Đặt vấn đề Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật của nhân loại đã bước sang một tầm cao mới. Rất nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật, các phát minh sáng chế xuất hiện có tính ứng dụng cao. Là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển, nước ta đã và đang có những cải cách mở cửa để thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Việc tiếp nhận, áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới được nhà nước quan tâm nhằm cải tạo và thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp mới với mục đích đưa nước ta từ một nước có nền kinh tế kém phát triển thành một nước công nghiệp hiện đại.
Ngày nay, ô tô được sử dụng rộng rãi như một phương tiện đi lại thông dụng nên các trang thiết bị, các bộ phận trên ô tô ngày càng hoàn thiện và hiện đại hơn nhằm đảm bảo độ tin cậy, an toàn và tiện dụng cho người sử dụng. Hệ thống nâng hạ kính là một hệ thống không thể thiếu trong bất kì loại xe nào và là một bộ phận đảm bảo cho sự an toàn khi di chuyển cũng như giảm tối đa thiệt hại cho hành khách. Yêu cầu về vận hành, sửa chữa, bảo trì, lắp đặt hệ thống nâng hạ kính đòi hỏi phải hiểu rõ những kiến thức cơ bản về nó, và có kĩ năng thành thạo trong tất cả các quá trình. Để đáp ứng được yêu cầu đó, kỹ thuật viên phải được đào tạo một cách có bài bản, khoa học.
Do đó, nhiệm vụ của các trường kỹ thuật là phải đào tạo học sinh, sinh viên có trình độ tay nghề cần thiết để đáp ứng nhu cầu hiện nay. Điều đó đòi hỏi người kỹ thuật viên phải có trình độ hiểu biết cơ bản để bắt kịp được khoa học tiên tiến hiện đại. Ngày nay, việc áp dụng nhiều phương pháp dạy học mới đã cho phép học sinh có sự tiếp thu tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho người dạy dễ dàng truyền đạt nội dung đến cho người học. Dạy học bằng mô hình là phương pháp dạy học đạt hiệu quả cao và đang được phát triển.
Phương pháp dạy học bằng mô hình đối với hệ thống nâng, hạ kính đang còn thiếu ở các trường đào tạo nói chung và trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng. Để củng cố và nâng cao kiến thức đã được học về hệ thống nâng hạ kính trên ô tô, nâng cao kỹ năng thực hành, nghiên cứu chế tạo. Và để có mô hình phục vụ cho việc học tập và giảng dạy về sau cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đối tượng nghiên cứu • Động cơ nâng hạ kính có cảm biến tốc độ và vị trí trên dòng xe Nissan Maxima 2003 1 • Mạch điều khiển động cơ BTS7960 43A • Phần mềm Arduino IDE Phạm vi nghiên cứu Do tình hình dịch bệnh và điều kiện không cho phép nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển motor nâng hạ kính có cảm biến tốc độ và vị trí; hệ thống nâng hạ và chống kẹt trên dòng xe Nissan Maxima 2003.
Phương pháp nghiên cứu • Nghiên cứu từ các nguồn tài liệu như sách, giáo trình, các bài giảng, các bản vẽ, sách tạp chí, nguồn tài liệu từ internet. • Nghiên cứu sơ đồ mạch điện của hệ thống điện điều khiển cửa sổ. • Tham khảo tài liệu các mô hình giảng dạy hiện có tại khoa Cơ Khí Động Lực để cải tiến nội dung mô hình cho phù hợp. Mục tiêu nghiên cứu • Mong muốn tạo ra một tài liệu có đầy đủ các cơ sở để phát triển sau này.
• Xây dựng mô hình hệ thống nâng hạ kính (có chức năng chống kẹt) làm phương tiện giảng dạy, phục vụ đào tạo và dạy nghề cho sinh viên. • Mong muốn giúp cho sinh viên có điều kiện quan sát mô hình một cách trực quan, dễ cảm nhận được hình dạng và nguyên lý làm việc của hệ thống. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài • Đề tài góp phần vào nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về an toàn và tiện nghi cho cửa sổ trên ô tô. • Tạo mô hình đề tham khảo, nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, đồng thời làm tài liệu học tập và mô hình giảng dạy cho sinh viên.
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng quan về hệ thống nâng hạ kính Sơ lược về hệ thống nâng hạ kính Một trong những đặc tính tiêu chuẩn của ô tô là khả năng mở cửa sổ bên. Do đó, nhu cầu của thiết bị dùng để nâng và hạ cửa sổ ô tô được phát triển cùng với sự ra đời của ô tô. Thiết bị này được dùng để nâng hoặc hạ cửa sổ ô tô còn được gọi là bộ điều chỉnh cửa sổ. Với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô, các nhà sản xuất dành nhiều nỗ lực cho việc thiết kế bộ điều chỉnh cửa sổ.
Ban đầu, bộ điều chỉnh cửa sổ được sử dụng thủ công trong một thời gian dài. Người dùng thường mở và đóng cửa sổ bằng cách xoay một tay cầm. Say đó, giống như các cơ chế vận hành khác, hoạt động thủ công được thay thế bằng chức năng tự động. Bộ điều chỉnh cửa sổ được trang bị động cơ điện, do đó cửa sổ được nâng lên và hạ xuống một cách tự động.
Dù là chạy bằng thủ công hay bằng nguồn điện, hệ thống nâng hạ kính cần có các cơ chế để hoạt động. Bởi vì như đã biết, các cơ chế là cơ sở hoạt động của các thiết bị cơ khí. Do đó, các cơ chế hoạt động khác nhau được sử dụng dẫn đến các loại bộ điều chỉnh cửa sổ khác nhau. Lý do sử dụng các loại cơ chế khác nhau có thể là chi phí, vận hành, lắp ráp, sản xuất, … Các cơ chế điều khiển cửa sổ điện Các bộ điều chỉnh cửa sổ có thể chia thành 5 nhóm chính dựa vào phương thức hoạt động của chúng.
