Công nghệ cơ điện tử trong chế tạo ô tô

1
Công nghệ Cơ điện tử trong chế tạo ô tô




PGS.TS. Tạ duy liêm
Khoa Cơ khí ĐHBK Hà Nội


Tóm tắt:

Cho đến nay Việt nam có chừng 17 liên doanh lắp ráp và cung cấp các chủng loại xe ô tô
hạng trung và nhẹ. Mặc dù về mẫu mã, kiểu dáng xe có đổi mới liên tục để đáp ứng thị hiếu
của ngời tiêu dùng, nhng trên thực tế các xe ô tô đợc trang bị những hệ thống cơ điện tử
trong các cụm chức năng 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. còn rất hiếm, ngời sử dụng xe vẫn
rất xa lạ với những khái niệm và hiểu biết về vai trò của cơ điện tử trong ngành công nghiệp
quan trọng này.

Chúng tôi xin giới thiệu ở đây những nội dung nghiên cứu ứng dụng cơ điện tử trong công
nghệ ô tô nhằm cung cấp những kiến thức tiếp cận hệ thống và lựa chọn đi sâu phân tích
một cụm chức năng điển hình là hệ thống phanh tự động điều chỉnh để minh hoạ ý nghĩa
khoa học và thực tiễn của công nghệ cơ điện tử trong các ứng dụng kỹ thuật cụ thể.

I.
Các khuynh hớng ứng dụng công nghệ cơ điện tử trong chế tạo ô tô

Khuynh hớng phát triển của ô tô hiện đại là tạo ra những phơng tiện đi lại bền đẹp, đúng
mốt, tiện nghi, an toàn, dễ điều khiển hoặc tự động điều khiển, sử dụng năng lợng mới

hoặc tiết kiệm nhiên liệu truyền thống và thân thiện với môi trờng. Mỗi tiêu chí hớng tới
đều dựa trên một số giải pháp kỹ thuật khả thi trong các cụm máy xác định, chúng thuộc về:

1. Các hệ thống trợ giúp và hệ thống điều khiển xa nh :
- Hệ thống cung cấp thông tin về bản đồ và tình trạng giao thông cập nhật,
- Hệ thống hỗ trợ dẫn đờng cho ngời lái và
- Hệ thống bảo hiểm, an toàn tích cực

2. Các hệ thống ngắt rung động và 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)

3. Hệ thống quản lý các 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

4. Bộ phận điện tử

2
- Kết nối các 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

Hình 1. các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc xe ô tô

Hiển nhiên là việc ứng dụng các hệ thống cơ điện tử trong xe cộ sẽ ảnh hởng đến giá thành
của sản phẩm. Từ 1965 đến 2005, thành phần giá cả tăng dần từ 16% đến 35% tuỳ thuộc
mức cài đặt ứng dụng chúng. Tuy nhiên tính an toàn và tiện nghi cũng theo đó ngày một
nâng cao đáng kể.
Các hệ thống cơ điện tử đợc ứng dụng phổ biến và 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 bộ 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 quá 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 cơ - điện
- DbW: Hệ thống lái theo tín hiệu điện từ
- CA: Hệ thống cảnh báo va chạm
Mức cao nhất trong tơng lai (đến 2020) sẽ là các cỗ xe đợc lái hoàn toàn tự động hay là
xe không ngời lái.

II. Cấu trúc hệ thống cơ điện tử trong bộ phanh ABS
Auswahl mechatronischer Systeme in Fahrzeugen
Q
uelle: Volkswa
g
en AG

Các hệ thống trợ giúp, hệ thống
điều khiển từ xa (Telematik)
Các hệ thống thông tin về giao
thông
Hệ trợ giúp lái xe
Hệ thống an toàn tích cực
Hệ thống khung xe
Khử điện tích
Điều chỉnh độ ổn định thân
xe
Đệm khí giảm chấn tích
cực
Bộ ổn định chủ động
Điều khiển chủ động và tích
cực toàn thân xe
(ABC)
Hệ thống vành, bánh xe
Cắt rung
Hệ thống phanh chống bó (ABS)
Hệ thống chống trơn trợt (ASR)
Hệ phân bố lực phanh điện tử
Bộ phận điện tử
Kết nối các hệ thống đờng dẫn thông tin
Hệ thống quản lý nhiệt độ thông minh
Hệ thông van điều tiết điện từ, phun xăng
đi
ệ
n tử

3

Cơ điện tử - nh đã rõ - là một hệ thống tích hợp hữu cơ các kỹ thuật chính yếu nh Cơ khí -
Điện, điện tử - Công nghệ thông tin. Kết nối các kỹ thuật cơ khí và điện tử tạo ra thành
phẩm tiêu biểu là những phần tử đo lờng, cảm biến cũng nh các các hệ thống điều khiển
và điều chỉnh của cơ cấu chấp hành. Kết nối giữa kỹ thuật điện - điện tử và xử lý tin tạo ra
các hệ thống tính toán quá trình, đóng vai trò hạt nhân trong hệ thống cơ điện tử. Kết nối
các kỹ thuật xử lý tin và kỹ thuật cơ khí lại đa ra những công cụ hữu hiệu là các phần mềm
mô phỏng, mô hình hoá và hệ thống cơ điện tử đã kết nối một cách hữu cơ tất cả các thứ
đó.

