Nghiên cứu hệ thống túi khí trên ô tô đời mới

Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP
Lý do chọn đề tài:

1.1.

- Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tô đã thiết kế rất
nhiều hệ thống như ABS (Anti-lock Braking System), (cân bằng điện tử ESC
(Electronic Stability Program )…, hỗ trợ phanh khẩn cấp BA (Brake Assist) để tăng
tính năng an toàn cho xe… Nhưng khi đã xảy ra tai nạn, các hệ thống trên sẽ khơng
cịn tối ưu để bảo vệ an tồn cho người trên ơ tơ. Nhiều giải pháp đã được đưa ra,
trong số đó thành cơng nhất là hệ thống túi khí an tồn. Hệ thống này ngày càng
được thiết kế nhỏ gọn, độ chính xác cao, an tồn và hiệu quả, vì vậy đã nâng cao
được tính năng an tồn, giảm thiểu thiệt hại về người trong các vụ va chạm giao
thơng. Với mục đính củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời làm
quen với công tác nghiên cứu khoa học em đã được giao thực hiện luận văn tốt
nghiệp với đề tài: “HỆ THỐNG TÚI KHÍ TRÊN Ơ TƠ (AIRBAG)”. Với sự hướng
dẫn của thầy Nguyễn Văn Thình.
1.2.a.

Mục tiêu.

-

Nhằm củng cố và mở rộng kiến thức về các hệ thống an tồn trên ơ tơ, đặc biệt là hệ

-

thống túi khí an tồn.
Làm tài liệu tham khảo cho các q trình tìm hiểu khác.
1.2.b.

-

Nhiệm vụ.

Tìm hiểu và tổng hợp các tài liệu liên quan đến hệ thống túi khí an tồn trên xe.
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động hệ thống cùng với giải thích các mạch điện liên
quan.
Phương pháp nghiên cứu.
Kết hợp nghiên cứu khác nhau, trong đó đặc biệt là phương pháp tham khảo, dịch
1.3.

-

và tổng hợp tài liệu, học hỏi kinh nghiệm của thầy cô, bạn bè...
1.4.
Các bước thực hiện.
- Tham khảo, tổng hợp sơ lượt tài liệu.
- Hướng dẫn, chỉnh sửa của giáo viên hướng dẫn.
- Biên soạn hoàn chỉnh.
- Viết báo cáo.
1.5.
Kế hoạch nghiên cứu.
Đề tài được thực hiện trong vịng 15 tuần, các cơng việc được bố trí như sau:
•

Giai đoạn 1:

1


Khoa Cơ Khí Động Lực
-

Đồ án tốt nghiệp

Nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn, xác định nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, xác
định mục tiêu nghiên cứu, phân tích các tài liệu liên quan.
Tổng hợp các tài liệu liên quan.
Hướng dẫn, chỉnh sửa của giáo viên hướng dẫn.
Biên soạn lại.
• Giai đoạn 2:
- Viết thuyết minh.
- Hồn thiện đề tài.

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN
2.1. Lịch sử, quá trình phát triển và tổng quan về túi khí trên ô tơ.
2.1.1. Lịch sử và quá trình phát triển của hệ thớng túi khí trên ơ tơ.
Túi khí được phát minh bởi ông John W. Hetrick, một kỹ sư công nghiệp đã về
hưu. Sau vụ tai nạn của gia đình, ơng đã nghĩ tới một thiết bị có thể ngăn ngừa
2


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

người trên xe bị va đập khi xảy ra va chạm. Với thiết bị của mình, ơng nhận bằng

sáng chế vào năm 1953 và nó được gọi là “đệm an tồn trên xe”. Cùng thời gian đó,
nhà phát minh người Đức tên Walter Linderer cũng nhận bằng sáng chế với mẫu
thiết kế tương tự. Sản phẩm của ông Linderer sử dụng hệ thống khí nén được kích
hoạt bởi chính người lái khi xảy ra va chạm ở cản trước ô tô. Với hai sáng chế trên,
hãng xe Ford và GM bắt đầu kết hợp chúng với một chiếc túi có thể tự bơm phồng,
nhưng họ bắt đầu phải đối mặt với hai vấn đề lớn. Đầu tiên là cách làm thế nào để
hệ thống trên phát hiện ra va chạm và bơm phồng túi khí trong khoảng thời gian
chớp nhống vấn đề thứ hai là bản thân túi khí cũng là tác nhân gây thương tích cho
hành khách. Hai vấn đề trên được giải quyết từ cuối những năm 1960, một kỹ sư cơ
khí ở Mỹ có tên Allen K. Breed, ơng đã phát minh ra túi khí cơ điện đầu tiên, đó là
hệ thống sử dụng các cảm biến nhận tín hiệu va chạm, đồng thời thiết kế các lỗ hở
trên túi khí, mục đích là giảm nguy cơ chấn thương do chính túi khí gây ra bằng
cách giảm sự căng cứng của túi khí. Hệ thống túi khí lần đầu tiên được đưa vào thử
nghiệm năm 1973 trên mẫu xe Chevrolet của General Motors, sản xuất riêng cho
chính phủ Mỹ. Đến năm 1975 và 1976, GM áp dụng túi khí vào 2 mẫu xe
Oldsmobile và Buick dưới hình thức thiết bị tùy chọn, Cadillac cũng trang bị túi khí
cho cả người lái và hành khách vào cùng năm đó. Phải mất một thời gian sau thì hệ
thống này xuất hiện trên mẫu Ford Tempo 1984, nhưng vẫn là một tính năng tùy
chọn mà chưa phải là trang bị tiêu chuẩn. Năm 1987, Allen Breed lập ra công ty
BREED Technologies để phát triển, hồn thiện và thương mại hóa phát minh của
mình. Đến năm 1988, Chrysler trở thành nhà sản xuất xe hơi đầu tiên đưa túi khí
vào làm thiết bị tiêu chẩn cho xe. Tuy nhiên phải đến năm 1991, hệ thống túi khí
mới vượt được qua những trở ngại cuối cùng với một phát hiện mới do Breed tìm
ra, hệ thống đã sử dụng nitơ lỏng thay vì khơng khí như truyền thống. Túi khí sẽ
được bơm vào một lượng nitơ lỏng, nó thổi phồng túi khí rất nhanh nhưng sau đó
lại co lại do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột, cả quá trình này chỉ diễn ra trong vòng
0,02 đến 0,03 giây nên giảm thiểu được nguy cơ người lái bị va đập mạnh với túi
khí. Hệ thống túi khí ln được cải tiến nhằm đáp ứng nhu cầu an toàn ngày càng
cao.
Những năm 90 của thế kỷ trước, hệ thống túi khí chỉ đơn thuần là các túi khí

bảo vệ phía trước dành cho hành khách và người lái, sau những năm 2000 thì hệ
3


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

thống túi khí được bổ sung thêm các túi khí bên và túi khí rèm cửa nhằm bảo vệ
hành khách tốt hơn. Thế hệ túi khí sau những năm 2005 thì phát triển thêm các túi
khí ở đầu, đầu gối, xương chậu, hệ thống dây đai an toàn và mạch phát hiện trước
sự cố trên hệ thống túi khí. Thế hệ tiếp theo, hệ thống túi khí triển khai thêm hộp
module túi khí với tích hợp cảm biến ESP, bảo vệ người đi bộ và khả năng phát hiện
người ngồi trên xe để bung túi khí khi cần thiết. Từ năm 2013 đến 2015 thì hệ thống
túi khí được kết hợp với hệ thống ESP (Electronic Stability Program).

2.1.2. Tổng quan về túi khí trên ơ tơ.
Hệ thống túi khí tự động được thổi phồng và bung ra trong khoảng thời gian
rất nhỏ sau khi xảy ra tai nạn, nhằm giảm thiểu chấn thương của người ngồi trong
xe do va đập với các chi tiết nội thất. Túi khí phía trước có tác dụng giảm chấn
thương ở vùng đầu, cổ, ngực của người lái và hành khách khi xe bị va chạm từ phía
trước. Túi khí bên và túi khí bên phía trên hoạt động khi có va chạm bên thân xe
4


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

hoặc xe bị lật, làm nhiệm vụ bảo vệ đầu và vai. Tuy nhiên, khơng phải khi trang bị

túi khí là người ngồi bên trong xe có thể tránh được nguy hiểm trong trường hợp tai
nạn nghiêm trọng.
Túi khí chỉ được sử dụng một lần, các cảm biến của hệ thống bao gồm cảm
biến gia tốc (Accelerometers Sensor), cảm biết áp suất (Pressure Sensor), cảm biến
con quay hồi chuyển (gyroscopes Sensor), cảm biến vị trí ghế (Seat Position
sensor), phân loại ghế ngồi (seat occupied recognition sensor). Tất cả những cảm
biến này cùng kết nối với bộ điều khiển túi khí ACU (Airbag Control Unit). ACU sẽ
tính tốn điều khiển hoạt động túi khí. Về phương pháp hoạt động, mỗi túi khí được
kết hợp với một thiết bị tạo khí do hệ thống điện tử điều khiển. Khi được kích hoạt,
bộ điều khiển sẽ làm cháy các hợp chất bên trong gồm Natri, Kali Nitrat dễ cháy,
việc đốt cháy sẽ tạo ra các phản ứng hố học chuyển hố hợp thành khí Natri, khí
Hydro, Oxy và bơm phồng túi khí. Lượng khí lớn được nén làm túi khí bung ra khỏi
các vị trí lắp đặt với vận tốc 320 km/h, tồn bộ q trình này diễn ra trong khoảng
thời gian khoảng 0.04s. Giai đoạn cuối cùng của túi khí sau khi được kích hoạt là
thốt khí, q trình này cũng diễn ra ngay lập tức sau khi túi khí được bơm căng.
Lượng khí sẽ thốt ra ngồi thơng qua các lỗ hơi trên bề mặt túi khí, điều này cũng
giúp cho hành khách tránh được các chấn thương từ các tác động của túi khí. Ngồi
ra, cũng xuất hiện các hạt bụi, đó chủ yếu là bột ngơ có tác dụng chống dính giữa
các lớp túi khí khi được xếp lại.

2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống túi khí trên ô tô.
2.2.1. Cấu tạo của hệ thống túi khí trên ô tô.
2.2.1.1. Túi hơi
 Chức năng – cấu tạo

5


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Passenger airbag
Head airbag

Driver airbag
Side airbag
Hình 2.1. Túi hơi trên Audi A4.
•

Chức năng:
Túi khí là một bộ phận cấu tạo đơn giản nhưng hết sức quan trọng, nó được

làm từ những vật liệu tổng hợp như Nylon 6,6, vải tổng hợp…Vật liệu được dùng
làm túi khí phải có độ bền cao, chống mài mịn, tính dẻo dai và tính hấp thụ năng
lượng cao, các đặc tính lão hóa cũng phải tốt vì thơng thường túi khí chỉ phải thay
thế sau ít nhất sau 15 năm. Nylon 6,6 với các tính chất phù hợp và được áp dụng
rộng rãi. Nylon 6,6 có mật độ phân tử thấp hơn các vật liệu khác nên khối lượng
riêng cũng thấp hơn (khoảng 1,09g/cm3), có thể sản xuất túi khí nhẹ hơn nhằm giảm
động năng ảnh hưởng đến hành khách trong khi hoạt động. Mặt khác, bản chất hút
ẩm của nó giúp hỗ trợ làm nguội các dịng khí nóng tạo ra bởi q trình phản ứng
hóa học.

•

Cấu tạo:
Hiện nay, hầu hết các mẫu xe ô tô đều được lắp đặt túi khí như một trang bị

tiêu chuẩn. Các túi khí phía trước cho người lái và hành khách (loại 1 giai đoạn

6


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

hoặc 2 giai đoạn), túi khí đầu gối (cho người lái), túi khí bên, túi khí bên phía trên
sẽ góp phần giảm các chấn thương cho hành khách khi xảy ra va chạm.
a. Túi khí phía trước dành cho người lái và hành khách:

Passenger airbag

Driver airbag
Hình 2.2. Túi khí trước cho người lái và hành khách.
Túi khí phía trước cho người lái thường được gắn trên vơ lăng, có thể tích
khoảng 45 lít (MAZDA, KIA...), 45-64 lít (BMW). Túi khí phía trước dành cho
hành khách thường được đặt trên phần bảng điều khiển hoặc phần nội thất phía
trước bên phía hành khách với thể tích khoảng 110 lít (MAZDA, KIA...), khoảng
105 lít (BMW). Túi khí phía trước hoạt động khi có va chạm phía trước xảy ra
nhằm bảo vệ phần đầu, phần ngực và phần phía trước cơ thể của hành khách và
người lái. Túi khí bung ra và làm vỡ nắp đậy vơ lăng hoặc phần nội thất phía trước
của hành khách, q trình từ khi kích hoạt module đến túi khí được triển khai hoàn
toàn mất khoảng 40-50 ms đối với túi khí bên người lái và khoảng 50-80 ms đối với
túi khí bên hành khách.

b. Túi khí bên:

7

Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Passenger side airbag Rear side airbag

Driver side
airbag

Rear side airbag
Hình 2.3. Túi khí bên.

Túi khí sẽ được kích hoạt nếu tai nạn xảy ra từ phía bên của xe nhằm bảo vệ
các các bộ phận bên của cơ thể như tay, vai, sườn… Khi xe va đập chéo, hoặc trực
diện vào phần sườn nhưng khơng ở khu vực khoang hành khách thì túi khí khơng
được kích hoạt, thể tích vào khoảng 8 lít (MAZDA, KIA...), khoảng 10 lít (BMW)
và thời gian triển khai hồn toàn mất khoảng 20 ms.
c. Túi khí bên phía trên (Túi khí rèm):
Tùy thuộc vào loại xe, túi khí bên phía trên kéo dài và bao phủ tồn bộ cửa sổ.
Hệ thống tạo hơi được lắp đặt trên trần xe. Khơng giống như túi khí phía trước và
bên, túi khí bên phía trên sẽ tiếp tục thổi phồng lâu hơn sau khi được kích hoạt. Túi
khí này có thể tích khoảng 12-19 lít, với thời gian kích hoạt hồn tồn từ 15-30 ms
tùy mỗi loại xe.

