Công nghệ cơ điện tử trong chế tạo ô tô pgs ts tạ duy liêm

1 Công nghệ Cơ điện tử chế tạo ô tô PGS.TS Tạ liêm Khoa Cơ khí ĐHBK Hà Nội Tóm tắt: Cho đến Việt nam có chừng 17 liên doanh lắp ráp cung cấp chủng loại xe ô tô hạng trung nhẹ Mặc dù mẫu mã, kiểu dáng xe có đổi liên tục để đáp ứng thị hiếu ngời tiêu dùng, nhng thực tế xe ô tô đợc trang bị hệ thống điện tử cụm chức kỹ thuật nh hệ thống phun xăng điện tử, hệ thống phanh tự động điều chỉnh, hệ thống dẫn đờng, hệ thống bảo hiểm v.v hiếm, ngời sử dụng xe xa lạ với khái niệm hiểu biết vai trò điện tử ngành công nghiệp quan trọng Chúng xin giới thiệu nội dung nghiên cứu ứng dụng điện tử công nghệ ô tô nhằm cung cấp kiến thức tiếp cận hệ thống lựa chọn sâu phân tích cụm chức điển hình hệ thống phanh tự động điều chỉnh để minh hoạ ý nghĩa khoa học thực tiễn công nghệ điện tử ứng dụng kỹ thuật cụ thể I Các khuynh hớng ứng dụng công nghệ điện tử chế tạo ô tô Khuynh hớng phát triển ô tô đại tạo phơng tiện lại bền đẹp, mốt, tiện nghi, an toàn, dễ điều khiển tự động điều khiển, sử dụng lợng tiết kiệm nhiên liệu truyền thống thân thiện với môi trờng Mỗi tiêu chí hớng tới dựa số giải pháp kỹ thuật khả thi cụm máy xác định, chúng thuộc về: Các hệ thống trợ giúp hệ thống điều khiển xa nh : - Hệ thống cung cấp thông tin đồ tình trạng giao thông cập nhật, - Hệ thống hỗ trợ dẫn đờng cho ngời lái - Hệ thống bảo hiểm, an toàn tích cực Các hệ thống ngắt rung động điều chỉnh ổn định tích cực nh: - Khử điện tích - Điều chỉnh độ ổn định thân xe - Đệm khí giảm chấn tích cực - Bộ ổn định thích nghi - Tự động điều chỉnh ổn định toàn thân xe (Automatic Body Control) Hệ thống quản lý tác động vào vành, bánh xe nh: - Hệ thống cắt rung tích cực - Hệ thống phanh chống bó (ABS) - Hệ thống chống trơn trợt (ASR) - Hệ thống phân bố lực phanh điện tử Bộ phận điện tử - Kết nối hệ thống đờng dẫn thông tin - Hệ thống quản lý điều hoà nhiệt độ thông minh - Hệ thống van điều tiết điện từ - Hệ thống phun xăng điện tử Auswahl mechatronischer Systeme in Fahrzeugen Các hệ thống trợ giúp, hệ thống điều khiển từ xa (Telematik) Hệ thống khung xe Khử điện tích Điều chỉnh độ ổn định thân Các hệ thống thông tin giao thông xe Hệ trợ giúp lái xe Hệ thống an toàn tích cực Đệm khí giảm chấn tích cực Bộ ổn định chủ động Điều khiển chủ động tích cực toàn thân xe (ABC) Hệ thống vành, bánh xe Quelle: Volkswagen AG Bộ phận điện tử Kết nối hệ thống đờng dẫn thông tin Hệ thống quản lý nhiệt độ thông minh Hệ thông van điều tiết điện từ, phun xăng Cắt rung Hệ thống phanh chống bó (ABS) Hệ thống chống trơn trợt (ASR) Hệ phân bố lực phanh điện tử điện tử Hình khu vực ứng dụng hệ thống điện tử xe ô tô Hiển nhiên việc ứng dụng hệ thống điện tử xe cộ ảnh hởng đến giá thành sản phẩm Từ 1965 đến 2005, thành phần giá tăng dần từ 16% đến 35% tuỳ thuộc mức cài đặt ứng dụng chúng Tuy nhiên tính an toàn tiện nghi theo ngày nâng cao đáng kể Các hệ thống điện tử đợc ứng dụng phổ biến theo mức an toàn tích cực từ thấp đến cao bao gồm: - ABS: Hệ thống phanh chống bó - ASR: Hệ thống điều chỉnh chống trơn trợt cho phận truyền động - EBV: hệ thống phân bố lực phanh điện tử - ESP: Chơng trình quản lý độ ổn định điện tử - BAS: Hệ thống hỗ trợ trình phanh