Theo cách tiếp cận khác, có thể thấy quan niệm của David M. Auslander trong cuốn What
is Mechatronics là có lý: Cơ điện tử là một hệ thống tạo lập những quyết định phức tạp để
điều khiển một hệ thống vật lý. Trong hệ thống đó, việc tạo lập các quyết định điều khiển
(Decision making) đợc coi là vấn đề trọng tâm, đối tợng điều khiển đợc tác động trên cả
ba dòng vận động cơ bản: lu thông vật chất, lu thông năng lợng và lu thông thông tin
(hình 2)

Mechat r onische Syst eme
Hệ thống cơ điện tử
Điều khiển
Cung ứng
năng lợng
phụ
Cung ứng
năng lợng
Cung ứng
Năng lợng
Đại lợng điều chỉnh
Đậi lợng dẫn
Đại lợng đo

Dòng thông tin
Dòng năng lợng
Dòng năng
lợng sơ cấp
Dòng năng lợng
tiêu thụ
Xử lý thông tin
Cụm cơ khí & biến đổi
năng lợng
Đo lờng /
cảm biến
Cơ cấu
điều khiển
Cấu trúc tổng quát của hệ thông cơ điện tử

- Cơ - thuỷ - khí
- Điện - điện tử
- Quang

Hình 2. Nguyên lý cấu trúc tổng quát của một hệ thống cơ điện tử

Hệ thống vật lý hay đối tợng điều khiển ở đây bao gồm không chỉ các thiết bị cơ khí
truyền thống hay các máy cơ - điện mà còn là các hệ thống tự động hoá sản xuất kể cả hệ
thống quản lý dữ liệu, các hệ thống xử lý trong kỹ thuật ô tô, hệ thống điều khiển môi
trờng cũng nh hầu hết các sản phẩm của công nghệ cao, trong nhiều ngành kinh tế khác
nhau.


4
Dới đây xin trình bày nội dung kỹ thuật của việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phanh tự

động điều chỉnh hay hệ thống phanh chống bó (ABS = Anti-Blockier System) - một trong số
hệ thống xử lý quan trọng nhất trong kỹ thuật ô tô với t cách là một hệ thống cơ điện tử.

Hệ thống phanh ABS là một cụm kết cấu thông minh trợ giúp ngời lái trong quá trình điều
chỉnh tốc độ và phanh hãm xe một cách mau lẹ và 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 ) và tình trạng đờng đi (chất lợng mặt đờng, độ rung chấn, khoảng cách từ xe tới
điểm nguy hiểm ). Đó là một hệ thống có giới hạn độc lập về vị trí trong không gian máy
và có những đặc trng riêng biệt. Quá trình hoạt động của hệ thống bao gồm những tác
dụng cơ - lý xảy ra theo một trình tự thời gian hay là các tình trạng thực của hệ thống.
Trên cơ sở nghiên cứu cấu hình hệ thống và các quá trình tác dụng, ngời ta thiết lập các mô
hình (chủ yếu là mô hình toán, sơ đồ khối hoặc bảng trạng thái hay sơ đồ dòng tín hiệu )
nhằm mô tả một cách có mục đích các chức năng kỹ thuật gần sát nhất với bản chất của hệ
thống thực (Hình 3).

Hình 3: Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic





Bài toán điều khiển hệ thống phanh ABS đợc đặt ra với các giả thiết:

Ma sát Coulomb tác động trong khi phanh à = F
b
/ F
n


Gia tốc tác động hãm xe dừng lại a = const = - (à F

n
) / m

Quãng đờng phanh x = 1/2 (m . V
o
2
/ à F
n
)

Từ phơng trình chuyển động cơ bản, nghiên cứu hệ thống hỗ trợ phanh thuỷ lực, ta có quá
trình tác động theo thời gian với ba giai đoạn (hình 4):


5
Ví dụ cho hệ thống 1 bậc tự do
Phơng trình chuyển động:
mx+bx+cx = F(t)
Hay là mx = F (t) mit F (t) = F(t)-bx-cx
.
Sơ đồ khối
a) Nút cộng
.
bx
cx
F(t)
F
(t)G
+
-

-
F(t)
G
F(t)
-
-
x
x
x
.

b
c
m
1
GG
.