8


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Passenger side head airbag

Hình 2.4. Túi khí bên phía trên.
d. Túi khí đầu gới:
Knee airbag

Hình 2.5. Túi khí đầu gối.
Túi khí đầu gối được lắp đặt phía dưới bảng điều khiển nhằm mục đích hạn
chế chấn thương ở chân của người lái và cả hành khách khi có va chạm từ phía
trước xảy ra.

9


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

2.2.1.2. Bộ thổi khí
 Chức năng – Cấu tạo
•

Chức năng: Bộ phận thổi khí được dùng với mục đích tạo khí và thổi phồng túi
hơi khi được kích hoạt. Nó bắt đầu hoạt động khi tín hiệu từ module túi khí trung
tâm ACU (Airbag Control Unit). Sự kích hoạt này đốt cháy các chất hóa học như
natri azua (NaN3), kali nitrat (KNO3), silic dioxit (SiO2) và tạo ra khí nitơ. Khí này
được đưa qua bộ lọc và làm mát giúp giảm nhiệt độ từ khoảng 600°C xuống dưới
80°C trước khi đưa ra túi khí. Bộ thổi khí 2 giai đoạn có khả năng tạo lượng khí tùy

thuộc vào mức độ nghiêm trọng của tai nạn. Tính năng này làm giảm khả năng gây
thương tích do lực bung của túi khí.
• Cấu tạo:
a. Hệ thống bơm khí một giai đoạn cho người lái:
Nhiệt độ tăng cao từ ngịi nổ khi được kích hoạt ngay lập tức đốt cháy chất
mồi lửa và lan sang các hạt tạo khí (NaN3) tạo ra một lượng lớn khí Nitơ. Sau đó,
túi khí với áp lực lớn của khí giãn nở làm xé rách lớp ngồi của vơ lăng và tiếp tục
bung ra ngồi. Cơ cấu thổi khí này là cơ cấu một giai đoạn, tồn bộ lượng khí được
tạo ra một lần và đưa vào túi khí. Điện trở của ngịi nổ của túi khí trên vơ lăng vào
khoảng 1,5 – 5Ω tùy thuộc vào mỗi loại xe. Dịng điện đi qua ngịi nổ để kích hoạt
túi khí có cường độ từ 1A đến 3A trong thời gian khoảng 2ms để đốt chất mồi lửa
và hạt tạo khí.

-

Vd: Trên xe Ssang Yong Actyon Sports 2.2 Diesel Ute là 2 ±0.3 Ω
Mercedes S300 là 3 ±0.3Ω, Hyundai Sonata là 2 ±0.3 Ω.
- Vd:
Dịng điện kích hoạt hệ thống trên Hyundai Sonata là 1.2A trong
khoảng thời gian 3ms).

10


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Ignition unit

Metal filter

Solid propellant

Metal filter
Gas to
airbag

Gas to
airbag

Igniter activated
Hình 2.6. Bộ tạo hơi phía người lái một giai đoạn.
b. Hệ thống bơm khí hai giai đoạn cho người lái:
Túi khí hai giai đoạn có khả năng tạo khí tùy thuộc vào mức độ của va chạm.
Tính năng này làm giảm nguy cơ thương tích do lực tác động của túi khí tới người
trên xe. Một số dịng xe của hãng FORD, túi khí sẽ kích hoạt giai đoạn đầu tiên khi
vận tốc va chạm tương ứng là 25 km/h (15 mph) và sẽ kích hoạt cả hai giai đoạn khi
va chạm ở tốc độ trên 30 km/h (19 mph). Lượng khí tạo ra của mỗi giai đoạn sẽ
khác nhau ở mỗi dòng xe.
-

Vd: Lượng khí tạo ra trong hệ thống trên xe Mazda 6 là 60% cho giai đoạn đầu tiên
và 40% cho giai đoạn thứ hai. Trên một số loại xe du lịch nhỏ là 70% cho giai đoạn
đầu tiên và 30% cho giai đoạn thứ hai.
Giai đoạn thứ 2 được kích hoạt khoảng 0,01 giây sau giai đoạn đầu tiên. Khi
giai đoạn đầu được kích hoạt bởi một tín hiệu từ module túi khí trung tâm, ngịi nổ
được tích hợp trong bộ phận thổi khí bắt đầu tăng nhiệt và làm cháy chất mồi lửa
(kali nitrat, boron). Ngọn lửa được lan từ chất mồi sang chất tạo khí và sản sinh khí

11


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

nitơ qua các phản ứng cháy. Khí sau phản ứng được lọc và làm nguội bởi bộ lọc
kim loại và sau đó đưa tơi túi khí.

