Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô, cùng với hệ thống động lực, các trang thiết bị an toàn đóng vai trò then chốt đối với khả năng vận hành của phương tiện. Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu đảm nhận chức năng cung cấp tầm nhìn cho người lái khi di chuyển trong điều kiện thiếu sáng hoặc thời tiết bất lợi, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo sự hiện diện và trạng thái chuyển động của xe cho các phương tiện xung quanh. Lịch sử phát triển của công nghệ chiếu sáng ô tô đã trải qua hơn 120 năm với nhiều cải tiến từ bóng đèn sợi đốt, halogen, đèn tăng áp xenon đến các công nghệ điều khiển chùm sáng theo tầm nhìn tài xế.

Đề tài "Hệ thống chiếu sáng, tín hiệu trên ô tô" được thực hiện dưới dạng đồ án môn học Hệ thống Điện - Điện tử Ô tô tại Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH), do sinh viên Nguyễn Quốc Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Bản (hoàn thành tháng 12 năm 2020).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cấu tạo, phân loại và thông số kỹ thuật của các cụm đèn trong hệ thống chiếu sáng và tín hiệu trên ô tô.
  2. Khảo sát chức năng và phương pháp đo kiểm các phần tử, khí cụ điện như công tắc điều khiển tổ hợp, rơ-le, cầu chì, bộ chớp xi-nhan.
  3. Ứng dụng phần mềm AutoCAD để thiết kế các sơ đồ mạch điện nguyên lý gồm: mạch đèn pha - cốt, mạch đèn kích thước và sương mù, mạch đèn tín hiệu chuyển hướng (xi-nhan) và báo nguy (hazard).
  4. Phân tích các dạng hư hỏng thường gặp trong hệ thống điện chiếu sáng và đề xuất quy trình kiểm tra, chẩn đoán.
  5. Thi công, đấu nối hoàn thiện mô hình thực hành hệ thống chiếu sáng trên tấm nền mica phục vụ học tập và kiểm tra chức năng.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống chiếu sáng và tín hiệu trên ô tô bao gồm đèn pha/cốt (headlights), đèn kích thước (tail lights), đèn sương mù (fog lights), đèn phanh (brake lights) và đèn báo rẽ/báo nguy (turn signal/hazard lights). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện điều khiển bằng rơ-le và công tắc cơ - điện loại dương chờ, phương pháp đo kiểm thực tế và thi công mô hình bàn giao tại xưởng thực hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết điện - điện tử ô tô chuyên ngành, sử dụng các tài liệu kỹ thuật tiêu chuẩn:

  • Giáo trình "Hệ thống điện, điện tử ô tô" do TS. Nguyễn Văn Nhanh biên soạn.
  • Bộ tài liệu đào tạo kỹ thuật hệ thống điện thân xe của hãng Toyota (Toyota Full).
  • Các tiêu chuẩn kỹ thuật về phân bố chùm sáng theo hệ thống Châu Âu và hệ thống Châu Mỹ.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân tích cấu tạo quang học (chóa phản xạ parabol, kính khuếch tán, bóng đèn) và nguyên lý đóng ngắt dòng điện trong các chế độ tải.
  • Phương pháp thiết kế đồ họa kỹ thuật: Sử dụng phần mềm AutoCAD để xây dựng sơ đồ mạch điện chi tiết cho từng phân hệ và sơ đồ tổng thể toàn hệ thống.
  • Phương pháp đo kiểm và chẩn đoán thực nghiệm: Sử dụng đồng hồ vạn năng (VOM) ở thang đo điện trở (Ω) và điện áp (V) để đo thông mạch, xác định sơ đồ chân giắc cắm công tắc tổ hợp, kiểm tra tình trạng tiếp điểm rơ-le, cầu chì và bộ chớp cơ.
  • Phương pháp thi công lắp ráp: Gia công cơ khí (khoan lỗ, định vị) trên tấm mica, bố trí linh kiện thực tế, đi dây và đấu nối nguồn điện ắc quy để vận hành kiểm chứng.

