Nghiên cứu hệ thống gạt nước mưa và phun nước rửa kính trên ô tô hiện đại

Trong phạm vi giới hạn của đề tài, khó mà có thể nói hết được tất cả các công việc cần phải làm để khai thác hết tính năng của hệ thống gạt nước mưa và phun nước rửa kính của ôtô.. Mục t

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Linh Trong suốt quá trình thực hiện đồ án đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết để định hướng cũng như góp ý cho em để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này một cách tốt nhất

Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của ban giám hiệu nhà trường Đại Học THỦY LỢI HÀ NỘI, cũng như toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí và bạn bè trong những năm học vừa qua đã giúp đỡ em trong thời gian học tập tại trường Với sự giúp đỡ nhiệt tình đó đã giúp em có một nền tảng kiến thức và chuyên môn để em có thể hoàn thành bản đồ án lần này cũng như công việc của em trong tương lai

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của bản thân, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2019 Sinh viên

Lê Bá Bình

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được yêu cầu đặt ra bản thân em cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu, học tập và làm việc trong suốt thời gian làm đồ án Em đã tham khảo một số tài liệu, bảng biểu để phục vụ cho việc phân tích tìm hiểu, đánh giá, tất cả được nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” Nội dung đề tài hoàn toàn không sao chép từ các đề tài khác, không vi phạm bản quyền tác giả

Toàn bộ đồ án là do bản thân em nghiên cứu và xây dựng nên dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Ngọc Linh Nội dung lý thuyết trong đồ án có sự tham khảo và sử dụng của một số tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ án

Em xin cam đoan những lời trên là hoàn toàn đúng sự thật, nếu có thông tin sai lệch

em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng

Hà Nội, Tháng 12 năm 2019 Sinh viên

Lê Bá Bình

MỞ ĐẦU

Ngành ô tô thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển mạnh mẽ với việc ứng dụng ngày càng nhiều những thành tựu công nghệ thông tin vào sản xuất và lắp đặt các linh kiện ô tô Hiện nay thì vấn đề trang bị trên ô tô là tiêu chí chính để đánh giá một chiếc xe hơi cao cấp Hệ thống gạt mưa – rửa kính của ô tô là một bộ phận không thể thiếu khi xe vận hành trên đường, nhằm đảm bảo tính an toàn cho người và phương tiện khi tham gia giao thông

Em chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu hệ thống gạt nước mưa và phun nước rửa kính trên ô tô hiện đại” Ở đây em chọn dòng xe Toyota Fotuner làm xe nghiên cứu và khai thác Bởi vì hiện nay dòng xe này rất phổ biến, được nhiều người Việt chuộng

sử dụng Trong phạm vi giới hạn của đề tài, khó mà có thể nói hết được tất cả các công việc cần phải làm để khai thác hết tính năng của hệ thống gạt nước mưa và phun nước rửa kính của ôtô Tuy nhiên, đây sẽ là nền tảng cho việc lấy cơ sở để khai thác những xe tương

tự sau này, làm thế nào để sử dụng một cách hiệu quả nhất, kinh tế nhất trong khoảng thời gian lâu nhất

Mục tiêu của đề tài này là làm thế nào để chúng ta có cách nhìn khái quát về hệ thống hệ thống gạt nước mưa và phun nước rửa kính trên xe đơn giản nhất, có thể tiến hành sửa chữa, tháo lắp, khai thác có hiệu quả

Qua tìm hiểu ta có thể nắm vững được tổng quan các bộ phận trong hệ thống gạt nước mưa và phun nước rửa kính, đặc biệt là trên dòng xe Toyota Hiểu được nguyên lý của từng bộ phận của hệ thống và công nghệ điện tử hiện đại trên xe

Mục đích của đề tài là bản thân sinh viên nhận thấy đây là cơ hội rất lớn để có thể củng cố kiến thức mà mình đã được học Ngoài ra, sinh viên còn có thể biết thêm những kiến thức thực tế mà trong nhà trường khó có thể chuyển tải được, đó thực sự là những kiến thức mà sinh viên rất cần cho công việc sau này

Ngoài ra, thực hiện đồ án cũng là dịp để sinh viên nâng cao kỹ năng nghề nghiệp, khả năng nghiên cứu độc lập và phương pháp giải quyết các vấn đề Bản thân sinh viên không ngừng vận động để giải quyết những tình huống phát sinh, điều đó một lần nữa giúp cho sinh viên nâng cao kiến thức chuyên ngành

Cuối cùng, việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp giúp cho sinh viên có thêm tinh thần trách nhiệm, lòng say mê học hỏi, sáng tạo Và đặc biệt quan trọng là sự đam mê nghề nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài em có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

 Tra cứu trong các tài liệu, giáo trình kỹ thuật, sách vở, đặc biệt là trong các cuốn cẩm nang bảo dưỡng sửa chữa của chính hãng Toyota

 Nghiên cứu, tìm kiếm thông tin trên Internet, các website trong và ngoài nước, từ đó so sánh chắt lọc và lựa chọn những thông tin cần thiết

 Tham khảo kiến thức của các nhà chuyên môn và các giảng viên chuyên ngành ôtô

Trong đó phải kể đến các thầy trong tổ bộ môn ÔTÔ của chuyên ngành CƠ KHÍ ÔTÔ của trường ĐH THỦY LỢI, các kỹ sư, chuyên viên kỹ thuật tại các trung tâm bảo hành, các xưởng sửa chữa và các Garage chuyên dùng và các người có kinh nghiệm lâu năm trong việc bảo quản và sử dụng xe

 Nghiên cứu trực tiếp trên xe và các hệ thống cụ thể trong thực tế

 Tổ hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những nhận xét

DANH MỤC BẢNG BIỂU 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô 1

1.1.1 Lịch sử phát triển cần gạt mưa trên ô tô 1 1.2 Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệt thống gạt mưa 4

