thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên ôtô

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "thiết lập các mô hình hệ thống cho bài toán dao động và cân bằng dao động trên ôtô": http://123doc.vn/document/1049338-thiet-lap-cac-mo-hinh-he-thong-cho-bai-toan-dao-dong-va-can-bang-dao-dong-tren-oto.htm

2.1.3. Hệ thống trợ giúp 51
2.1.3.1. Hệ thống tự động cân bằng ESP 51
2.1.3.2. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS 52
2.2. Dao động và cân bằng dao động 60
2.2.1. Giới thiệu 60
2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe Ôtô 61
2.2.2.1 . Nhíp xe 61
2.2.2.2. Giảm xóc lò xo 61
2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực 62
2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại 63
Chương 3. THIẾT LẬP CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI
TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ÔTÔ
67
3.1. Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô 67
3.1.1.Mô hình giao động của ôtô 68
3.1.2. Mô hình bốn bánh 69
3.1.3. Mô hình một nửa Ôtô 70
3.1.4. Mô hình một phần tư ôtô 71
3.2. Hệ thống giảm xóc tự động 71
3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động 73
3.3.1. Các phương pháp điều khiển 73
3.3.2. Điều khiển Skyhook 75
3.3.3. Điều khiển Groundhook 77
3.4. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động 78
3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động 78
3.4.2 Dao động của hệ thống với kích động điều hoà 79
3.5. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động 82
3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động 82
3.5.2 Hệ thống Skyhook 83
3.5.3. Hệ thống Groundhook 86
Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG
90
4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động 90
4.1.1. Cảm biến 90
4.1.2. Giảm chấn biến đổi 91
4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi 92
4.1.2.2. Giảm chấn từ biến 92
4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động 95
4.2.1. Cấu trúc của hệ thống 94
4.2.2. Hoạt động của hệ thống 96
KẾT LUẬN 97
5
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ABC Automatic Body Control
Hệ thống tự động điều chỉnh ổn
định toàn xe
ABS Anti - block Brake System Hệ thống phanh chống bó cứng
AFL Adaptive Forward Light
Thay đổi độ rộng và góc quét của
dải sáng theo hướng xe chạy
ASR Anti - Spin Regulation
Hệ thống kiểm soát độ bám
đường
CAE Computer Aided Engineering
Gia công được trợ giúp bởi máy
tính
CAN Controller Area Network Hệ truyền dữ liệu điện tử
CIM
Computer Intergrated
Manufacturing
Hệ thống gia công điều khiển
bằng mạng vi tính kết nối
DGPS
Differential Global
Possitioning Systems
Hệ thống định vị toàn cầu sai
phân
ESP Electronic Stability Program
Chương trình quản lý độ ổn định
bằng điện tử
FMS Flexible Manufacturing System Hệ thống tự động linh hoạt
Micro
MEMS
Micro Electro Mechatronic
System
Hệ vi cơ điện tử
NEMS
Nano Electronics Mechatronics
System
Hệ thống siêu vi cơ điện tử
TCS Traction Control System
Hệ thống điều khiển khả năng
bám đường
VDC Vehicle Dynamic Control Hệ thống điều khiển động lực ôtô
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
6
Trang
Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng
của nền kinh tế tri thức
16
Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu 24
Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần
túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay
26
Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử 28
Hình 1.5. Mô hình cảm biến (Sensor) 28
Hình 1.6. Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator) 29
Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản 29
Hình 1.8. Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển 30
Hình 1.9. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý 31
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử 33
Hình 1.11. Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC. 35
Hình 1.12. Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người 36
Hình 1.13. Mẫu robot “Asendro” một thế hệ robot bảo vệ mới
nhất
37
Hình 2.1. Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều
chỉnh khoảng cách giữa các xe ôtô
45
Hình 2.2. Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp
hành
47
Hình 2.3. Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc
xe ôtô.