Hình 2.7. Bộ tạo hơi phía người lái hai giai đoạn.
Khi giai đoạn thứ hai được kích hoạt bởi một tín hiệu từ mơ đun túi khí trung
tâm, tính hiệu được truyền tới để kích hoạt ngịi nổ số 2 làm tăng nhiệt và đốt cháy
chất tạo khí thứ 2. Khí nitơ tạo ra được lọc và làm nguội bởi bộ lọc kim loại và sau
đó đưa ra ngồi túi khí như giai đoạn đầu.
c. Bợ phận thổi khí mợt giai đoạn vị trí hành khách:
Túi khí hành khách phía trước được gắn trong bảng điều khiển, đằng sau tấm
chắn của nội thất. Nó có thể là túi khí một hoặc hai giai đoạn. Túi khí hành khách
thể tích xấp xỉ 100 đến 110 lít và được bơm căng trong vịng 50 đến 80 ms. Khí nén
được chứa trong một ống đựng có áp suất xấp xỉ 255 kg/cm² là một hỗn hợp gồm
khí argon (Khoảng 98%) và khí heli (khoảng 2%). Dịng điện kích hoạt đi qua ngòi
12


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

nổ có cường độ từ 1A đến 3A trong vòng khoảng 2 ms để đốt chất mồi lửa và hạt
tạo khí.

- Vd: Hyundai Sonata là 1.2A trong khoảng thời gian 2ms.

Hình 2.8. Bộ tạo hơi phía hành khách một giai đoạn.
Khi tăng áp suất do việc đốt cháy chất tạo khí, nó phá vỡ tấm chặn giữa các
chất tạo khí và khí trơ. Do đó, các khí trơ nở ra khi tiếp xúc với nhiệt làm phồng túi
khí sau khi đi qua lọc và làm mát. Điện trở của ngòi nổ trong thiết bị thổi khí hành
khách khoảng 1- 3.8Ω tùy thuộc vào từng loại xe.
-

Vd: Trên xe Actyon Sports 2.2 Diesel Ute là 2 ±0.3Ω, Hyundai SONATA là 2
±0.4Ω…
d. Bộ thổi khí 2 giai đoạn vị trí hành khách:
Lượng khí trơ trong bình được nén đến khoảng 400 kg/cm², là hỗn hợp gồm
khoảng 95% argon và 5% heli.
Priming charge I

Propellant
charge I

Coil spring
Filter

Igniter I

Igniter II

Priming charge II

Propellant
charge II

Coil spring

13

Burst disc


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Priming charge I

Propellant
charge I Coil spring Burst disc
Filter

Igniter I

Filter

Igniter II

Priming charge II

Propellant
charge I

Burst disc

Coil
spring
Hình 2.9. Bộ tạo hơi phía hành khách hai giai đoạn.

Khi được kích hoạt, ngịi nổ 1 đốt cháy lượng chất mồi lửa và chất tạo khí. Áp
suất tăng đến ngưỡng làm phá vỡ đĩa 1. Lượng khí trơ nở ra khi tiếp xúc nhiệt và
thổi vào túi khí khi đã qua bộ lọc. Sau một khoảng thời gian xác định (khoảng 10
ms), module túi khí trung tâm kích hoạt bộ phận đánh lửa số 2. Một phần khí cịn lại
từ bình khí được đẩy qua bộ lọc và vào túi khí.
e. Bợ tạo khí túi khí bên:
Bộ điều khiển túi khí trung tâm kích hoạt thiết bị tạo khí túi khí bên. Nhiệt tạo
ra lần lượt đốt cháy chất mồi lửa và nhiên liệu tạo khí. Khí tạo ra được làm sạch
bằng bộ lọc kim loại và làm mát, sau đó đươc đưa ra làm phồng túi khí khoảng 20
ms từ khi kích hoạt. Điện trở trong ngịi nổ của thiết bị thổi khí hành khách khoảng
1- 3.5Ω tùy thuộc vào từng loại xe. Dịng điện kích hoạt đi qua ngịi nổ có cường độ
từ 1A đến 3A trong vòng khoảng 2 ms để đốt chất mồi lửa và hạt tạo khí.

