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 ng−ời tiêu dùng, nh−ng trên thực tế các xe ô tô đ−ợc 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 đ−ờng, hệ thống bảo hiểm .v.v. còn rất hiếm, ng−ời 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 h−ớng ứng dụng công nghệ cơ điện tử trong chế tạo ô tô Khuynh h−ớng phát triển của ô tô hiện đại là tạo ra những ph−ơng tiện đi lại bền đẹp, đúng mốt, tiện nghi, an toàn, dễ điều khiển hoặc tự động điều khiển, sử dụng năng l−ợng mới hoặc tiết kiệm nhiên liệu truyền thống và thân thiện với môi tr−ờng. Mỗi tiêu chí h−ớng 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 đ−ờng cho ng−ời 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 tr−ợt (ASR) - Hệ thống phân bố lực phanh điện tử 4. Bộ phận điện tử 2 - Kết nối các hệ thống đ−ờng 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 h−ởng đến giá thành của sản phẩm. Từ 1965 đến 2005, thành phần gi ácả 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 đ−ợc 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 tr−ợt cho bộ phận truyền động - EBV: hệ thống phân bố lực phanh điện tử - ESP: Ch−ơng 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 t−ơng lai (đến 2020) sẽ là các cỗ xe đ−ợc lái hoàn toàn tự động hay là xe không ng−ời lái. II. Cấu trúc hệ thống cơ điện tử trong bộ phanh ABS Auswahl mechatronischer Systeme in Fahrzeugen Quelle: Volkswagen 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 tr−ợt (ASR) • Hệ phân bố lực phanh điện tử Bộ phận điện tử • Kết nối các hệ thống đ−ờng dẫn thông tin • Hệ thống quản lý nhiệt độ thông minh • Hệ thông van điều tiết điện từ, phun xăng điện 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 l−ờng, 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 đ−a 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) đ−ợc coi là vấn đề trọng tâm, đối t−ợng điều khiển đ−ợc tác động trên cả ba dòng vận động cơ bản: l−u thông vật chất, l−u thông năng l−ợng và l−u thông thông tin (hình 2) M ec h a t r o n is c h e Sy s t em e Hệ t h ố n g c ơ điện t ử Điều khiển Cung ứng năng l−ợng phụ Cung ứng năng l−ợng Cung ứng Năng l−ợng Đại l−ợng điều chỉnh Đậi l−ợng dẫn Đại l−ợng đo Dòng thông tin Dòng năng l−ợng Dòng năng l−ợng sơ cấp Dòng năng l−ợng tiêu thụ Xử lý thông tin Cụm cơ khí & biến đổi năng l−ợng Đo l−ờng / 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 t−ợng 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 tr−ờng cũng nh− hầu hết các sản phẩm của công nghệ cao, trong nhiều ngành kinh tế khác nhau. 4 D−ới 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 ng−ời 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 l−ợng động, trạng thái bánh xe, mô men dẫn động, mô men phanh hãm...) và tình trạng đ−ờng đi (chất l−ợng mặt đ−ờng, 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 tr−ng 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, ng−ời 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 đ−ợc đặt ra với các giả thiết: Ma sát Coulomb tác động trong khi phanh à = Fb / Fn Gia tốc tác động hãm xe dừng lại a = const = - (à Fn) / m Quãng đ−ờng phanh ∆x = 1/2 (m . Vo2 / à Fn) Từ ph−ơng 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 d ụ c h o h ệ t h ố n g 1 b ậ c t ự d o Ph−ơng trình chuyển động: mx+bx+cx = F(t) Hay là mx = F (t) mit F (t) = F(t)-bx-cx .. . Sơ đồ khốia) Nút cộng .bx cx F(t) F(t)G + - - F(t) GF(t) - - x x x . .. b c m 1 G G .. . 1. Tác động của ng−ời 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 ng−ời lái xe tác động (đặc tuyến 1), áp lực phanh điều chỉnh (đặc tuyến 2) và áp lực phanh không có tác động của ng−ời lái (đặc tuyến 3) đ−ợc thể hiện. Từ đồ thị đặc tuyến „áp lực phanh theo thời gian“, nhận rõ đ−ợc 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 ph−ơng án có tính nguyên tắc của hệ thống phanh ABS đ−ợc đề xuất, chúng bao gồm: 6 1. Nguyên tắc pit tông tác động một chiều (Plunger-Prinzip) 2. Nguyên tắc tác động trên đ−ờng 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 đ−ờng hồi dầu (7), van thuỷ lực chính (8), Mạch điều chỉnh ABS (9) và bình tích áp thấp (10)... Hình 5: Các ph−ơng án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS Cuối cùng là hệ thống phanh cơ điện tử EMB, trong đó đối t−ợng 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 tr−ớc bên trái, bên phải và cho lốp sau bên trái cũng nh− bên phải (hình 6). Bàn đạp phanh của ng−ời 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 đ−ờng 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 l−ợng từ ắc quy 36 von đến các bộ động cơ và đ−ờng 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 t−ơng tự của những đại l−ợng 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 tổng 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 l−ợng 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 t−ơng 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.