hãm - ACC: Bộ điều khiển giám sát thích nghi - BbW/SbW: Hệ thống khử từ / Điều tiết van điện từ - ABC: Hệ điều khiển tích cực toàn xe - EMB - EML: Hệ thống trợ lái, trợ phanh - điện - DbW: Hệ thống lái theo tín hiệu điện từ - CA: Hệ thống cảnh báo va chạm Mức cao tơng lai (đến 2020) cỗ xe đợc lái hoàn toàn tự động xe không ngời lái II Cấu trúc hệ thống điện tử phanh ABS Cơ điện tử - nh rõ - hệ thống tích hợp hữu kỹ thuật yếu nh Cơ khí Điện, điện tử - Công nghệ thông tin Kết nối kỹ thuật khí điện tử tạo thành phẩm tiêu biểu phần tử đo lờng, cảm biến nh các hệ thống điều khiển điều chỉnh cấu chấp hành Kết nối kỹ thuật điện - điện tử xử lý tin tạo hệ thống tính toán trình, đóng vai trò hạt nhân hệ thống điện tử Kết nối kỹ thuật xử lý tin kỹ thuật khí lại đa công cụ hữu hiệu phần mềm mô phỏng, mô hình hoá hệ thống điện tử kết nối cách hữu tất thứ Theo cách tiếp cận khác, thấy quan niệm David M Auslander What is Mechatronics có lý: Cơ điện tử hệ thống tạo lập định phức tạp để điều khiển hệ thống vật lý Trong hệ thống đó, việc tạo lập định điều khiển (Decision making) đợc coi vấn đề trọng tâm, đối tợng điều khiển đợc tác động ba dòng vận động bản: lu thông vật chất, lu thông lợng lu thông thông tin (hình 2) M e c h a t r o n i s c h e Sy s t e m e Hệ t h ố n g c ện t Cấu trúc tổng quát hệ thông điện tử Điều khiển Đậi lợng dẫn Đại lợng điều chỉnh Xử lý thông tin Đại lợng đo Dòng thông tin Dòng lợng Cơ cấu điều khiển Cung ứng lợng phụ Đo lờng / Cụm khí & biến đổi cảm biến lợng Dòng lợng Dòng tiêu thụ lợng sơ cấp Cung ứng lợng Cung ứng Năng lợng - Cơ - thuỷ - khí - Điện - điện tử - Quang Hình Nguyên lý cấu trúc tổng quát hệ thống điện tử Hệ thống vật lý hay đối tợng điều khiển bao gồm không thiết bị khí truyền thống hay máy - điện mà hệ thống tự động hoá sản xuất kể hệ thống quản lý liệu, hệ thống xử lý kỹ thuật ô tô, hệ thống điều khiển môi trờng nh hầu hết sản phẩm công nghệ cao, nhiều ngành kinh tế khác 4 Dới xin trình bày nội dung kỹ thuật việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phanh tự động điều chỉnh hay hệ thống phanh chống bó (ABS = Anti-Blockier System) - số hệ thống xử lý quan trọng kỹ thuật ô tô với t cách hệ thống điện tử Hệ thống phanh ABS cụm kết cấu thông minh trợ giúp ngời lái trình điều chỉnh tốc độ phanh hãm xe cách mau lẹ an toàn, có phản ứng thích nghi với tình trạng xe (tốc độ, khối lợng động, trạng thái bánh xe, mô men dẫn động, mô men phanh hãm ) tình trạng đờng (chất lợng mặt đờng, độ rung chấn, khoảng cách từ xe tới điểm nguy hiểm ) Đó hệ thống có giới hạn độc lập vị trí không gian máy có đặc trng riêng biệt Quá trình hoạt động hệ thống bao gồm tác dụng - lý xảy theo trình tự thời gian tình trạng thực hệ thống Trên sở nghiên cứu cấu hình hệ thống trình tác dụng, ngời ta thiết lập mô hình (chủ yếu mô hình toán, sơ đồ khối bảng trạng thái hay sơ đồ dòng tín hiệu ) nhằm mô tả cách có mục đích chức kỹ thuật gần sát với chất hệ thống thực (Hình 3) Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống điều tiết Distronic Bài toán điều khiển hệ thống phanh ABS đợc đặt với giả thiết: Ma sát Coulomb tác động phanh Gia tốc tác động hãm xe dừng lại Quãng đờng phanh = Fb / Fn a = const = - (à Fn) / m x = 1/2 (m Vo2 / Fn) Từ phơng trình chuyển động bản, nghiên cứu hệ thống hỗ trợ phanh thuỷ lực, ta có trình tác động theo thời gian với ba giai đoạn (hình 4): V íd ụ c h o h ệ t h ố n g b ậ c t ự d o Phơng trình chuyển động: mx+bx+cx = F(t) Hay mx = FG (t) mit FG(t) = F(t)-bx-cx Sơ đồ khối a) Nút cộng bx b F(t)G F(t)+ - F(t)- F(t)G - m x x x cx c Tác động ngời lái vào hệ thống trợ giúp (pha 1) Thả bàn đạp phanh (pha 2) Ngắt mạch trợ giúp phanh Mỗi giai đoạn khảo sát trình diễn biến áp lực phanh theo thời gian Theo đặc tuyến áp lực phanh ngời lái xe tác động (đặc tuyến 1), áp lực phanh điều chỉnh (đặc tuyến 2) áp lực phanh tác động ngời lái (đặc tuyến 3) đợc thể Từ đồ thị đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian, nhận rõ đợc khoảng thời gian độ suy giảm áp lực phanh phạm vi giới hạn tác động kẹp phanh Hình Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp thuỷ lực Dựa kết nghiên cứu chất vật lý trình tác dụng, phơng án có tính nguyên tắc hệ thống phanh ABS đợc đề xuất, chúng bao gồm: Nguyên tắc pit tông tác động chiều (Plunger-Prinzip) Nguyên tắc tác động đờng hồi dòng dầu (Rueckfoerder-Prinzip) Nguyên tắc dòng chiều thuỷ động (Dynamisches Einstroem-Prinzip) Hình nêu rõ hệ thống thuỷ lực bao gồm khuyếch đại lực phanh theo nguyên lý chân không (1) nguyên tắc thuỷ lực (2), bình tích áp cao áp (3), van điều tiết ABS (4), Mạch điều chỉnh áp lực phanh (5), xi lanh tác dụng chiều (6), bơm đờng hồi dầu (7), van thuỷ lực (8), Mạch điều chỉnh ABS (9) bình tích áp thấp (10) Hình 5: Các phơng án phanh thuỷ lực ABS Cuối hệ thống phanh điện tử EMB, đối tợng điều khiển hay hệ thống vật lý chịu tác động định điều khiển động điều tiết, kèm theo hộp số kết nối với cấu phanh khí thành mô đun riêng biệt, lắp ráp cho lốp trớc bên trái, bên phải cho lốp sau bên trái nh bên phải (hình 6) Bàn đạp phanh ngời lái cung cấp số tín hiệu đầu vào hệ thống tính toán trung tâm, thông qua mô Pedal Ngoài phân khí nh má phanh, đĩa phanh, bạc đệm có cảm biến số vòng quay bánh xe Chip vi tính trung tâm xử lý tác động thích nghi lực phanh Hệ thống mạch gồm đờng dẫn tín hiệu trực tiếp từ sensor cụm xử lý trung tâm, mạch phanh điện tử điều tiết hệ cung ứng lợng từ ắc quy 36 von đến động đờng dẫn nội hệ thống EBM có liên hệ hai chiều cụm xử lý trung tâm hệ điều khiển động Hình Hệ thống phanh điện tử Elektromechanische Bremse Kết cấu tổng thể ABS Hệ thống phanh ABS Trong hệ thống điện tử, cảm biến đóng vai trò thu thập thông tin biến đổi tín hiệu tơng tự đại lợng vật lý khác thành tín hiệu số (dạng xung) chuyển cụm xử lý trung tâm Nguyên lý phổ biến sensor cảm nhận tốc độ quay bánh xe dựa hiệu ứng cảm ứng điện từ (hình 7) Hình Bộ cảm biến số vòng quay bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ III Kết luận Các hệ thống điện tử sản phẩm đời giai đoạn phát triển công nghệ cao, tiệm cận kinh tế tri thức Hàm lợng tri thức cao sản phẩm thể trình nghiên cứu lao động khứ mà hàm chứa giải pháp kỹ thuật tích hợp khí, điện điện tử nh kỹ thuật xử lý tin hệ thống tổng thể Thông qua dẫn chứng cụ thể ứng dụng phanh ABS kỹ nghệ ô tô, thấy tơng lai công nghệ điện tử mở rộng chắn chiếm lĩnh vị trí xứng đáng kỹ thuật kỷ nguyên kinh tế trí thức hữu