48
Hình 2.4. % đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ôtô 48
Hình 2.5. Sự phát triển của các hệ thống an toàn cơ điện tử trong ôtô và
khuynh hướng của nó
49
Hình 2.6. Hệ thống tự động cân bằng ôtô (ESP) 51
Hình 2.7. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) 53
Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic 55
Hình 2.9. Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp
thuỷ lực
56
Hình 2.10. Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS. 57
Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse" 58
Hình 2.12. Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng
điện từ
59
7
Hình 2.13. Nhíp xe ôtô 61
Hình 2.14. Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu 62
Hình 2.15. Giảm xóc khí nén - thủy lực 63
Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes 64
Hình 3.1. Xe ôtô du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau 67
Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh 68
Hình 3.3. Xe ôtô du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết 68
Hình 3.4. Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc 69
Hình 3.5. Mô hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b). 70
Hình 3.6. Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc 71
Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose 72
Hình 3.8. Mô hình một phần tư ôtô 74
Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) 74
Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) 77
Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động 78
Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hòa 80
Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian 82
Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động 82
Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook 86
Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook 88
Hình. 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS 91
Hình. 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển 92
Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến 93
Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR 94
Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi 95
Hình. 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động 95
Hình. 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động 96
8
LỜI MỞ ĐẦU
Cơ điện tử hiện nay đã mở ra một phương pháp mới trong ứng dụng kỹ
thuật và nó thực sự bao trùm lên mọi diện mạo của thế giới hiện đại. Cơ điện
tử thực chất là một công nghệ tích hợp hữu cơ của nhiều công nghệ truyền
thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm cơ điện tử trước hết
phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu mà cấu trúc và nguyên lý hoạt động
của nó được quan niệm như một cơ thể sống. Các bộ phận cấu thành như
modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều
khiển (Sensor: cảm biến đo lường, actuator: điều khiển và điều chỉnh), các
phần mềm tin học trong một đơn vị sản phẩm phải là xương thịt của nhau, là
cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy.
Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần công nghệ tích hợp liên ngành cơ khí
điện, điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển hệ thống. Những hệ thống
này đã chuyển từ hệ cơ điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơ
điện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch điện tử số
micro. Sự tích hợp này tạo nên một công nghệ mới, trong đó có sự chuyển
biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ tạo nên
đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng
9
hợp. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới và cung cấp giải pháp tăng
hiệu quả và tính năng của thiết bị công nghiệp, dân dụng. Từ đó đến nay, cơ
điện tử đã phát triển không ngừng, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời đã làm
cho cơ điện tử có vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ. Sản phẩm
cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao hơn, mức độ
thông minh ngày càng mạnh và kích thước ngày càng được rút gọn. Trong
tương lai, sự phát triển của hệ cơ điện tử sẽ được thúc đẩy bởi sự phát triển
của các lĩnh vực có liên quan. Những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thống cũng
sẽ tạo động lực cho sự phát triển của hệ cơ điện tử thông qua việc cung cấp
những "công nghệ khả thi". Chẳng hạn, việc phát minh ra bộ vi xử lý đã có
ảnh hưởng sâu rộng đến quá trình tái thiết kế hệ cơ khí và quá trình thiết kế
mới hệ cơ điện tử. Chúng ta nên hy vọng vào những tiến bộ không ngừng của
bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, sự phát triển của bộ cảm biến và cơ cấu chấp
hành dựa trên việc ứng dụng những tiến bộ của hệ thống vi cơ điện tử MEMS
"Micro Electronics Mechanics System" và hệ thống siêu vi cơ điện tử NEMS
"Nano Electronics Mechatronics System", các phương pháp điều khiển thích
nghi và phương pháp lập trình tốc độ xử lý của máy tính, công nghệ mạng và
công nghệ không dây, kỹ thuật gia công được trợ giúp bởi máy tính CAE
(Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mô hình hệ thống tiên tiến,
tạo mẫu ảo và thử nghiệm. Sự phát triển nhanh chóng trong những ngành này
sẽ giúp tăng tốc độ phát triển các sản phẩm thông minh. Mạng Intermet là một
công cụ khi được ứng dụng kết hợp với công nghệ không dây cũng sẽ có khả
năng tạo ra những sản phẩm cơ điện tử mới. Khi những phát triển trong thiết
bị tự động đã cung cấp cho chúng ta ví dụ sinh động về sự phát triển của Cơ
điện tử, thì có hàng loạt các ví dụ về các hệ thống thông minh trong tất cả các
lĩnh vực của đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, trong lĩnh
vực "thiết bị thân thiện với con người" (thuật ngữ do H.Kobayashi(Guest
10
Editoria), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2No.4,1997,P.217
đưa ra) chúng ta có thể hy vọng vào những những tiến bộ trong lĩnh vực cơ
điện tử có thể đem lại lợi ích cho những lĩnh vực khác nhau rõ rệt, chế tạo
máy, vũ trụ, công nghệ sản xuất ôtô. Tương lai của Cơ điện tử đang ngày
càng mở rộng.
