Tài liệu công nghệ cơ điện tử trong chế tạo ô tô, pgs.ts.tạ duy liêm

1 C«ng nghÖ C¬ ®iÖn tö trong chÕ t¹o « t« PGS.TS. T¹ duy liªm Khoa C¬ khÝ §HBK Hµ Néi Tãm t¾t: Cho ®Õn nay ViÖt nam cã chõng 17 liªn doanh l¾p r¸p vµ cung cÊp c¸c chñng lo¹i xe « t« h¹ng trung vµ nhÑ. MÆc dï vÒ mÉu m·, kiÓu d¸ng xe cã ®æi míi liªn tôc ®Ó ®¸p øng thÞ hiÕu cña ng−êi tiªu dïng, nh−ng trªn thùc tÕ c¸c xe « t« ®−îc trang bÞ nh÷ng hÖ thèng c¬ ®iÖn tö trong c¸c côm chøc n¨ng kü thuËt nh− hÖ thèng phun x¨ng ®iÖn tö, hÖ thèng phanh tù ®éng ®iÒu chØnh, hÖ thèng dÉn ®−êng, hÖ thèng b¶o hiÓm .v.v. cßn rÊt hiÕm, ng−êi sö dông xe vÉn rÊt xa l¹ víi nh÷ng kh¸i niÖm vµ hiÓu biÕt vÒ vai trß cña c¬ ®iÖn tö trong ngµnh c«ng nghiÖp quan träng nµy. Chóng t«i xin giíi thiÖu ë ®©y nh÷ng néi dung nghiªn cøu øng dông c¬ ®iÖn tö trong c«ng nghÖ « t« nh»m cung cÊp nh÷ng kiÕn thøc tiÕp cËn hÖ thèng vµ lùa chän ®i s©u ph©n tÝch mét côm chøc n¨ng ®iÓn h×nh lµ “hÖ thèng phanh tù ®éng ®iÒu chØnh” ®Ó minh ho¹ ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn cña c«ng nghÖ c¬ ®iÖn tö trong c¸c øng dông kü thuËt cô thÓ. I. C¸c khuynh h−íng øng dông c«ng nghÖ c¬ ®iÖn tö trong chÕ t¹o « t« Khuynh h−íng ph¸t triÓn cña « t« hiÖn ®¹i lµ t¹o ra nh÷ng ph−¬ng tiÖn ®i l¹i bÒn ®Ñp, ®óng mèt, tiÖn nghi, an toµn, dÔ ®iÒu khiÓn hoÆc tù ®éng ®iÒu khiÓn, sö dông n¨ng l−îng míi hoÆc tiÕt kiÖm nhiªn liÖu truyÒn thèng vµ th©n thiÖn víi m«i tr−êng. Mçi tiªu chÝ h−íng tíi ®Òu dùa trªn mét sè gi¶i ph¸p kü thuËt kh¶ thi trong c¸c côm m¸y x¸c ®Þnh, chóng thuéc vÒ: 1. C¸c hÖ thèng trî gióp vµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn xa nh− : - HÖ thèng cung cÊp th«ng tin vÒ b¶n ®å vµ t×nh tr¹ng giao th«ng cËp nhËt, - HÖ thèng hç trî dÉn ®−êng cho ng−êi l¸i vµ - HÖ thèng b¶o hiÓm, an toµn tÝch cùc 2. C¸c hÖ thèng ng¾t rung ®éng vµ ®iÒu chØnh æn ®Þnh tÝch cùc nh−: - Khö ®iÖn tÝch - §iÒu chØnh ®é æn ®Þnh th©n xe - §Öm khÝ gi¶m chÊn tÝch cùc - Bé æn ®Þnh thÝch nghi - Tù ®éng ®iÒu chØnh æn ®Þnh toµn th©n xe (Automatic Body Control) 3. HÖ thèng qu¶n lý c¸c t¸c ®éng vµo vµnh, b¸nh xe nh−: - HÖ thèng c¾t rung tÝch cùc - HÖ thèng phanh chèng bã (ABS) - HÖ thèng chèng tr¬n tr−ît (ASR) - HÖ thèng ph©n bè lùc phanh ®iÖn tö 4. Bé phËn ®iÖn tö 2 - KÕt nèi c¸c hÖ thèng ®−êng dÉn th«ng tin - HÖ thèng qu¶n lý ®iÒu hoµ nhiÖt ®é th«ng minh - HÖ thèng van ®iÒu tiÕt ®iÖn tõ - HÖ thèng