầu 2 (đầu vào ở giữa). Ngưỡng giá trị điều khiển chuyển mạch được khai



==============================================================

báo bằng tham số Threshold, khi tín hiệu điều khiển ≥ Threshold đầu ra được

nối vào đầu 1. Khi tín hiệu điều khiển ≤ Threshold, đầu ra được nối với đầu 3.

b.Thư viện Continuous

Hình 3.5 – các khối của thư viện continuous

Khối Derivative: Phép tính đạo hàm tín hiệu đầu vào được thực hiện

nhờ khối Derivative. Tín hiệu tìm được ở đầu ra có dạng ∆u/∆t, với ∆ là biến

thiên của đại lượng cần tính kể từ bước tích phân liền trước đó. Giá trị ban

đầu của biến ra là 0.

Khối Integrator: Khối Integrator lấy tích phân tín hiệu đầu vào của

khối. Giá trị ban đầu được khai báo trực tiếp tại hộp thoại Block Parameter

hoặc thông qua chọn giá trị internal tại ô Initial condition source để sau đó

điền giá trị ban đầu lấy từ nguồn bên ngoài khối

State-space: Khối State-Space là mô hình trạng thái của một hệ tưyến

tính. Được mô tả bởi hệ phương trình sau đây:

X =Ax + Bu

Y = Cx + Du

Bậc của hệ do kích cỡ của ma trận trạng thái A quyết định. Nếu Nx là

biến số trạng thái, Nu là biến số vào và Ny là biến số ra, các tham số của hệ

phải có kích cở như sau: A(Nx×Nx), B(Nx×Nu), C(Ny×Ny) và D(Ny×Nu).

Khai báo như vậy ta sẽ quyết định Nu là bề rộng của vector tín hiệu vào và

Ny là bề rộng của vector tín hiệu ra.

Transfer Function: Nhờ khối Transfer Fcn ta có thể mô hình hoá hàm

truyền đạt của một hệ tuyến tính. Khối Transfer Fcn có đặc điểm hoàn toàn ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 42


==============================================================

tương đương với lệnh tf(num,den) của Control System Toolbox. Tham số của

khối là các hệ số của đa thức tử số (Numerator) và mẫu số (Denominator),

khai báo theo thứ tự mũ của s giảm dần. Bậc của mẫu số phải lớn hơn hoặc

bằng bậc của tử số.

Tại ô Numerator ta cũng có thể khai báo ma trận. Bề rộng của vector

tín hiệu ra sẽ tuỳ thuộc vào số dòng của ma trận đã được khai. Các tín hiệu

vào chỉ được chấp nhận là scalar.

Khối Zero-Pole: Ngược lại với Transfer Fcn, khối Zero-Pole sẽ tạo

nên các tham số Zero, Poles và Gain một hàm truyền đạt dưới dạng hệ số

hoá theo điểm không, điểm cực (m=số lượng điểm không, n=số lượng điểm

cực). Số lượng điểm cực phải lớn hơn hoặc bằng số điểm không. Các điểm

không, điểm cực phức phải là liên hợp. Khối Zero-Pole tương đương với

lệnh zpk(z, p, k) của Control System Toolbox.

Khối Transport Delay: Khối transport Delay làm trể tín hiệu vào

khoảng thời gian ≥ 0 khai báo tại ô Time Delay trước khi xuất tới đầu ra. Chỉ

đến khi thời gian mô phỏng bắt đầu vượt quá thời gian trể (so với lúc bắt đầu

mô phỏng), khối Transport Delay mới xuất giá trị khai tại Initial input tới

đầu ra.

Khối Variable Transport Delay: Với khối Variable Trasport Delay

ta có thể điều khiển trể tín hiệu một cách rất linh hoạt: Tín hiệu chứ thời gian

trể sẽ được đưa đến đầu thứ hai (đầu vào phía dưới) của khối. Tại ô

Maximum delay ta phải khai một giá trị trễ tối đa, có tác dụng giới hạn giá

trị điều khiển tín hiệu thời gian trễ.

c.Thư viện Discrete

Thư viện Discrete phục vụ mô phỏng động học các hệ thống gián đoạn

về thời gian. Các khối phục vụ xuất, nhập số liệu, các hàm mô tả được sử

dụng bình thường trong hệ gián đoạn. Các khối này có thể tự động nhận thừa

kế chu kỳ trích mẫu của các khối nối phía trước chúng. Tất cả các khối thuộc

thư viện đều có một khâu trích mẫu ở đầu vào.



==============================================================

Hình 3.6 – các khối của thư viện Discrete

Khối Unit Delay: Khối Unit Delay có tác dụng trích mẫu tín hiệu vào và

cất giữ giá trị thu được trong một chu kỳ trích mẫu. Vì vậy, khối có đặc điểm

như một phần tử cơ bản của hệ gián đoạn. Khối có thể được sử dụng như

một khâu quá độ từ tần số trích mẫu thấp sang tần số trích mẫu cao.

Discrete – Time Integrator: Khối Discrete – Time Integrator (tích phân

gián đoạn) về cơ bản cũng như khối Integrator (tích phân liên tục). Bên cạnh

chu kỳ trích mẫu ta còn phải chọn cho mỗi khối thuật toán tích phân (tích

phân Euler tiến, tích phân Euler lùi hay tích phân hình thang). Sau khi đã

chọn thuật toán tích phân, Biểu tượng (Icon) của khối lại thay đổi tương ứng.

Discrete Filter (scalar): Khối Discrete Filter là một khối lọc có hàm

truyền đạt được Matlap quy định sẵn có dạng như sau

H(z-1) = nn

mm

zazazaa

zbzbzbb

zA

zB

zx

zy−

+−−

−+

−−

−

−

−

−

++++++++

==1

23

121

12

31

211

1

1

1

...

...

)(

)(

)(

)(

Các hệ số của đa thức tử số và mẫu số được khai báo theo trình tự số mũ

của z giảm dần, bắt đầu từ hệ số của z0. Bằng khối Discrete Filter ta có thể

cài đặt một cách rất dễ dàng các khâu lọc digital đã mô tả.

Discrete Transfer Function (scalar): Khối Discrete Transfer Function

có đặc điểm giống như khối Discrete Filter nhưng hàm truyền đạt khác với

Discrete Filter, nó mô tả hàm truyền đạt như sau

H(z) = 1

23

121

12

31

21

...

...

)(

)(

+−−

+−−

++++++++

=n

nnnm

mmm

azazaza

bzbzbzb

zA

zB



==============================================================

Các hệ số của z giảm dần, bắt đầu từ m (tử số) và n (mẫu số). Nếu ta khai

báo chiều dài cuat hai vector hệ số tử và mẫu số như nhau bằng cách, bổ

sung vào vector ngắn hơn các hệ số với giá trị 0, khi ấy khối Discrete

Transfer Function sẽ hoạt đông như khối Discrete Filter.

Discrete Zero-pole (scalar): Trong khối Discrete Zero-Pole, thay vì

phải khai báo các hệ số, ta khai báo điểm cực-điểm không của hàm truyền

đạt và một hệ số khuyếch đại.

Discrete State Space: Khối Discrete State Space mô tả một hệ thống

gián đoạn bằng mô hình trạng thái. Khối có đặc điểm giống như khối State

Space của các hệ liên tục

Zero-Order Hold: Khối Zero-Order Hold trích mẫu tín hiệu đầu vào và

giữ giá trị thu được đến thời điểm trích mẫu tiếp theo. Nên sử dụng khối

Zero-Order hold trong các hệ trích mẫu chưa có một trong các khối gián

đoạn được miêu tả ở trên (tức là những khối có sẵn khâu dữ chậm bậc 0).

Khi chọn bước tích phân cứng, có thể sử dụng khối zero-order Hold tại các

vị chí chuyển từ tần số trích mẫu cao sang tần số trích mẫu thấp.

Memory: Khối Memory xuất ở đầu ra giá trị của đầu vào thuộc bước

tích phân vừa qua. Nói cách khác khối Memory cso đặc điểm của một khâu

dữ chậm bậc 0, lưu giữ tín hiệu trong khoảng thời gian một bước tính. Khi

mô phỏng với ode15s và ode113 (cả hai đều là phương pháp tích phân đa

bước) ta không nên sử dụng khối Memory.

d.Thư viện Discontinuities

Hình 3.7– các khối của thư viện Discontinuities



==============================================================

Backlash: Khối Backlash phỏng lại đặc tính của một hệ thống có độ

dơ. Độ dơ thuờng xuất hiện trong các kết cấu cơ khí có chứa hộp số, đó

chính là độ dơ lắc giữa hai bánh răng khớp nhau của hộp số. Độ dơ lắc

thường xuyên xuất hiện do gia công thiếu chính xác hay do hao mòn vật liệu.

