Luận văn Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống kỹ thuật cơ điện tử trong ôtô và đề xuất giải pháp mô hình cho bài toán cân bằng trên xe du lịch

LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Duy Liêm. Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho đến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan trên đây. Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009 Tác giả Hồ Văn Đàm LỜI CẢM ƠN Bản luận văn này được thực hiện tại Khoa Cơ Khí và Khoa Sư phạm kỹ thuật - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Tạ Duy Liêm đã hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy và cô giáo trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc, đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân và đồng nghiệp đã luôn quan tâm giúp đỡ, ủng hộ tôi cả về tinh thần lẫn vật chất. Vinh, ngày 12 tháng 11 năm 2009 Tác giả Hồ Văn Đàm M ỤC L ỤC  Trang   Trang phụ bìa    Lời cam đoan.........................................................................................................  1   Lời cảm ơn..............................................................................................................  2   Mục lục....................................................................................................................  3   Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt...........................................................  6   Danh mục các hình vẽ, đồ thị............................................................................  7   MỞ ĐẦU................................................................................................................  10   Chương 1. TỔNG QUAN CƠ ĐIỆN TỬ.......................................................  13   1.1. Cơ sở kỷ thuật của chuyên ngành cơ điện tử.........................................  13   1.1.1 Vai trò của các công nghệ tích hợp trong nền sản suất hàng hoá công nghệ cao của thời kỳ kinh tế trí thức...................................................  13   1.1.2. Mục tiêu, phương hướng nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam trong những năm tới......................................................................  16   1.1.3. Xu hướng phát triển của cơ điện tử thế giới....................................  18   1.1.4. Cơ điện tử là gì.......................................................................................  20   1.1.5. Lịch sử phát triển....................................................................................  24   1.2. Cơ điện tử là một khoa học về hệ thống.................................................  27   1.2.1. Ví dụ về hệ thống cơ điện tử...............................................................  27   1.2.2. Các thành phần của hệ thống cơ điện tử...........................................  27   1.2.2.1. Hệ thống cảm biến........................................................................  28   1.2.2.2. Cơ cấu chấp hành..........................................................................  29   1.2.2.3. Hệ thống xử lý thông tin.............................................................  30   1.2.2.4. Hệ thống cơ khí và biến đổi năng lượng.................................  31   1.2.2.5. Các hệ thống khác........................................................................  32   1.2.3. Cấu trúc chung của hệ thống cơ điện tử...........................................  32   1.3. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao nói chung và trong công nghệ ôtô hiện đại nói riêng..................................  34   1.3.1. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ cao  34   1.3.2. Những khả năng ứng dụng của cơ điện tử trong công nghệ ôtô hiện đại .........................................................................................................  38   Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT ÔTÔ.................................................................  41   2. 1. Cơ điện tử trong Ôtô...................................................................................  41   2.1.1. Xu hướng tích hợp công nghệ cơ điện tử trong Ôtô......................  41   2.1.2. Các thành phần cơ điện tử trong Ôtô................................................  49   2.1.3. Hệ thống trợ giúp...................................................................................  51   2.1.3.1. Hệ thống tự động cân bằng ESP...............................................  51   2.1.3.2. Hệ thống chống bó cứng phanh ABS......................................  52   2.2. Dao động và cân bằng dao động...............................................................  60   2.2.1. Giới thiệu.................................................................................................  60   2.2.2. Các thiết bị giảm chấn của xe Ôtô.....................................................  61   2.2.2.1 . Nhíp xe...........................................................................................  61   2.2.2.2. Giảm xóc lò xo..............................................................................  61   2.2.2.3. Giảm xóc khí - thủy lực..............................................................  62   2.3. Hệ thống giảm xóc hiện đại.......................................................................  63   Chương 3. THIẾT LẬP CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHO BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ CÂN BẰNG DAO ĐỘNG TRÊN ÔTÔ.........  67   3.1. Mô hình hệ thống giảm xóc của xe ôtô...................................................  67   3.1.1.Mô hình giao động của ôtô...................................................................  68   3.1.2. Mô hình bốn bánh..................................................................................  69   3.1.3. Mô hình một nửa Ôtô............................................................................  70   3.1.4. Mô hình một phần tư ôtô......................................................................  71   3.2. Hệ thống giảm xóc tự động........................................................................  71   3.3. Hệ thống giảm xóc bán chủ động.............................................................  73   3.3.1. Các phương pháp điều khiển...............................................................  