1.2.1 Nhiệm vụ 4

1.2.2 Phân loại 4

1.2.3 Yêu cầu 5

1.3 Cấu tạo của hệ thống gạt nước và phun nước rửa kính 5

1.3.1 Cấu tạo chung 5

1.3.2 Cần gạt nước và thanh gạt nước 6

1.3.2.1 Khái quát chung 6

1.3.2.2 Gạt nước che một nửa, gạt nước che hoàn toàn 7

1.3.3 Công tắc gạt nước 8

1.3.4 Cơ cấu tự động dừng 8

1.3.5 Hệ thống gạt mưa thay đổi tốc độ, hệ thống gạt mưa tự động 8

1.3.6 Mô tơ gạt nước 9

1.3.6.1 Khái quát chung 9

1.3.6.2 Chuyển tốc động mô tơ 9

1.3.6.3 Công tắc dạng cam 9

1.3.7 Bơm nước rửa kính 10

1.3.7.1 Bơm nước rửa kính 10

1.3.7.2 Vận hành kết hợp với bộ phận rửa kính 11

1.4 Cảm biến nước mưa trên gạt nước 11

1.4.1 Các cách bố trí lưỡi gạt nước 12

1.4.1.1 Các cách bố trí lưỡi gạt thông dụng 12

1.4.1.2 Các cách bố trí gạt mưa ít gặp 15

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 17

2.1 Tính toán góc gạt nước trên kính lái 17

2.1.1 Tính toán góc cơ cấu giằng khi cần gạt ở vị trí thấp nhất 17

2.1.2 Tính toán góc cơ cấu giằng khi cần gạt nước ở vị trí cao nhất 19

2.1.3 Góc sai số khi cơ cấu giằng quay từ vị trí cần gạt thấp nhất lên lớn nhất 20

2.1.4 Góc gạt của hai thanh gạt nước 21

2.1.4.1 Góc gạt tại cần gạt nước bên phải (bên phía người lái) 21

2.1.4.2 Góc gạt tại cần gạt nước bên trái (bên phía phụ lái) 22

2.2 Tính toán tỉ lệ quét gạt nước trên kính lái 22

2.2.1 Diện tích kính chắn gió phía trước 22

2.2.2 Diện tích lưỡi gạt được trên kính chắn gió 24

2.2.3 Diện tích lưỡi gạt được bên phải (phía người lái) 24

2.2.4 Diện tích lưỡi gạt được bên trái (phía phụ lái) 25

2.2.5 Diện tích tổng do hai lưỡi gạt nước gạt được trên kính 25

2.3 Tính toán công suất của mô tơ gạt mưa và bơm nước rửa kính 26

2.3.1 Công suất mô tơ gạt mưa 26

2.3.1.1 Gạt nước ở chế độ thấp 26

2.3.1.2 Gạt nước ở chế độ cao 26

2.3.2 Công suất bơm nước rửa kính 27

2.3.2.1 Công suất bơm nước rửa kính 27

2.3.2.2 Tính toán lưu lượng của bơm nước rửa kính 27

2.4 Tính toán phân tích lực cơ cấu gạt mưa 28

2.4.1 Xác định lực lò xo tác dụng lên tay gạt mưa 28

2.4.2 Tính toán momen quay của mô tơ gạt nước 29

2.4.2.1 Lực ma sát của lưỡi gạt với mặt kính lái 29

2.4.2.2 Lực dọc trục thanh giằng kéo khi cần gạt ở vị trí cao nhất 30

2.4.2.3 Tính momen xoắn của mô tơ tại vị trí momen cao nhất 32 2.4.2.4 Chọn động cơ Error! Bookmark not defined.

2.4.3 Kiểm tra điều kiện hoạt động của cần gạt 36

2.4.3.1 Xác định lực ép nhỏ nhất để cần gạt hoạt động hiểu quả 37

2.4.4 Phân tích lực và ứng suất tại lưỡi gạt mưa 38

2.4.4.1 Tính toán các thanh A 38

2.4.4.2 Tính toán thanh B 41

2.4.4.3 Tính toán lực thanh C 43

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO KHUNG LƯỠI GẠT MƯA 46

3.1 Chế tạo các chi tiết dạng tấm vỏ 46

3.1.1 Khái niệm: 46

3.1.2 Phân loại 46

3.1.3 Nguyên lý làm việc 46

3.1.4 Ưu và nhược điểm 47

3.2 Chọn vật liệu 48

3.3 Thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi 48

3.4 Xác định đường lối công nghệ và chọn phương pháp gia công 49

3.5 Thiết kế nguyên công 50

3.5.1 Nguyên công 1: Đột lỗ ∅𝟐, ∅𝟑, ∅𝟓, ∅𝟕 trên tấm 50

3.5.1.1 Định vị và kẹp chặt 50

3.5.1.2 Tính toán lực đột lỗ 50

3.5.2 Nguyên công II: Đột 4 lỗ chữ nhật có kích thước 15x5mm 51

3.5.2.1 Định vị và kẹp chặt 52

3.5.2.2 Tính toán lực đột lỗ 52

3.5.3 Nguyên công III: Đột hai hình chữ nhật và hình đặc biệt 52

3.5.3.1 Định vị và kẹp chặt 52

3.5.3.2 Tính toán lực đột lỗ 53

3.5.4 Nguyên công IV: Dập cắt mép bao bên ngoài chi tiết 54

3.5.4.1 Định vị và kẹp chặt 54

3.5.4.2 Tính toán lực đột lỗ 54

3.5.5 Nguyên công V: Dập cắt mép bao bên ngoài của chi tiết 55

3.5.5.1 Định vị và kẹp chặt 56

3.5.5.2 Tính toán lực đột lỗ 56

3.5.6 Nguyên công VI: Dập vuốt không biến mỏng chi tiết 56

3.5.6.1 Định vị và kẹp chặt 56

3.5.6.2 Tính toán lực dập 57

CHƯƠNG 4 QUY TRÌNH KIỂM TRA, BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG GẠT MƯA RỬA KÍNH 59

4.1 Những hư hỏng nguyên nhân và cách sửa chữa 59

4.1.1 Hệ thống gạt mưa hoạt động có tiếng ồn 60

4.1.1.1 Hư hỏng 60

4.1.1.2 Nguyên nhân 60

4.1.1.3 Sửa chữa 61

4.1.2 Lưỡi gạt nước hỏng, không làm sạch bề mặt kính 62

4.1.2.1 Hư hỏng 62

4.1.2.2 Nguyên nhân 62

4.1.2.3 Sửa chữa 62