Tham số Deadband width khai báo bề rộng của độ dơ (đối xứng đầu ra).

Khối Rate Limiter và Saturation: Khối Rate Limiter giới hạn đạo

hàm bậc nhất của tín hiệu đầu vào tại các tham số Rissing slew rate (giới hạn

khi tín hiệu vào tăng) và Falling slew rate (giới hạn khi tín hiệu vào giảm)

Khối saturation giới hạn giá trị tối đa của tín hiệu vào về phía dương

(Upper limit) và phía âm (Lower limit)

Quantizer: Khối Quantizer chuyển tín hiệu ở đầu vào của khối thành

tín hiệu có dạng bậc thang. Chiều cao của bậc do tham số Quantization

interval quyết định. Tại thời điểm tích phân thứ I, tín hiệu ra y(i) được tính

từ tham số Quantization interval q và tín hiệu vào u(i). đồng thời sử dụng

hàm làm tròn round của MatLab theo:

y(i) = q.round

q

iu )(

Dead Zone: Bằng khối Dead Zone ta có thể mô phỏng các đối tượng

với đặc điểm: Tín hiệu ra có giá trị 0 trong một khoảng (khoảng liệt) nhất

định của tín hiệu vào. Giới hạn dưới và trên khoảng liệt do các tham số Start

of dead zone và End of dead zone quyết định. Nếu tín hiệu vào có giá trị nằm

trong khoảng bị chặn bởi hai giá trị đó, tín hiệu ra sẽ nhận giá trị 0. Khi tín

hiệu vào u ≤ Start of dead zone, tín hiệu ra y = u - Start of dead zone. Khi tín

hiệu vào u ≥ End of dead zone, tín hiệu ra y= u - End of dead zone.

Coulomb & Viscous Friction: Khối Coulomb & Viscous Friction mô

phỏng một hệ có ma sát dính và ma sát trượt. Các dạng ma sát này thường

hay tồn tại trong các hệ thống cơ có chuyển động tịnh tiến hay chuyển động

xoay tròn.

Relay: Tuỳ theo tín hiệu vào (tín hiệu điều khiển), Khối Relay có tác

dụng chuyển đổi tín hiệu ra giữa hai giá trị Output when on và Output when



==============================================================

off. Relay sẽ đóng mạch (trạng thái ‘on’), nếu tín hiệu vào u ≥ Switch on

point, và tín hiệu ra y = Output when on. Relay giữ nguyên trạng thái nếu

tín hiệu ra y = Output when off.

Giá trị Switch on point luôn phải được chọn lớn hơn hoặc bằng giá trị

Switch off point. Khi Switch on point > Switch off point, khối Relay mô

phỏng đường đặc tính Hysteresis. Khi Switch on point = Switch off point,

khối Relay mô phỏng một công tắc chuyển mạch.

Khối Hit Crossing: Khối Hit Crossing có tác dụng phát hiện thời điểm

tín hiệu đầu vào đi qua giá trị khai tại Hit Crossing offset theo hướng khai tại

Hit Crossing direction. Nếu ta chọn Show output port, tại thời điểm Crossing

đầu ra sẽ nhận giá trị là 1, còn lại là 0. Nếu tại trang Advance của hộp thoại

Simulation Parameters ta đặt Boolean logic signals = off, tín hiệu ra sẽ là

double, ngoài ra là Boolean.

e.Thư viện Math Operations

Thư viện con Math Operation có một số khối với chức năng ghép

toán học với các tín hiệu khác nhau. Bên cạnh các khối đơn giản nhằm cộng

hay nhân tín hiệu, trong Math còn có nhiều hàm toán khác như lượng giác,

logíc đã được chuẩn bị sẵn. Sau đây là một số khối cơ bản của Math

Operation:

Khối Sum: Đầu ra của khối Sum là tổng các tín hiệu đầu vào. Nếu các

tín hiệu là scalar, tín hiệu tổng cũng là scalar. Nếu đầu vào có nhiều tín hiệu

hỗn hợp, Sum tính tổng của từng phần tử. Ví dụ nếu tín hiều vào bao gồm ba

tín hiệu: 1, sin(x) và [4 4 5 6], tín hiệu ra sẽ có dạng: [5+sin(x) 5+sin(x)

6+sin(x) 7+sin(x)].

Nếu khối Sum chỉ có một đầu vào dạng vector, khi ấy các phần tử của vector

sẽ được cộng thành scalar. Ví dụ ở đầu vào chỉ tồn tại vector [4 4 5 6] thì ở

đầu ra sẽ xuất hiện giá trị 19. Tại ô List of signs ta có thể khai báo cực tính

và số lượng đầu vào bằng cách viết một chuỗi các ký hiệu + , -



==============================================================

Hình 3.8 – các khối của thư viện Math Operrations

Khối Product và Dot Product

Khối Product thực hiện phép nhân từng phần tử hay phép nhân ma trận,

cũng như phép chia giữa các tín hiệu (dạng 1-D hay 2-D) của khối phụ thuộc

vào giá trị đặt của tham số Multiplication và Number of inputs.

Khối Dot product tính tích scalar (vô hướng) của các vector đầu vào.

Giá trị đầu ra của khối tương ứng với lệnh Matlab y = sum(conj(u1).*u2).

Math Function và Trigonometric Function

Trong khối Math Function có một khố lượng khá lớn hàm toán đã

được chuẩn bị sẵn tại ô Function, cho phép ta chọn lựa theo nhu cầu sử

dụng. Tương tự, khối Trigonometric function có tất cả các hàm lượng giác

quan trọng. Cả hai khối Math function và Trigonometric Function đều có thể

xử lý tín hiệu 2-D.

Gain, Slider Gain

Khối Gain có tác dụng khuyếch đại tín hiệu đầu vào (định dạng 1-D

hay 2-D) bằng biểu thức khai báo tại ô Gain, biểu thức đó có thể chỉ là một

số hay là một biến. Nếu là biến, biến đó phải tồn tại trong môi trường Matlab



==============================================================

Workspace, chỉ khi ấy Simulink mới có thể tính toán được với biến. Nhờ

thay đổi giá trị của tham số Multiplication ta có thể xác định: phép nhân của

biến vào với Gain được thực hiện theo phương thức nhân ma trận hay nhân

từng phần tử.

Khối Slider Gain cho phép người sử thay đổi hệ số khuyếch đại scalar

trong quá trình mô phỏng.

Khi nháy kép chuột trái

vào khối, cửa sổ Slider Gain

hiện ra cho phép thay đối hệ

số khuyếch đại trong khoảng

low…high.

Algebraic Constraint: Khối Algebraic Constraint cưỡng tín hiệu vào

của khối về 0 và xuất ở đầu ra của khối giá trị của biến z (là giá trị ứng với

khi đầu vào là 0). Tuy nhiên, biến ra phải có tác động ngược lại đầu vào

thông qua một vòng hồi tiếp thích hợp.

Tại ô dành cho tham số Initial guess ta có thể khia báo một giá trị khởi

đầu cho thuật toán vòng quẩn đại số. Bằng cách lựa chọn khéo léo Initial

guess ta có thể cải thiện độ chính xác, thậm chí là cách làm duy nhất trong

một vài trường hợp gay cấn (critical case).

f.Thư viện Ports & Subsystems

Hệ thống con (Subsystem) tạo điều kiện cho người sử dụng phân loại,

giảm số lượng các khối trong một cửa sổ. Có hai cách để tạo hệ thống con:

Cách 1: Dùng chuột đánh dấu tất cả các khối (thuộc mô hình hệ thống

lớn) mà ta muốn gom lại với nhau. Cần chú ý là đánh dấu cả vào đường tín

hiệu kèm theo. Sau đó chọn Create Subsystem thuộc menu Edit. Các khối

được đánh dấu sẽ được Simulink thay thế bằng một khối mới Subsystem.

Cách 2: Dùng khối Subsystem có sẵn trong thư viện sau đó nháy chuột

kép vào để mở tạo hệ thống con.



