Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và Chế tạo Mô hình Hệ thống Túi khí Ô tô

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, chế tạo mô hình hệ thống túi khí ô tô chi tiết. Khám phá toàn bộ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình thiết kế.

• Tác giả: Phạm Ngọc Hải
• Người hướng dẫn: TS. Lê Quang Vũ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, Chế tạo Mô hình Hệ thống Túi khí
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Lịch Sử và Phát Triển Hệ Thống Túi Khí Trên Ô Tô

Hệ thống túi khí là một trong những công nghệ an toàn quan trọng nhất trong lịch sử phát triển ô tô hiện đại. Túi khí được phát minh lần đầu tiên vào những năm 1950 nhưng không được sản xuất thương mại cho đến những năm 1980. Sự phát triển của công nghệ túi khí đã tạo cuộc cách mạng trong lĩnh vực an toàn giao thông, giúp giảm đáng kể tỷ lệ tử vong và chấn thương trong các vụ va chạm. Từ những năm 1990, túi khí đã trở thành thiết bị chuẩn bị trên hầu hết các mẫu ô tô cao cấp trên thế giới. Ngày nay, mô hình hệ thống túi khí không chỉ được ứng dụng trong ô tô mà còn được mở rộng sang các phương tiện khác. Việc nghiên cứu và chế tạo mô hình túi khí có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ cơ chế hoạt động và cải tiến công nghệ này.

1.1. Giai Đoạn Phát Triển Ban Đầu

Giai đoạn đầu tiên của túi khí ô tô bắt đầu từ những năm 1950 khi các nhà khoa học Đức phát minh ra khái niệm này. Tuy nhiên, công nghệ này chưa đủ hoàn thiện để ứng dụng thực tế. Những năm 1980, công ty General Motors (GM) đã là những người tiên phong trong việc lắp đặt hệ thống túi khí trên các chiếc xe thương mại. Đây là một bước tiến vĩ đại trong lịch sử an toàn giao thông thế giới.

1.2. Phát Triển Hiện Đại Và Ứng Dụng Rộng Rãi

Từ những năm 1990 đến nay, mô hình túi khí đã được cải tiến liên tục với các công nghệ cảm biến tiên tiến và hệ thống điều khiển tự động. Các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới như Toyota, BMW, Mercedes-Benz đã tích hợp hệ thống túi khí đa chiều vào các sản phẩm của mình. Sự phát triển này góp phần nâng cao chỉ số an toàn toàn cầu và giảm thiểu thiệt hại trong tai nạn giao thông.

II. Cấu Tạo và Chức Năng Các Bộ Phận Hệ Thống Túi Khí

Hệ thống túi khí bao gồm ba thành phần chính: bộ cảm biến va chạm, đơn vị điều khiển trung tâm (ACU), và túi khí cùng hệ thống bơm khí. Bộ cảm biến va chạm được lắp đặt ở phía trước, các cạnh và phía sau của xe để phát hiện va chạm. Đơn vị điều khiển trung tâm nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý thông tin để quyết định liệu có cần kích hoạt túi khí hay không. Túi khí được chứa trong các vị trí chiến lược trên xe như vô lăng, bảng điều khiển phía trước người ngồi cạnh, cửa sổ và các vị trí khác. Khi hệ thống kích hoạt, túi khí sẽ bung ra trong vài mili giây để bảo vệ hành khách khỏi các tác động mạnh.

2.1. Bộ Cảm Biến Va Chạm

Cảm biến va chạm là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống túi khí, chịu trách nhiệm phát hiện sự thay đổi gia tốc đột ngột của xe. Các cảm biến này được cài đặt với ngưỡng nhạy cảm cao để có thể kích hoạt túi khí trong thời gian ngắn nhất. Thông thường, các cảm biến gia tốc (accelerometer) hoặc cảm biến áp lực được sử dụng trong mô hình hệ thống túi khí hiện đại để đạt độ chính xác cao.

2.2. Đơn Vị Điều Khiển Trung Tâm ACU và Túi Khí

Đơn vị điều khiển trung tâm (ACU) là bộ não của hệ thống túi khí, xử lý tín hiệu từ cảm biến và ra lệnh kích hoạt túi khí. Túi khí chứa hóa chất phát nổ (thường là azide sodium) được bao bọc trong một bao đặc biệt có thể chịu áp lực cao. Khi ACU phát hiện va chạm, nó sẽ kích hoạt điểm nổ, làm cho khí nhanh chóng bung ra và túi khí phồng to trong vài mili giây.