Nguồn dữ liệu và thiết bị phục vụ nghiên cứu gồm: cụm công tắc điều khiển đèn tổ hợp, rơ-le 4 chân kèm diode bảo vệ, bộ chớp xi-nhan cơ 3 chân (B-L-E), bóng đèn sợi đốt/halogen, đuôi đèn, cầu chì, công tắc phanh, công tắc bật tắt và nguồn cấp điện một chiều.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống chiếu sáng, tín hiệu trên ô tô

Chương này trình bày tính cấp thiết của hệ thống chiếu sáng và tín hiệu trong việc đảm bảo an toàn giao thông, điểm lại lịch sử phát triển hơn 120 năm của công nghệ chiếu sáng ô tô từ các nguồn sáng sơ khai đến đèn xenon và hệ thống chiếu sáng thông minh. Nội dung chương xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, các nhiệm vụ kỹ thuật cần giải quyết, phương pháp tiếp cận tài liệu và bố cục 5 chương của đồ án.

Chương 2: Tổng quan hệ thống chiếu sáng

Tác giả hệ thống hóa các nhiệm vụ, yêu cầu kỹ thuật và phân loại toàn bộ hệ thống chiếu sáng trên phương tiện:

  • Nhiệm vụ: Soi sáng mặt đường khi xe vận hành ban đêm, báo hiệu kích thước và sự hiện diện của xe, cảnh báo chuyển hướng hoặc phanh dừng, chiếu sáng khoang lái và các vị trí tiện nghi bên trong xe.
  • Yêu cầu kỹ thuật: Đèn pha phải đạt tầm chiếu xa tối thiểu 100 m, cường độ chiếu sáng mạnh nhưng không gây lóa mắt người lái xe ngược chiều, hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng.
  • Phân loại chùm sáng: Phân định rõ hai tiêu chuẩn phân bố quang học:
    • Hệ thống chiếu sáng Châu Âu: Tim đèn cốt đặt phía trước tiêu cự và cao hơn trục quang học, có miếng chắn phản chiếu nhỏ bị cắt góc 15° bên trái để chùm sáng chiếu lệch về bên phải mặt đường rộng hơn, công suất tim cốt thấp hơn tim pha từ 30% đến 40%; kính đèn thường in số "2".
    • Hệ thống chiếu sáng Châu Mỹ: Hai tim pha và cốt có hình dạng tương tự nhau, tim pha đặt ngay tại tiêu điểm chóa đèn, tim cốt nằm lệch phía trên mặt phẳng trục quang học.
  • Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn:
Thông số kỹ thuật Chế độ chiếu xa (Pha / High beam) Chế độ chiếu gần (Cốt / Low beam)
Khoảng cách chiếu sáng 180 – 250 m 50 – 75 m
Công suất tiêu thụ mỗi bóng 45 – 70 W 35 – 40 W
Vị trí dây tóc so với tiêu cự Đặt chính xác tại tiêu điểm Đặt lệch/phía trước tiêu cự

Chương cũng liệt kê chi tiết chức năng của từng cụm đèn: đèn đầu (3 chế độ pha, cốt, nháy pha flash), đèn kích thước (side and rear lamps), đèn sương mù trước/sau, đèn phanh, đèn lùi, đèn soi biển số, đèn táp-lô và đèn trần.

