Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ô tô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ô tô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ VĂN ĐÀM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TRONG ÔTÔ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP MƠ HÌNH CHO BÀI TỐN CÂN BẰNG TRÊN XE DU LỊCH Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TẠ DUY LIÊM HÀ NỘI - 2009 LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Tạ Duy Liêm Tơi xin cam đoan mà tơi viết luận văn tìm hiểu nghiên cứu thân Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác có trích dẫn đầy đủ Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ toàn quốc nước ngồi chưa cơng bố phương tiện thông tin Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009 Tác giả Hồ Văn Đàm LỜI CẢM ƠN Bản luận văn thực Khoa Cơ Khí Khoa Sư phạm kỹ thuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tạ Duy Liêm hướng dẫn, động viên bảo tận tình suốt trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, thầy cô giáo trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc, tạo điều kiện thời gian để thực luận văn Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đồng nghiệp quan tâm giúp đỡ, ủng hộ tinh thần lẫn vật chất Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009 Tác giả Hồ Văn Đàm M ỤC L ỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ 1.1 Cơ sở kỷ thuật chuyên ngành điện tử 1.1.1 Vai trị cơng nghệ tích hợp sản suất hàng hố cơng nghệ cao thời kỳ kinh tế trí thức 1.1.2 Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển điện tử Việt Nam năm tới 1.1.3 Xu hướng phát triển điện tử giới 1.1.4 Cơ điện tử 1.1.5 Lịch sử phát triển 1.2 Cơ điện tử khoa học hệ thống 1.2.1 Ví dụ hệ thống điện tử 1.2.2 Các thành phần hệ thống điện tử 1.2.2.1 Hệ thống cảm biến 1.2.2.2 Cơ cấu chấp hành 1.2.2.3 Hệ thống xử lý thông tin 1.2.2.4 Hệ thống khí biến đổi lượng 1.2.2.5 Các hệ thống khác 1.2.3 Cấu trúc chung hệ thống điện tử 1.3 Những khả ứng dụng điện tử công nghệ cao nói chung cơng nghệ ơtơ đại nói riêng 1.3.1 Những khả ứng dụng điện tử công nghệ cao 1.3.2 Những khả ứng dụng điện tử công nghệ ôtô đại Chương NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ Cơ điện tử Ôtô 2.1.1 Xu hướng tích hợp cơng nghệ điện tử Ơtơ 2.1.2 Các thành phần điện tử Ơtơ 10 13 13 13 16 18 20 24 27 27 27 28 29 30 31 32 32 34 34 38 41 41 41 49 2.1.3 Hệ thống trợ giúp 2.1.3.1 Hệ thống tự động cân ESP 2.1.3.2 Hệ thống chống bó cứng phanh ABS 2.2 Dao động cân dao động 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Các thiết bị giảm chấn xe Ơtơ 2.2.2.1 Nhíp xe 2.2.2.2 Giảm xóc lị xo 2.2.2.3 Giảm xóc khí - thủy lực 2.3 Hệ thống giảm xóc đại Chương THIẾT LẬP CÁC MƠ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ƠTƠ 3.1 Mơ hình hệ thống giảm xóc xe ôtô 3.1.1.Mô hình giao động ơtơ 3.1.2 Mơ hình bốn bánh 3.1.3 Mơ hình nửa Ơtơ 3.1.4 Mơ hình phần tư ôtô 3.2 Hệ thống giảm xóc tự động 3.3 Hệ thống giảm xóc bán chủ động 3.3.1 Các phương pháp điều khiển 3.3.2 Điều khiển Skyhook 3.3.3 Điều khiển Groundhook 3.4 Mơ hình tốn học hệ thống giảm xóc bị động 3.4.1 Hệ thống giảm xóc bị động 3.4.2 Dao động hệ thống với kích động điều hồ 3.5 Mơ hình tốn học hệ thống giảm xóc bán chủ động 3.5.1 Mơ hình thống giảm xóc bán chủ động 3.5.2 Hệ thống Skyhook 3.5.3 Hệ thống Groundhook Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG 4.1 Thành phần hệ thống giảm xóc bán chủ động 4.1.1 Cảm biến 4.1.2 Giảm chấn biến đổi 4.1.2.1 Giảm chấn van thay đổi 4.1.2.2 Giảm chấn từ biến 4.2 Cấu trúc hoạt động hệ thống giảm xóc bán chủ động 4.2.1 Cấu trúc hệ thống 4.2.2 Hoạt động hệ thống KẾT LUẬN 51 51 52 60 60 61 61 61 62 63 67 67 68 69 70 71 71 73 73 75 77 78 78 79 82 82 83 86 90 90 90 91 92 92 95 94 96 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Hệ thống tự động điều chỉnh ổn ABC Automatic Body Control ABS Anti - block Brake System AFL Adaptive Forward Light ASR Anti - Spin Regulation CAE Computer Aided Engineering CAN Controller Area Network Computer Intergrated tính Hệ truyền liệu điện tử Hệ thống gia công điều khiển Manufacturing Differential Global mạng vi tính kết nối Hệ thống định vị tồn cầu sai Possitioning Systems phân Chương trình quản lý độ ổn định CIM DGPS ESP FMS Micro MEMS NEMS TCS VDC Electronic Stability Program định toàn xe Hệ thống phanh chống bó cứng Thay đổi độ rộng góc quét dải sáng theo hướng xe chạy Hệ thống kiểm sốt độ bám đường Gia cơng trợ giúp máy điện tử Flexible Manufacturing System Hệ thống tự động linh hoạt Micro Electro Mechatronic Hệ vi điện tử System Nano Electronics Mechatronics Hệ thống siêu vi điện tử System Hệ thống điều khiển khả Traction Control System bám đường Vehicle Dynamic Control Hệ thống điều khiển động lực ôtô DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG Hình 1.1 Các tiêu chí hình thái sản xuất – Đặc trưng kinh tế tri thức Hình 1.2 Cơ điện tử, khoa học nhiều ngành nghiên cứu Hình 1.3 Lịch sử phát triển hệ thống kỹ thuật từ khí túy đến hệ điện - tử ngày Hình 1.4 Sơ đồ thành phần hệ thống điện tử Hình 1.5 Mơ hình cảm biến (Sensor) Hình 1.6 Mơ hình cấu chấp hành (Actuator) Hình 1.7 Cụm cấu chấp hành Hình 1.8 Sơ đồ khối vi điều khiển Hình 1.9 Sơ đồ khối vi xử lý Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện tử Hình 1.11 Cơ điện tử điều khiển chạy dao máy cơng cụ CNC Hình 1.12 Robot HRP-3 Promet Mk-II giống y người Hình 1.13 Mẫu robot “Asendro” hệ robot bảo vệ Hình 2.1 Sử dụng Rada đo khoảng cách vận tốc để tự động điều chỉnh khoảng cách xe ôtô Hình 2.2 Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến cấu chấp hành Hình 2.3 Các khu vực ứng dụng hệ thống điện tử xe ôtô Hình 2.4 % đóng góp giá thành điện tử ơtơ Hình 2.5 Sự phát triển hệ thống an toàn điện tử ơtơ khuynh hướng Hình 2.6 Hệ thống tự động cân ơtơ (ESP) Hình 2.7 Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống điều tiết Distronic Hình 2.9 Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp 16 24 26 28 28 29 29 30 31 33 35 36 37 45 47 48 48 49 51 53 55 56 thuỷ lực Hình 2.10 Các phương án phanh thuỷ lực ABS 57 Hình 2.11 Hệ thống phanh điện tử "Elektromechanische Bremse" 58 Hình 2.12 Bộ cảm biến số vịng quay bánh xe với hiệu ứng cảm ứng 59 điện từ Hình 2.13 Nhíp xe ơtơ Hình 2.14 Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu Hình 2.15 Giảm xóc khí nén - thủy lực Hình 2.16 Hệ thống treo khí nén Airmatic Mecerdes Hình 3.1 Xe ơtơ du lịch với hệ thống giảm xóc trước sau Hình 3.2 Hệ thống giảm xóc bánh Hình 3.3 Xe ơtơ du lịch với nhiều phận chi tiết Hình 3.4 Mơ hình bốn bánh hệ thống giảm xóc Hình 3.5 Mơ hình bánh với hai bánh bên (a) hai bánh đồng trục (b) Hình 3.6 Mơ hình bánh (một phần tư ơtơ) hệ thống giảm xóc Hình 3.7 Hệ thống giảm xóc LEM hãng Bose Hình 3.8 Mơ hình phần tư ôtô Hình 3.9 Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) thực (b) Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) thực (b) Hình 3.11 Hệ thống giảm xóc bị động Hình 3.12 Hệ thống bị động với kích động điều hịa Hình 3.13 Các dao động thân xe bánh xe theo thời gian Hình 3.14 Hệ thống giảm xóc bán chủ động Hình 3.15 Dao động thân xe bánh xe hệ thống Skyhook Hình 3.16 Dao động thân xe bánh xe hệ thống Groundhook Hình 4.1 Cảm biến