4.2 Quy trình tháo lắp hệ thống gạt mưa – rửa kính 64

4.2.1 Quy trình tháo, lắp lưỡi cao su gạt nước 64

4.2.1.1 Tháo cao su gạt nước 64

4.2.1.2 Lắp cao su gạt nước 64

4.3 Quy trình kiểm tra bảo dưỡng sửa chữa 65

4.3.1 Kiểm tra mô tơ gạt mưa 65

4.3.1.1 Kiểm tra hoạt động ở chế độ LO: 65

4.3.1.2 Kiểm tra hoạt động ở chế độ HI: 66

4.3.1.3 Kiểm tra hoạt động dừng tự động: 66

4.3.1.4 Kiểm tra mô tơ tự động ngừng ở vị trí ngừng tự động: 66

4.3.2 Kiểm tra mô tơ phun nước - Tháo bình nước rửa kính 66

4.3.3 Kiểm tra và thay thế cao su gạt nước 67

4.3.4 Kiểm tra các cụm bộ phận còn lại 69

4.4 Thông số sửa chữa 69 Tài liệu tham khảo: 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Chọn tỉ số truyền i phía cần gạt phải 35

Bảng 2.2 Chọn tỉ số truyền i cần gạt trái 36

Bảng 3.1 Chẩn đoán sửa chữa hệ thống gạt mưa 59

Bảng 3.2 Thông số sửa chữa 69

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bà Mery Anderson (1866-1953) người phát minh ra chiếc gạt mưa đầu tiên 2

Hình 1.2 Môtơ điện được đặt phía trên và nằm giữa kính lái 3

Hình 1.3 Cần gạt nước được phát triển theo sự phát triển của công nghệ xe hơi 4

Hình 1.4: Các bộ phận và cách bố trí các hệ thống gạt nước trên ô tô 5

Hình 1.5 Cần và lưỡi gạt nước trên ô tô 7

Hình 1.6 Các trạng thái của gạt nước 8

Hình 1.7 cảm biến nước mưa trên xe 11

Hình 1.8: Gạt mưa dạng tandem 12

Hình 1.9 Gạt mưa dạng đối diện 13

Hình 1.10 Gạt mưa dạng pantograph 13

Hình 1.11 Cần gạt nước dạng đơn 14

Hình 1.12 Cần gạt nước dạng đơn monoblade 14

Hình 1.13 Cần gạt nước dạng song song 15

Hình 1.14 Cần gạt nước dạng ba lưỡi gạt 15

Hình 1.15 Dạng lưỡi gạt đơn 16

Hình 1.16 Dạng lưỡi gạt đơn ngược hướng 16

Hình 2.1 Cơ cấu hệ thống cần gạt mưa 17

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu gạt mưa quy về các khâu khớp ở vị trí ban đầu 18

Hình 2.3 Sơ đồ cơ cấu giằng khi cần gạt mưa ở vị trí thấp nhất 18

Hình 2.4 Sơ đồ cơ cấu gạt mưa quy về các khâu khớp ở vị trí cần gạt mưa cao nhất 19

Hình 2.5 Sơ đồ cơ cấu giằng khi cần gạt mưa ở vị trí cao nhất 20

Hình 2.6 Sơ đồ thể hiện các thanh giằng phía phải ở cả 2 vị trí 21

Hình 2.7 Sơ đồ thể hiện góc gạt ở hai vị trí 22

Hình 2.8 Tổng diện tích kính chắn gió trước 23

Hình 2.9 Diện tích lưỡi gạt mưa gạt được trên kính chắn gió 24

Hình 2.10 Sơ đồ tay cần gạt mưa 28

Hình 2.11 Tay cần gạt trái ở vị trí gạt cao nhất 31

Hình 2.12 Tay cần gạt nước ở vị trí cao nhất 31

Hình 2.13 Cơ cấu gạt mưa ở vị trí momen xoắn lớn nhất 32

Hình 2.14 Cơ cấu tay cần gạt mưa trái (phía lái phụ) 33

Hình 2.15 Cơ cấu tay cần gạt mưa phải (bên phía lái) 34

Hình 2.16 biểu diễn lực cần gạt mưa 37

Hình 2.17 Sơ đồ đơn giản hóa lưỡi gạt mưa 38

Hình 2.18 Sơ đồ phân tích lực lên thanh A 39

Hình 2.19 Mặt cắt tại điểm B1 40

Hình 2.20 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên thanh B 42

Hình 2.21 Mặt cắt tại điểm C1 42

Hình 2.22 Sơ đồ phân tích lực lên thanh C 44

Hình 2.23 Mặt cắt điểm đỉnh lưỡi gạt 45

Hình 3.1 Nguyên lý làm việc của dập 47

Hình 3.2 Bản vẽ lồng phôi 49

Hình 3.3 Nguyên công I 50

Hình 3.4 Nguyên công II 51

Hình 3.5 Nguyên công III 53

Hình 3.6 Nguyên công IV 54

Hình 3.7 Nguyên công V 55

Hình 3.8 Nguyên công VI 57

Hình 4.1 Hệ thống thanh giằng gạt mưa bị mòn cốt và bạc 61

Hình 4.2 Thực hiện tháo cốt ở thanh giằng 61

Hình 4.3 Vệ sinh lưỡi gạt mưa 63

Hình 4.4 Các trường hợp chổi gạt mưa bị hỏng 63

Hình 4.5 Quy trình tháo lưỡi cao su gạt nước 64

Hình 4.6 Quy trình lắp lưỡi cao su gạt nước 65

Hình 4.7 Cụm mô tơ gạt nước kính chắn gió 65

Hình 4.8 Cụm mô tơ bơm phun nước rửa kính chắn gió 67

Hình 4.9 Gạt nước gạt không sạch 68

Hình 4.10 Quy trình lắp lưỡi gạt mưa kính chắn gió 68

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô

Gạt nước là bộ phận nhỏ nhưng lại hết sức quan trọng đối với xe hơi Nó có nhiệm

vụ loại bỏ nước và bụi bẩn ra khỏi kính chắn gió, giúp người lái có một tầm nhìn tốt hơn khi điều khiển xe Ngày nay, gạt nước được xem như một tiêu chuẩn không chỉ trên trên tất cả những chiếc xe hơi mà còn được trang bị cho xe lửa, tàu biển và cả máy bay nữa Một hệ thống cần gạt nước mưa cảm biến tự động, có thể phát hiện mưa trên kính chắn gió