Chương 3: Tìm hiểu về hệ thống chiếu sáng, tín hiệu trên ô tô và các hư hỏng thường gặp

Chương 3 đi sâu vào cấu tạo chi tiết của các phần tử quang học và nguyên lý hoạt động của từng mạch điện thành phần:

  • Cấu tạo quang học: Phân tích đặc tính bóng đèn sợi đốt volfram (chân không, nhiệt độ dây tóc đạt 2300°C), bóng đèn halogen (chứa khí iode/brom, nhiệt độ làm việc trên 250°C), bóng đèn xenon (xuất hiện năm 1991, ứng dụng từ 1995, tiêu thụ 35 W nhưng cho cường độ sáng gấp 2 lần bóng halogen 55 W, sử dụng cơ cấu chuyển đổi tim thụt thò). Chóa đèn phản xạ dạng parabol mạ crom/bạc và kính khuếch tán có hệ số thông qua 0,74 – 0,83, hệ số phản xạ 0,9 – 0,14 với góc nghiêng khúc xạ 18 – 20° so với trục quang học.
  • Mạch đèn pha - cốt (loại dương chờ): Dòng điện từ ắc quy qua cầu chì cấp sẵn đến rơ-le đèn đầu. Khi bật công tắc sang vị trí Head Low, dòng điều khiển đi qua cuộn dây rơ-le về chân H xuống mass, hút tiếp điểm đóng mạch đưa điện dương đến tim đèn Low qua chân HL về mass. Khi chuyển sang vị trí High, dòng qua tim đèn High qua chân HU về mass, đồng thời kích sáng đèn báo pha trên táp-lô. Chế độ đá pha (flash) dẫn dòng điều khiển qua chân HE về mass để hút rơ-le độc lập với vị trí công tắc chính.
  • Mạch đèn phanh: Sử dụng công tắc cơ khí hoặc màng hơi lắp ở bàn đạp phanh; khi đạp pedal, tiếp điểm công tắc đóng kín mạch cấp nguồn trực tiếp từ khóa điện sang các bóng đèn phanh phía sau.
  • Mạch đèn sương mù: Bố trí thấp dưới cản xe, phát chùm sáng góc rộng nhiệt độ màu khoảng 2.000 K giúp xuyên qua mưa phùn và sương mù. Rơ-le đèn sương mù lấy nguồn điều khiển sau rơ-le đèn kích thước (TAIL) hoặc công tắc HEAD.
  • Mạch đèn kích thước (TAIL): Bố trí quanh xe, sử dụng kính khuếch tán đỏ, công suất bóng 10 W; hoạt động khi công tắc ở nấc TAIL dẫn dòng qua cuộn dây rơ-le về chân T xuống mass.
  • Mạch đèn xi-nhan và báo nguy (Hazard): Phân tích 8 trường hợp bắt buộc sử dụng đèn hazard trong thực tế. Mạch sử dụng bộ chớp cơ; khi bật xi-nhan trái/phải, dòng điện từ chân L của bộ chớp qua chân BL và tiếp điểm L hoặc R của công tắc cấp đến các bóng đèn tương ứng, bộ chớp thực hiện chu kỳ đóng ngắt liên tục.
  • Chẩn đoán hư hỏng: Thiết lập quy trình xử lý cho 5 trường hợp lỗi phổ biến:
    1. Một trong số các đèn không sáng: Kiểm tra đứt dây tóc bóng đèn, rỉ sét giắc cắm hoặc lỏng tiếp xúc mass.
    2. Đèn hazard không sáng nhưng xi-nhan vẫn hoạt động: Kiểm tra kết nối công tắc xi-nhan với bộ chớp, tiếp điểm hazard hoặc cầu chì nguồn thường trực.
    3. Tần số chớp của đèn xi-nhan quá nhanh hoặc quá chậm: Nguyên nhân do lắp sai công suất bóng đèn, thay sai loại cục chớp, cháy một bóng đèn trên nhánh, thiếu mass hoặc điện áp máy phát nạp ắc quy không ổn định (sạc quá cao làm chớp nhanh, sạc yếu làm chớp chậm).
    4. Toàn bộ hệ thống xi-nhan tê liệt: Kiểm tra đứt cầu chì nguồn, hỏng công tắc điều khiển hoặc hỏng cục chớp.
    5. Đèn xi-nhan sáng liên tục nhưng không nháy: Kiểm tra ngắn mạch, đứt cuộn dây bộ chớp hoặc hỏng tiếp điểm lưỡng kim trong cục chớp.