phun x¨ng ®iÖn tö Auswahl mechatronischer Systeme in Fahrzeugen C¸c hÖ thèng trî gióp, hÖ thèng ®iÒu khiÓn tõ xa (Telematik) HÖ thèng khung xe • Khö ®iÖn tÝch • §iÒu chØnh ®é æn ®Þnh th©n • C¸c hÖ thèng th«ng tin vÒ giao th«ng xe • HÖ trî gióp l¸i xe •HÖ thèng an toµn tÝch cùc • §Öm khÝ gi¶m chÊn tÝch cùc •Bé æn ®Þnh chñ ®éng •§iÒu khiÓn chñ ®éng vµ tÝch cùc toµn th©n xe (ABC) HÖ thèng vµnh, b¸nh xe Quelle: Volkswagen AG Bé phËn ®iÖn tö • KÕt nèi c¸c hÖ thèng ®−êng dÉn th«ng tin • HÖ thèng qu¶n lý nhiÖt ®é th«ng minh • HÖ th«ng van ®iÒu tiÕt ®iÖn tõ, phun x¨ng • C¾t rung • HÖ thèng phanh chèng bã (ABS) • HÖ thèng chèng tr¬n tr−ît (ASR) • HÖ ph©n bè lùc phanh ®iÖn tö ®iÖn tö H×nh 1. c¸c khu vùc øng dông cña hÖ thèng c¬ ®iÖn tö trong mét chiÕc xe « t« HiÓn nhiªn lµ viÖc øng dông c¸c hÖ thèng c¬ ®iÖn tö trong xe cé sÏ ¶nh h−ëng ®Õn gi¸ thµnh cña s¶n phÈm. Tõ 1965 ®Õn 2005, thµnh phÇn gi¸ c¶ t¨ng dÇn tõ 16% ®Õn 35% tuú thuéc møc cµi ®Æt øng dông chóng. Tuy nhiªn tÝnh an toµn vµ tiÖn nghi còng theo ®ã ngµy mét n©ng cao ®¸ng kÓ. C¸c hÖ thèng c¬ ®iÖn tö ®−îc øng dông phæ biÕn vµ theo møc an toµn tÝch cùc tõ thÊp ®Õn cao bao gåm: - ABS: HÖ thèng phanh chèng bã - ASR: HÖ thèng ®iÒu chØnh chèng tr¬n tr−ît cho bé phËn truyÒn ®éng - EBV: hÖ thèng ph©n bè lùc phanh ®iÖn tö - ESP: Ch−¬ng tr×nh qu¶n lý ®é æn ®Þnh ®iÖn tö - BAS: HÖ thèng hç trî qu¸ tr×nh phanh h·m - ACC: Bé ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t thÝch nghi - BbW/SbW: HÖ thèng khö tõ / §iÒu tiÕt van ®iÖn tõ - ABC: HÖ ®iÒu khiÓn tÝch cùc toµn xe - EMB - EML: HÖ thèng trî l¸i, trî phanh c¬ - ®iÖn - DbW: HÖ thèng l¸i theo tÝn hiÖu ®iÖn tõ - CA: HÖ thèng c¶nh b¸o va ch¹m... Møc cao nhÊt trong t−¬ng lai (®Õn 2020) sÏ lµ c¸c cç xe ®−îc l¸i hoµn toµn tù ®éng hay lµ xe kh«ng ng−êi l¸i. II. CÊu tróc hÖ thèng c¬ ®iÖn tö trong bé phanh ABS 3 C¬ ®iÖn tö - nh− ®· râ - lµ mét hÖ thèng tÝch hîp h÷u c¬ c¸c kü thuËt chÝnh yÕu nh− C¬ khÝ §iÖn, ®iÖn tö - C«ng nghÖ th«ng tin. KÕt nèi c¸c kü thuËt c¬ khÝ vµ ®iÖn tö t¹o ra thµnh phÈm tiªu biÓu lµ nh÷ng phÇn tö ®o l−êng, c¶m biÕn còng nh− c¸c c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ ®iÒu chØnh cña c¬ cÊu chÊp hµnh. KÕt nèi gi÷a kü thuËt ®iÖn - ®iÖn tö vµ xö lý tin t¹o ra c¸c hÖ thèng tÝnh to¸n qu¸ tr×nh, ®ãng vai trß h¹t nh©n trong hÖ thèng c¬ ®iÖn tö. KÕt nèi c¸c kü thuËt xö lý tin vµ kü thuËt c¬ khÝ l¹i ®−a ra nh÷ng c«ng cô h÷u hiÖu lµ c¸c phÇn mÒm m« pháng, m« h×nh ho¸... vµ hÖ thèng c¬ ®iÖn tö ®· kÕt nèi mét c¸ch h÷u c¬ tÊt c¶ c¸c thø ®ã. Theo c¸ch tiÕp cËn kh¸c, cã thÓ thÊy quan niÖm cña David M. Auslander trong cuèn „What is Mechatronics“ lµ cã lý: C¬ ®iÖn tö lµ mét hÖ thèng t¹o lËp nh÷ng quyÕt ®Þnh phøc t¹p ®Ó ®iÒu khiÓn mét hÖ thèng vËt lý. Trong hÖ thèng ®ã, viÖc t¹o lËp c¸c quyÕt ®Þnh ®iÒu khiÓn (Decision making) ®−îc coi lµ vÊn ®Ò träng t©m, ®èi t−îng ®iÒu khiÓn ®−îc t¸c ®éng trªn c¶ ba dßng vËn ®éng c¬ b¶n: l−u th«ng vËt chÊt, l−u th«ng n¨ng l−îng vµ l−u th«ng th«ng tin (h×nh 2) M e c h a t r o n i s c h e Sy s t e m e HÖ t h è n g c ¬ ®i Ön t ö CÊu tróc tæng qu¸t cña hÖ th«ng c¬ ®iÖn tö §iÒu khiÓn §Ëi l−îng dÉn §¹i l−îng ®iÒu chØnh Xö lý th«ng tin §¹i l−îng ®o Dßng th«ng tin Dßng n¨ng l−îng C¬ cÊu ®iÒu khiÓn Cung øng n¨ng l−îng phô §o l−êng / Côm c¬ khÝ & biÕn ®æi c¶m biÕn n¨ng l−îng Dßng n¨ng l−îng Dßng n¨ng tiªu thô l−îng s¬ cÊp Cung øng n¨ng l−îng Cung øng N¨ng l−îng - C¬ - thuû - khÝ - §iÖn - ®iÖn tö - Quang... H×nh 2. Nguyªn lý cÊu tróc tæng qu¸t cña mét hÖ thèng c¬ ®iÖn tö „HÖ thèng vËt lý“ hay ®èi t−îng ®iÒu khiÓn ë ®©y bao gåm kh«ng chØ c¸c thiÕt bÞ c¬ khÝ truyÒn thèng hay c¸c m¸y c¬ - ®iÖn mµ cßn lµ c¸c hÖ thèng tù ®éng ho¸ s¶n xuÊt kÓ c¶ hÖ thèng qu¶n lý d÷ liÖu, c¸c hÖ thèng xö lý trong kü thuËt « t«, hÖ thèng ®iÒu khiÓn m«i tr−êng còng nh− hÇu hÕt c¸c s¶n phÈm cña c«ng nghÖ cao, trong nhiÒu ngµnh kinh tÕ kh¸c nhau. 4 D−íi ®©y xin tr×nh bµy néi dung kü thuËt cña viÖc nghiªn cøu øng dông hÖ thèng phanh tù ®éng ®iÒu chØnh hay hÖ thèng phanh chèng bã (ABS = Anti-Blockier System) - mét trong sè hÖ thèng xö lý quan träng nhÊt trong kü thuËt « t« víi t− c¸ch lµ mét hÖ thèng c¬ ®iÖn tö. HÖ thèng phanh ABS lµ mét côm kÕt cÊu th«ng minh trî gióp ng−êi l¸i trong qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh tèc ®é vµ phanh h·m xe mét c¸ch mau lÑ vµ an toµn, cã ph¶n øng thÝch nghi víi t×nh tr¹ng xe (tèc ®é, khèi l−îng ®éng, tr¹ng th¸i b¸nh xe, m« men dÉn ®éng, m« men phanh h·m...) vµ t×nh tr¹ng ®−êng ®i (chÊt l−îng mÆt ®−êng, ®é rung chÊn, kho¶ng c¸ch tõ xe tíi ®iÓm nguy hiÓm...). §ã lµ mét hÖ thèng cã giíi h¹n ®éc lËp vÒ vÞ trÝ trong kh«ng gian m¸y vµ cã nh÷ng ®Æc tr−ng riªng biÖt. Qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña hÖ thèng bao gåm nh÷ng t¸c dông c¬ - lý x¶y