III. Nguyên Lý Hoạt Động và Tình Huống Kích Hoạt Túi Khí

Nguyên lý hoạt động của hệ thống túi khí dựa trên sự phát hiện nhanh chóng sự thay đổi vận tốc của xe. Khi xảy ra va chạm, cảm biến va chạm phát hiện chuyển động bất thường và gửi tín hiệu đến đơn vị điều khiển trung tâm (ACU). ACU phân tích tín hiệu này trong vài mili giây và nếu xác định rằng va chạm đủ mạnh, nó sẽ tích cực kích hoạt các túi khí phù hợp. Túi khí bung ra với tốc độ cực nhanh (khoảng 200-300 km/h) để bảo vệ hành khách. Hệ thống được thiết kế để kích hoạt những loại túi khí khác nhau tùy theo vị trí và mức độ va chạm, giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ.

3.1. Quá Trình Kích Hoạt và Bung Ra Túi Khí

Quá trình kích hoạt túi khí diễn ra cực kỳ nhanh, từ khi phát hiện va chạm đến khi túi khí bung ra hoàn toàn chỉ mất khoảng 10-20 mili giây. Khí được tạo ra từ phản ứng hóa học của azide sodium (NaN3) tạo ra nitơ khí, một chất trung tính không độc hại. Mô hình hệ thống túi khí được thiết kế để mô phỏng chính xác quá trình này, cho phép các nhà kỹ thuật nghiên cứu và cải tiến công nghệ.

3.2. Các Tình Huống Va Chạm và Kích Hoạt

Hệ thống túi khí được lập trình để kích hoạt trong các tình huống va chạm phía trước, phía sau, hoặc bên cạnh tùy theo mức độ va chạm. Các va chạm nhẹ có thể chỉ kích hoạt những túi khí nhất định, trong khi va chạm mạnh sẽ kích hoạt toàn bộ hệ thống túi khí. Các mô hình hệ thống túi khí hiện đại có thể phân biệt giữa các loại va chạm khác nhau như va chạm trực tiếp, va chạm góc hay va chạm lưỡng tính.

IV. Thiết Kế Chế Tạo và Ứng Dụng Mô Hình Túi Khí

Chế tạo mô hình hệ thống túi khí là một dự án khoa học phức tạp đòi hỏi kiến thức về cơ học, điện tử và lập trình. Mô hình được thiết kế để mô phỏng một cách trực quan quá trình va chạm thực tế và cách túi khí bung ra để bảo vệ hành khách. Phần cơ khí bao gồm khung xe, bình chứa khí nén, van điện từ và túi khí, trong khi phần điện tử gồm đơn vị điều khiển trung tâm, cảm biến, mạch điều khiển và bảng hiển thị thông tin. Mô hình hệ thống túi khí được lắp ráp và kiểm tra thặn nghiêm để đảm bảo hoạt động an toàn và chính xác. Dự án này có ý nghĩa giáo dục cao, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về ứng dụng công nghệ trong an toàn giao thông.

4.1. Thiết Kế Phần Cơ Khí Mô Hình

Phần cơ khí của mô hình túi khí được thiết kế dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật chuẩn. Khung xe được chế tạo từ thép không gỉ hoặc nhôm để đảm bảo độ bền, bình chứa khí nén được làm từ vật liệu chịu áp lực cao, còn túi khí được chuẩn bị từ các vật liệu dệt tổng hợp bền bỏ. Van điện từ khí nén kiểm soát áp suất khí và thời gian bung ra túi khí. Toàn bộ hệ thống cơ khí được lắp ráp một cách chính xác để tạo ra mô hình hoạt động được.