để bật cần gạt nước ô tô một cách phù hợp Khi hệ thống làm việc sẽ giảm thiểu thời gian người lái xe phải rời tay ra khỏi tay lái Hệ thống này phát hiện những giọt mưa trên kính chắn gió, tự động bật và điều chỉnh hệ thống gạt nước tương ứng với mức độ mưa

1.1.1 Lịch sử phát triển cần gạt mưa trên ô tô

Năm 1903, khi đi trong thành phố New York, người phụ nữ mang tên Mary Anderson nhận ra rằng, thỉnh thoảng, tài xế lại phải dừng xe, cầm chiếc khăn để lau hơi nước và tuyết phủ trên mặt kính Thậm chí, có những người chẳng buồn gạt tuyết vì quá dày mà ló đầu ra cửa sổ đế lái Dưới con mắt của một phụ nữ, bà thấy cần phải tạo ra một cái gì để giúp họ không cần dừng xe mà vẫn gạt được tuyết và giữ tầm nhìn

Về nhà, Anderson thiết kế hệ thống cần gạt nước đầu tiên Nhưng khi đưa ra ý tưởng

đó, bà bỗng trở thành là trò cười của người xung quanh bởi theo họ, đấy là việc của đàn ông và sẽ chẳng có ai quan tâm tới “sự điên rồ” ấy

Đến năm 1905, sau những nổ lực của mình, bà Anderson đã nhận được bằng sáng chế của Mỹ Đó là minh chứng cho sức mạnh trí tuệ của phái nữ Vào thời điểm nhận bằng phát minh, Anderson tròn 39 tuổi

Cơ cấu hoạt động của thiết bị này hết sức đơn giản Anderson dùng hai chiếc cần gắn vào thân xe và tiếp xúc với mặt kính bằng chiếc “lưỡi” cao su Khi cần, người lái xe

quay tay nắm đặt trong ca-bin Qua cơ cấu truyền động, hai chiếc cần gạt nước sẽ chuyển động lên xuống để gạt tuyết và hơi nước, tạo tầm nhìn cho người lái

Hình 1.1 Bà Mery Anderson (1866-1953) người phát minh ra chiếc gạt mưa đầu tiên

Tuy nhiên phát minh này của bà không được các hãng xe hưởng ứng Mãi đến 1916, tức 11 năm sau, cần gạt nước mới trở thành thiết bị tiêu chuẩn trên tất cả các xe ở Mỹ Anderson phải cảm ơn Henry Ford bởi nhờ công nghệ sản xuất hàng loạt Model T, ôtô trở nên "bình dân" trong cho người tiêu dùng và phát minh của bà mới được biết đến

Động cơ điện vào thời đó chưa được sử dụng cho các thiết bị trong xe cho nên chiếc cần gạt nước mà bà Anderson nghĩ ra còn hạn chế về tính năng vì tài xế sẽ phải sử dụng 1 tay để quay cái gạt nước Vì vậy họ chỉ còn 1 tay để vừa vần vô lăng vừa vào số và thậm chí cả kéo phanh tay khi cần

Phải tới tận năm 1917 thì môtơ điện mới được đưa vào để gúp di chuyển một lá cao

su dài chạy đi chạy lại trên kính lái Một nha sĩ người Hawaii là Dr Ormand Wall đã phát minh ra cần gạt nước tự động bằng cách đặt một môtơ điện phía trên và nằm chính giữa của kính lái Do đó, lá cao su sẽ quay theo hình vòng cung với tâm ở phía trên và diện tich kính lái mà nó quét được trông giống như một hình cầu vồng lộn ngược

Hình 1.2 Môtơ điện được đặt phía trên và nằm giữa kính lái

Bộ rửa kính được bổ sung vào xe hơi với phần điều khiển được thêm ngay vào cần gạt bật/tắt của cái gạt nước Bộ phận này sẽ phun tia nước rửa kính lên thẳng phía trước của kính lái thông qua mấy cái lỗ nhỏ nằm trên nắp capo Một bình chứa nước được đặt trong khoang máy và các cấu thành chạy điện khác được kết nối để thực thi công việc đó

Năm 1962, Bob Kearns sáng chế ra bộ gạt nước không liên tục (ngắt quãng) đầu tiên cho phép tài xế có thể thay đổi được tốc độ quét và thời gian nghỉ giữa mỗi lần quét

Để làm được điều đó người ta đã đưa vào trong hệ thống điện các cầu chì và công tắc ngắt mạch điện giúp điều hành các cấu thành chạy điện một cách linh hoạt hơn

Những năm 1980 người ta còn làm cả gạt nước cho đèn pha, và để nó hoạt động hiệu quả, người ta phải tính toán liên kết hệ thống chiếu sáng với hệ thống phun rửa và gạt nước

Hình 1.3 Cần gạt nước được phát triển theo sự phát triển của công nghệ xe hơi

Từ những năm 1990 đến nay, cần gạt nước được phát triển theo sự phát triển của công nghệ xe hơi Các vi cảm biến được đính ngay trên kính lái để phát hiện trời mưa, kích hoạt hệ thống gạt nước tự động, thay đổi tốc độ gạt nước tùy theo lượng nước mưa có nặng hạt hay không