14


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

Hình 2.10. Bộ phận tạo hơi của túi khí bên.
-

Vd: Trên xe Actyon Sports 2.2 Diesel Ute là 2 ±0.3Ω, Hyundai SONATA là 2
±0.3Ω…dịng điện kích hoạt hệ thống Hyundai Sonata là 1.75A trong 2ms.
f. Bợ thổi khí túi khí bên phía trên:

Khí trơ được nén lại có áp suất lên đến khoảng 245 kg/cm² với hỗn hợp khí
gồm 97% argon và 3% heli. Bộ phận đánh lửa được kích hoạt bởi bộ điều khiển túi
khí trung tâm. Chất tạo khí sẽ bị đốt cháy tạo ra áp suất làm vỡ đĩa 1. Khí trơ nở ra
bên trong bình do tiếp xúc nhiệt làm vỡ đĩa 2. Hỗn hợp khí được đi qua bộ lọc và
vào túi khí. Điện trở trong ngịi nổ của thiết bị thổi khí hành khách khoảng 1- 3.5Ω
tùy thuộc vào từng loại xe. Dịng điện kích hoạt đi qua ngịi nổ có cường độ từ 1A
đến 3A trong vòng khoảng 2 ms để đốt chất mồi lửa và hạt tạo khí.

-

Vd: Trên xe Actyon Sports 2.2 Diesel Ute là 2 ±0.3Ω, Hyundai sonata là 2 ±0.2Ω.
Dịng điện kích hoạt trên Hyundai Sonata là 1.2A trong khoảng 2ms.

Filter

Hình 2.11. Bộ phận tạo hơi của túi khí rèm.
15


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

2.2.1.3. Cảm biến túi khí
 Chức năng – Cấu tạo.

Hình 2.12. Các cảm biến túi khí cơ bản.
1: Front airbag crash sensor for driver.
2: Front airbag crash sensor for passenger.
3: Front side airbag crash sensor on passenger.

4: Rear side airbag crash sensor on passenger.
5: Rear side airbag crash sensor on driver.
6: Front side airbag crash sensor on driver.
•

Chức năng:
Các cảm biến sẽ gửi tín hiệu từ sự thay đổi gia tốc của xe đến ACU (Airbag

Control Unit) để xử lý. Khi gia tốc thay đạt ngưỡng kích hoạt túi khí (a > 2g), ACU
sẽ cung cấp dịng điện kích nổ túi khí ở vị trí tương ứng với vụ va chạm. Hệ thống
túi khí hoạt động phụ thuộc vào 2 yếu tố gồm lực và hướng của va chạm.

16


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

• Cấu tạo:
a. Cảm biến gia tốc MEMS (Microelectromechanical systems).

Cảm biến gia tốc MEMS đầu tiên được thiết kế vào năm 1979 tại đại học
Stanford. Trong những năm 1990, cảm biến gia tốc MEMS đã tạo ra cuộc cách
mạng trong ngành công nghiệp ô tô và hệ thống túi khí. Cảm biến gia tốc MEMS
được làm từ vật liệu silicon, silic, polymer, thủy tinh, thạch anh hoặc thậm chí là
kim loại...
Nguyên lý:
Tụ điện có thể hoạt động như cảm biến, chúng có độ nhạy cao và không bị ảnh
hưởng bởi nhiệt độ môi trường. Cảm biến điện dung phụ thuộc vào vật liệu tạo ra

nó và hình dạng của một tụ điện khi nó thay đổi:

Trong đó

(1)

-

C0: là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara [F]

-

ε: Hằng số điện môi của lớp cách điện (khơng khí ε = 1,000 594)

-

ε0: Hằng số điện thẩm

-

d: là chiều dày của lớp cách điện, đơn vị m

-

A: là diện tích bản cực của tụ điện, đơn vị m2

-

ε A = ε0 ε A
Sự thay đổi trong bất kỳ tham số nào ở trên sẽ dẫn đến sự thay đổi của điện

dung. Cảm biến gia tốc MEMS bao gồm một khối lượng di chuyển với các tấm
được gắn qua hệ thống treo cơ học. Các bảng cực trong di chuyển và các bảng cực
ngoài cố định giống như các tụ điện. Khi có sự thay đổi gia tốc thì độ lệch của 2
khối lượng này cũng bằng sự thay đổi của điện dung. Điện dung C1 và C2 bằng
nhau vì x1 = x2 trong trường hợp khơng có tác động gia tốc:

17


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

(2)

Nếu gia tốc thay đổi, giá trị điện dung là:

(3)
Ta giải x bằng cách giải phương trình:

(4)
Ta được 2 nghiệm x:

(5)

Kết luận rằng sự dịch chuyển của 2 khối lượng xấp xỉ với sự khác biệt điện dung
ΔC.
Trong hình 2.15, mỗi cảm biến có rất nhiều bộ tụ điện. Tất cả các tụ điện có
dây nối song song, với tổng điện dung phía trên là C1và phía dưới C2, V 0 được áp
dụng lên bề mặt 2 phía là trái dấu để điện dung chênh lệch lớn, từ đó phát hiện ra

một cách dễ dàng.