Trong luận văn này tôi nêu một phần ứng dụng cơ điện tử trong ngành cơ
khí ôtô. Ôtô đã ra đời từ hơn một trăm năm nay và ngày càng trở đáp ứng tốt
hơn nhu cầu của con người. Với rất nhiều bộ phận, có sự đóng góp của cơ khí,
điện, điện tử, điều khiển, công nghệ thông tin, vật liệu mới, . . . Ôtô hiện đại
là một sản phẩm kết hợp của rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật. Sẽ là rất khó
khăn cho việc thiết kế nếu tách riêng các hệ thống của ôtô thành các lĩnh vực
khoa học kỹ thuật riêng biệt khác nhau. Giải pháp cho vấn đề đó, cơ điện tử ra
đời đóng vai trò là một khoa học về hệ thống có khả năng kết nối các ngành
khoa học kỹ thuật, ngày càng đóng góp phần lớn vào các ngành công nghiệp
nói chung và công nghiệp ôtô nói riêng. Bài toán cân bằng ôtô mà trọng tâm
là hệ thống giảm xóc là một trong những vấn đề quan trọng trong thiết kế ôtô.
Với lịch sử phát triển lâu dài cùng với nhiều cải tiến đáng kể, các hệ thống
giảm xóc thông thường vẫn không thể nào đáp ứng tốt cả hai yêu cầu chính
của bài toán cân bằng, đó là sự thoải mái và an toàn sự mâu thuẫn giữa hai chỉ
tiêu đó dường như là một giới hạn khó vượt qua cho tới khi các yếu tố điều
khiển tự động được áp dụng vào hệ thống giảm xóc.
Một thế hệ giảm xóc tự động mới ra đời là kết quả của sự vận dụng cơ
điện tử vào bài toán cân bằng dao động. Bằng phương pháp mô hình hóa và
mô phỏng, tôi bước đầu nghiên cứu ứng dụng của cơ điện tử để giải quyết bài
toán cân bằng trên xe ôtô du lịch. Bên cạnh đó tiếp cận với phương pháp điều
khiển hệ thống giảm xóc Groundhook và Skyhook dựa trên phương pháp mô
hình hóa và mô phỏng.
11
Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ
1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử
1.1.1. Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công
nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức.
Trong nền kinh tế trí thức đòi hỏi một trình độ tư duy và tác phong công
nghiệp hiện đại, sẵn sàng đáp ứng và đáp ứng một cách hiệu quả các yêu cầu
mới đặt ra của nền kinh tế trí thức, vận hành trong thời đại văn minh tin học.
Trong thập niên 70 của thế kỷ trước, nền "Văn minh ống khói" đã đạt tới
đỉnh cao khi thế giới công nghiệp xuất hiện hình thái tổ chức sản xuất dưới
dạng các tập đoàn siêu quốc gia, các tổ hợp công nghiệp lớn, tập trung quyền
lực trên các lĩnh vực chuyên ngành và khu vực thị trường xác định. Đó là
những gã khổng lồ, những con khủng long của kỷ nguyên đại hồng thuỷ (sản
xuất hàng hoá loại lớn và hàng khối). Sai lầm lớn nhất của các hình thái tổ
chức sản xuất này là ở tính độc cực trong phân công quốc tế về công nghệ và
thị trường. Chính sự độc quyền trong trong tiến trình phát triển đã trở thành
rào cản, hạn chế sức cạch tranh và năng lực sáng tạo của các lực lượng khoa
học - Công nghệ. Lao động kỹ thuật, nhất là lao động trí tuệ bị lãng phí hoặc
bị kìm hãm; vật tư năng lượng bị lạm dụng đến mức phương hại tới môi
12
trường sinh thái và trên phương diện kinh tế, những gã khổng lồ này "khiêu
vũ" , với vòng quay "đầu tư - hoàn vốn - lợi nhuận - tái đầu tư mở rộng" một
cách chậm chạp. Cơ hội ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật bị o bế, phản
ứng với các biến động thị trường một cách thụ động dẫn tới các giải pháp phi
lý như đầu cơ, phá giá, thậm chí có lúc phải huỷ hoại cả sản phẩm để duy
dưỡng thị trường.