Dưới đây là một số bộ điều chỉnh cửa sổ điện với các cơ chế khác nhau. • Bộ điều chỉnh cửa sổ bằng trục vít sử dụng vít trợ lực để nâng và hạ cửa sổ. Một trong những bằng sáng chế đầu tiên thuộc về Kraemer vào năm 1928. Với thiết kế này, cửa sổ được liên kết với đai ốc của vít.
Vít trợ lực được dẫn động nhờ hoạt động của bánh răng truyền động.1 Bộ điều khiển cửa sổ bằng trục vít đầu tiên • Cơ chế điều chỉnh cửa sổ bằng trục vít khác được cấp bằng sáng chế của Szkodzinski vào năm 2006. Với thiết kế này, vít điện mở rộng qua bán kính cong của cửa sổ. Vít trợ lực được kết nối với trục rỗng của động cơ điện. Cửa sổ được gắn với động cơ điện, cửa sổ và động cơ điện chuyển động với nhau và dọc theo vít trợ lực.2 Bộ điều khiển cửa sổ bằng trục vít cải tiến • Bằng sáng chế đầu tiên về bộ điều khiển sử dụng giá đỡ và bánh răng thuộc về Bell và Schoenleber được cấp bằng sáng chế vào năm 1920.
Trong thiết kế này, sự truyền động của cơ chế được truyền đến thanh răng và một cặp bánh răng bằng xích.3 Bộ điều khiển cửa sổ sử dụng giá đỡ và bánh răng 5 • Một ví dụ khác là bằng sáng chế của Kuki, Isomura, Suzumura, Sakakibara và Ishihara được thực hiện vào năm 1991. Trong thiết kế này, cửa sổ được gắn vào giá đỡ và di chuyển trên thanh dẫn hương được gắn cố định vào cửa ô tô. Chuyển động của giá đỡ này trên ray dẫn hướng được cung cấp bởi một cơ cấu ròng rọc và dây nối với động cơ điện.4 Bộ điều khiển cửa sổ sử dụng ròng rọc và dây • Một ví dụ khác là bằng sáng chế thuộc về Dupuy vào năm 1993. Trong bằng sáng chế này, cửa sổ được nâng lên và hạ xuống bằng một cơ cấu tay đòn chéo trong khung cửa.
Tuy nhiên, các cánh tay đòn trong cơ cấu này có góc cạnh. Cơ cấu tay đòn chéo này được điều khiển bằng cách sử dụng một động cơ điện với một bộ bánh răng.5 Bộ điều khiển cửa sổ sử dụng cánh tay đòn Chức năng và cấu tạo Chức năng Chức năng đóng (mở) bằng tay: Khi công tắc cửa sổ được điện kéo lên hoặc đẩy xuống giữa chừng, thì cửa sổ sẽ mở hoặc đóng cho đến khi thả công tắc ra. Chức năng tự động đóng (mở) bằng một lần ấn: Khi công tắc cửa sổ điện bị kéo lên hoặc đẩy xuống hoàn toàn, thì cửa sổ sẽ đóng và hoàn toàn mở. Một số xe chỉ có chức năng mở tự động và một số xe chỉ có chứng năng đóng tự động cho cửa sổ phía người lái.
Chức năng chống kẹt cửa sổ: Trong quá trình đóng cửa sổ tự động, nếu có vật thể lạ kẹt vào cửa kính thì chức năng này sẽ tự động dừng cửa kính và dịch chuyển nó xuống khoảng 50mm. 7 Cấu tạo Hình 2.6 Các bộ phận của hệ thống nâng hạ kính Bộ nâng hạ cửa sổ Chuyển động quay của động cơ điều khiển cửa sổ được chuyển thành chuyển động lên xuống để đóng mở cửa sổ. Cửa kính được đỡ bằng đòn nâng của bộ nâng hạ cửa sổ. Đòn này được đỡ bằng cơ cấu đòn chữ X nối với đòn điều chỉnh của bộ nâng hạ cửa sổ.
Cửa sổ được đóng và mở nhờ sự thay đổi chiều cao của cơ cấu đòn chữ X.7 Bộ nâng hạ kính Các loại bộ nâng hạ cửa sổ khác với loại cơ cấu tay đon chữ X là loại điều khiển bằng dây và loại một tay đòn. Động cơ điều khiển cửa sổ điện Động cơ điều khiển cửa sổ điện quay theo hai chiều để dẫn động bộ nâng hạ cửa sổ. Động cơ điều khiển cửa sổ điện gồm có ba bộ phận: Động cơ, bộ truyền bánh răng và cảm biến. Động cơ thay đổi chiều quay nhờ công tắc.
Bộ truyền bánh răng truyền chuyển động quay của động cơ tới bộ nâng hạ cửa sổ. Cảm biến gồm có công tắc hạn chế và cảm biết tốc độ để điều khiển cửa sổ chống kẹt.8 Cấu tạo trong động cơ nâng hạ kính Công tắc chính cửa sổ điện • Công tắc chính cửa sổ điện điều khiển toàn bộ hệ thống cửa sổ điện. • Công tắc chính cửa sổ điện dẫn động tất cả các động cơ điều khiển cửa sổ điện. • Công tắc khoá cửa sổ ngăn không cho đóng và mở cửa sổ trừ cửa sổ phía người lái.
Việc xác định kẹt cửa sổ được xác định dựa trên các tín hiệu của cảm biến tốc độ và công tắc hạn chế từ động cơ điều khiển cửa sổ phía người lái (các loại xe có chức năng chống kẹt cửa sổ).