==============================================================

Khối Subsystem: Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con

trong khuôn khổ của một chương trình Simulink. Việc ghép với mô hình

thuộc các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khối Inport (cho tín hiệu vào) và

Outport (cho tín hiệu ra). Số lượng đầu vào/ra của khối Subsystem phụ thuộc

vào số lượng khối Inport và Outport.

Đầu vào/ra của khối được đặt theo tên mặc định của các khối Inport và

Outport. Nếu chọn Format/Hide Port Labels trên menue của cửa sổ khối

Subsystem, ta có thể ngăn chặn được cách đặt tên kể trên và chủ động đặt

cho Inport và Outport các tên phù hợp hơn với ý nghĩa vật lý của chúng.

Khối Inport và Outport: Inport và Outport là các khối đầu vào và đầu

ra của một mô hình mô phỏng. Tại hộp thoại Block Parameters ta có thể điền

vào ô Port Number số thứ tự của khối. Simulink tự động đánh số các khối

Inport và Outport một cách độc lập với nhau, bắt đầu từ 1. Khi ta bổ sung

thêm khối thì khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp. Khi xoá một khối nào đó,

các khối lạ được tự động đánh số mới. Trong hộp thoại Block Parameters

của Inport, ta còn có ô Port Winh dùng để khai báo bề rộng của tín hiệu vào.

Thông qua các ô Inport và Outport thuộc tầng trên cùng (chứ không

phải thuộc các hệ thống con), ta có thể cất vào hay lấy số liệu ra khỏi môi

trường Workspace. Để làm điều đó ta phải kích hoạt ô Input và Output ở

trang Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameters và khai báo tên

các biến cần lấy số liệu vào, hay tên của các biến mà ta sẽ gửi số liệu tới.

Khối Enable và Trigger: Hai phần tử Enable và Trigger nhằm mục

đích tạo cho các hệ con Subsystem có khả năng khởi động có điều kiện.

Trong một hệ con chỉ có thể sử dụng một khối Enable và Trigger. Khi được

gán một trong hai khối đó, tại khối Subsystem sẽ xuất hiện thêm một đầu vào

đặc biệt, nơi mà tín hiệu Enable (cho phép kích hoạt) hay Trigger (xung kích

hoạt) được đưa tới.

Các hệ con có khối Enable được gọi là hệ (đã được) cho phép. Hệ con

đó sẽ được kích hoạt tại những bước tích phân có phát ra tín hiệu Enable với



==============================================================

giá trị dương. Tham số States when enabling cho biết cần đặt giá trị ban đầu

cho biến trạng thái như thế nào (xoá về không hay giữ nguyên giá trị cuối

cùng) trước khi đuợc kích hoạt. Tham số Show output port gán cho khối

Enable thêm một đầu ra, tạo điều kiện xử lý hay sử dụng tiếp tín hiệu

Enable.

Các hệ con có khối Trigger gọi là hệ được kích hoạt bằng xung. Việc

kích hoạt này diễn ra ở sườn dương (Trigger type: rising), hay sườn âm

(Trigger type: falling), hay cả hai sườn (either), của xung kích hoạt . Nếu

Trigger type được chọn là function-call, ta có cơ hội chủ động tạo xung kích

hoạt nhờ một S-function do ta tự viết.

Các khối Enable và Trigger là các khối ảo có điều kiện.

g.Thư viện Sources

Các khối chuẩn ở trong Sources bao gồm các nguồn phát tín hiệu, các

khối cho phép nhập số liệu từ một file, hay từ Matlab Workspace. Sau đây là

một vài khối thường dùng trong thư viện này

Hình 3.9– các khối của thư viện Sources



==============================================================

Constant: Khối constant tạo nên một hằng số (không phụ thuộc vào

thời gian) thực hoặc phức. Hằng số có thể là scalar, vector hay ma trận, tùy

theo cách khai báo tham số Constant Value và ô Interpret vector parameter

as 1-D có được chọn không. Nếu ô đó được chọn, ta có thể khai báo tham số

Constant Value là vector hàng hay cột với kích cở [1 × n] hay [n× 1] dưới

dạng ma trận. Nếu ô đó không được chọn, các vector hàng hay cột đó chỉ

được sử dụng như vector với chiều dài n, tức là tín hiệu 1-D.

Clock và Digital Clock: Đây là bộ hai loại đồng hồ khác nhau mà

Simulink đã thiết kế sẵn nhằm phục vụ cho các quá trình cần thiết phải theo

dõi thời gian chạy và tính toán theo thời gian chạy của mô hình Simullink.

From Workspace: Khối From Workspace có nhiệm vụ lấy dữ liệu từ

cửa sổ Matlab Workspace để cung cấp cho mô hình Simulink. Các số liệu

lấy vào phải có dạng của biểu thức Matlab, khai báo tại dòng lệnh Data. Nếu

số liệu lấy vào là scalar hay vector, khi ấy biểu thức khia tại Data phải là một

ma trận với vector thứ nhất là vector thời gian có giá trị tăng dần, gán cho

vector (hay ma trận) các giá trị tín hiệu lấy vào.

From file: Bằng khối số liệu From file ta có thể lấy số liệu từ một

Mat-file có sẵn, Mat-file có thể là kết quả của một lần mô phỏng trước đó, đã

được tạo nên và cất đi nhờ khối To file trong sơ đồ Simulink. Tập các số liệu

do khối To file tạo nên (mảng hay ma trận) được khối From file đọc mà

không cần qua xử lý.

Signal Generator và Pulse Generator: Bằng Signal Generator có thể

tạo ra tín hiệu kích thích khác nhau (hình sin, hình răng cưa...), còn Pulse

Generator tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật. Biên độ và tần số có thể khai báo

tùy ý. Đối với Pulse Generator ta còn có thể chọn tỷ lệ cho bề rộng xung

(tính bằng % cho cả một chu kỳ).

Step và Ramp:Hai khối Step và Ramp ta có thể tạo nên các tín hiệu

dạng bậc thang hay dạng gốc tuyến tính, dùng để kích thích các mô hình

SIMULINK. Trong hộp thoại Block Paramaters của khối Step ta có thể khai



==============================================================

báo giá trị đầu/giá trị cuối và cả thời điểm bắt đầu tín hiệu nhảy. Đối với

Ramp ta có thể khai báo độ dốc, thời điểm và giá trị xuất phát của tín hiệu

đầu ra.

Repeating sequence: Khối Repeating Sequence cho phép ta tạo nên

một tín hiệu tuần hoàn tùy ý. Tham số Time value phải là một vector thời

gian với các giá trị đơn điệu tăng. Vector biến ra Output value phải có kích

cở (chiều dài) phù hợp với chiều dài của tham số Time value. Giá trị lớn nhất

của vector thời gian quyết định chu kỳ lặp lại (chu kỳ tuần hoàn) của vector

biến ra.

Sine Wave: Khối Sine Wave dùng để tạo tín hiệu hình sin cho cả hai

loại mô hình: Liên tục (tham số Sample time = 0) và gián đoạn (tham số

Sample time = 1). Tín hiệu đầu ra y phụ thuộc vào ba tham số chọn:

Amplitude, Frequency và Phase trên cơ sở quan hệ

y =Amplitude.sin(Frequency.time + phase)

Vì thứ nguyên của Phase là [rad], ta có thể khai báo giá trị trực tiếp

của phase là một hệ số nào đó nhân với Pi.

h.Thư viện Sinks

Thư viện Sinks bao gồm các khối xuất chuẩn của Simulink. Bên cạnh

khả năng hiển thị đơn giản bằng số, còn có các khối dao động ký để biểu

diễn các tín hiệu phụ thuộc thời gian hay biểu diễn hai tín hiệu trên hẹ tọa độ

x-y. Ngoài ra còn có khả năng xuất số liệu vào cửa sổ MatLab workspace

hay cất dưới dạng file.



==============================================================Hình 3.10 – Các khối của thư viện Sinks

Khối Scope: Nhờ khối Scope ta có thể hiển thị các tín hiệu cảu quá

trình mô phỏng. Nếu mở cửa sổ Scope sẵn từ trước khi bắt đầu quá trình mô

phỏng, ta có thể theo dõi trực tiếp diễn biến tín hiệu.

Khối XY Graph: XY Graph biểu diễn hai tín hiệu đầu vào scalar trên

hệ trục tọa độ dưới dạng đồ họa (Figure) Matlab. Đầu vào thứ nhất (bên

trên) tương ứng với trục x, đầu vào thứ hai tương ứng với trục y. Trong hộp

thoại parameters có thể đặt giới hạn cho các trục.