ra theo mét tr×nh tù thêi gian hay lµ „c¸c t×nh tr¹ng thùc“ cña hÖ thèng. Trªn c¬ së nghiªn cøu cÊu h×nh hÖ thèng vµ c¸c qu¸ tr×nh t¸c dông, ng−êi ta thiÕt lËp c¸c m« h×nh (chñ yÕu lµ m« h×nh to¸n, s¬ ®å khèi hoÆc b¶ng tr¹ng th¸i hay s¬ ®å dßng tÝn hiÖu...) nh»m m« t¶ mét c¸ch cã môc ®Ých c¸c chøc n¨ng kü thuËt gÇn s¸t nhÊt víi b¶n chÊt cña hÖ thèng thùc (H×nh 3). H×nh 3: S¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®iÒu tiÕt Distronic Bµi to¸n ®iÒu khiÓn hÖ thèng phanh ABS ®−îc ®Æt ra víi c¸c gi¶ thiÕt: Ma s¸t Coulomb t¸c ®éng trong khi phanh Gia tèc t¸c ®éng h·m xe dõng l¹i Qu·ng ®−êng phanh µ = Fb / Fn a = const = - (µ Fn) / m ∆x = 1/2 (m . Vo2 / µ Fn) Tõ ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng c¬ b¶n, nghiªn cøu hÖ thèng hç trî phanh thuû lùc, ta cã qu¸ tr×nh t¸c ®éng theo thêi gian víi ba giai ®o¹n (h×nh 4): 5 V Ýd ô c h o h Ö t h è n g 1 b Ë c t ù d o Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng: .. . mx+bx+cx = F(t) . Hay lµ mx.. = FG (t) mit FG(t) = F(t)-bx-cx S¬ ®å khèi a) Nót céng . bx b F(t)G F(t)+ - F(t)- F(t)G - 1 m .. x . x x cx c 1. T¸c ®éng cña ng−êi l¸i vµo hÖ thèng trî gióp (pha 1) 2. Th¶ bµn ®¹p phanh (pha 2) 3. Ng¾t m¹ch trî gióp phanh Mçi giai ®o¹n ®Òu kh¶o s¸t qu¸ tr×nh diÔn biÕn cña ¸p lùc phanh theo thêi gian. Theo ®ã nh÷ng ®Æc tuyÕn ¸p lùc phanh do ng−êi l¸i xe t¸c ®éng (®Æc tuyÕn 1), ¸p lùc phanh ®iÒu chØnh (®Æc tuyÕn 2) vµ ¸p lùc phanh kh«ng cã t¸c ®éng cña ng−êi l¸i (®Æc tuyÕn 3) ®−îc thÓ hiÖn. Tõ ®å thÞ ®Æc tuyÕn „¸p lùc phanh theo thêi gian“, nhËn râ ®−îc kho¶ng thêi gian vµ ®é suy gi¶m ¸p lùc phanh trong ph¹m vi giíi h¹n t¸c ®éng kÑp phanh. H×nh 4. §Æc tuyÕn ¸p lùc phanh theo thêi gian víi hÖ thèng trî gióp thuû lùc Dùa trªn nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ b¶n chÊt vËt lý cña qu¸ tr×nh t¸c dông, nh÷ng ph−¬ng ¸n cã tÝnh nguyªn t¾c cña hÖ thèng phanh ABS ®−îc ®Ò xuÊt, chóng bao gåm: 6 1. Nguyªn t¾c pit t«ng t¸c ®éng mét chiÒu (Plunger-Prinzip) 2. Nguyªn t¾c t¸c ®éng trªn ®−êng håi cña dßng dÇu (Rueckfoerder-Prinzip) 3. Nguyªn t¾c dßng mét chiÒu thuû ®éng (Dynamisches Einstroem-Prinzip) H×nh 5 nªu râ hÖ thèng thuû lùc bao gåm c¸c bé khuyÕch ®¹i lùc phanh theo nguyªn lý ch©n kh«ng (1) hoÆc nguyªn t¾c thuû lùc (2), c¸c b×nh tÝch ¸p cao ¸p (3), c¸c van ®iÒu tiÕt ABS (4), M¹ch ®iÒu chØnh ¸p lùc phanh (5), c¸c xi lanh t¸c dông