73   3.3.2. Điều khiển Skyhook..............................................................................  75   3.3.3. Điều khiển Groundhook.......................................................................  77   3.4. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bị động...............................  78   3.4.1. Hệ thống giảm xóc bị động.................................................................  78   3.4.2 Dao động của hệ thống với kích động điều hoà..............................  79   3.5. Mô hình toán học của hệ thống giảm xóc bán chủ động....................  82   3.5.1 Mô hình hê thống giảm xóc bán chủ động........................................  82   3.5.2 Hệ thống Skyhook...................................................................................  83   3.5.3. Hệ thống Groundhook...........................................................................  86   Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIẢM XÓC BÁN CHỦ ĐỘNG...  90   4.1. Thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động...............................  90   4.1.1. Cảm biến...................................................................................................  90   4.1.2. Giảm chấn biến đổi................................................................................  91   4.1.2.1. Giảm chấn van thay đổi..............................................................  92   4.1.2.2. Giảm chấn từ biến.........................................................................  92   4.2. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống giảm xóc bán chủ động............  95   4.2.1. Cấu trúc của hệ thống............................................................................  94   4.2.2. Hoạt động của hệ thống........................................................................  96   KẾT LUẬN ...........................................................................................................  97   TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................  100   DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt  Tiếng Anh  Tiếng Việt   ABC  Automatic Body Control  Hệ thống tự động điều chỉnh ổn định toàn xe   ABS  Anti - block Brake System  Hệ thống phanh chống bó cứng   AFL  Adaptive Forward Light  Thay đổi độ rộng và góc quét của dải sáng theo hướng xe chạy   ASR  Anti - Spin Regulation  Hệ thống kiểm soát độ bám đường   CAE  Computer Aided Engineering  Gia công được trợ giúp bởi máy tính   CAN  Controller Area Network  Hệ truyền dữ liệu điện tử   CIM  Computer Intergrated Manufacturing  Hệ thống gia công điều khiển bằng mạng vi tính kết nối   DGPS  Differential Global Possitioning Systems  Hệ thống định vị toàn cầu sai phân   ESP  Electronic Stability Program  Chương trình quản lý độ ổn định bằng điện tử   FMS  Flexible Manufacturing System  Hệ thống tự động linh hoạt   Micro MEMS  Micro Electro Mechatronic System  Hệ vi cơ điện tử   NEMS  Nano Electronics Mechatronics System  Hệ thống siêu vi cơ điện tử   TCS  Traction Control System  Hệ thống điều khiển khả năng bám đường   VDC  Vehicle Dynamic Control  Hệ thống điều khiển động lực ôtô   DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Các tiêu chí cơ bản của những hình thái sản xuất – Đặc trưng của nền kinh tế tri thức...........................................................................................  16   Hình 1.2. Cơ điện tử, khoa học của nhiều ngành nghiên cứu.......................  24   Hình 1.3. Lịch sử phát triển của các hệ thống kỹ thuật từ cơ khí thuần túy đến các hệ cơ điện - tử ngày nay...................................................................  26   Hình 1.4. Sơ đồ thành phần của hệ thống cơ điện tử......................................  28   Hình 1.5. Mô hình cảm biến (Sensor).................................................................  28   Hình 1.6. Mô hình cơ cấu chấp hành (Actuator)..............................................  29   Hình 1.7. Cụm cơ cấu chấp hành cơ bản............................................................  29   Hình 1.8. Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển................................................  30   Hình 1.9. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý..................................................................  31   Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống cơ điện tử..........................................  33   Hình 1.11. Cơ điện tử trong điều khiển chạy dao của máy công cụ CNC.  35   Hình 1.12. Robot HRP-3 Promet Mk-II đang đi giống y như người..........  36   Hình 1.13. Mẫu robot “Asendro” một thế hệ robot bảo vệ mới nhất...........  37   Hình 2.1. Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ôtô...................................... ...............................  45   Hình 2.2. Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp hành...........................................................................................................  47   Hình 2.3. Các khu vực ứng dụng của hệ thống cơ điện tử trong một chiếc xe ôtô. ...................................... ...................................... ............................................  48   Hình 2.4. % đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ôtô.......................  48   Hình 2.5. Sự phát triển của các hệ thống an toàn cơ điện tử trong ôtô và khuynh hướng của nó....................................... .......................................................  49   Hình 2.6. Hệ thống tự động cân bằng ôtô (ESP) ..............................................  51   Hình 2.7. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) ............................................  53   Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống điều tiết Distronic.....................................  55   Hình 2.9. Đặc tuyến áp lực phanh theo thời gian với hệ thống trợ giúp thuỷ lực...................................... ..................................................................................  56   Hình 2.10. Các phương án cơ bản của bộ phanh thuỷ lực ABS. ..................  57   Hình 2.11. Hệ thống phanh cơ điện tử "Elektromechanische Bremse".......  