Khối To Workspace: Khối Workspace gửi số liệu ở đầu vào của khối

tới môi trường Matlab Workspace dưới dạng Array, Structure hay structure

with time và lấy chuổi kí tự thai tại Variable name để đặc cho tập số liệu

được ghi.

Khối To file: Khối To file cất tập số liệu (mảng, Array hay ma trận) ở

đầu vào của khối cùng với vector thời gian dưới dạng Mat-file. Số liệu do

khối To file cất có thể được khối From file đọc trực tiếp mà không cần xử lý

gì.

Để khối From Workspace đọc được mảng ta phải tiến hành chuyển vị

(transpose) cho mảng. Trong hộp thoại Block Parameters của khối To file ta

có thể đặt tên cho Mat-file và Array. Các tham số Decimation và sample

time có tác dụng khai báo giống như khối To Workspace

i.Thư viện Signal Routing

Hình 3.11 – Các khối của thư viện Signal Routing



==============================================================

Khối Mux và Demux: Các khối Mux có tác dụng như một bộ chập

kênh (multiplexer), có tín hiệu chập các tín hiệu 1-D riêng rẽ (tức là: các tín

hiệu Scalar hay vector) thành một vector tín hiệu mới. Nếu như một trong số

các tín hiệu riêng rẽ là 2-D (ma trận tín hiệu), khi ấy chỉ có thể tập hợp các

tín hiệu riêng rẽ thành Bus tín hiệu. Tại ô number of inputs ta có thể khai báo

tên, kích cở và số lượng tín hiệu vào.

Khối Demux có tác dụng ngược lại với Mux: tách tín hiệu được chập lại

từ nhiều tín hiệu riêng rẽ trở lại thành tín hiệu riêng rẽ mới. Khối Demux làm

việc theo chế độ vector (Bus selection mode = off) hay chế độ Bus (Bus

selection mode = on).

Mux và Demux luôn luôn là khối ảo.

Switch, Manual Switch và Multiport Switch: Khối Switch có tác dụng

chuyển mạch, đưa tín hiệu từ đầu vào 1 hoặc 3 tới đầu ra. Tín hiệu điều

khiển chuyển mạch được đưa tới vào đầu 2 (đầu vào ở giữa). Ngưỡng giá trị

điều khiển chuyển mạch được khai báo bằng tham số Threshold, khi tín hiệu

điều khiển ≥ Threshold đầu ra được nối vào đầu 1. Khi tín hiệu điều khiển ≤

Threshold, đầu ra được nối với đầu 3.

Đối với khối Manual Switch, việc lựa chọn đầu vào để nối với đầu ra

được thực hiện bằng cách nháy kép chuột trái tại đầu vào cần nối.

Khối Multiport Switch có đầu vào điều khiển nằm trên cùng. Đầu vào

được chọn phụ thuộc vào giá trị làm tròn của tín hiệu điều khiển.

Bus Selector và Selector: Các tín hiệu do khối Mux chập lại, có thể

được tách không chỉ bằng khối Demux. Ta có thể sử dụng khối Bus Selector

để tái tạo lại các tín hiệu từ một Bus tín hiệu, đồng thời gom chúng lại thành

các tín hiệu riêng rẽ ban đầu.

Khối Selector cho ta khả năng còn linh hoạt hơn Bus Selector: khả năng

tách ra khỏi tín hiệu 1-D (vector) hay 2-D (ma trận) các phần tử riêng lẻ để

rồi sau đó gom chúng lại thành một tín hiệu 1-D hay 2-D mới.

k.Thư viện User-Defined Functions



==============================================================

Function: Bằng khối Fcn ta có thể khai báo một hàm của biến vào,

dưới dạng một biểu thức viết theo phong cách của ngôn ngữ lập trình C. Nếu

viết u, đó là tín hiệu vào scalar hay chỉ là phần tử đầu tiên của vector tín hiệu

vào. Nếu viết u(i) hay u[i], đó là phần tử thứ i của tín hiệu vào dạng vector

(tín hiệu 1-D).

Biểu thức toán được phép chứa số, các hàm toán, các toán tử số học,

toán tử logic hay toán tử so sánh, các dấu ngoặc vuông, ngoặc đơn, các biến

đã được định nghĩa trong môi trường Matlab Workspace. Trình tự ưu tiên

các phép tính tuân thủ theo đúng ngôn ngữ lập trình C. Các phép tính ma

trận không được Fcn hỗ trợ.

Hình 3.12 – Các khối của thư viện User-Defined Functions

Matlab Function: Khối Matlab Function là một dạng mở rộng của

khối Fcn. Tại ô Matlab Funtion ta có thể khai báo một biểu thức toán hay

một hàm Matlab (viết dưới dạng m-file) của biến đầu vào. Điều cần chú ý là

bề rộng của tín hiệu do Matlab xuất ra phải tương ứng với Output width của

khối Matlab Fcn. Việc tính toán bằng khối Matlab Fcn tốn rất nhiều thời gian

bởi vì mỗi bước Matlap lại phải phân tích cú pháp, chính vì thế nên không

nên dùng Matlab Fcn nếu không cần thiết hoặc có thể thay được bằng các

khối khác.

S-Function: Khối S-Function tạo điều kiện cho việc sử dụng hàm S (S-

Function), hoặc viết dưới dạng Matlab Script (m-file), hoặc dưới dạng ngôn

ngữ C vào một số sơ đồ khối của Simulink. Tên của S-function được khai

báo tại ô S-function name.========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 56


==============================================================

l.Thư viện Look-Up Tables

Look-Up Table và Look-Up Table (2-D): Khối Look-Up table tạo tín

hiệu ra từ tín hiệu vào cơ sở thông tin cất trong một bảng tra (Vector of input

values × Vector of output values). Nếu giá trị hiện tại cảu tín hiệu vào trùng

với một giá trị thuộc Vector of input values, giá trị tương ứng trong bảng

thuộc Vector of output values sẽ được đưa tới đầu ra. Nếu giá trị vào nằm giữa

hai giá trị thì Simulink sẽ thực hiện phép nội suy giá trị tương ứng. Nếu giá trị

là lớn hơn hay bé hơn giá trị ở Vector of input values thì Simulink sẽ thực hiện

việc ngoại suy hai giá trị đầu tiên và cuối cùng.

Khối Look-Up table (2-D) cho phép ta tạo nên một bảng tra hai chiều. Bằng

tham số Table ta khai báo một ma trận cất các giá trị đầu ra. Muốn tìm được

giá trị của đầu ra ta cần phải biết Row để tìm hàng và Colum để tìm cột của ô

giá trị trong ma trận. Tín hiệu đặt ở đầu vào phía trên được so với Row, còn

tín hiệu đặt ở đầu vào phía dưới được so với Column.

3.1.2. Tạo mới một khối để mô phỏng trong Matlab SimulinkSimulink gần như chỉ có thể sử dụng được nhờ chuột. Bằng cách nháy

kép phím chuột trái vào một trong số các thư viện con thuộc cửa sổ của thư

viện chính Library ta có thể thu được một cửa sổ mới có chứa các khối thuộc

thư viện con đó. Hoặc cũng có thể thu được kết quả tương tự bằng cách nháy

kép chuột trái vào nhánh của thư viện con, nằm ở phần bên phải của cửa sổ

truy cập Library Browser. Từ các khối chứa trong thư viện con ta có thể xây

dựng được lưu đồ tín hiệu mong muốn. Để tạo định dạng (Format) và soạn

thảo ta có các chức năng sau đây:

Sao chép: Bằng cách gắp và thả Drag & Drop nhờ phím chuột ta có

thể chép một khối từ thư viện con (cũng như một của sổ khác ngoài thư

viện).

Di chuyển: Ta có thể dễ dàng di chuyển một khối trong phạm vi cửa

sổ đó nhờ phím trái chuột, giữ khối chọn và di chuột.



==============================================================

Đánh dấu: Bằng cách nháy phím chuột trái vào khối ta có thể đánh

dấu, lựa chọn từng khối, hoặc kéo chuột để đánh dấu nhiều khối cùng một

lúc khi giữ phím shift.

Xóa: có thể xóa các đường nối hay các khối đã được đánh dấu bằng

cách gọi lệnh Menu Edit/ clear hoặc chọn phím delete trên bàn phím.

Tạo hệ thống con (Subsystem): Bằng cách đánh dấu nhiều khối có

quan hệ chức năng, sau đó gom chúng lại thông qua Menu Edit/ Create

Subsystem, ta có thể tạo một hệ thống con mới.