mét chiÒu (6), b¬m trªn ®−êng håi dÇu (7), van thuû lùc chÝnh (8), M¹ch ®iÒu chØnh ABS (9) vµ b×nh tÝch ¸p thÊp (10)... H×nh 5: C¸c ph−¬ng ¸n c¬ b¶n cña bé phanh thuû lùc ABS Cuèi cïng lµ hÖ thèng phanh c¬ ®iÖn tö EMB, trong ®ã ®èi t−îng ®iÒu khiÓn hay „hÖ thèng vËt lý“ chÞu t¸c ®éng cña „c¸c quyÕt ®Þnh ®iÒu khiÓn“ chÝnh lµ c¸c bé ®éng c¬ ®iÒu tiÕt, kÌm theo hép sè kÕt nèi víi c¬ cÊu phanh c¬ khÝ thµnh nh÷ng m« ®un riªng biÖt, l¾p r¸p cho lèp tr−íc bªn tr¸i, bªn ph¶i vµ cho lèp sau bªn tr¸i còng nh− bªn ph¶i (h×nh 6). Bµn ®¹p phanh cña ng−êi l¸i cung cÊp mét trong sè c¸c tÝn hiÖu ®Çu vµo cña hÖ thèng tÝnh to¸n trung t©m, th«ng qua bé m« pháng Pedal. Ngoµi c¸c bé ph©n c¬ khÝ nh− c¸c m¸ phanh, ®Üa phanh, b¹c ®Öm cßn cã c¸c bé c¶m biÕn sè vßng quay cña b¸nh xe vµ Chip vi tÝnh trung t©m xö lý t¸c ®éng thÝch nghi cña lùc phanh. HÖ thèng m¹ch gåm c¸c ®−êng dÉn tÝn hiÖu trùc tiÕp tõ c¸c sensor vÒ côm xö lý trung t©m, c¸c m¹ch phanh c¬ ®iÖn tö ®iÒu tiÕt hÖ cung øng n¨ng l−îng tõ ¾c quy 36 von ®Õn c¸c bé ®éng c¬ vµ ®−êng dÉn néi t¹i cña hÖ thèng EBM cã liªn hÖ hai chiÒu gi÷a côm xö lý trung t©m vµ hÖ ®iÒu khiÓn ®éng c¬. H×nh 6. HÖ thèng phanh c¬ ®iÖn tö „Elektromechanische Bremse“ 7 KÕt cÊu tæng thÓ ABS HÖ thèng phanh ABS Trong hÖ thèng c¬ ®iÖn tö, c¸c bé c¶m biÕn ®ãng vai trß thu thËp th«ng tin vµ biÕn ®æi c¸c tÝn hiÖu t−¬ng tù cña nh÷ng ®¹i l−îng vËt lý kh¸c nhau thµnh tÝn hiÖu sè (d¹ng xung) råi chuyÓn vÒ côm xö lý trung t©m. Nguyªn lý phæ biÕn cña c¸c sensor c¶m nhËn tèc ®é quay b¸nh xe cho ®Õn nay vÉn dùa trªn hiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ (h×nh 7). H×nh 7. Bé c¶m biÕn sè vßng quay cña b¸nh xe víi hiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ 8 III. KÕt luËn C¸c hÖ thèng c¬ ®iÖn tö lµ nh÷ng s¶n phÈm ra ®êi trong giai ®o¹n ph¸t triÓn míi cña c«ng nghÖ cao, tiÖm cËn nÒn kinh tÕ tri thøc. Hµm l−îng tri thøc cao trong s¶n phÈm nµy thÓ hiÖn kh«ng nh÷ng ë qu¸ tr×nh nghiªn cøu c¬ b¶n trong lao ®éng qu¸ khø mµ cßn hµm chøa trong nh÷ng gi¶i ph¸p kü thuËt tÝch hîp c¬ khÝ, ®iÖn vµ ®iÖn tö còng nh− kü thuËt xö lý tin trong mét hÖ thèng tæng thÓ. Th«ng qua mét dÉn chøng cô thÓ vÒ øng dông bé phanh ABS trong kü nghÖ « t«, cã thÓ thÊy t−¬ng lai cña c«ng nghÖ c¬ ®iÖn tö ®ang më réng vµ ch¾c ch¾n sÏ chiÕm lÜnh nh÷ng vÞ trÝ xøng ®¸ng trong nÒn kü thuËt cña kû nguyªn kinh tÕ trÝ thøc ®· hiÖn h÷u.