1.2 Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệt thống gạt mưa

1.2.1 Nhiệm vụ

Hệ thống gạt nước trên ô tô là một hệ thống đảm bảo cho người lái nhìn được rõ ràng bằng cách gạt nước mưa trên kính trước và kính sau khi trời mưa Hệ thống có thể làm sạch bụi bẩn trên kính chắn gió phía trước nhờ thiết bị rửa kính Vì vậy đây là thiết bị cần thiết cho sự an toàn của xe khi tham gia giao thông

1.2.2 Phân loại

 Motor gạt mưa được truyền động từ động cơ ô tô

 Motor gạt mưa chạy bằng khí nén

 Motor gạt mưa được truyền từ động cơ điện (hiện nay tất cả các xe ô tô đều

sử dụng loại này)

1.2.3 Yêu cầu

Hệ thống gạt nước và rửa kính là một hệ thống đảm bảo cho người lái nhìn được rõ ràng bằng cách gạt nước mưa trên kính trước và kính sau khi trời mưa Hệ thống có thể làm sạch bụi bẩn trên kính chắn gió phía trước nhờ thiết bị rửa kính Vì vậy đây là thiết bị cần thiết cho sự an toàn của xe khi chạy Gần đây một số kiểu xe có thể thay đổi tốc độ gạt nước theo tốc độ xe và tự động gạt nước khi trời mưa Hệ thống gạt mưa trên ô tô phải hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt, ổn định và phù hợp với từng điều kiện trời mưa (mưa to hoặc mưa nhỏ)

1.3 Cấu tạo của hệ thống gạt nước và phun nước rửa kính

1.3.1 Cấu tạo chung

Hình 1.4: Các bộ phận và cách bố trí các hệ thống gạt nước trên ô tô

Hệ thống gạt nước và rửa kính trên ô tô bao gồm các bộ phận sau:

1 Vòi phun nước rửa kính

2 Lưỡi gạt nước phí trước

8 Thanh nối cần gạt nươc 2

9 Bình chưa nước rửa kính

10 ống dẫn nước rửa kính

1.3.2 Cần gạt nước và thanh gạt nước

Cấu trúc của cần gạt nước là một lưỡi cao su lắp vào thanh kim loại gọi là thanh gạt nước Gạt nước được dịch chuyển hoàn toàn nhờ cần gạt

Vì lưỡi gạt nước được ép vào kính trước bằng lò xo nên gạt nước có thể gạt được nước mưa nhờ dịch chuyển thanh gạt nước Chuyển động tuần hoàn của gạt nước được tạo

ra bởi motor và cơ cấu dẫn động

Ta có thể hình dung lưỡi gạt tương tự như những cái chổi cao su dài Bề mặt tiếp xúc giữa lưỡi gạt và mặt kính chắn gió được phủ lên một lớp cao su mỏng Vì lưỡi gạt nước được ép vào kính trước bằng lò xo nên gạt nước có thể gạt được nước mưa nhờ dịch chuyển thanh gạt nước Chuyển động tuần hoàn của gạt nước được tạo ra bởi motor và cơ cấu dẫn động

Vì lưỡi cao su lắp vào thanh gạt nước bị mòn do sử dụng và do ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường v.v… nên phải thay thế phần lưỡi cao su này một cách định kỳ

Hình 1.5 Cần và lưỡi gạt nước trên ô tô

Gạt nước thông thường có thể nhìn thấy từ phía trước của xe Tuy nhiên để đảm bảo tính khí động học, bề mặt lắp ghép phẳng và tấm nhìn rộng nên những gạt nước gần đây được che đi dưới nắp ca pô Gạt nước có thể nhìn thấy một phần gọi là gạt nước che một nửa, gạt nước không nhìn thấy được gọi là gạt nước che hoàn toàn

Chú ý: Với gạt nước che hoàn toàn nếu nó bị phủ băng tuyết hay ở điều kiện khác thì gạt nước sẽ không dịch chuyển được Nếu cố tình làm sạch tuyết bằng cách cho hệ thống gạt nước hoạt động thì sẽ gây hỏng mô tơ gạt nước Để ngăn cản tình trạng đó, hầu hết các xe đều có hệ thống chuyển đổi chế độ gạt nước che hoàn toàn thành chế độ gạt nước che một phần bằng tay Sau khi bật gạt nước che một nửa, cần gạt nước có thể đóng trở lại bằng cách dịch chuyển the hướng mũi tên như hình vẽ

Hình 1.6 Các trạng thái của gạt nước

1.3.4 Cơ cấu tự động dừng

Công tắc tự động được gắn liền với bánh răng để gạt nước dừng tại một vị trí cuối khi tắt công tắc gạt nước ở bất kỳ thời điểm nào nhằm tránh giới hạn tầm nhìn tài xế

1.3.5 Hệ thống gạt mưa thay đổi tốc độ, hệ thống gạt mưa tự động

Hiện nay trên một số xe ô tô hiện đại hệ thống gạt mưa có thể được trang bị thêm những hệ thông như:

Hệ thống gạt mưa thay đổi tốc độ

Hệ thống gạt mưa thay đổi tốc độ có thể thay đổi tốc độ của môtơ gạt mưa tùy vào điều kiện của thời tiết ở nhiều chế độ khác nhau

Hệ thống gạt mưa tự động

Khi công tắc gạt nước ở vị trí AUTO, chức năng này dùng một cảm biến mưa, nó được lắp ở kính trước để phát hiện lượng mưa và điều khiển thời gian gạt nước tối ưu tương ứng theo lượng mưa

1.3.6 Mô tơ gạt nước

Mô tơ từ lõi sắt từ nam châm vĩnh cửu được sử dụng làm mô tơ gạt nước Mô tơ gạt nước gồm có mô tơ và bộ truyền bánh răng để làm giảm tốc độ ra của mô tơ

Mô tơ từ lõi sắt từ gạt nước có ba chổi than tiếp điện: chổi tốc độ thấp, chổi tốc độ cao và chổi dùng chung (để tiếp mass)

Một công tắc dạng cam được bố trí trong bánh răng để gạt nước dừng ở vị trí cố định trong mọi thời điểm

