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.
1.2.b.

Làm tài liệu tham khảo cho các q trình tìm hiểu khác.
Nhiệm vụ.

Tìm hiểu và tổng hợp các tài liệu liên quan đến hệ thống túi khí an toàn

-

trên xe. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động hệ thống cùng với giải thích các mạch điện
liên quan.
1.3.

Phương pháp nghiên cứu.
-

Kết hợp nghiên cứu khác nhau, trong đó đặc biệt là phương pháp tham

khảo, dịch 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


Khoa Cơ Khí Động Lực

1.5.

Đồ án tốt nghiệp

Kế hoạch nghiên cứu.

Đề tài được thực hiện trong vòng 15 tuần, các cơng việc được bố trí như sau:
 Giai đoạn 1:
-

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.

-

Hoàn thiện đề tài.

2


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN
2.1. Lịch sử, quá trình phát triển và tổng quan về túi khí trên ơ tơ.
2.1.1. Lịch sử và q trình phát triển của hệ thớng túi khí trên ơ tơ.
Túi khí được phát minh bởi ơng 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 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 ơng 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
3


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

trong vịng 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 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).

4


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

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 hoặc xe bị lật,
làm nhiệm vụ bảo vệ đầu và vai. Tuy nhiên, không 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 hoá học chuyển hoá 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.

5


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

2.2. Cấu tạo và ngun lý hoạt đợng của hệ thớng túi khí trên ơ tơ.
2.2.1. Cấu tạo của hệ thớng túi khí trên ô tô.
2.2.1.1. Túi hơi
 Chức năng – cấu tạo
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.

6


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

 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 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 vô lăng hoặc phần nội thất phía trước của hành khách, q
trình từ khi kích hoạt module đến túi khí được triển khai hồn tồn mất khoảng 4050 ms đối với túi khí bên người lái và khoảng 50-80 ms đối với túi khí bên hành
khách.

7


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

b. Túi khí bên:

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 không 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 tồn 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 toàn 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 hoàn toàn 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, toàn 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 nitơ
11


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

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
12

Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

(Khoảng 98%) và khí heli (khoảng 2%). Dịng điện kích hoạt đi qua ngịi nổ có cường
độ từ 1A đến 3A trong vịng 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 ngịi 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. Bợ 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
I


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. Dòng 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 Động Lực

Đồ án tốt 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:

(2)

17


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

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, V0 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.

(6)

Hình 2.13. Cảm biến gia tốc MEMS.
18


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

Giải phương trình (2) và (5) điện áp đầu ra là:

(7)
Vị trí và thông 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 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/s2 (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.
5

Output (V)

Voh
h

40.8 mV (m/s2)

2.5
-24.5

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.

19


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

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).

Hình 2.16. Cảm biến áp suất MEMS.
20


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

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 tròn (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 trên bề mặt trên của màng.
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
21


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

 Cảm biến áp suất bên trong cửa:

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 ngời:
Ghế người lái và hành khách trên của dịng 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.
22


Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

Hình 2.19. Hiệu ứng Hall.
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 u 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 dòng xe của Audi, ACU sẽ lấy tín hiệu từ cường độ dịng 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.

23

Khoa Cơ Khí Đợng Lực

Đờ án tớt nghiệp

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

Đầu ra cb

Đầu ra cb

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 không 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.

24


Khoa Cơ Khí Động Lực

Đồ án tốt nghiệp

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 trờ làm giá trị điện trở này thay đổi.

Pressure

FSP (Force Sensitive Resistor): Điện trở
Electrode: Điện cực
Hình 2.21. Cảm biến OC3 (Occupant Classification Sensor).
Bằng phân tích các giá trị điện trở này thì hệ thống có thể xác định được bề mặt
tiếp xúc giữa người ngồi và mặt ghế, từ đó xác định được là người lớn hay trẻ em
đang ngồi ghế hành khách từ đó điều khiển hệ thống túi khí hợp lý nhất. Tùy thuộc
vào từng loại xe, các giá trị điện trở dùng để đánh giá là khác nhau.

Resistance (Kohm)

100000
10000
1000
100
10
Pressure (mBar)

1
10

1000

100

Hình 2.22. Giá trị thay đổi điện trở.
25

10000