Nối hai khối: Dùng phím trái chột nháy vào đầu ra của một khối, sau

đó di mũi tên của chuột (vẫn nhấn chuột) tới đầu vào cần nối, sau đó thả tay,

hai khối sẽ được nối với nhau.

Di chuyển đường nối: Để lưu đồ tín hiệu thoáng và dễ theo dõi, nhiều

khi phải di chuyển, bố trí lại vị trí đường nối. Khi nháy chọn bằng phím trái

chuột ta có thể di chuyển tùy ý các điểm góc hoặc di chuyển song song từng

đường nối.

Tạo Vector đường nối: để dễ phân biệt giữa đường nối đơn và đường

nối tín hiệu theo dạng Vector, hoặc ma trận hoặc mảng ta có thể chọn menu

Format/ Wide nonscalar lines để tăng bề dầy của đường nối.

Chỉ thị kích cỡ và dạng dữ liệu của tín hiệu: Lệnh chọn qua menu

Format/ signal dimensions sẽ hiện thị kích cở của tín hiệu đi qua đường nối.

Lệnh menu Format / Port data types chỉ thị thêm loại dữ liệu của tín hiệu qua

đường nối.

Định dạng (Format) cho một khối: Sau khi nháy phím chuột phải vào

một khối, cửa sổ định dạng khối sẽ mở ra. Tại mục Format ta có thể lựa chọn

kiểu và kích cở chữ, cũng như vị trí khối, có thể lật và xoay khối. Hai mục

Foreground Color và Background Color cho phép ta tự đặt chế độ màu bao

quanh cũng như mầu nền của khối.



==============================================================

Định dạng cho đường nối: Sau khi nháy phím chuột phải vào một

đường nối, cửa sổ định dạng đường (của cả đường dẫn tới đường nối) sẽ mở

ra. Tại đây ta có các lệnh cho phép cắt bỏ, chép (Copy) hoặc xóa đường nối.

Hộp đối thoại (Dialog Box) về đặc tính của khối ( Block Properties): Hoặc đi

theo menu của cửa sổ mô phỏng Edit / Properties, hoặc chọn mục Properties

của cửa sổ định dạng khối, ta sẽ thu được hộp thoại đối thoại cho phép đặt

một vài tham số tổng quát về đặc tính của khối.

Hộp đối thoại về đặc tính của tín hiệu (Signal Properties): Có thể tới

hộp thoại Signal Properties của một đường nối (của tín hiệu) hoặc cách nháy

chuột đánh dấu đường nối trên cửa sổ mô phỏng, sau đó đi theo menu Edit/

Signal Properties, hoặc chọn signal Properties từ cửa sổ định dạng đường.

3.1.3. Mô phỏng một khối trong Matlab SimulinkSau khi đã hoàn thành các bước như lấy các phần tử, kết nối giữa các

phần tử, khai báo các thông số vào cho các phần tử ta bắt đầu cho chạy mô

phỏng. Quá trình mô phỏng của Simulink được khởi động thông qua menu

Simulation/Start. Trong khi mô phỏng có thể chọn Simulation/Pause để tạm

ngừng hay Simulation/Stop để ngừng hẳn quá trình mô phỏng.

Thêm vào đó ta còn có thể điều khiển quá trình mô phỏng bằng các

dòng lệnh viết tại cửa sổ lệnh (Command Window) của Matlab. Điều này

đặc biệt có ý nghĩa khi ta muốn tự động hoá toàn bộ quá trình mô phỏng,

không muốn khởi động, ngừng hay xử lý … bằng tay. Đó là lệnh set_param

và sim.

*Lệnh set_param được gọi như sau:

set_param (‘sys’, ‘SimulationStatus’,’cmd’)

Trong lệnh trên, mô hình mô phỏng có tên sys sẽ được khởi động khi

cmd=start, hay khi dừng lại cmd=stop. Sau khoảng thời gian nghỉ pause, ta

ra lệnh tiếp tục mô phỏng bằng continue. Nếu chọn cmd = update, mô hình

sẽ được cập nhật mới. Có thể kiểm tra tình trạng mô hình mô phỏng của sys

bằng lệnh: get_param (‘sys’,’SimulationStatus’).



==============================================================

Bên cạnh tác dụng điều khiển quá trình mô phỏng, có thể sử dụng

set_param lập các tham số của khối, các tham số mô phỏng.

*Lệnh sim được gọi như sau:

[t,x,y] = sim(‘model’)

Nếu muốn chuyển giao cả tham số mô phỏng, hãy gọi:

[t,x,y] = sim(‘model’,timespan,options,ut)

Bằng lệnh trên ta chủ động được quá trình đặt tham số mô phỏng từ

môi trường Matlab (mà thông thường phải thực hiện tại các trang Solver và

Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameters). Vế trái lệnh gồm các

vector thời gian t, ma trận biến trạng thái x và ma trận biến ra y của mô hình.

Các tham số của sim có ý nghĩa như sau: model là tên của mô hình Simulink,

timespan viết dưới dạng [tStart tfinal] định nghĩa thời điểm bắt đầu và thời

điểm dừng mô phỏng. Tham số ut cho phép đọc tập số liệu đã có vào trong

khối Inport, có tác dụng tương tự như khi khai ô Input thuộc trang

Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameters.

Bằng options ta chuyển giao cho mô hình các tham số mô phỏng quan

trọng như thuật toán và bước tích phân, sai số, các điều kiện xuất số liệu

...Việc tạo cấu trúc tham số options (định dạng Structrure) được thực hiện

bằng lệnh:

options = simset (property,value,...)

Với lệnh trên, các tham số đã đặt trong hộp thoại Simulation

Parameters sẽ không bị thay đổi mà chỉ bị vô hiệu hóa khi lệnh sim khởi

động quá trình mô phỏng bằng lệnh:

struct = simget (‘model’)

Ta sẽ thu được trọn vẹn bộ tham số options đã được khai báo nhờ

kênh simset hay nhờ hộp thoại Simulation Parameters.

Xử lý lỗi:



==============================================================

Nếu xuất hiện lỗi trong quá trình mô phỏng, Simulink sẽ ngừng mô

phỏng và mở hộp thoại thông báo lỗi Simulation Diagnostics. Hộp thoại

thông báo lỗi được thể hiện trên hình 3.4.

Trong phần phái trên của hộp thoại báo lỗi, ta thấy có dang sách của

các khối gây lỗi. Khi chuyển vạch chọn tới khối nào (thuộc dang sách), ta

thấy ở phần dưới hộp thoại mô tả kĩ về khối đó. Nếu nháy chuột trái vào nút

Open, cửa sổ Block Parameters của khối sẽ mở ra để ta thay đổi, sửa lại các

tham số khai báo tại đó. Đôi khi nguồn gây lỗi trên sơ đồ được tôn nỗi bật

thêm bằng mầu, giúp chúng ta nhanh chóng phát hiện được khối gây lỗi.

Hình 3.13- Màn hình báo lỗi của mô hình

Đối với các sơ đồ Simulink phức hợp ta không nên khai báo trực tiếp các

tham số cho từng khối cụ thể mà nên tập hợp chúng lại trong một script (m-

File). Bằng cách ấy, mọi công việc khai báo hay thay đổi các tham số sẽ

được thực hiện một cách rõ ràng, tường minh và khó nhầm lẫn.

3.1.4. Ứng dụng của Matlab Simulink

Hiện nay Matlab Simulink được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực nhất là các lĩnh vực liện quan đến việc tính toán các giá trị bằng các biểu

thức toán học hay mô phỏng một hệ thống nào đó thông qua việc tính toán các

thông số của chúng. Trong ngành động cơ nói riêng thì Simulink được ứng

dụng nhiều trong việc mô phỏng các hệ thống động lực. Simulink có thể coi là

một phần mềm đồ họa, định hướng dùng sơ đồ khối để mô phỏng các hệ thống



==============================================================

động lực. Đây là sản phẩm bên trong của Matlab và sử dụng nhiều hàm của

Matlab và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường của Matlab để tăng

thêm khả năng mềm dẻo của nó. Ngoài ra Matlab Simulink còn được sử dụng

nhiều trong các lĩnh vực mô phỏng khác như trong điện tử, trong cơ học, trong

toán học... Hiện nay người ta bắt đầu nghiên cứu để sử dụng Matlab trong tất

các các lĩnh vực có nhu cầu tính toán, lấy kết quả, xử lý kết quả, mô phỏng...