Một sức điện động tạo ra trong cuộn dây phần ứng khi mô tơ quay để hạn chế tốc

độ quay của mô tơ

Hoạt động ở tốc độ thấp: khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng từ chổi than tốc

độ thấp, một sức điện động ngược lớn được tạo ra Kết quả là mô tơ quay ở tốc độ thấp

Hoạt động ở tốc độ cao: khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng từ chổi than tốc

độ cao, một sức điện động ngược nhỏ được tạo ra Kết quả là mô tơ quay ở tốc độ cao

Cơ cấu gạt nước có chức năng dừng thanh gạt nước tại vị trí cố định Do có chức năng này thanh gạt nước luôn được bảo đảm dừng ở dưới cùng của kính chắn gió khi tắt công tắc gạt nước Công tắc dạng cam thực hiện chức năng này Công tắc này có đĩa cam

sẻ rảnh chữ V và ba điểm tiếp xúc

Khi công tắc gạt nước ở vị trí LO/HI, điện áp ắc qui được đặt vào mạch điện và dòng điện đi vào mô tơ gạt nước qua công tắc gạt nước làm cho mô tơ gạt nước quay

Tuy nhiên, ở thời điểm công tắc gạt nước tắt, nếu tiếp điểm P2 ở vị trí tiếp xúc mà không phải ở vị trí rãnh thì điện áp của ắc qui vẫn được đặt vào mạch điện và dòng điện đi vào mô tơ gạt nước tới tiếp điểm P1 qua tiếp điểm P2 làm cho mô tơ tiếp tục quay

Sau đó bằng việc quay đĩa cam làm cho tiếp điểm P2 ở vị trí rãnh do đó dòng điện không đi vào mạch điện và mô tơ gạt nước bị dừng lại

Tuy nhiên, do quán tính của phần ứng, mô tơ không dừng lại lập tức mà tiếp tục quay một ít, kết quả là tiếp điểm P3 vượt qua điểm dẫn điện của đĩa cam

Thực hiện việc đóng mạch như sau: Phần ứng → cực (+)1 của mô tơ → công tắc gạt nước → cực S của mô tơ gạt nước → tiếp điểm P1 → P3→ phần ứng Vì phần ứng tạo

ra sức điện động ngược trong mạch đóng này, nên quá trình hãm mô tơ bằng điện được tạo

ra và mô tơ được dừng lại tại điểm cố định

1.3.7 Bơm nước rửa kính

Đổ nước rửa kính vào bình chứa trong khoang động cơ Bình chứa nước rửa kính được làm từ bình nhựa mờ và nước rửa kính được phun nhờ bơm nước rửa kính trong bình chứa

Mô tơ bộ rửa kính có dạng cánh quạt như được sử dụng trong bơm nhiên liệu

Có hai loại hệ thống rửa kính đối với ô tô có rửa kính sau: Một loại có bình chứa chung cho cả bộ phận rửa kính trước và sau, còn loại kia có hai bình chứa riêng cho bộ phận rửa kính trước và bộ phận rửa kính sau

Ngoài ra, còn có một loại điều chỉnh vòi phun cho cả kính trước và kính sau nhờ mô

tơ rửa kính điều khiển các van và một loại khác có hai mô tơ riêng cho bộ phận rửa kính trước và bộ phận rửa kính sau được đặt trong bình chứa

1.3.7.2 Vận hành kết hợp với bộ phận rửa kính

Loại này tự động điều khiển cơ cấu gạt nước khi phun nước rửa kính sau khi bật công tắc rửa kính một thời gian nhất định đó là “sự vận hành kết hợp với bộ phận rửa kính”

Đó là sự vận hành để gạt nước rửa kính được phun trên bề mặt kính trước

1.4 Cảm biến nước mưa trên gạt nước

Một ý tưởng khác là phủ lên lớp kính chắn gió một lớp ngăn sự hình thành các giọt nước, thậm chí một số kỹ sư còn đề xuất trang bị hệ thống rung siêu âm lên kính để loại bỏ nước bám lên Tuy nhiên, các hệ thống này vẫn chưa được phổ biến, hoặc chưa áp được áp dụng rộng rãi do mắc nhiều nhược điểm và chưa thể vận hành một cách hoàn hảo

Tuy nhiên, hệ thống gạt nước được áp dụng thành công cho nhiều xe hiện nay Theo

đó, hệ thống này sẽ phát hiện được lượng nước mưa điều khiển cường độ gạt nước thích hợp Bằng cách sử dụng cảm biến quang học, hệ thống có thể phát hiện được hơi ẩm của kính, từ đó suy ra được lượng nước mưa và điều kiện thời tiết tương ứng Thông thường, các cảm biến được lắp ở bên trong, ngay vị trí gắn kính chiếu hậu trung tâm xe

Hình 1.7 cảm biến nước mưa trên xe

Các cảm biến sẽ chiếu các tia hồng ngoại lên kính chắn gió với một góc 45 độ Nếu kính khô, phần lớn các tia hồng ngoại sẽ được phản xạ trở về cảm biến Nếu có những giọt nước trên bề mặt kính, tia hồng ngoại sẽ bị phản xạ theo nhiều hướng khác nhau, cảm biến

sẽ hiểu rằng "Ah, vậy là trên kính có nhiều nước quá, chắc là có mưa rồi!" và sẽ tự điều chỉnh các lưỡi gạt làm việc để giải phóng tầm nhìn cho người lái Tùy vào lượng tia phản

xạ về mà cảm biến sẽ điều chỉnh các cường độ làm việc thích hợp

1.4.1 Các cách bố trí lưỡi gạt nước

1.4.1.1 Các cách bố trí lưỡi gạt thông dụng

Hầu hết các gạt nước đều thuộc loại trục (hoặc xuyên tâm): chúng được gắn vào một cánh tay, lần lượt được gắn vào động cơ Chúng thường được tìm thấy trên nhiều xe hơi,

xe tải, xe lửa, thuyền, máy bay, v.v

Cần gạt nước hiện đại thường di chuyển song song, được tìm thấy trên đại đa số phương tiện hiện đại hiện nay, chủ yếu dùng trên xe LHD (Hình 1.7, bên dưới)

