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 qun 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
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
Auswahl mechatronischer Systeme in Fahrzeugen
Q
uelle: Volkswa
g
en AG
C¸c hÖ thèng trî gióp, hÖ thèng
®iÒu khiÓn tõ xa (Telematik)
• C¸c hÖ thèng th«ng tin vÒ giao
th«ng
• HÖ trî gióp l¸i xe
•HÖ thèng an toµn tÝch cùc
HÖ thèng khung xe
• Khö ®iÖn tÝch
• §iÒu chØnh ®é æn ®Þnh th©n
xe
• §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
• C¾t rung
• HÖ thèng phanh chèng bã (ABS)
• HÖ thèng chèng tr¬n tr−ît (ASR)
• HÖ ph©n bè lùc phanh ®iÖn tö
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
®i
Ö
n tö
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)
Mechat r onische Syst eme
HÖ thèng c¬ ®iÖn tö
§iÒu khiÓn
Cung øng
n¨ng l−îng
phô
Cung øng
n¨ng l−îng Cung øng
N¨ng l−îng
§¹i l−îng ®iÒu chØnh
§Ëi l−îng dÉn
§¹i l−îng ®o
Dßng th«ng tin
Dßng n¨ng l−îng
Dßng n¨ng
l−îng s¬ cÊp
Dßng n¨ng l−îng
tiªu thô
Xö lý th«ng tin
Côm c¬ khÝ & biÕn ®æi
n¨ng l−îng
§o l−êng /
c¶m biÕn
C¬ cÊu
®iÒu khiÓn
CÊu tróc tæng qu¸t cña hÖ th«ng c¬ ®iÖn tö
- 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 sn 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 µ = Fb / Fn
Gia tèc t¸c ®éng h·m xe dõng l¹i a = const = - (µ Fn) / m
Qu·ng ®−êng phanh ∆x = 1/2 (m . Vo
2 / 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
VÝ dô cho hÖ thèng 1 bËc tù do
Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng:
mx+bx+cx = F(t)
Hay lµ mx = F (t) mit F (t) = F(t)-bx-cx
.. .
S¬ ®å khèi
a) Nót céng
.
bx
cx
F(t) F
(t)G
+
--
F(t)
G
F(t)
--
x
x
x
.
..
b
c
m
1
GG
.. .
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 khong thêi gian vµ
®é suy gim ¸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: