(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí
TỔNG QUAN
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước
Ngành ô tô trong và ngoài nước đang có sự phát triển mạnh mẽ, thúc đẩy việc nghiên cứu và cải tiến các hệ thống an toàn nhằm giảm thiểu thương tích cho hành khách Các hãng xe đặc biệt chú trọng nâng cao hệ thống an toàn với công nghệ tiên tiến như ESP (cân bằng điện tử), ABS (hệ thống chống bó cứng phanh), EBD (phân bổ lực phanh điện tử), BA (hỗ trợ phanh khẩn cấp), và hệ thống kiểm soát hành trình thích nghi ACCS Đặc biệt, các hệ thống túi khí kết hợp với dây đai an toàn ngày càng được quan tâm nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ người đi xe trong các tình huống khẩn cấp.
Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp ô tô đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của đất nước Chính vì vậy, đào tạo về công nghệ kỹ thuật ô tô được đặc biệt chú trọng tại Việt Nam, trong đó Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã có hơn 65 năm kinh nghiệm trong đào tạo ngành ô tô Phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực này góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô trong nước vững mạnh và cạnh tranh trên thị trường quốc tế.
Trong những năm gần đây, ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô tại khoa Cơ Khí Động Lực, Trường ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM đã chuyển hướng đào tạo theo hướng công nghệ Phương pháp giảng dạy đã được cải tiến liên tục để phù hợp với thực tế, chú trọng vào thực hành nhiều hơn nhằm nâng cao kỹ năng thực tế cho sinh viên Việc tạo ra các mô hình phục vụ cho hoạt động thực hành là cần thiết để đáp ứng yêu cầu đào tạo trong ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô hiện đại.
Chúng tôi đã nhận nhiệm vụ thực hiện đồ án tốt nghiệp với mục tiêu củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời làm quen với công tác nghiên cứu khoa học Đây là cơ hội để ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn, nâng cao kỹ năng phân tích và giải quyết vấn đề trong lĩnh vực của mình Việc thực hiện đề tài giúp sinh viên phát triển tư duy nghiên cứu khoa học một cách bài bản, từ đó chuẩn bị tốt hơn cho quá trình làm việc sau này.
“NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TÚI KHÍ” Với sự hướng dẫn của thầy ThS Lê Quang Vũ.
Mục tiêu
- Nhằm củng cố và chuyên sâu kiến thức về hệ thống an toàn trên ô tô, đặc biệt là hệ thống túi khí an toàn
- Phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên hướng dẫn sinh viên trong quá trình thực tập
- Giúp cho sinh viên ứng dụng ngay bài học lý thuyết vào bài học thực hành
- Tạo điều kiện quan sát mô hình một cách trực quan, dễ cảm nhận được nguyên lý và cách thức làm việc của hệ thống túi khí trên xe.
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài đúng tiến độ, chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó có việc tham khảo tài liệu, thu thập thông tin liên quan, học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô và bạn bè Chúng em cũng nghiên cứu các mô hình giảng dạy cũ để tìm ra ý tưởng mới, hình thành đề cương cho đề tài Song song đó, chúng em còn áp dụng phương pháp thực nghiệm để thi công mô hình và biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình một cách hiệu quả.
Giới hạn của đề tài
Việc thiết kế, thi công, sưu tầm tài liệu phù hợp, thu thập thông tin chính xác và soạn thuyết minh đòi hỏi nhiều thời gian, kinh phí và kiến thức chuyên môn Vì vậy, đề tài tập trung vào giải quyết một số vấn đề cốt lõi nhằm tối ưu hóa quá trình thực hiện.
Giới thiệu về hệ thống túi khí trên ô tô
Thiết kế, thi công mô hình hệ thống túi khí
Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành trên mô hình hệ thống túi khí.
Các bước thực hiện
Lập kế hoạch thực hiện
Thiết kế và thi công mô hình hệ thống túi khí
Chỉnh sửa những sai sót trên mô hình
Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lịch sử và quá trình phát triển của hệ thống túi khí trên ô tô
Để bảo vệ người và hành lý trên xe khi xảy ra va đập, điều quan trọng là duy trì cấu trúc cabin ít bị hư hỏng và giảm thiểu các va đập thứ cấp do dịch chuyển của người lái và hành lý Các biện pháp đảm bảo an toàn bao gồm sử dụng khung xe có cấu trúc hấp thụ lực va đập, đai an toàn, túi khí SRS và các hệ thống an toàn khác nhằm tăng cường khả năng bảo vệ trong tình huống xảy ra tai nạn.
Túi khí ôtô được làm từ màng nilon mỏng, bền và co giãn, giúp tạo thành đệm bảo vệ an toàn cho hành khách trong trường hợp va chạm Các hệ thống túi khí như hệ thống hạn chế va đập (SIR) hay hệ thống túi khí bổ sung (SRS) đã được phát triển từ năm 1951, khi ông John W Hetrick phát minh ra hệ thống này Ban đầu, công nghệ túi khí lấy cảm hứng từ hệ thống trong máy bay và được làm từ ruột bóng đá bơm khí nén, tạo ra các hệ thống sơ khai lớn và hiệu quả Những chiếc túi khí thương mại đầu tiên ra mắt từ những năm 1970, khi việc thắt dây an toàn chưa bắt buộc, và túi khí được xem như bộ phận thay thế Năm 1971, Ford giới thiệu hệ thống túi khí thử nghiệm, trở thành hãng xe đầu tiên sử dụng rộng rãi công nghệ này, tiếp theo là General Motors với hệ thống túi khí hai giai đoạn trên các dòng Chevrolet vào năm 1973 Điểm khác biệt lớn giữa hệ thống sơ khai và hiện đại là túi khí phía trước hành khách được lắp ở đáy bảng táp-lô để bảo vệ đầu gối thay vì toàn bộ cơ thể như trong khoang để găng tay.
Hệ thống túi khí ban đầu đã được nâng cấp và thay thế bằng hệ thống túi khí SRS, lần đầu tiên ra mắt vào năm 1980 trên dòng xe Mercedes-Benz S-Class Hệ thống này giúp tăng cường khả năng bảo vệ hành khách khi xảy ra tai nạn, góp phần giảm thiểu chấn thương Bên cạnh đó, dây an toàn cũng được trang bị để tạo lực kéo và cố định hành khách, tăng hiệu quả bảo vệ trong các tình huống va chạm.
Vào năm 1987, Porsche lần đầu giới thiệu dòng xe có trang bị túi khí dành cho hành khách phía trước, nhằm tối đa hóa hỗ trợ và giảm tác động của lực va đập Cụm túi khí chính được lắp dưới đệm vô lăng, gồm túi khí bằng nylông, bộ thổi khí và đệm vô lăng Trong trường hợp va chạm mạnh hoặc tai nạn, cảm biến phát hiện giảm tốc đột ngột sẽ kích hoạt túi khí, gửi dòng điện vào ngòi nổ để tạo khí Khí Nitơ nhanh chóng được sinh ra qua quá trình đốt và đi qua bộ lọc, được làm mát trước khi bơm vào túi khí, giúp giảm tác động va đập đối với người lái Khi khí giãn nở, nó xé rách lớp ngoài của túi khí, làm túi khí bung ra để giảm nguy cơ chấn thương đầu cho người điều khiển.
Trong những năm 90 của thế kỷ trước, hệ thống túi khí chủ yếu là túi khí phía trước dành cho hành khách và người lái Sau năm 2000, các loại túi khí bên và túi khí rèm cửa được bổ sung để nâng cao khả năng bảo vệ hành khách Từ sau 2005, hệ thống túi khí phát triển thêm các túi khí ở đầu, đầu gối, xương chậu, cùng với hệ thống module tích hợp cảm biến ESP nhằm bảo vệ người đi bộ và phát hiện người ngồi trên xe để kích hoạt túi khí khi cần thiết Trong giai đoạn từ 2013 đến 2015, hệ thống túi khí đã kết hợp chặt chẽ với hệ thống ESC (Electronic Stability Control), nâng cao khả năng đảm bảo an toàn toàn diện cho hành khách.
Tổng quan về túi khí trên ô tô
Hệ thống túi khí tự động được kích hoạt và bơm phồng trong thời gian rất ngắn ngay sau va chạm để giảm thiểu chấn thương cho người ngồi trong xe Túi khí phía trước giúp giảm tổn thương ở vùng đầu, cổ và ngực của lái xe và hành khách khi xảy ra va chạm phía trước Túi khí bên hông và túi khí trên trần xe hoạt động khi có va chạm bên thân hoặc xe lật để bảo vệ đầu và vai của người ngồi Tuy nhiên, việc trang bị túi khí không đảm bảo người trong xe hoàn toàn tránh khỏi nguy hiểm trong các trường hợp tai nạn nặng; do đó, việc thắt dây đai an toàn đặc biệt quan trọng Khi xảy ra va chạm, túi khí bung ra với vận tốc rất lớn khoảng 320 km/h, nên người trong xe cần thắt dây đai để giữ chặt vào ghế, giúp hạn chế bị hất văng về phía trước, giảm lực va đập trực tiếp lên đầu và ngực Thắt dây đai còn giúp rút ngắn khoảng cách tiếp xúc giữa người và túi khí khi túi khí bung ra với tốc độ cao, nâng cao khả năng bảo vệ tối đa trong tai nạn.
Khi túi khí được kích hoạt, toàn bộ thân người sẽ va đập về phía trước, đồng thời túi khí bùng nổ tạo lực ngược lại khiến người ngồi bị hất về phía sau với gia tốc lớn hơn, khiến việc bị thương do túi khí bung ra là khó tránh khỏi Trong trường hợp này, túi khí không chỉ mất tác dụng bảo vệ mà còn có thể gây thương tích nghiêm trọng hơn cho lái xe và hành khách Hiểu rõ vấn đề này, nhiều hãng xe đã nghiên cứu và ra mắt các loại túi khí hai giai đoạn nhằm giảm thiểu tác động của túi khí lên người ngồi trong xe khi xảy ra va chạm.
Túi khí trên ô tô chỉ sử dụng một lần và được kích hoạt nhờ các cảm biến như cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất, cảm biến con quay hồi chuyển, cảm biến vị trí ghế và cảm biến nhận diện ghế ngồi, tất cả đều kết nối với bộ điều khiển túi khí ACU để tính toán hoạt động phù hợp Khi xảy ra va chạm, bộ điều khiển kích hoạt túi khí bằng cách đốt cháy các hợp chất dễ cháy như Natri, Kali Nitrat, tạo ra khí Nitrat, Hydro, Oxy đẩy khí vào túi khí với tốc độ 320 km/h trong khoảng 0.04 giây, giúp bảo vệ hành khách Sau khi bơm căng, khí thoát ra qua các lỗ hơi nhằm giảm thiểu tổn thương do tác động, đồng thời các hạt bụi như bột ngô giúp ngăn dính giữa các lớp túi khí khi xếp lại, đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của hệ thống trong quá trình va chạm.
Cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của hệ thống túi khí trên ô tô
2.3.1 Cấu tạo – chức năng của các bộ phận
Túi khí ô tô là thiết bị an toàn thiết yếu, có chức năng bảo vệ người trên xe khỏi chấn thương nghiêm trọng trong va chạm Được thiết kế để hoạt động một lần duy nhất, túi khí tự hỏng sau khi bung để đảm bảo an toàn tối đa Vật liệu sử dụng trong túi khí cần có độ bền cao, chống mài mòn, dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng tốt để chịu lực tác động lớn Hệ thống túi khí gồm các thành phần chính như vật liệu nylon dày, bơm khí và cảm biến điện cơ, hoạt động chính xác khi xảy ra va chạm Khi cảm biến va chạm phát hiện tai nạn, mạch điện sẽ kích hoạt bơm khí và đẩy khí vào trong túi khí với áp suất cao, giúp giảm thiểu tác động trực tiếp vào người ngồi trên xe, tránh các chấn thương nghiêm trọng do va chạm với vô lăng hay các bộ phận cứng khác trên bảng điều khiển.
Túi khí ô tô, như hình 2.1, được làm từ sợi nilon tổng hợp để đảm bảo khả năng bung ra nhanh chóng khi xảy ra tai nạn Tuy nhiên, do vận tốc bung ra cực lớn, túi khí có thể gây chấn thương cho người ngồi do phản lực từ quá trình bung của nó Chính vì vậy, việc hiểu rõ cơ chế hoạt động của túi khí là rất quan trọng để nâng cao an toàn cho hành khách trên xe.
Từ năm 2006, hiệp hội các nhà sản xuất xe hơi Hoa Kỳ yêu cầu bắt buộc trang bị từ 4 đến 8 túi khí trên xe, sử dụng cảm biến điện tử và vật liệu mới để nâng cao hiệu quả bảo vệ Các cảm biến hiện đại như cảm biến va chạm chéo, cảm biến gia tốc, cảm biến tốc độ, cảm biến áp lực, cảm biến áp suất sườn và hông xe, cùng cảm biến vị trí ghế ngồi, truyền tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm (ACU), giúp túi khí hoạt động chính xác nhằm giảm thiểu tối đa thương tích cho người ngồi trong mọi tình huống va chạm, kể cả khi xe lật Trong một số trường hợp, túi khí có thể nổ do áp lực quá căng hoặc không bung ra kịp thời, khiến cho chức năng bảo vệ bị vô hiệu, gây nguy hiểm cho hành khách.
Công nghệ vật liệu túi khí đã chuyển từ sợi nilon sang sợi composite tổng hợp, giúp túi khí trở nên dai và bền hơn gấp 20 lần so với sợi nilon truyền thống Ngoài ra, các túi khí mới còn có khả năng giảm chấn động lên tới 40% trong các va chạm, mang lại sự an toàn tối ưu hơn cho hành khách Nguyên lý hoạt động của túi khí cũng được cải tiến hoàn toàn, không chỉ đơn thuần là bơm khí vào mà còn sử dụng các công nghệ tự động thông minh để phản ứng nhanh chóng và hiệu quả hơn trong các tình huống khẩn cấp.
Các túi khí được thiết kế để nâng cao khả năng bảo vệ của lái xe và hành khách phía trước, hoạt động cùng dây an toàn để giảm thiểu chấn thương trong va chạm mạnh Khi xảy ra va đập từ phía trước, túi khí sẽ phồng lên nhanh chóng, giúp giảm nguy cơ đầu hoặc mặt của người lái và hành khách đập vào vô lăng hoặc bảng táp lô Điều này góp phần tăng cường sự an toàn của người ngồi trên xe trong các tình huống va chạm nghiêm trọng.
Hình 2.2 Chức năng túi khí
Hình 2.3 Chức năng túi khí và đai an toàn c Vị trí thường thấy của túi khí
- Túi khí phía trước dành cho người lái và hành khách
Túi khí phía trước cho người lái thường được gắn trên vô lăng, có thể tích khoảng
Túi khí phía trước dành cho hành khách thường được đặt trên bảng điều khiển hoặc nội thất phía trước bên phía hành khách, với dung tích khoảng 110 lít đối với các thương hiệu như Mazda, Kia Khi xảy ra va chạm, túi khí phía trước hoạt động nhằm bảo vệ đầu, ngực và phần phía trước của cơ thể hành khách và người lái, giúp giảm thiểu chấn thương Quá trình kích hoạt túi khí từ khi cảm biến phát hiện va chạm đến khi túi khí bung ra chỉ mất khoảng từ 40-80 mili giây, đảm bảo phản ứng nhanh chóng để bảo vệ an toàn người sử dụng.
Hình 2.4 Túi khí trước cho người lái và hành khách
Túi khí trên vô lăng và túi khí hành khách phía trước không đủ để bảo vệ hành khách trước các va chạm từ bên hông hoặc phía sau xe Để khắc phục, các túi khí bên hông đã được lắp đặt, thường nằm trong hộp và bố trí bên ngoài lưng ghế hoặc trong các vị trí như trên nóc xe, cạnh ghế hoặc cửa xe Cảm biến va chạm được lắp đặt ở các trụ cửa gần bản lề để gửi tín hiệu kích hoạt túi khí bên hông khi có va chạm xảy ra Công nghệ túi khí đã liên tục tiến bộ, đặc biệt trong điều khiển và xử lý sự bung nổ nhằm giảm thiểu chấn thương hoặc tử vong cho người lái và hành khách Các yếu tố như khoảng cách, vị trí hành khách, cường độ va chạm và sử dụng đai an toàn được tính toán kỹ lưỡng để hệ thống SRS hoạt động chính xác Hệ thống túi khí hiện đại còn tích hợp bộ thổi khí kép nhiều tầng để điều chỉnh lực va chạm phù hợp trong các tình huống khác nhau như va chạm mạnh hoặc nhẹ Nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa túi khí và dây an toàn có thể giảm đến 8% số người tử vong trong các vụ tai nạn ô tô.
Túi khí được kích hoạt khi xảy ra tai nạn từ phía bên của xe nhằm bảo vệ các bộ phận bên trong như tay, vai, sườn Túi khí sẽ không hoạt động nếu va chạm chéo hoặc trực diện vào phần sườn không nằm trong khu vực khoang hành khách Thể tích túi khí khoảng 8 lít (như của Mazda, Kia) và quá trình triển khai hoàn tất trong khoảng 20ms, đảm bảo sự an toàn tối đa cho hành khách trong trường hợp tai nạn.
Hình 2.5 Các vị trí túi khí bên
- Túi khí bên phía trên (Túi khí rèm)
Túi khí bên phía trên có khả năng kéo dài và bao phủ toàn bộ cửa sổ, tùy thuộc vào loại xe Hệ thống tạo hơi được lắp đặt trên trần xe giúp túi khí này tiếp tục thổi phồng lâu hơn sau khi kích hoạt, với dung tích khoảng 12-19 lít và thời gian kích hoạt hoàn toàn từ 15-30ms, tùy từng loại xe.
Hình 2.6 Vị trí túi khí bên phía trên (Túi khí rèm)
Hình 2.7 Vị trí túi khí đầu gối
Túi khí đầu gối được lắp đặt phía dưới bảng điều khiển nhằm hạn chế chấn thương chân của người lái và hành khách trong trường hợp va chạm từ phía trước Thiết kế này giúp tăng cường an toàn cho hành khách, giảm thiểu rủi ro chấn thương nghiêm trọng khi xảy ra va chạm Việc trang bị túi khí đầu gối là một bước tiến trong công nghệ an toàn xe hơi nhằm bảo vệ hành khách hiệu quả hơn.
2.3.1.2 Bộ phận tạo khí a Bộ tạo khí phía người lái một giai đoạn
Một bộ thổi khí thông thường bao gồm:
Ngòi nổ hoạt động giống như Bug, có chức năng chính là sản sinh ra dòng điện từ 1A-3A trong vòng dưới 3ms Chức năng này giúp đốt cháy chất mồi lửa và hạt tạo khí, từ đó tạo ra lượng khí lớn trong thời gian ngắn nhất Đây là bộ phận quan trọng trong hệ thống đánh lửa, đảm bảo quá trình phát ra tia lửa điện để khởi động quá trình đốt cháy nhiên liệu hiệu quả.
Chất mồi lửa: Đảm nhiệm như một chất xúc tác đẩy nhanh quá trình đốt cháy hạt tạo khí
Hạt tạo khí gồm các chất dễ cháy như Natri azua (NaN₃), Kali nitrat (KNO₃), và Silic dioxit (SiO₂) Khi cháy, các hợp chất này sẽ tạo ra khí Nitơ, Oxy và Hydro ở nhiệt độ cao, góp phần thúc đẩy quá trình cháy và tạo khí hiệu quả.
Bộ lọc: Có chức năng lọc và làm mát các hợp chất khí được tạo ra từ khoảng 600 C xuống dưới 80 C
Hình 2.8 Cấu tạo bộ tạo khí vị trí người lái
Ngòi nổ Mặt trước Túi khí
Vành tay lái Nắp bộ thổi
Bộ thổi khí và túi được đặt trong mặt vành tay lái và không thể tháo rời
Quá trình hoạt động của túi khí bắt đầu khi dòng điện được truyền đến ngòi nổ, làm nóng ngòi nổ và kích hoạt chất cháy trong đó, gây ra phản ứng nhiệt và lửa lan truyền nhanh chóng đến chất mồi và hạt tạo khí NaN3 Chất tạo khí này sinh ra một lượng lớn khí nitơ (N2), được lọc, làm mát rồi đi vào túi khí Khi khí nén ngày càng lớn, túi khí phồng lên, xé rách mặt vành tay lái và mở rộng trong khoang hành khách, rồi nhanh chóng xẹp xuống khi khí thoát qua các lỗ xả khí để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.
Hệ thống giảm lực va đập vào túi khí giúp bảo vệ người lái an toàn hơn trong các tình huống khẩn cấp, đồng thời duy trì tầm nhìn rộng để tăng khả năng phản ứng nhanh Bộ tạo khí vị trí hành khách một giai đoạn đảm bảo hoạt động chính xác, nhanh chóng trong quá trình kích hoạt, nâng cao hiệu quả bảo vệ trên xe.
Hình 2.9 Cấu tạo của bộ tạo khí vị trí hành khách
Túi khí hành khách phía trước có thể tích từ 100 đến 110 lít, được bơm căng nhanh chóng trong khoảng 50 đến 90 ms để đảm bảo an toàn tối đa Hệ thống túi khí gồm các thành phần như ngòi nổ, chất cháy mồi và hạt tạo khí, phối hợp hoạt động chính xác để giảm thiểu chấn thương Ngoài ra, hệ thống còn có đĩa chặn giữa khoang chứa khí trơ và buồng đốt tạo khí nhằm kiểm soát sự phóng khí hiệu quả Khí nén trong hệ thống được chứa trong ống áp suất cao khoảng 256 kg/cm², sử dụng hỗn hợp khí trơ Argon (Ar) và Heli (He) để đảm bảo hoạt động ổn định và nhanh chóng khi cần thiết.
Cơ sở lý thuyết về phần cơ khí
Mục đích của đồ án là chế tạo mô hình túi khí tái sử dụng và mô phỏng gần giống hệ thống túi khí trên ô tô hiện tại Nhóm đã thiết kế mô hình trực quan bằng khung sắt chuyển động tịnh tiến trên đường thẳng, mô phỏng quá trình va chạm trực diện của xe với vật thể phía trước Để đảm bảo chuyển động trơn tru và không bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường, nhóm lựa chọn sử dụng bánh xe thép có rãnh V và xe trượt trên đường ray, tách biệt để thuận tiện trong vận chuyển và lắp đặt.
Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch điện, điều khiển
Để chế tạo mô hình túi khí nhiều lần, việc thay thế hệ thống thổi khí hóa học trên các hệ thống túi khí ô tô hiện nay bằng hệ thống thổi khí nén từ bình chứa là cần thiết Hệ thống này giúp giảm thiểu lượng chất hóa học sử dụng và nâng cao khả năng tái sử dụng của túi khí Để kiểm soát dòng khí theo ý muốn và thời điểm phun khí chính xác, cần có sự phối hợp của các vi điều khiển, van khí điều khiển bằng điện và cảm biến Những thành phần này đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác của hệ thống túi khí nén tái sử dụng.
Sơ đồ mạch điện mạch điều khiển hệ thống túi khí trên xe KIA SORENTO 2013
35 Hình 2.40 Sơ đồ mạch điện mạch điều khiển túi khí trên xe Kia Sorento 2013
Bảng 2.1 Các chi tiết của mạch điện xe KIA SORENTO 2013 Tín hiệu đầu vào
STT Kí hiệu Thiết bị Chân truyền tín hiệu
1 E33 Cảm biến va chạm phía trước vị trí người lái
2 E34 Cảm biến va chạm phía trước vị trí hành khách phía trước (Passenger Front Impact Sensor)
3 D12 Cảm biến áp suất bên ở vị trí người lái
(Driver Pressure Side Impact Sensor)
4 D32 Cảm biến áp suất bên ở vị trí hành khách phía trước (Driver Pressure Side Impact Sensor)
5 F45 Cảm biến va chạm bên trái phía sau
(Rear Side Impact Sensor LH)
6 F46 Cảm biến va chạm bên phải phía sau
(Rear Side Impact Sensor RH)
7 F51 Driver Seat Belt Pretensioner Anchor (High) 26 –25 (Low)
8 F47 Công tắc cài khóa đai an toàn và cảm biến vị trí ghế ngồi bên phía hành khách (Driver Seat Belt Buckle Switch)
9 F48 Công tắc cài khóa đai an toàn và cảm biến vị trí ghế ngồi bên phía tài xế (Passenger Seat Belt Buckle Switch)
10 F63 Hệ thống phát hiện hành khách
PODS (Passenger Occupant Detecting System)
Túi khí phía người lái được kích hoạt
Các tín hiệu va chạm được xác định bởi cảm biến gia tốc đặt tại vị trí E33 (bên trái) và E34 (bên phải), gửi tín hiệu đến module qua các chân (High) 23 – 22 (Low) và (High) 25 – 24 (Low) Dòng điện từ chân 20 (High) của module túi khí trung tâm chạy qua cáp xoắn đảm bảo truyền tín hiệu chính xác cho hệ thống khí cụ an toàn.
STT Kí hiệu Thiết bị Chân truyền tín hiệu
1 M22 Bộ kích túi khí người lái 1 st
Bộ kích túi khí người lái 2 nd (Driver Airbag 2 nd Stage)
Bộ kích túi khí hành khách phía trước 1 st (Passenger Airbag 1 st )
Bộ kích túi khí hành khách phía trước 2 nd (Passenger Airbag 2 nd )
3 F43 Túi khí bên ở vị trí người lái
4 F44 Túi khí bên ở vị trí hành khách
5 F41 Túi khí rèm vị trí người lái
6 F42 Túi khí rèm vị trí hành khách
7 F49 Bộ căng đai khẩn cấp vị trí người lái
8 F50 Bộ căng đai khẩn cấp vị trí hành khách
Hệ thống túi khí trung tâm hoạt động qua các bộ phận chính, bắt đầu từ tay lái và ngòi nổ của túi khí, nơi dòng điện chạy qua đã kích hoạt bộ thổi khí để làm phồng túi khí người lái ở giai đoạn 1 Dòng điện di chuyển từ chân (High) 16 của module túi khí trung tâm qua cáp xoắn trên tay lái, ngòi nổ và chân (Low) của module để kích hoạt giai đoạn 2 của túi khí người lái Ngoài ra, cảm biến vị trí ghế ngồi và hệ thống cài dây đai an toàn (F47) cung cấp thông tin về vị trí ghế và tình trạng dây đai, giúp hệ thống túi khí hoạt động chính xác và an toàn hơn.
Bộ căng đai ghế người lái được kích hoạt
Khi bộ cảm biến trung tâm gửi tín hiệu điện đến chân 12 (High) qua dây đai trước, sau đó trở về chân 11 (Low), bộ căng đai phía người lái F49 sẽ được kích hoạt, đảm bảo hệ thống an toàn hoạt động chính xác.
Túi khí hành khách được kích hoạt
Dòng điện từ chân 13 (High) của module túi khí trung tâm truyền qua ngòi nổ của túi khí hành khách để kích hoạt túi khí hành khách (M24) trong giai đoạn 1 Tương tự, dòng điện từ chân 17 (High) của module túi khí trung tâm đi qua ngòi nổ của túi khí hành khách để kích hoạt túi khí (M69) trong giai đoạn 2 Quá trình này giúp đốt cháy chất tạo khí và làm bung túi khí hành khách, đảm bảo an toàn cho hành khách trong tình huống va chạm.
Bộ căng đai ghế hành khách được kích hoạt
Khi bộ cảm biến trung tâm gửi tín hiệu điện đến chân 14 (High) qua độ căng đai trước dây đai và về chân 13 (Low), hệ thống sẽ kích hoạt bộ căng đai vị trí hành khách F50 để đảm bảo an toàn tối đa.
Túi khí bên hông ở vị trí người lái được kích hoạt
Các cảm biến áp suất sườn phía bên trái, nằm gần vị trí người lái D12, phát hiện các tín hiệu va chạm và gửi tín hiệu tới module trung tâm qua các chân (High) 36-35 và (Low) Sau đó, hệ thống ACU trung tâm nhận tín hiệu này và kích hoạt bộ kích nổ túi khí phía bên người lái thông qua các chân (High) 16-15, giúp làm phồng túi khí nhanh chóng để đảm bảo an toàn cho hành khách.
Túi khí bên hông ở vị trí hành khách được kích hoạt
Các cảm biến áp suất sườn phía bên hành khách (D32) phát hiện tín hiệu va chạm và gửi thông tin tới module túi khí qua chân (High) 38-37 (Low) Cảm biến PODS nhận diện hành khách và gửi dữ liệu tới module trung tâm để đánh giá mức độ va chạm Nếu mức độ va chạm vượt ngưỡng an toàn do nhà sản xuất đề ra, module trung tâm sẽ kích hoạt tín hiệu điện để kích hoạt túi khí bên hành khách (F44) qua chân (High) 17-18 (Low) Khi đó, túi khí bên sẽ lập tức bung nổ để đảm bảo an toàn cho hành khách bị va đập từ phía sườn phải.
Cơ sở lý thuyết giao tiếp I2C
I2C, viết tắt của Inter-Integrated Circuit, là giao thức bus truyền thông giữa các vi mạch tích hợp (IC) với nhau Bus I2C thường được sử dụng làm phương thức giao tiếp ngoại vi cho nhiều loại IC khác nhau như vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM, cùng với các chip nhớ như RAM tĩnh (Static RAM), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC), và các IC điều khiển màn hình LCD, LED Giao thức này giúp kết nối các thiết bị một cách hiệu quả, ổn định và tiết kiệm không gian mạch.
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu
- Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master (Arduino trung tâm) phát đi (Thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1 MHz và 3.4 MHz)
- Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng gửi và nhận
Trong hệ thống bus I2C, nhiều thiết bị có thể được kết nối cùng lúc mà không gây nhầm lẫn, nhờ vào địa chỉ duy nhất của từng thiết bị Mỗi thiết bị đều có mối quan hệ chủ/tớ (Master/Slave) tồn tại suốt quá trình kết nối, giúp phân biệt rõ vai trò của từng thiết bị trong hệ thống Các thiết bị có thể hoạt động như là nguồn gửi dữ liệu, nhận dữ liệu, hoặc vừa gửi vừa nhận, tùy thuộc vào vai trò của chúng là chủ (Master) hay tớ (Slave) Thiết bị kết nối qua bus I2C không chỉ được xác định bởi địa chỉ riêng mà còn được cấu hình để hoạt động với vai trò chủ hoặc tớ, trong đó thiết bị chủ chịu trách nhiệm cung cấp xung đồng hồ và điều khiển toàn bộ hệ thống Trong quá trình giao tiếp, thiết bị chủ sẽ tạo ra xung đồng hồ và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác, suốt thời gian hoạt động của bus.