18


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

(6)

Hình 2.13. Cảm biến gia tốc MEMS.
Giải phương trình (2) và (5) điện áp đầu ra là:

(7)
Vị trí và thơng số của các cảm biến gia tốc trên xe:
Cảm biến gia tốc được lắp ở phía trước và bên thân xe giúp phát hiện va chạm
mặt trước cũng như va chạm bên của xe. Các tín hiệu được đánh giá bằng sự thay
đổi gia tốc theo chiều dọc và ngang, sau đó được gửi về và tính tốn trong ACU
(Airbag Control Unit). Cảm biến gia tốc phía trước phát hiện cả việc giảm tốc và
tăng tốc (giảm tốc cho thấy va chạm phía trước và tăng tốc cho thấy va chạm từ
phía sau). Phía va chạm được phát hiện thơng qua các tín hiệu cảm biến từ phía đó
báo về. Cảm biến gia tốc phía trước và bên được cung cấp điện áp bởi module túi
khí trung tâm là 5V với cường độ dòng điện 40 mA, dữ liệu được truyền qua kết nối
hai dây. Hầu hết trên các xe ô tô hiện nay, túi khí sẽ được kích hoạt khi va chạm xảy
ra với gia tốc thay đổi khoảng 20 m/s 2 (2g). Nó tương đương với việc va chạm vào
một bức tường ở 25 đến 30 km/h hoặc va chạm vào một chiếc xe khác đang di
chuyển với tốc độ khoảng 40 km/h. Tốc độ này còn tùy thuộc vào từng loại xe khác
nhau.
19

Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

5
Voh
h

40.8 mV (m/s2)

Output (V)

2.5

0.5
0.5
Vol
0

-49

-24.5

0 24.5

49

Acceleration (m/s2)

Hình 2.14. Biểu đồ điện áp đầu ra của cảm biến gia tốc MEMS.

Hình 2.15. Cảm biến gia tốc phía trước (a) và bên hơng (b).
Cảm biến gia tốc phía trước phát hiện sự thay đổi gia tốc theo chiều dọc với
phạm vi hoạt động ± 240g, với dãy điện áp hoạt động 5,6 đến 16 V (tùy thuộc vào
thiết kế) và phạm vi nhiệt độ hoạt động là -40 đến 120 ° C. Cảm biến phía bên phát
hiện sự thay đổi gia tốc theo chiều dọc lẫn chiều ngang với phạm vi hoạt động ±
60g và ± 120g, với dảy điện áp hoạt động 5,6 đến 16 V (tùy thuộc vào thiết kế) và
phạm vi nhiệt độ hoạt động là -40 đến 105 ° C. Các module được tích hợp trong
cảm biến nhằm chuyển từ tín hiệu tương tự (Analog) sang tín hiêu số (Digital) khi
có va chạm xảy ra và sau đó truyền về ACU (Airbag Control Unit) để xử lý.
b. Cảm biến áp suất bên cửa (MEMS).

20


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

Hình 2.16. Cảm biến áp suất MEMS.
Piezoresistance: Điện trở
Aluminum wire: Dây nhôm
Bonding-Pad: Điểm liên kết
Contact: Kết nối điện trở
Một màng áp suất (vòng tròn màu xanh) là một đĩa mỏng, được làm từ một
tấm polysilicon. Nó bị biến dạng bởi sự khác nhau của áp suất phần trên và dưới.
Các bộ phận cổ trịn (phần màu xanh lá cây) được bố trí trên bốn điểm của lớp
mỏng này. Áp lực được đo (mũi tên màu hồng) đẩy đáy màng đi lên. Độ lệch của

màng ngăn làm thay đổi giá trị của điện trở trên bề mặt trên của màng.

21


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Nguyên lý: Giá trị điện trở thay đổi dẫn đến thay đổi điện áp đầu ra. Khi áp
lực tác dụng vào màng thì điện trở sẽ có sự thay đổi dựa vào hiệu ứng áp điện trở.
Hiệu ứng áp điện trở là hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu tinh thể dưới tác
dụng của ứng suất cơ. Nguyên nhân đó là đặc tính dị hướng trong khơng gian tinh
thể. Một chất bán dẫn khi thay đổi cấu trúc từ một sự uốn cong sẽ làm thay đổi điện
trở suất của chúng. Khi có áp suất tác dụng làm màng bị uốn cong dẫn đến sự uốn
cong của các chất bán dẫn đặt trên màng làm thay đổi điện trở của chúng đồng thời
thay đổi điện áp đầu ra.