Chương 4: Giới thiệu, thiết kế mạch và mô phỏng hệ thống

Nội dung chương mô tả chi tiết các khí cụ điện được sử dụng để xây dựng hệ thống:

  • Công tắc điều khiển tổ hợp: Tích hợp các vị trí OFF, TAIL, HEAD (gồm Low, High, Flash) và chuyển hướng xi-nhan.
  • Cầu chì và rơ-le: Cầu chì bảo vệ quá tải; rơ-le chuyển mạch công suất lớn có mắc kèm diode triệt tiêu xung điện áp tự cảm bảo vệ tiếp điểm.
  • Cục chớp xi-nhan 3 chân: Gồm chân nguồn vào B (Battery), chân tải ra bóng đèn L (Light), và chân tiếp mass E (Earth).

Phần mềm AutoCAD được sử dụng để thiết kế 5 bản vẽ mạch điện:

  1. Mạch đèn pha - cốt.
  2. Mạch đèn kích thước (TAIL) và đèn sương mù.
  3. Mạch tín hiệu hoàn chỉnh có tích hợp hazard.
  4. Mạch tín hiệu điều chỉnh không hazard.
  5. Sơ đồ tổng quát toàn bộ hệ thống chiếu sáng và tín hiệu.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tổng kết việc hoàn thành cuốn thuyết minh kỹ thuật, thiết kế các sơ đồ mạch trên AutoCAD và chế tạo mô hình thực hành đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vận hành chính xác các chức năng chiếu sáng và báo rẽ. Hướng mở rộng đề cập đến việc nghiên cứu nâng cấp các công nghệ điều khiển tự động bật tắt đèn theo cảm biến ánh sáng và điều chỉnh góc chiếu theo tải trọng hoặc góc đánh lái.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Đồ án triển khai xây dựng mô hình thực tế mô phỏng hệ thống điện chiếu sáng - tín hiệu ô tô theo quy trình kỹ thuật:

[Chuẩn bị linh kiện & đo kiểm] 
[Gia công cơ khí: Khoan lỗ, gá thiết bị lên tấm mica]
[Đấu nối dây dẫn theo sơ đồ nguyên lý AutoCAD]
[Đo kiểm thông mạch & cấp nguồn ắc quy thử nghiệm]
[Kiểm tra thẩm mỹ & hoàn thiện mô hình]

1. Chuẩn bị linh kiện và đo kiểm công tắc

  • Khảo sát và thu mua linh kiện gồm bóng đèn, đui đèn, rơ-le, cầu chì, dây điện và bộ chớp xi-nhan.
  • Do không mua được công tắc hazard rời trên thị trường với chi phí cho phép, tác giả đã tiến hành phương án kỹ thuật thay thế: thiết kế lại sơ đồ mạch tín hiệu trên AutoCAD loại bỏ khối hazard và đấu nối mạch xi-nhan độc lập.
  • Sử dụng đồng hồ VOM để đo kiểm, dò tìm các cặp chân tiếp điểm trên cụm công tắc tổ hợp mượn từ phòng thực hành của nhà trường (chân nguồn B, chân đèn H, HL, HU, HE, T, L, R).

2. Gia công cơ khí và định vị thiết bị

  • Sử dụng tấm nền mica trong suốt để gắn kết toàn bộ thiết bị, đảm bảo tính quan sát trực quan cho người học.
  • Tiến hành vạch dấu, khoan các lỗ định vị chính xác theo kích thước đui đèn, công tắc tổ hợp, hộp cầu chì và bảng rơ-le.
  • Bắt vít cố định các cụm chi tiết lên tấm mica.