4.2. Thiết Kế Phần Điện Tử và Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển điện tử của mô hình túi khí bao gồm vi điều khiển (MCU), cảm biến gia tốc, mạch khuếch đại tín hiệu và bộ điều khiển công suất. Các cảm biến gia tốc liên tục giám sát chuyển động của mô hình và gửi dữ liệu đến vi điều khiển. Khi phát hiện va chạm, vi điều khiển xử lý tín hiệu và tích cực kích hoạt van điện từ để bung ra túi khí. Bảng hiển thị thông tin cho phép người dùng xem các dữ liệu hoạt động của hệ thống túi khí theo thời gian thực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước Ngành ô tô ở trong và ngoài nước đang có sự phát triển mạnh mẽ nhất từ trước tới nay, đi theo đó là các hệ thống an toàn trên ô tô cũng được nghiên cứu và cải tiến từng ngày để đáp ứng khả năng giảm thiểu thương tích của người ngồi trong ô tô xuống mức thấp nhất, các hãng xe rất chú trọng cải tiến hệ thống an toàn trên ô tô với các công nghệ tiên tiến như ESP (cân bằng điện tử), ABS (hệ thống chống bó cứng phanh), EBD (phân bố lực phanh điện tử), BA (hổ trợ phanh khẩn cấp), ACCS (hệ thống kiểm soát hành trình thích nghi),… và đặc biệt là hệ thống túi khí kết hợp với dây đai an toàn trên ô tô rất được chú trọng nghiên cứu. Lý do chọn đề tài Nhận thấy tầm quan trọng của việc phát triển ngành công nghiệp ô tô đối với nền kinh tế nước nhà nên việc đào tạo ngành công nghệ kỹ thuật ô tô ở nước ta rất được chú trọng, đặc biệt là tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật ngành ô tô đã được gần 65 năm. Trong những năm gần ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM đào tạo theo hướng công nghệ chính vì vậy phương pháp giảng dạy cũng được thay đổi theo, chương trình đào tạo liên tục được đổi mới nhằm phù hợp với thực tế đồng thời chú trọng đến thực hành nhiều hơn, vì vậy việc tạo ra các mô hình nhằm phục vụ cho sinh viên thực hành là cần thiết.

Cùng với mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời làm quen với công tác nghiên cứu khoa học chúng em đã được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài: “NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TÚI KHÍ”. Với sự hướng dẫn của thầy ThS. 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. 1 - 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 đề tài hoàn thành đúng tiến độ chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu. Trong đó, đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập các thông tin liên quan, học hỏi kinh nghiệm của thầy cô, bạn bè, nghiên cứu các mô hình giảng dạy cũ,.

Từ đó, tìm ra những ý tưởng mới để hình thành đề cương của đề tài. Song song với việc này, chúng em còn kết hợp cả phương pháp và thực nghiệm để có thể thi công được mô hình và biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình. Giới hạn của đề tài Việc thiết kế, thi công, sưu tầm tài liệu thích hợp, thu thập thông tin, soạn thuyết minh, kiểm tra đòi hỏi phải có rất nhiều thời gian, kinh phí cũng như kiến thức. Do đó, đề tài chỉ tập trung giải quyết một số vấn đề sau.

 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  Tham khảo tài liệu.

 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.

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. 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 va đập, điều quan trọng là phải giữ cho ca bin bị hư hỏng ít nhất đồng thời phải giảm thiểu sự xuất hiện các va đập thứ cấp gây ra bởi sự dịch chuyển của người lái và hành lý trong ca bin. Để thực hiện được điều này người ta sử dụng khung xe có cấu trúc hấp thụ được tác động của lực va đập, đai an toàn, túi khí SRS. Túi khí của ôtô được làm từ một loại màng nilon mỏng, bền và có khả năng co giãn để khi được bơm phồng lên lúc xe có va chạm, nó trở thành một tấm đệm êm bảo vệ cho phần đầu và cơ thể của hành khách trên xe.

Có một số thuật ngữ được dùng cho hệ thống túi khí an toàn như hệ thống hạn chế va đập (SIR) hay hệ thống túi khí bổ sung (SRS). Vào năm 1951, ông John W. Hetrick, một thủy thủ sau khi về hưu đã phát minh ra hệ thống túi khí. Công nghệ túi khí an toàn lúc đầu được sử dụng trên ôtô lấy từ hệ thống trên máy bay vào thập kỷ 40 của thế kỷ 20.

Ý tưởng của những chiếc túi khí lấy từ ruột của những quả bóng đá, sau đó bơm đầy khí nén vào bên trong. Hệ thống sơ khai này khá lớn được xem là tương đương với hệ thống túi khí hiện đại ngày nay. Túi khí phía trước người lái Những túi khí mang tính thương mại đầu tiên được bán ra thị trường vào những năm 1970. Vào thời kỳ này, người điều khiển xe không bị bắt buộc phải thắt dây an toàn và túi khí được coi là bộ phận thay thế cho dây an toàn.

Vào năm 1971, hãng Ford đã giới thiệu một hệ thống túi khí thực nghiệm và sau đó trở thành hãng xe đầu tiên sử dụng rộng rãi hệ thống này trên các sản phẩm của mình. Năm 1973 đến lượt General Motors cho ra đời hệ thống túi khí mới, hệ thống túi khí hai giai đoạn được lắp trên các dòng xe Chevrolet của hãng này. Lúc đó hệ thống này được hiểu như là một hệ thống làm giảm nhẹ các va đập khi xảy ra va chạm. Có một điểm khác điểm quan trọng giữa hệ thống túi khí sơ khai và hệ thống túi khí ngày nay đó là cụm túi khí dành cho hành khách phía trước được lắp ở đáy táplô để bảo vệ đầu gối thay vì được lắp trong khoang để găng tay để bảo vệ toàn bộ cơ thể.