Tuy nhiên, nhiều mẫu xe khác nhau của Mercedes-Benz và các loại xe khác như chiếc cần gạt nước được sử dụng của Volkswagen Sharan được cấu hình để di chuyển theo hướng ngược lại (Hình 1.8), phức tạp hơn về mặt cơ học nhưng có thể tránh để lại một góc lớn của kính chắn gió phía trước hành khách Lợi ích chi phí cho nhà sản xuất ô tô xảy

ra khi cần gạt nước được thiết kế để di chuyển theo hướng ngược lại không cần phải định

vị lại cho ô tô xuất khẩu sang các quốc gia lái xe bên phải như Anh và Nhật Bản

Hình 1.8: Gạt mưa dạng tandem

Hình 1.9 Gạt mưa dạng đối diện

Một thiết kế gạt nước khác (Hình 1.9) dựa trên thước sao, được sử dụng trên nhiều phương tiện thương mại, đặc biệt là xe buýt có kính chắn gió lớn Cần gạt nước Pantograph

có hai cánh tay cho mỗi lưỡi gạt nước, với bộ lưỡi gạt nước được hỗ trợ trên thanh ngang nối hai cánh tay Một trong hai cánh tay được gắn vào động cơ, trong khi cánh tay kia nằm trên trục xoay nhàn rỗi Cơ chế pantograph, trong khi phức tạp hơn, cho phép lưỡi gạt mưa che được nhiều kính chắn gió hơn trên mỗi lần gạt Tuy nhiên, nó nằm cố định gạt nước phải "đậu" ở giữa kính chắn gió, nơi nó có thể cản trở một phần tầm nhìn của người lái khi không sử dụng Những chiếc xe Lexus và một số nước Mỹ sử dụng phương pháp này để bao phủ nhiều khu vực kính hơn, nơi kính chắn gió khá rộng nhưng cũng rất nông Chiều cao giảm của kính chắn gió sẽ cần sử dụng cánh tay gạt nước ngắn không có khả năng tiếp cận với mép của kính chắn gió

Hình 1.10 Gạt mưa dạng pantograph

Cần gạt nước một lưỡi đơn giản với một trục trung tâm (Hình 1.10) thường được sử dụng trên kính chắn gió phía sau, cũng như ở mặt trước của một số xe ô tô

Mercedes-Benz đã tiên phong một hệ thống (Hình 1.11) được gọi là "Monoblade", dựa trên các công cụ đúc hẫng, trong đó một cánh tay duy nhất vươn ra ngoài để đến các góc trên cùng của kính chắn gió, và kéo vào cuối và giữa của cú đánh, quét ra một con đường hình chữ "M" Bằng cách này, một lưỡi dao duy nhất có thể bao phủ nhiều hơn kính chắn gió, di chuyển bất kỳ vệt còn lại ra khỏi trung tâm của kính chắn gió Một số xe lớn hơn vào cuối thập niên 70 và đầu thập niên 80, đặc biệt là những người lái xe Mỹ LH , có một cần gạt nước ở phía người lái, với trục xoay thông thường bắt đầu ở phía hành khách

Hình 1.11 Cần gạt nước dạng đơn

Hình 1.12 Cần gạt nước dạng đơn monoblade

Cần gạt nước dạng song song giống hình 1.7 nhưng đảo ngược cơ cấu gạt Cần gạt dạng này được sử dụng ở loại xe RHD ( xe có tay lái nằm bên phải xe dành cho các nước có giao thông đi về bên trái)

Hình 1.14 Cần gạt nước dạng ba lưỡi gạt

Hình 1.15 Dạng lưỡi gạt đơn

Hình 1.16 Dạng lưỡi gạt đơn ngược hướng

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

2.1 Tính toán góc gạt nước trên kính lái

Góc gạt nước rửa kính là góc quay của thanh gạt nước từ điểm thấp nhất ban đầu so với điểm gạt nước cao nhất trong hệ thống gạt mưa Xác định góc quay gạt kính phù hợp nhằm mục đích gạt nước được hiệu suất tối đa nhưng vẫn đảm bảo kính lái được gạt đầy

đủ và sạch

Dưới đây là cơ cấu cần gạt mưa của xe Toyota Fortuner 2017

Hình 2.1 Cơ cấu hệ thống cần gạt mưa

2.1.1 Tính toán góc cơ cấu giằng khi cần gạt ở vị trí thấp nhất

Để tính toán góc quay, chúng ta phải biết được các thông số độ dài thanh giằng ở hệ thống gạt mưa Dưới đây là cơ cấu cần gạt ở vị trí thấp nhất:

A B

O C

E D

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu gạt mưa quy về các khâu khớp ở vị trí ban đầu

Từ sơ đồ hình 2.2 ta tách và phân tích rõ hơn cơ cấu các thanh giằng ở vị trí ban đầu của lưỡi gạt mưa:

A

B

E

D C

O

Hình 2.3 Sơ đồ cơ cấu giằng khi cần gạt mưa ở vị trí thấp nhất

Ta có chiều dài các đoạn thanh giằng là:

AE=550 (mm); CD= 270 (mm); AB= 65 (mm); ED=75 (mm); AC=330 (mm); EC=230 (mm); BC=270 (mm); OC= 50 (mm);

Áp dụng định lý côsin ta có:

 BAC20, 34o (2)

2.1.2 Tính toán góc cơ cấu giằng khi cần gạt nước ở vị trí cao nhất

Để tính toán góc quay, chúng ta phải biết được các thông số độ dài thanh giằng ở hệ thống gạt mưa Dưới đây là cơ cấu cần gạt ở vị trí cao nhất

G

A

E

Hình 2.4 Sơ đồ cơ cấu gạt mưa quy về các khâu khớp ở vị trí cần gạt mưa cao nhất

Từ sơ đồ hình 2.2 ta tách và phân tích rõ hơn cơ cấu các thanh giằng ở vị trí ban đầu của lưỡi gạt mưa