Trong "văn minh tin học", tính mở và tính toàn cầu của sản xuất xã hội đã
phá vỡ một cách tự nhiên thế độc quyền của các hình thái tổ chức sản xuất già
cỗi xơ cứng. Team Work và mô hình phân công lao động dân chủ đã động
viên tối đa tiềm lực khoa học - công nghệ trong tinh thần hợp tác xã hội cao
độ. Con người công nghiệp mới nhìn nhận các vấn đề một cách trí tuệ hơn với
các tiêu chí phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sinh thái và nâng cao tối
đa hàm lượng tri thức trong một đơn vị sản xuất.
Nhiều hình thái tổ chức sản xuất mới ra đời trong đó, tính năng động linh
hoạt và mềm dẻo, nhất là khả năng phản ứng mau lẹ, cực kỳ nhạy bén đối với
thị trường của các hình thái tổ chức sản xuất này vừa là lợi thế vừa là những
thách thức rất cao đối với con người công nghiệp.
Rõ ràng, nền kinh tế trí thức có những đặc trưng riêng biệt, độc đáo mà từ
trước tới nay chưa hề có một hình thái kinh tế xã hội nào đạt được. Đặc thù
của kinh tế trí thức thể hiện trước hết ở sự tăng cao của hàm lượng tri thức
trong một đơn vị sản phẩm. Quá trình chuyển dịch cơ cấu công nghệ thể hiện
rất rõ khuynh hướng phát triển này.
Tiến trình chuyển địch công nghệ này dựa trên các cơ sở:
- Vai trò quan trọng của công nghệ cao, đặc biệt là công nghệ thông tin.
- Khoa học trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp.
- Thời gian thực hiện công nghiệp hoá rút ngắn.
- Nhân lực kỹ thuật nhanh chóng được trí thức hoá.
13
- Cơ cấu kinh tế, hệ thống tổ chức xã hội có những thay đổi cơ bản.
Vì vậy sự phát triển công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao trong
thời đại ngày nay, không phải chỉ đơn thuần là việc vạnh ra chiến lược phát
triển khoa học và công nghệ, mà là sự nghiệp phấn đấu vươn tới một nền văn
minh mới của nhân loại: nền văn minh tin học của kỷ nguyên kinh tế trí thức.
Đổi mới thông qua công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước trước hết
phải là sự đổi mới của ý thức tư duy, bởi tư duy sáng tạo chính là nguồn lực
của đổi mới.
Định hướng phát triển công nghệ cơ điện tử cũng không nằm ngoài quy
luật này.
Gần 20 năm đổi mới đã và đang diễn ra trên đất nước ta, quá trình chuyển
dịch công nghệ cũng đã chứng minh rằng lợi thế phát triển có tính hiện thực
lớn nhất của Việt Nam lại chính là nguồn lực con người. Đất nước Việt Nam,
con người Việt Nam - không có con đường nào khác - đã và đang hội nhập
với tiến trình phát triển gia tốc hoá ngày càng tăng của nhân loại tiến tới nền
kinh tế trí thức.
Cùng với quá trình chuyển giao công nghệ mang tính toàn cầu, ý thức tư
duy và tác phong công nghiệp hiện đại, có tính chuyên nghiệp của lực lượng
lao động tiên tiến bên ngoài cũng có điều kiện thâm nhập, làm thay đổi những
tập quán tư tưởng như cố hữu của lực lượng lao động Việt Nam, cải thiện
đáng kể chất lượng lao động và phẩm chất nghề nghiệp của con người Việt
Nam công nghiệp, chính đó là cơ sở đáng tin cậy để xây dựng các cơ chế và
chính sách phát triển các hướng công nghệ cao và công nghiệp công nghệ cao
trong chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010.
Vai trò của công nghệ Cơ - Điện tử phục vụ mục tiêu của công nghiệp
hoá, hiện đại hoá rút ngắn.
14