1. Tác động của ngời lái vào hệ thống trợ giúp (pha 1)
2. Thả bàn đạp phanh (pha 2)
3. Ngắt mạch trợ giúp phanh

Mỗi giai đoạn đều khảo sát quá trình diễn biến của áp lực phanh theo thời gian. Theo đó
những đặc tuyến áp lực phanh do ngời lái xe tác động (đặc tuyến 1), áp lực phanh điều
chỉnh (đặc tuyến 2) và áp lực phanh không có tác động của ngời lái (đặc tuyến 3) đợc thể
hiện. Từ đồ thị đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian, nhận rõ đợc khoảng thời gian và
độ suy giảm áp lực phanh trong phạm vi giới hạn tác động kẹp phanh.


Hình 4. Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp thuỷ lực

Dựa trên những kết quả nghiên cứu về bản chất vật lý của quá trình tác dụng, những phơng
án có tính nguyên tắc của hệ thống phanh ABS đợc đề xuất, chúng bao gồm:

6
1. Nguyên tắc pit tông tác động một chiều (Plunger-Prinzip)
2. Nguyên tắc tác động trên đờng hồi của dòng dầu (Rueckfoerder-Prinzip)
3. Nguyên tắc dòng một chiều thuỷ động (Dynamisches Einstroem-Prinzip)

Hình 5 nêu rõ hệ thống thuỷ lực bao gồm các bộ khuyếch đại lực phanh theo nguyên lý chân
không (1) hoặc nguyên tắc thuỷ lực (2), các bình tích áp cao áp (3), các van điều tiết ABS
(4), Mạch điều chỉnh áp lực phanh (5), các xi lanh tác dụng một chiều (6), bơm trên đờng
hồi dầu (7), van thuỷ lực chính (8), Mạch điều chỉnh ABS (9) và bình tích áp thấp (10)

Hình 5: Các phơng án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS




Cuối cùng là hệ thống phanh cơ điện tử EMB, trong đó đối tợng điều khiển hay hệ thống
vật lý chịu tác động của các quyết định điều khiển chính là các bộ động cơ điều tiết, kèm
theo hộp số kết nối với cơ cấu phanh cơ khí thành những mô đun riêng biệt, lắp ráp cho lốp
trớc bên trái, bên phải và cho lốp sau bên trái cũng nh bên phải (hình 6). Bàn đạp phanh
của ngời lái cung cấp một trong số các tín hiệu đầu vào của hệ thống tính toán trung tâm,
thông qua bộ mô phỏng Pedal. Ngoài các bộ phân cơ khí nh các má phanh, đĩa phanh, bạc
đệm còn có các bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe và Chip vi tính trung tâm xử lý tác
động thích nghi của lực phanh. Hệ thống mạch gồm các đờng dẫn tín hiệu trực tiếp từ các
sensor về cụm xử lý trung tâm, các mạch phanh cơ điện tử điều tiết hệ cung ứng năng lợng
từ ắc quy 36 von đến các bộ động cơ và đờng dẫn nội tại của hệ thống EBM có liên hệ hai
chiều giữa cụm xử lý trung tâm và hệ điều khiển động cơ.

Hình 6. Hệ thống phanh cơ điện tử Elektromechanische Bremse


7






Trong hệ thống cơ điện tử, các bộ cảm biến đóng vai trò thu thập thông tin và biến đổi các
tín hiệu tơng tự của những đại lợng vật lý khác nhau thành tín hiệu số (dạng xung) rồi
chuyển về cụm xử lý trung tâm. Nguyên lý phổ biến của các sensor cảm nhận tốc độ quay
bánh xe cho đến nay vẫn dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ (hình 7).


Hình 7. Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hệ thống phanh ABS
Kết cấu tổn
g
thể ABS

8




III. Kết luận

Các hệ thống cơ điện tử là những sản phẩm ra đời trong giai đoạn phát triển mới của công
nghệ cao, tiệm cận nền kinh tế tri thức. Hàm lợng tri thức cao trong sản phẩm này thể hiện
không những ở quá trình nghiên cứu cơ bản trong lao động quá khứ mà còn hàm chứa trong
những giải pháp kỹ thuật tích hợp cơ khí, điện và điện tử cũng nh kỹ thuật xử lý tin trong
một hệ thống tổng thể. Thông qua một dẫn chứng cụ thể về ứng dụng bộ phanh ABS trong
kỹ nghệ ô tô, có thể thấy tơng lai của công nghệ cơ điện tử đang mở rộng và chắc chắn sẽ
chiếm lĩnh những vị trí xứng đáng trong nền kỹ thuật của kỷ nguyên kinh tế trí thức đã hiện
hữu.