Hi vọng rằng trong tương lai Matlab Simulink sẽ được ứng dụng một cách

rộng rãi và có hiệu quả hơn trong tất cả các lĩnh vực.

3.2. Mô hình dao động

3.2.1. Các giả thiết

Để đơn giản hóa bài toán ở đây đưa ra một số giả thiết:

Dao động của các bánh xe là độc lập với nhau, giả thiết này được dựa

trên kết cấu treo độc lập từng bánh xe của các xe con hiện đại.

Biên độ dao động của nguồn kích thích nhỏ nên có thể bỏ qua sự ảnh

hưởng của dao động góc của thân xe, nói cách khác là chỉ xét dao động thẳng

đứng, phương dao động gây ra nhiều tác hại và khó chịu nhất.

Tính chất đàn hồi và giảm chấn của các phần tử hệ thống treo như lò

xo, giảm chấn thủy lực, lốp xe là tuyến tính.

Trong mô hình dao động liên kết ô tô được giả thiết đối xứng qua trục

dọc của xe và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và

phải là như nhau và có cùng nguồn kích thích, có một khoảng trễ thời gian.

Khi khảo sát dao động ô tô con theo mục đích chẩn đoán kỹ thuật hệ

thống treo thì những giả thiết trên là chấp nhận được.

3.2.2. Thiết lập mô hình

3.2.2.1. Mô hình dao động một phần tử khối lượng



==============================================================

Hình3.14-Sơ đồ lực tác động

Trên hình 3.2 trình bày mô hình dao động của một phần tử khối lượng.

Trong đó m là khối lượng phần thân xe phân bố trên bánh xe đang khảo sát, k

là độ cứng của lò xo, c là hệ số cản của giảm chấn thủy lực. Trong thực tế có

thể gặp mô hình này ở dạng ghế ngồi của máy kéo được mô hình hóa [1].

Lập phương trình chuyển động, hệ

phương trình vi phân cấp hai xây dựng

dựa vào định luật II Newton:

Các lực tác dụng lên khối lượng m:

gmP .=

).( qzkFk −−=

(3.1.1)

).( qzcFc −−=

⇔ zmqzcqzkgm .).().(. =−−−−

⇔ 0.)().(. =−−+−+ gmqzkqzczm

(3.1.2)

q

k c

z

m*g

m

Hình3.15-Mô hình vật lý mô tả dao

động một phần tử khối lượng

• Môđun mô phỏng



==============================================================

k

c

m

dzddz

mg

m*ddz

1/m

ddz

z

g

z-q

dq

3

giatoc2

vantoc

1

chuyenvi

mg

m*ddz/m

k*(z-q)

c*(dz-dq)

uv

MathFunction1

1s

Integrator1

1s

Integrator

du/dt

Derivative

Demux

Demux

Thong so dau vao

Data Inputs -1

Constant=-1

1

q

Hình3.16- Môđun chính mô phỏng dao động một phần tử một bậc tự do

3.2.2.2. Mô hình dao động hai phần tử

m1 *g

z1

q

m1

c1k1

k2 c2

z2

m2 *g

m2

van toc dd thanxe

van toc dd cau xe

gia toc dd than xe

chuyen vi than xe

chuyen vi cau xe

q

chuyen vi z2

van toc dz2

gia toc ddz2

chuyen vi z1

van toc dz1

Subsystem

Clock

1q

Hình 3.17-Mô hình vật lý dao động hai phần tử và sơ đồ mô phỏng tổng thể

Trên hình 3.4 trình bày mô hình dao động của một cụm cơ cấu treo trên

một bánh xe. Trong thực tế có thể gặp mô hình này là dạng mô hình hóa dao

động cầu sau của máy kéo bánh bơm [1]. Trong đó:

m1: khối lượng cầu xe bánh xe (phần không được treo) ; ========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 64


==============================================================

m2: khối lượng thân xe (được treo) phân bố trên bánh xe;

k1 và c1 là độ cứng và hẹ số cản của lốp;

k2 và c2 là độ cứng của lò xo và hệ số cản của giảm chấn thủy lực.

• Lập phương trình vi phân mô tả chuyển động

- Các lực tác dụng lên khối lượng m2 là trọng lượng P2, lực đàn hồi Fk2, lực

cản của giảm chấn thủy lực Fc2

gmP .22 = )( 1222 zzkFk −−= )( 1222 zzcFc −−= (3.2.1)

- Các lực tác dụng lên khối lượng m1 là trọng lượng P1, lực đàn hồi Fk1, Fk2 ,

lực cản của giảm chấn thủy lực Fc2 và của lốp Fc1

gmP .11 =

)( 111 qzkFk −−=

)( 111 qzcFc −−=

)( 2122 zzcFc −−=

)( 2122 zzkFk −−= (3.2.2) - Phương trình cân bằng các lực tác dụng lên các khối lượng theo phương Z

(thẳng đứng) là:

⇔ gmzzczzkzqczqkzm .)()()()(. 1122122111111 +−+−+−+−=

gmzzczzkzm .)()(. 221221222 +−+−= (3.2.3)

- hoặc có thể viết dưới dạng:

⇔ 0.)()()()(. 1212212111111 =−−+−+−+−+ gmzzczzkqzcqzkzm

0.)()(. 212212222 =−−+−+ gmzzczzkzm (3.2.4)




==============================================================

c1

k1

m1

k2

c2

z1dz1

g

dz2

-dz2 dz1-dz2dz1 dz2ddz2

z1

z1-q

m1g

m1*ddz1

1/m1

ddz1

m2g

m2*ddz2*

1/m2

ddz2

z2

ddz1

m2

5

van toc dz1

4chuyen vi z1

3

gia toc ddz2

2

van toc dz2

1

chuyen vi z2

m2g

m2*ddz2/m2

m1g

m1*ddz1/m1

k2*(z1-z2)

k1*(z1-q)

-1

c2*(dz1-dz2)

c1*(dz1-dq)

uv

uv

1s

1s

1s

1s

du/dt

Demux

Demux

Thong so dau vao

Data Inputs

-1

Const1

-1

Const

1

q

Hình3.18-Môđun mô phỏng dao động hai phần tử

3.2.2.3. Mô hình dao động liên kết

Mô hình dao động liên kết (mô hình phẳng) được trình bày như sơ đồ

hình 3.19. Ta có thể gặp mô hình này trong thực tế ở xe ô tô hai cầu dùng cơ

cấu treo phụ thuộc. Trong đó:

m1,m2 khối lượng không được treo trước và sau

m3: khối lượng thân xe ở một bên trục dọc (được treo)

k11, k21: hệ số cứng của lốp trước và sau

k12, k22: hệ số cứng của lò xo cụm treo trước và sau

c12, c22: hệ số cản của giảm chấn thủy lực cụm treo trước và sau



==============================================================

J : mô men quán tính khối lượng của thân xe với trục ngang y

lf, lr là khoảng cách từ trọng tâm phần được treo tới cầu trước và sau

g : gia tốc trọng trường lấy bằng 9,8 (m/s2)

z3

q1

m1

J

m3 *g

m2*g

z '2

z2

q2

m2

ϕ

k21

k2 2 c2 2c12k1 2

k1 1

m3

m1*g

z1

z '1

lf lr

Hình3.19-Mô hình dao động liên kết

Mô hình động lực học này biểu thị dao động liên kết ô tô 2 cầu ở dạng

mô hình phẳng, có nghĩa là ô tô được giả thiết đối xứng qua trục dọc của xe

và xem độ mấp mô của biên dạng đường ở dưới bánh xe trái và phải là như

nhau. Khối lượng treo được quy dẫn về trọng tâm phần treo biểu thị qua giá

trị khối lượng m3 (đại diện cho khối lượng được treo là thân xe) và m1, m2

( đại diện cho khối lượng không được treo là cầu xe) với 4 bậc tự do là Z3, ϕ ,

Z1, Z2

• Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động:

- Các lực tác dụng lên khối lượng m1 là trọng lượng P1, lực đàn hồi Fk11, Fk12

lực cản của giảm chấn thủy lực Fc12

gmP .11 =

)( 111111 qzkFk −−=

)'( 111212 zzcFc −−= (3.3.1)

)'( 11122 zzkFk −−=


lực cản của giảm chấn thủy lực Fc22



==============================================================gmP .22 =

)'( 222222 zzkFk −−=

)'( 222222 zzcFc −−= (3.3.2)

)( 22121 qzkFk −−=


lực cản của giảm chấn thủy lực Fc12, Fc22

gmP .33 =

)'( 111212 zzkFk −−= )'( 222222 zzkFk −−=

)'( 111212 zzcFc −−= (3.3.3))'( 222222 zzcFc −−=

- Phương trình cân bằng các lực tác dụng theo phương Z lên các khối lượng

lần lượt là:

gmzzczzczzkzzkzm .)'()'()'()'(. 3222211122222111233 +−+−+−+−=

⇔ gmzzczzkzqkzm .)'()'()(. 111121112111111 +−+−+−=

gmzzczzkzqkzm .)'()'()(. 222222222222112 +−+−+−= (3.3.4)

- Phương trình cân bằng mômen tác dụng lên m3

rf lzzczzklzzczzkJ )].'()'([)].'()'([. 2222222211121112 −+−+−+−−=ϕ

- Ta có thể viết dưới dạng:

0.)'()'()'()'(. 3222211122222111233 =−−+−+−+−+ gmzzczzczzkzzkzm

0.)'()'()(. 111121112111111 =−−+−+−+ gmzzczzkqzkzm

0.)'()'()(. 222222222222112 =−−+−+−+ gmzzczzkqzkzm (3.3.5)

0)].'()'([)].'()'([. 1112111222222222 =−+−+−+−− fr lzzczzklzzczzkJ ϕ




==============================================================

dq1

dq2

dq1

dq2

k11

k12

m1

c12

c22

k21

k22

m2

J

m3

g

lf

lr

ddz1

ddz2

ddz3

dz1'

dz2'

Subsystem

Sine Wave

du/dt

Derivative

k11

k12

m1

c12

c22

k21

k22

m2

J

m3

g

lf

lr

Dau vao

acc z1

acc z2

acc z3

vel z1'

vel z2'

acc phi

Dau ra

Hình3.20-Sơ đồ tổng thể mô phỏng dao động liên kết



==============================================================

13

lr

12

lf

11

g

10

m3

9

J

8

m2

7

k22

6

k21

5

c22

4

c12

3

m1

2

k12

1

k11

1400

mo men quan tinh: J (kg.m2)

560

khoi luong duoc treo: m3(kg)

39

khoi lg khong dc treo trc: m1(kg)

54

khoi lg khong dc treo sau: m2(kg)

1.2

k/c trong tam toi cau truoc: lf(m)

1.2

k/c trong tam toi cau sau: lr(m)

175000

h/so cung cua lop: k12(N/m)

75000

h/s cung lo xo: k22(N/m)

75000

h/s cung lo xo : k21(N/m)

175000

h/s cung cua lop k11 (N/m)

1200

h/s can giam chan truoc c12 (Ns/m)

1200

h/s can giam chan sauc22 (Ns/m)

9.8

gia toc trong truong(m/s2)

13

lr

12

lf

11

g

10

m3

9

J

8

m2

7

k22

6

k21

5

c22

4

c12

3

m1

2

k12

1

k11

1200


560


54


54


1.2


1.2


190000


75000


75000


190000


1400


1400


9.8




==============================================================

13

lr

12

lf

11

g

10

m3

9

J

8

m2

7

k22

6

k21

5

c22

4

c12

3

m1

2

k12

1

k11

1200


560


54


54


1.2


1.2


190000


75000


75000


190000


1400


1400


9.8


Hình3.21-Modul thông số đầu vào [7]



==============================================================

dz1'

dz2

J*ddphi

dphi

lf

dphi*lrlr

dphi

ddphi

c22*(dz2-dz2')

k22*(z2-z2')

m2gm2g

m1g

m3g

m2g

m1g

1/JJ

lr

1/m3

m3

1/m2m2

1/m1

m1

dq2

dq1 q1

z1

q1-z1

q2

k11*(q1-z1)

z1'

k12*(z1'-z1)

dz1'

dz1'-dz1c12*(dz1'-dz1)

m1*ddz1ddz1

dz1

z2

q2-z2k21*(q2-z2)

z2'

z2'-z2k22*(z2'-z2)

c22*(dz2'-dz2)dz2'-dz2

m2*ddz2

ddz2dz2

k12*(z1'-z1)

k12*(z1-z1')

k22*(z2-z2')

c12*(dz1-dz1')

c22*(dz2-dz2')

m3*ddz3

ddz3 dz3 dz1'

dz2'

m2*ddz2*1/m2

6

5

dz2'

4

dz1'

3

ddz3

2

ddz2

1

ddz1

-1

-1

-1

-1

-1

uv

uv

uv

uv

1s

1s

1s

1s

1s

1/s

1/s

1s

1s

1s

-1

-1

-1

-1

15

lr

14

lf

13

g

12

m3

11

J

10

m2

9

k 22

8

k 21

7c22

6

c12

5

m1

4

k 12

3k 11

2

dq2

1

dq1

dz1

dz1

Hình3.22-Môđun chính mô phỏng dao động liên kết

3.3. Một số kết quả khảo sát mô hình

3.3.1. Khảo sát đặc tính dao động của phần tử của hệ thống treo========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 72


==============================================================

Mô hình dao động của một phần tử (một khối lượng) của hệ thống treo

1 bậc tự do theo phương thẳng đứng được mô tả như hình 3.23.

Trên cơ xở mô hình trên có thể khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số

kết cấu đến biên độ dao động cực đại, gia tốc cực đại, thời gian đạt ổn định

của hệ dao động…Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chuyển động thông qua

việc thay đổi khối đầu vào.

Hình3.23-Mô hình dao động một phần tử một bậc tự do

Hình3.24-vận tốc dịch chuyển theo phương thẳng đứng

• Ảnh hưởng của độ cứng lò xo k, hệ số cản c, và khối lượng m đến biên độ

và thời gian đạt ổn định của hệ.========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 73


==============================================================

k1 < k2 < k3

c1 < c2 < c3

m1 < m2 < m3Hình3.25-So sánh tính chất dao động khi thay đổi k, c, m

Ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến dao động của hệ:

- qua kết quả khảo sát được minh họa trên hình 3.25, có thể thấy rõ sự

ảnh hưởng của trị số độ cứng k của lò xo đến biên độ dao động. Tăng độ cứng

của lò xo từ k1 đến k3 biên độ dao động giảm xuống. Do việc xác định chính

xác các thông số động lực học của hệ là rất khó khăn, nên sau khi xây dựng

mô hình, chúng tôi chưa có điều kiện khảo sát cho một hệ thống treo của một

loại xe cụ thể nào. Tuy nhiên đồ thị cũng khẳng định về định tính phù hợp của

mô hình nghiên cứu, cho phép chẩn đoán trong sửa chữa máy, ví dụ nếu thay

đối một lò xo quá cứng sẽ làm xấu đi tính chất chuyển động êm dịu của ô tô.========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 74


==============================================================

- Từ hình 3.25 có thể chẩn đoán rằng, trong trường hợp hệ số cản của

hệ treo bị giảm sút (thiếu dầu hoặc hết dầu) thì biên độ dao động của thân xe

tăng lên đáng kể, mặt khác thời gian đạt ổn định lâu hơn, gây mệt mỏi cho

hành khách và chóng hỏng.

- Cũng từ hình 3.25 thấy rằng nếu tăng khối lượng dao động (xe chất tải

nặng hơn) thì tần số dao động có giảm do m

k=ω nhưng biên độ dao động

tăng cao và hệ dao động lâu đạt đến trạng thái ổn định hơn. Điều này có thể

giải thích do quán tính của hệ tăng lên.

3.3.2. Khảo sát đặc tính dao động của hệ hai phần tử trong cơ cấu treo

Để khảo sát tính chất dao động của ô tô với tư cách là một hệ hai khối

lượng, khối lượng được treo gồm khung gầm, động cơ, người trên xe; phần

khối lượng không được treo gồm khối lượng cầu xe và bánh xe. Trong thực tế

dao động ảnh hưởng tương tác giữa các phần tử là khá phức tạp. Bởi vậy xây

dựng mô hình toán với một vài giả thiết nhất định sẽ thuận lợi cho việc nghiên

cứu ảnh hưởng đơn yếu tố hoặc đa yếu tố trong bài toán dao động của xe ô tô,

làm cơ xở khoa học cho chẩn đoán kỹ thuật hệ thống treo và các bánh xe.