(1)
R1234: các giá trị điện trở trên màng, Vo: Điện áp đầu ra, Vin: điện áp đầu vào.
R1

R2

Vin

R3

V0

R4
Hình 2.17. Mạch điện cảm biến áp suất.
Các thông số kỹ thuật: Dãy điện áp đầu vào:

4.5 đến 14 V

Phạm vi áp suất xung quanh:

0.5 đến 1.5 kg/cm2

Phạm vi nhiệt độ:

-40 đến 85 ° C

•

Cảm biến áp suất bên trong cửa:

22


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

Hình 2.18. Cảm biến áp suất bên trong cửa.
Bộ cảm biến túi khí bên trong cửa được lắp đặt trong bảng điều khiển bên
trong cửa phía trước. Cảm biến túi khí bên trong cửa hỗ trợ phát hiện va chạm mặt
bên trái và phải sớm hơn. Các tín hiệu được tính tốn trong module túi khí trung
tâm.

Bộ cảm biến túi khí bên trong cửa là một cảm biến áp suất. Nếu bề mặt ngoài
của cửa được nhấn vào bên trong do va chạm, thể tích bên trong cửa sẽ giảm kích
thước đồng nghĩa làm tăng áp lực phía trong cửa. Sự gia tăng áp suất này được phát
hiện bởi cảm biến áp suất. Tín hiệu từ việc thay đổi áp suất do va chạm được phát
hiện nhanh hơn so với việc thay đổi gia tốc, vì vậy cảm biến áp suất được sử dụng
để hổ trợ thêm thông tin va chạm cùng với cảm biến gia tốc. Dữ liệu được truyền về
và tính tốn trong module túi khí trung tâm.
c. Cảm biến vị trí ghế ngồi:
Ghế người lái và hành khách trên của dòng xe của Toyota, Audi, BMW…được
trang bị cảm biến vị trí ghế ngồi loại Hall. Dựa vào tín hiệu báo về của cảm biến,
ACU (Airbag control unit) có thể xác định được vị trí ghế ngồi để điều chỉnh thời
điểm căng đai và các giai đoạn bung túi khí phía trước một cách hợp lý nhất.
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ
trường vng góc lên một bảng làm bằng kim loại hay chất bán dẫn đang có dịng
điện chạy qua. Hiệu điện thế (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của
thanh Hall.

Hình 2.19. Hiệu ứng Hall.

23


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi đặt một từ
trường vng góc lên một bảng làm bằng kim loại hay chất bán dẫn (thanh Hall)
đang có dịng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế
Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Công thức liên hệ giữa hiệu thế

Hall, dòng điện và từ trường là:

Với VH là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường độ từ
trường, d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động
trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall.
Độ phân giải cao hơn có thể được yêu cầu để xác định chính xác vị trí chỗ
ngồi. Tạo ra một giá trị điện áp tỉ lệ với độ lớn của từ trường đi qua cảm bến Hall.
Điện áp đầu ra của cảm biến Hall 5 V tùy thuộc vào mỗi thiết kế của mỗi hãng xe
khác nhau. Trên các dịng xe của Audi, ACU sẽ lấy tín hiệu từ cường độ dòng điện
đi qua cảm biến Hall là 5-7 mA cho vị trí ghế dịch về phía sau và 12 – 17 mA cho vị
trí ghế phía trước.

Hình 2.20. Cảm biến vị trí ghê ngồi Hall.
Vị trí

Đầu ra cb
24

Đầu ra cb


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

ghế

Hall 1

Hall 2

1

0

0

2

1

0

3

1

1

4

0

1

Bảng 2.1. Tín hiệu vị trí ghế ngồi.
Việc xác định vị trí ghế dựa vào nguyên lý là cho từ trường qua hoặc khơng
qua các cảm biến Hall, từ đó đọc giá trị điện áp đầu ra của cảm biến.
-

Vd: Tín hiệu khi có từ trường qua cảm biến Hall là 1 và khi khơng có từ trường là 0,
ta có vị trí ghế tương ứng với các tín hiệu của các cảm biến Hall trên hình.
Tùy thuộc vào tín hiệu cảm biến vị trí ghế ngồi, ACU (Airbag Control Unit) sẽ
gửi tín hiệu kích hoạt túi khí và dây căng đai sớm hơn, đồng thời chỉ hoạt động giai
đoạn đầu tiên của túi khí khi vị trí ghế ngồi gần cabin và vơ lăng hơn (khi ghế ở vị
trí số 1,2 hoặc 3 tùy thuộc vào loại xe) đê hệ thống có thể hoạt động tối ưu nhất.

d. Cảm biến phân loại người ngồi OCS (Occupant Classification Sensor).
Hệ thống được thiết kế để có thể phân biệt được một đứa trẻ đang ngồi trên
ghế hay chỉ là một vật có trọng lượng tương đương, từ đó quyết định chế độ túi khí
phù hợp. Các biến trở được kết nối với các dây dẫn theo một vị trí riêng lẻ. Khi có
tải trọng từ người ngồi tác dụng lên các biến trở làm giá trị điện trở này thay đổi.
Pressure

25