3. Đấu nối dây dẫn và thử nghiệm

  • Đấu nối dây điện theo sơ đồ nguyên lý đã thiết kế trên AutoCAD (loại mạch điều khiển âm cho cuộn dây rơ-le - dương chờ).
  • Kiểm tra thông mạch toàn bộ các đường dây và kiểm tra ngắn mạch trước khi đóng điện.
  • Cấp nguồn điện một chiều từ bình ắc quy, kiểm tra hoạt động của từng nấc công tắc: sáng đèn kích thước TAIL, sáng đèn cốt Low, chuyển đèn pha High, đá đèn Flash và chuyển hướng xi-nhan trái/phải với nhịp chớp ổn định qua cục chớp 3 chân.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật:
    • Hoàn thành bộ bản vẽ kỹ thuật trên phần mềm AutoCAD bao gồm các sơ đồ mạch nguyên lý thành phần (pha - cốt, kích thước, sương mù, xi-nhan) và sơ đồ nguyên lý tổng thể hệ thống điện chiếu sáng ô tô.
    • Chế tạo thành công mô hình sa bàn thực hành hệ thống chiếu sáng trên nền tấm mica, các cụm đèn pha, cốt, kích thước, xi-nhan hoạt động chính xác theo các chế độ chuyển nấc của công tắc điều khiển.
    • Tổng hợp đầy đủ bảng quy trình kiểm tra, dò chân công tắc tổ hợp và bảng hướng dẫn chẩn đoán 5 nhóm sự cố hư hỏng điện thường gặp trên ô tô.
  • Giải pháp xử lý kỹ thuật: Đưa ra giải pháp thích ứng khi thiếu hụt linh kiện công tắc hazard bằng cách tính toán, vẽ lại sơ đồ mạch tín hiệu không hazard trên AutoCAD và thi công thành công trên mô hình thực tế.
  • Đóng góp của đề tài: Tài liệu hóa một cách hệ thống nguyên lý mạch điện dương chờ, tạo ra học cụ trực quan phục vụ công tác thực hành đo kiểm, đọc sơ đồ mạch và xử lý pan bệnh cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Do hạn chế về kinh phí và nguồn cung cấp linh kiện, mô hình thực nghiệm chưa tích hợp được công tắc và chức năng đèn cảnh báo nguy hiểm (hazard) hoàn chỉnh như thiết kế ban đầu.
    • Hệ thống mạch điện trên mô hình mới dừng lại ở mức điều khiển rơ-le cơ bản, chưa tích hợp các hộp điều khiển điện tử tử thân xe (Body ECU/BCM) hay mạng truyền thông CAN-bus.
  • Hướng phát triển:
    • Bổ sung công tắc hazard chuyên dụng để hoàn thiện đầy đủ tính năng mạch tín hiệu cảnh báo.
    • Nghiên cứu và tích hợp các mạch điều khiển tự động như: hệ thống tự động bật tắt đèn pha theo cảm biến ánh sáng môi trường (Auto Light), hệ thống tự động cân bằng góc chiếu (Auto Leveling) và hệ thống đèn thích ứng theo góc đánh lái (AFS).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Điện - Điện tử và học viên học nghề sửa chữa ô tô khi thực hiện các học phần: Hệ thống Điện - Điện tử Ô tô, Thực hành Điện thân xe, Trang bị điện trên ô tô.

Các nội dung có giá trị sử dụng cao gồm:

  • Sơ đồ nguyên lý và thuyết minh đường đi của dòng điện trong mạch đèn pha - cốt kiểu dương chờ và mạch kích thước.
  • Phương pháp dò chân giắc cắm công tắc tổ hợp bằng đồng hồ vạn năng.
  • Quy trình từng bước gia công sa bàn và đấu nối mô hình điện thực hành từ bản vẽ AutoCAD.
  • Bảng hướng dẫn chẩn đoán và khắc phục 5 dạng sự cố hệ thống chiếu sáng - tín hiệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch đèn pha - cốt trong đồ án hoạt động theo nguyên lý "dương chờ" như thế nào? Trong mạch điện này, cực dương của ắc quy được cấp sẵn qua cầu chì đến một đầu cuộn dây và tiếp điểm đóng cắt của rơ-le đèn đầu. Khi người lái xoay công tắc đèn sang vị trí Head Low hoặc High, công tắc sẽ nối đầu còn lại của cuộn dây rơ-le hoặc tim đèn xuống mass (tiếp âm). Khi cuộn dây có dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từ trường hút tiếp điểm rơ-le đóng lại, cấp điện dương chạy qua tim đèn về mass qua các chân HL hoặc HU của công tắc.

2. Sự khác biệt cơ bản giữa hệ thống phân bố chùm sáng kiểu Châu Âu và kiểu Châu Mỹ là gì? Hệ thống Châu Âu sử dụng tim đèn cốt đặt phía trước tiêu cự và cao hơn trục quang học, có miếng phản chiếu nhỏ bên dưới cắt góc 15° bên trái để chùm sáng chiếu lệch rộng sang bên phải nhằm hạn chế chói mắt xe ngược chiều, công suất cốt nhỏ hơn pha 30–40%. Hệ thống Châu Mỹ có 2 tim đèn hình dạng giống nhau cùng bố trí tại tiêu cự, tim pha đặt ngay tiêu điểm chóa đèn, tim cốt nằm lệch phía trên mặt phẳng trục quang học.

3. Cục chớp xi-nhan trong đồ án có cấu tạo mấy chân và chức năng của từng chân là gì? Cục chớp xi-nhan sử dụng trong đồ án là loại bộ chớp cơ 3 chân:

  • Chân B (Battery): Chân nhận nguồn điện ngõ vào từ công tắc máy/khóa điện hoặc cầu chì.
  • Chân L (Light): Chân ngõ ra cấp dòng điện ngắt mở đến công tắc xi-nhan để phân phối tới các bóng đèn.
  • Chân E (Earth): Chân nối mass để tạo mạch kín cho cơ cấu tạo nhịp bên trong bộ chớp hoạt động.

4. Nhóm tác giả đã giải quyết vấn đề kỹ thuật nào khi không tìm mua được công tắc hazard trên thị trường? Khi không tìm mua được công tắc hazard rời, nhóm tác giả đã thiết kế lại sơ đồ mạch tín hiệu trên phần mềm AutoCAD thành phiên bản "mạch tín hiệu không hazard", sau đó sử dụng sơ đồ đã hiệu chỉnh này để trực tiếp đo kiểm và đấu nối mạch xi-nhan báo rẽ hoạt động độc lập trên mô hình sa bàn mica.

5. Tại sao đèn xi-nhan lại gặp hiện tượng chớp quá nhanh hoặc quá chậm và cách kiểm tra ra sao? Hiện tượng chớp sai tần số xuất phát từ các nguyên nhân: thay sai chủng loại cục chớp, lắp bóng đèn sai công suất định mức, cháy một trong các bóng đèn trên mạch, tiếp xúc mass kém hoặc do điện áp máy phát sạc vào ắc quy không chuẩn (sạc quá cao làm đèn chớp nhanh hơn, sạc yếu làm đèn chớp chậm lại). Quy trình kiểm tra gồm: đo công suất bóng đèn, kiểm tra tình trạng dây tóc, đo thông mạch dây mass và kiểm tra điện áp sạc từ máy phát điện.

Kết luận

Đồ án môn học "Hệ thống chiếu sáng, tín hiệu trên ô tô" của tác giả Nguyễn Quốc Huy đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu về nghiên cứu lý thuyết, thiết kế sơ đồ mạch điện trên phần mềm AutoCAD và thi công mô hình thực tế. Báo cáo cung cấp các thông số kỹ thuật, cấu tạo quang học và phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của các mạch điện đèn đầu, đèn phanh, đèn sương mù, đèn kích thước và đèn báo rẽ. Mô hình sa bàn trên tấm nền mica được đấu nối hoàn chỉnh, vận hành chính xác các chức năng chiếu sáng và là tài liệu học cụ trực quan phục vụ cho công tác đào tạo, thực hành ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.