Hệ thống túi khí ban đầu này sau đó được được tăng cường và được thay thế bởi hệ thống túi khí SRS. Nó được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1980 trên dòng xe S-Class của hãng Mercedes-Benz. Dây an toàn cũng được lắp vào để tạo lực kéo lúc tai nạn xảy ra và 3 hỗ trợ tối đa, giảm lực va đập cùng với túi khí. Năm 1987 hãng Porsche đã lần đầu tiên giới thiệu ra thị trường dòng xe có lắp túi khí dành cho hành khách phía trước.

Cụm túi khí chính được lắp dưới đệm vô lăng bao gồm túi khí bằng nylông, bộ thổi khí và đệm vô lăng. Trong trường hợp có va đập mạnh hay tai nạn xảy ra, cảm biến túi khí được kích hoạt do sự giảm tốc đột ngột. Một dòng điện đi vào ngòi nổ nằm trong bộ thổi khí để kích nổ túi khí. Tia lửa lan nhanh ngay lập tức tới các hạt tạo khí và tạo ra một lượng lớn khí Nitơ.

Khí này đi qua bộ lọc và được làm mát trước khi sang túi khí. Sau đó vì khí giãn nở làm xé rách lớp ngoài của mặt vô lăng và túi khí tiếp tục bung ra để làm giảm va đập tác dụng vào đầu nguời lái. Những năm 90 của thế kỷ trước, hệ thống túi khí chỉ đơn thuần là các túi khí bảo vệ phía trước dành cho hành khách và người lái, sau những năm 2000 thì hệ thống túi khí được bổ sung thêm các túi khí bên và túi khí rèm cửa nhằm bảo vệ hành khách tốt hơn. Thế hệ túi khí sau những năm 2005 thì phát triển thêm các túi khí ở đầu, đầu gối, xương chậu, hệ thống túi khí triển khai thêm hộp module túi khí với tích hợp cảm biến ESP, bảo vệ người đi bộ và khả năng phát hiện người ngồi trên xe để bung túi khí khi cần thiết.

Từ năm 2013 đến năm 2015 thì hệ thống túi khí được kết hợp với hệ thống ESP (Electronic Stability Program). Tổng quan về túi khí trên ô tô. Hệ thống túi khí tự động được thổi phồng và bung ra trong khoảng thời gian rất nhỏ sau khi xảy ra va chạm, nhằm giảm thiểu chấn thương của người ngồi trong xe do va đập với các chi tiết nội thất. Túi khí phía trước có tác dụng giảm chấn thương ở vùng đầu, cổ, ngực của người lái và hành khách khi xe va chạm từ phía trước.

Túi khí bên và túi khí bên phía trên hoạt động khi có va chạm bên thân xe hoặc xe bị lật, làm nhiệm vụ bảo vệ đầu và vai. Tuy nhiên, không phải khi trang bị túi khí là người ngồi bên trong xe có thể tránh được nguy hiểm trong trường hợp tai nạn nghiêm trọng, việc thắt dây đai an toàn khi ngồi trên ô tô là cực kì quan trọng vì sau khi xảy ra va chạm túi khí sẽ được kích hoạt và bung ra với vận tốc rất lớn khoảng 320km/h, khi người ngồi trên xe có thắt dây đai an toàn sẽ được giữ chặt vào ghế nhằm giúp cố định người ngồi trên xe tránh hiện tượng bị hất văng về phía trước, giảm thiểu lực va đập trực tiếp của đầu và ngực lên các chi tiết của nội thất, đồng thời rút ngắn khoảng cách va đập với túi khí khi đang bung với vận tốc lớn, nếu việc thắt 4 dây đai an toàn không được thực hiện khi túi khí được kích hoạt, toàn bộ thân người sẽ va đập trực tiếp về phía trước cùng lúc đó túi khí cũng được kích hoạt và tạo một lực ngược lại hất văng người ngồi về phía sau với gia tốc lớn hơn, thì việc bị thương do túi khí bung ra sẽ không thể tránh khỏi, lúc này túi khí sẽ không đóng vai trò bảo vệ mà ngược lại còn gây thương tích nhiều hơn cho người lái và hành khách ngồi trên xe, hiểu được vấn đề đó nên có rất nhiều hãng xe đã nghiên cứu và cho ra mắt các loại túi khí hai giai đoạn, nhằm giảm tác động của túi khí lên người ngồi trên xe khi xảy ra va chạm.