gia tốc TI CAS Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý giảm chấn van điều khiển Hình 4.3 Tính chất chất lỏng từ biến Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý giảm chấn MR Hình 4.5 Giảm chấn Delphi MagneRide hãng Delphi Hình 4.6 Các thành phần hệ thống giảm xóc bán chủ động Hình 4.7 Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động 61 62 63 64 67 68 68 69 70 71 72 74 74 77 78 80 82 82 86 88 91 92 93 94 95 95 96 LỜI MỞ ĐẦU Cơ điện tử mở phương pháp ứng dụng kỹ thuật thực bao trùm lên diện mạo giới đại Cơ điện tử thực chất cơng nghệ tích hợp hữu nhiều công nghệ truyền thống khác thể thống nhất, sản phẩm điện tử trước hết phải bắt nguồn từ thiết kế tối ưu mà cấu trúc nguyên lý hoạt động quan niệm thể sống Các phận cấu thành modul khí, điện điện tử, khí nén thuỷ lực phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến đo lường, actuator: điều khiển điều chỉnh), phần mềm tin học đơn vị sản phẩm phải xương thịt nhau, bắp trí tuệ có ảnh hưởng lẫn tạo nên thể thống hữu Từ nhu cầu phát triển sản phẩm cần cơng nghệ tích hợp liên ngành khí điện, điện tử, công nghệ thông tin điều khiển hệ thống Những hệ thống chuyển từ hệ điện với phần điện khí riêng rẽ sang hệ điện tích hợp với cảm biến, cấu chấp hành, mạch điện tử số micro Sự tích hợp tạo nên cơng nghệ mới, có chuyển biến chất tư công nghiệp mà trọng tâm tư công nghệ tạo nên đổi xúc tiến phương pháp giải vấn đề kỹ thuật 10 tổng hợp Công nghệ tạo nhiều sản phẩm cung cấp giải pháp tăng hiệu tính thiết bị cơng nghiệp, dân dụng Từ đến nay, điện tử phát triển không ngừng, kỹ thuật vi xử lý đời làm cho điện tử có vai trị quan trọng khoa học cơng nghệ Sản phẩm điện tử ngày tích hợp nhiều cơng nghệ cao hơn, mức độ thơng minh ngày mạnh kích thước ngày rút gọn Trong tương lai, phát triển hệ điện tử thúc đẩy phát triển lĩnh vực có liên quan Những tiến lĩnh vực truyền thống tạo động lực cho phát triển hệ điện tử thông qua việc cung cấp "công nghệ khả thi" Chẳng hạn, việc phát minh vi xử lý có ảnh hưởng sâu rộng đến q trình tái thiết kế hệ khí q trình thiết kế hệ điện tử Chúng ta nên hy vọng vào tiến không ngừng vi xử lý vi điều khiển, phát triển cảm biến cấu chấp hành dựa việc ứng dụng tiến hệ thống vi điện tử MEMS "Micro Electronics Mechanics System" hệ thống siêu vi điện tử NEMS "Nano Electronics Mechatronics System", phương pháp điều khiển thích nghi phương pháp lập trình tốc độ xử lý máy tính, cơng nghệ mạng công nghệ không dây, kỹ thuật gia cơng trợ giúp máy tính CAE (Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mơ hình hệ thống tiên tiến, tạo mẫu ảo thử nghiệm Sự phát triển nhanh chóng ngành giúp tăng tốc độ phát triển sản phẩm thông minh Mạng Intermet công cụ ứng dụng kết hợp với cơng nghệ khơng dây có khả tạo sản phẩm điện tử Khi phát triển thiết bị tự động cung cấp cho ví dụ sinh động phát triển Cơ điện tử, có hàng loạt ví dụ hệ thống thơng minh tất lĩnh vực đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, lĩnh vực "thiết bị thân thiện với người" (thuật ngữ H.Kobayashi(Guest ... dụng điện tử công nghệ cao 1.3.2 Những khả ứng dụng điện tử công nghệ ? ?tô đại Chương NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ Cơ điện tử Ơtơ ... giảm xóc Một hệ giảm xóc tự động đời kết vận dụng điện tử vào toán cân dao động Bằng phương pháp mơ hình hóa mô phỏng, bước đầu nghiên cứu ứng dụng điện tử để giải toán cân xe ơtơ du lịch Bên cạnh... thành điện tử ? ?tô Hình 2.5 Sự phát triển hệ thống an tồn điện tử ơtơ khuynh hướng Hình 2.6 Hệ thống tự động cân ? ?tô (ESP) Hình 2.7 Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) Hình