40 quá trình giao tiếp Thiết bị chủ đóng vai trò chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp
Hình 2.41 Sơ đồ giao tiếp I2C
Bạn có thể sử dụng một board Arduino trung tâm (Board Master) để điều khiển nhiều board Arduino khác (board Slave) chỉ qua hai dây SCL và SDA, giúp hệ thống trở nên đơn giản và hiệu quả Mỗi board Slave được đặt một địa chỉ cố định riêng biệt, đảm bảo việc giao tiếp giữa các thiết bị diễn ra chính xác và ổn định Đây là phương pháp lý tưởng để xây dựng các hệ thống điều khiển từ xa hoặc tự động hóa đa thiết bị từ một nguồn trung tâm.
Cách thức giao tiếp với nhiều thiết bị thông qua giao thức I2C
Trong giao tiếp I2C, mỗi thiết bị có địa chỉ duy nhất hoặc đã được thiết lập sẵn để thiết bị chủ (Master) có thể giao tiếp Hai chân SDA và SCL là thành phần chính của giao tiếp I2C, trong đó chân SCL đóng vai trò đồng bộ hóa dữ liệu thông qua tín hiệu xung clock do thiết bị chủ tạo ra Chân SDA còn gọi là chân truyền dữ liệu (DATA), luôn hoạt động ở chế độ mở, do đó cần sử dụng trở kéo (Pull resistor) để đảm bảo hoạt động ổn định Thông thường, điện trở kéo từ 2KΩ đến 10KΩ được sử dụng, tùy thuộc vào tốc độ truyền dữ liệu mong muốn, với 2KΩ phù hợp cho tốc độ khoảng 400 KBps, còn 10KΩ phù hợp cho tốc độ thấp hơn khoảng 100 KBps.
Dưới đây là hướng dẫn kết nối hai module với Arduino một cách đơn giản và hiệu quả Lưu ý rằng không cần sử dụng điện trở kéo nữa vì các module đã được tích hợp sẵn điện trở kéo bên trong, do nhà sản xuất đã tích hợp sẵn để giảm thiểu các bước lắp đặt phức tạp Việc này giúp quá trình kết nối trở nên thuận tiện hơn, tiết kiệm thời gian và đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Ứng dụng phần mềm thiết kế, mô phỏng mạch điện Proteus
Proteus là phần mềm mô phỏng hoạt động của mạch điện tử, hỗ trợ thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các vi điều khiển phổ biến như MCS-51, PIC, AVR Được nghiên cứu và phát triển bởi Labcenter Electronics, Proteus cho phép mô phỏng hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng một cách chính xác và thuận tiện.
Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện với hình ảnh đẹp, cho phép tùy chỉnh đường nét, màu sắc và lựa chọn các mạch mẫu có sẵn (Templates) do hãng cung cấp, giúp người dùng dễ dàng thiết kế Phần mềm nổi bật với khả năng hoạt động trên nhiều nền tảng Windows từ các phiên bản cũ đến Windows 10, cùng tính năng tự sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao trên mạch điện, giúp quá trình thiết kế trở nên dễ dàng hơn Người dùng có thể chọn đối tượng, thiết lập thông số một cách dễ dàng và phần mềm còn hỗ trợ xuất file thống kê, tích hợp các công cụ quản lý mạch điện lớn hiệu quả.
Bộ phần mềm được thiết kế với giao diện chuyên nghiệp, khoa học và dễ sử dụng, phù hợp cho mọi người dùng Nó đi kèm với bộ thư viện phong phú, được phát triển bởi cộng đồng người dùng năng động Chính nhờ những tính năng ưu việt này, phần mềm trở thành một trợ thủ đắc lực trong quá trình thiết kế và thi công mạch điện, giúp nâng cao hiệu quả công việc và đảm bảo độ chính xác cao.
Hình 2.43 Giao diện thiết kế mạch điện phần mềm Proteus