Hình 2.5 Sơ đồ cơ cấu giằng khi cần gạt mưa ở vị trí cao nhất

Ta có chiều dài các đoạn thanh giằng là:

2.1.3 Góc sai số khi cơ cấu giằng quay từ vị trí cần gạt thấp nhất lên lớn nhất

Trong khi gạt nước, cơ cấu giằng sẽ quay một góc gạt cố định nhưng tại thời điểm gạt nước lớn nhất thì sẽ tạo ra góc lệch so với góc tại vị trí cân bằng nên ta phải cộng thêm một góc sai lệch nữa thì mới có được góc quay của tay gạt mưa

D C

O

I H

Hình 2.6 Sơ đồ thể hiện các thanh giằng phía phải ở cả 2 vị trí

Ta có chiều dài các đoạn thanh giằng là:

 HEC  5o (5)

2.1.4 Góc gạt của hai thanh gạt nước

Từ các vị trí ban đầu của các thanh giằng so sánh với vị trí thanh ở vị trí cao nhất ta tìm được góc gạt của hai thanh gạt mưa nhờ cộng hoặc trừ đi góc sai số

2.1.4.1 Góc gạt tại cần gạt nước bên phải (bên phía người lái)

Từ (1) (4) và (5) ta có:

CEDHEIHECIED

114, 62O 32.76O 5O  86,86O  87O

 Góc gạt nước trên kính phía bên lái là 87O

2.1.4.2 Góc gạt tại cần gạt nước bên trái (bên phía phụ lái)

Từ (2) (3) và (5) ta có:

GEH BACHECBAG

121, 70O 20,34O 5O  106,36O  106O

 Góc gạt nước trên kính phía bên phụ lái là 106O

Sau khi tính toán xong góc gạt nước, ta có thể biểu diễn được sơ đồ góc quét của gạt mưa khi làm việc:

107°

87°

Hình 2.7 Sơ đồ thể hiện góc gạt ở hai vị trí

2.2 Tính toán tỉ lệ quét gạt nước trên kính lái

Chúng ta xác định tỉ lệ phần trăm lưỡi gạt gạt được trên kính lái bằng cách chia diện tích lưỡi gạt gạt được cho tổng diện tích của kính lái

2.2.1 Diện tích kính chắn gió phía trước

Bề mặt kính lái trước có dạng hình thang vậy nên để tính diện tích ta chia hình thành

ba hình nhỏ gồm một hình chữ nhật và hai hình tam giác vuông

C B

Hình 2.8 Tổng diện tích kính chắn gió trước

III

Khi đó, diện tích mặt kính chắn gió là:

8784 497, 76 497, 76 9779,52( ) 0,9779( )

I II III

2.2.2 Diện tích lưỡi gạt được trên kính chắn gió

Từ góc gạt mưa được tính toán ở mục 2.1 ta biểu diễn được diện tích gạt nước ở trên hình 2.6

Hình 2.9 Diện tích lưỡi gạt mưa gạt được trên kính chắn gió

Từ bản vẽ ta có được bán kính biên của lưỡi gạt nước:

R11= 716 (mm) R12=218 (mm) R21=726 (mm) R22=224 (mm)

2.2.3 Diện tích lưỡi gạt được bên phải (phía người lái)

Giả sử gạt nước quay một vòng thì ta có được diện tích qua công thức:

11 12 1

Lo L L

360 360

s

2.2.4 Diện tích lưỡi gạt được bên trái (phía phụ lái)

Giả sử gạt nước quay một vòng thì ta có được diện tích qua công thức:

21 22 2

360 360

s

2.2.5 Diện tích tổng do hai lưỡi gạt nước gạt được trên kính

Từ bản vẽ ta tính được diện tích của phần hai lưỡi gạt trùng nhau trên kính G=0,0053 2

m

Tổng diện tích hai lưỡi gạt mưa gạt được là:

0, 9779

S

L

Vậy hệ thống gạt nước gạt được 80, 220 của toàn bộ diện tích kính lái

2.3 Tính toán công suất của mô tơ gạt mưa và bơm nước rửa kính

Lượng công việc được thực hiện trên một đơn vị thời gian được gọi là công suất (P)

do đó, công suất mô tơ được tính bằng công thức:

W

I: Cường độ dòng điện tức thời (A)

2.3.1 Công suất mô tơ gạt mưa

Mô tơ gạt mưa sử dụng dòng điện 12V và gạt ở hai chế độ thấp và cao

2.3.2 Công suất bơm nước rửa kính

3 3 3.12 36(W)

P I V  

Để tính toán lưu lượng của bơm nước rửa kính ta có thể tính bằng cách trừ thể tích của bình chứa nước rửa kính theo thể tích cuối và chia cho thời gian

Thể tích ban đầu của bình chưa nước là một lít và thể tích cuối là 0,5 lít Thời gian cần thiết để chuyển 0,5 lít nước là năm phút

Mà ta có:

3 4

1 1.10 5.10

0, 0017( / ) 300

Vậy lưu lượng nước của bơm nước rửa kính là 0,0017 (l/s)

2.4 Tính toán phân tích lực cơ cấu gạt mưa

2.4.1 Xác định lực lò xo tác dụng lên tay gạt mưa

Để cần gạt mưa hoạt động hiệu quả cần có một lực vừa phải tác động nhằm ép lưỡi gạt nước luôn áp sát mặt kính để khi gạt nước không bị lọt qua cần gạt nước Với mục đích cuối cùng của hệ thống gạt mưa là làm sạch bề mặt kính khi gạt, do đó cần phải có một lực vừa đủ để tăng hiệu suất làm việc của hệ thống

Coi mặt kính có biên dạng cong về mặt phẳng nhằm xác định lực ép lò xo một cách tương đối, lực ép lò xo được biểu diễn vuông góc với mặt kính lái

40°

Flx

124

Hình 2.10 Sơ đồ tay cần gạt mưa

Lực tác dụng đó do một lò xo gắn ở tay gạt gây ra, vậy ta áp dụng định luật Hooke

để xác định lực kéo của lò xo thông qua độ cứng và độ giãn dài của lò xo x F: Lx  k x.