• Khảo sát biên độ dao động của các phần tử khối lượng

ha.Dao động của khối lượng được treo hb.Dao động của khối lượng không được

Hình 3.26- Dao động của từng phần tử trong hệ dao động hai khối lượng



==============================================================

ha.Vtdđ của khối lượng được treo hb.Vtdđ của khối lượng không được treo

Hình 3.27- Vận tốc dao động của từng phần tử trong hệ dao động hai khối lượng

Tuy chưa có được bộ tham số đầy đủ và thật chính xác của một loại xe

cụ thể nhưng kết quả khảo sát (theo số liệu tham khảo ở một số tài liệu [7],

[8]) cho thấy mô hình phản ánh đúng bản chất của hệ dao động. Cụ thể khi

gán cho đầu vào một kích thích bậc thang với độ cao 5 cm , đồ thị nhận được

cho thấy ban đầu hai khối lượng dao động với biên độ lớn rồi ổn định dần, do

có sự tham gia của bộ giảm sóc thủy lực. Ngoài ra phần thân vỏ cũng sớm ổn

định hơn.

Như vậy việc thiết lập mô hình dao động và mô phỏng trên đồ thị cho

phép khảo sát được ảnh hưởng của đơn yếu tố của từng tham số của hệ. Đồng

thời theo mục đích chẩn đoán nếu xây dựng được một thư viện đặc tính dao

động mẫu của các loại xe cho từng thiết bị cụ thể hoàn toàn có thể đánh giá

ngược để tìm nguyên nhân hư hỏng theo dấu hiệu chẩn đoán.

3.3.3. Khảo sát đặc tính dao động của phần tử của hệ thống treo trong mô

hình dao động liên kết.



==============================================================

Hình 3.27- chuyển vị của cầu trước trái theo phương Z

Hình 3.28-Vận tốc chuyển vị của cầu trước trái theo phương Z

Hình 3.29- Gia tốc chuyển vị của cầu trước trái theo phương Z========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 77


==============================================================

Hình 3.30- chuyển vị của cầu sau trái theo phương Z

Hình 3.31-Vận tốc chuyển vị của cầu sau trái theo phương Z

Hình 3.32-Gia tốc chuyển vị của cầu sau trái theo phương Z



==============================================================

Hình 3.33- chuyển vị của thân xe theo phương Z

Hình 3.34-Vận tốc chuyển vị của thân xe theo phương Z

Hình 3.35-Gia tốc chuyển vị của thân xe theo phương Z========================================================== SINH VIÊN: NGUYỄN TIẾN DŨNG GVHD: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ 79


==============================================================

Hình 3.36- chuyển vị góc của thân xe quanh trục Y

Hình 3.37- Vận tốc chuyển vị góc của thân xe quanh trục Y



==============================================================Hình 3.38- Gia tốc chuyển vị góc của thân xe quanh trục Y

Nhận xét: Khi cho hàm kích thích là một hàm sin, qua đồ thị ta thấy

rằng ban đầu các khối lượng dao động với biên độ lớn hơn và do có sự tương

tác giữa các phần tử khối lượng nên dao động khá phức tạp. Sau đó dao động

có biên độ giảm và cũng có dạng hình sin chứ không tắt dần. Nếu cho kích

thích dạng bậc thang thi dao động sẽ tắt dần trường hợp này thấy rõ tốc độ của

xe cũng ảnh hưởng khá nhiều tới dao động của hệ bởi cùng một kích thích đầu

vào nhưng khi tăng hoặc giảm tốc độ của xe sẽ làm cho bánh sớm gặp kích

thích hay muộn hơn, mặt khác nó cũng bị ảnh hưởng bởi quán tính.

Ở đây mới chỉ khảo sát được hai bậc tự do là dao động theo phương

thẳng đứng Z và dao động xoay quanh trục ngang Y đối với khối lượng m3 đại

diện cho thân xe, còn khối lượng m1, m2 đại diện cho khối lượng không được

treo la cầu xe trước và sau khảo sát theo một bậc tự do là dao động theo

phương thẳng đứng.

Áp dụng tương tự có thể khảo sát cho mô hình nửa xe với hai bánh ở

cầu trước hoặc hai bánh ở cầu sau va có thể chính xác bài toán hơn nếu xét

thêm tác dụng của lực bên như gió ngang đối với mô hình này.

Trên đây mới chỉ mô phỏng cho trường hợp chung chứ không phải một

xe cụ thể nào do những khó khăn về phương tiện kỹ thuật, kinh phí, thời gian

nên không có điều kiện thí nghiệm và đo đạc thực tế, các số liệu đưa ra mới

chỉ tham khảo ở một số tài liệu. Nhưng cũng đã phần nào đành giá được dao

động của các phần tử là khá phực tạp trong sự ảnh hưởng tương tác lẫn nhau.

Mặt khác cũng đã tìm hiểu được một phần về Simulink và dùng công cụ này

để giải bài toán từ phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ.



==============================================================

CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

4.1.Kết luận chung

Hệ thống treo ô tô rất đa dạng, có thể là loại bị động hoặc loại điều

khiển được, phần tử hệ thống treo nhìn chung đều mang tính phi tuyến và dao

động của chúng hết sức phức tạp. Do đó khi chấp nhận độ chính xác tương

đối cũng có thể sử dụng mô hình đơn giản bằng cách đưa ra các giả thuyết đơn

giản bài toán, thông qua các mô hình này có thể nghiên cứu sự ảnh hưởng của

từng phần tử riêng rẽ đến các chỉ tiêu động lực học của hệ thống.

Mô hình thiết lập được trong đồ àn tuy còn chấp nhận một số giả thiết

nhưng các kết quả nhận được đã thể hiện được quy luật định tính của quá trình

dao động của hệ thống treo. Mô hình cho phép khảo sát ảnh hưởng của một số

yếu tố chính như độ cứng lò xo, hệ số cản giảm chấn thủy lực, độ cứng của

lốp, khối lượng phần được treo và không được treo. Các kết quả bước đầu có

thể cho phép đánh giá sơ bộ là mô hình và chương trình đã đạt được độ chính

xác nhất định.

Như vậy với việc thiết lập mô hình dao động và mô phỏng bằng phần

mềm MatlabSimulink cho phép khảo sát được ảnh hưởng đơn yếu tố của từng

tham số đặc trưng cho phần tử của hệ. Đồng thời theo mục đích chẩn đoán có

thể đánh giá ngược để tìm ra nguyên nhân hư hỏng khi xây dựng được mô

hình đặc tính dao động cho hệ thống treo trên xe và tối ưu hệ treo.

4.2. Hướng phát triển của đề tài

- Tiếp tục xây dựng mô hình không gian để đánh giá chính xác hơn dao

động của từng phần tử trong hệ thống treo theo nhiều bậc tự do khác nhau.

- Chính xác các mô hình và kết quả nhận được bằng cách loại bỏ dần

các giả thiết, tiến hành thí nghiệm đo các thông số và tạo kích thích.



==============================================================

- Nghiên cứu thêm một số yếu tố ảnh hưởng đến dao động của xe như

tải trọng, gia tốc khi phanh, khi vào cua, gió bên, vận tốc chuyển động của

xe…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn

Tài, Lê ThịVàng, Lý thuyết ô tô máy kéo, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà

Nội 2005.

[2] Bùi Hải Triều, Hàn Trung Dũng, Đặng Tiến Hòa, Nông Văn Vìn, Ô

tô – Máy kéo, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2001.

[3] Nguyễn Văn Khang, Dao động kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ

thuật, Hà Nội 1998.

[5] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, Nhà xuất bản Khoa học

Kỹ thuật, Hà Nội 2006

[6] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Việt Anh, Lập trình Matlab và ứng

dụng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2005

[7] Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Optimal design of passenger car suspension for ride and road holding,Rio de Janeiro Jan./Mar. 2008 [8] Derek Maxim, Hieu Nguyen, Ryan Parent, Eric Twiest, School of

Engineering Grand Valley State University, Analysis of an Automobile

Suspension, August 4, 2006.

[9] Một số trang web chuyên ngành kỹ thuật và ứng dụng phần mềm

1.http://meslab.org/mes/forumdisplay.php?f=204

2.www.vocw.edu.vn/content/m10376/latest/

3.http://www.engin.umich.edu/group/ctm/examples/susp/susp.html

4.http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/11199

5.www.brlsi.org/proceed05/postgrad0505.html


http://www.brlsi.org/proceed05/postgrad0505.html

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/11199

Documents

40400092 Dung Thuyetminh