58   Hình 2.12. Bộ cảm biến số vòng quay của bánh xe với hiệu ứng cảm ứng điện từ...........................................................................................................................  59   Hình 2.13. Nhíp xe ôtô.............................................................................................  61   Hình 2.14. Gảm xóc kết hợp với xi lanh dầu......................................................  62   Hình 2.15. Giảm xóc khí nén - thủy lực..............................................................  63   Hình 2.16. Hệ thống treo khí nén Airmatic của Mecerdes..............................  64   Hình 3.1. Xe ôtô du lịch với hệ thống giảm xóc trước và sau........................  67   Hình 3.2. Hệ thống giảm xóc trên một bánh..................... .................................  68   Hình 3.3. Xe ôtô du lịch với nhiều bộ phận và chi tiết....................................  68   Hình 3.4. Mô hình bốn bánh của hệ thống giảm xóc........................................  69   Hình 3.5. Mô hình 2 bánh với hai bánh bên (a) và hai bánh đồng trục (b).  70   Hình 3.6. Mô hình một bánh (một phần tư ôtô) của hệ thống giảm xóc.....  71   Hình 3.7. Hệ thống giảm xóc LEM của hãng Bose..........................................  72   Hình 3.8. Mô hình một phần tư ôtô.......................................................................  74   Hình 3.9. Điều khiển Skyhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ........................  74   Hình 3.10 Điều khiển Groundhook, ý tưởng (a) và thực hiện (b) ................  77   Hình 3.11. Hệ thống giảm xóc bị động................................................................  78   Hình 3.12. Hệ thống bị động với kích động điều hòa......................................  80   Hình 3.13. Các dao động của thân xe và bánh xe theo thời gian..................  82   Hình 3.14. Hệ thống giảm xóc bán chủ động.....................................................  82   Hình 3.15. Dao động thân xe và bánh xe của hệ thống Skyhook..................  86   Hình 3.16. Dao động của thân xe và bánh xe của hệ thống Groundhook...  88   Hình. 4.1. Cảm biến gia tốc TI CAS.....................................................................  91   Hình. 4.2. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn van điều khiển.............................  92   Hình 4.3. Tính chất của chất lỏng từ biến..........................................................  93   Hình. 4.4. Sơ đồ nguyên lý của giảm chấn MR.................................................  94   Hình. 4.5. Giảm chấn Delphi MagneRide của hãng Delphi...........................  95   Hình. 4.6. Các thành phần của hệ thống giảm xóc bán chủ động.................  95   Hình. 4.7. Sơ đồ hệ thống giảm xóc bán chủ động...........................................  96      LỜI MỞ ĐẦU Cơ điện tử hiện nay đã mở ra một phương pháp mới trong ứng dụng kỹ thuật và nó thực sự bao trùm lên mọi diện mạo của thế giới hiện đại. Cơ điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp hữu cơ của nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm cơ điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu mà cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó được quan niệm như một cơ thể sống. Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến đo lường, actuator: điều khiển và điều chỉnh), các phần mềm tin học... trong một đơn vị sản phẩm phải là xương thịt của nhau, là cơ bắp và là trí tuệ có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ vậy. Từ nhu cầu phát triển các sản phẩm cần công nghệ tích hợp liên ngành cơ khí điện, điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển hệ thống. Những hệ thống này đã chuyển từ hệ cơ điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơ điện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch điện tử số micro. Sự tích hợp này tạo nên một công nghệ mới, trong đó có sự chuyển biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ tạo nên đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới và cung cấp giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của thiết bị công nghiệp, dân dụng. Từ đó đến nay, cơ điện tử đã phát triển không ngừng, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời đã làm cho cơ điện tử có vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ. Sản phẩm cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao hơn, mức độ thông minh ngày càng mạnh và kích thước ngày càng được rút gọn. Trong tương lai, sự phát triển của hệ cơ điện tử sẽ được thúc đẩy bởi sự phát triển của các lĩnh vực có liên quan. Những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thống cũng sẽ tạo động lực cho sự phát triển của hệ cơ điện tử thông qua việc cung cấp những "công nghệ khả thi". Chẳng hạn, việc phát minh ra bộ vi xử lý đã có ảnh hưởng sâu rộng đến quá trình tái thiết kế hệ cơ khí và quá trình thiết kế mới hệ cơ điện tử. Chúng ta nên hy vọng vào những tiến bộ không ngừng của bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, sự phát triển của bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành dựa trên việc ứng dụng những tiến bộ của hệ thống vi cơ điện tử MEMS "Micro Electronics Mechanics System" và hệ thống siêu vi cơ điện tử NEMS "Nano Electronics Mechatronics System", các phương pháp điều khiển thích nghi và phương pháp lập trình tốc độ xử lý của máy tính, công nghệ mạng và công nghệ không dây, kỹ thuật gia công được trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer Aided Engineering) dùng cho việc lập mô hình hệ thống tiên tiến, tạo mẫu ảo và thử nghiệm. Sự phát triển nhanh chóng trong những ngành này sẽ giúp tăng tốc độ phát triển các sản phẩm thông minh. Mạng Intermet là một công cụ khi được ứng dụng kết hợp với công nghệ không dây cũng sẽ có khả năng tạo ra những sản phẩm cơ điện tử mới. Khi những phát triển trong thiết bị tự động đã cung cấp cho chúng ta ví dụ sinh động về sự phát triển của Cơ điện tử, thì có hàng loạt các ví dụ về các hệ thống thông minh trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, bao gồm thiết bị gia dụng thông minh, trong lĩnh vực "thiết bị thân thiện với con người" (thuật ngữ do H.Kobayashi(Guest Editoria), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2No.4,1997,P.217 đưa ra) chúng ta có thể hy vọng vào những những tiến bộ trong lĩnh vực cơ đ