Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại các cơ sở giáo dục đại học, mô hình thực hành đóng vai trò là phương tiện trực quan giúp người học kết nối giữa cơ sở lý thuyết và kỹ năng thực hành chẩn đoán, đấu dây, đo kiểm. Tại Khoa Cơ khí Động lực thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, mô hình thực hành hệ thống điện ô tô được trang bị từ năm 2010 qua thời gian dài phục vụ giảng dạy đã xuống cấp và hư hỏng, không còn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của bài tập thực hành chuyên ngành. Xuất phát từ thực trạng đó, đề tài "Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống điện thân xe trên ô tô" được thực hiện nhằm tận dụng lại kết cấu khung xương của mô hình cũ, tiến hành cải tạo, phục hồi và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống điện thân xe dựa trên nền tảng kỹ thuật của dòng xe Toyota Zace 2003.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định theo 4 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện thân xe trên xe Toyota Zace 2003 dựa trên việc khảo sát thực tế hệ thống điện trên xe.
  2. Nghiên cứu tìm ra phương án thiết kế chế tạo khả thi để hoàn thiện mô hình hệ thống điện thân xe và thiết lập các bước quy trình thiết kế một cách khoa học.
  3. Thực hiện quá trình gia công, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điện thân xe theo phương án đã lựa chọn.
  4. Biên soạn tập thuyết minh trình bày có hệ thống về cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động, các dạng hư hỏng thường gặp cùng phương pháp phán đoán và xử lý sự cố của hệ thống điện thân xe.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện thân xe trang bị trên ô tô Toyota Zace 2003, bao gồm hệ thống thông tin (bảng đồng hồ táp lô, các đèn cảnh báo), hệ thống chiếu sáng và tín hiệu (đèn đầu, đèn sương mù, đèn kích thước, đèn trần, còi, báo rẽ, báo nguy, đèn phanh, đèn lùi) và hệ thống điện phụ (nâng hạ kính, gạt nước rửa kính, điều khiển gương chiếu hậu).
  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế và chế tạo mô hình thực tế tích hợp các phân hệ: hệ thống thông tin, hệ thống chiếu sáng - tín hiệu và hệ thống điện phụ (tập trung vào cụm nâng hạ kính và gạt nước rửa kính) để phục vụ công tác giảng dạy thực hành tại xưởng thực hành Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long trong năm học 2022 - 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật của mạng điện ô tô và tài liệu sơ đồ mạch điện (Electrical Wiring Diagram - EWD) của hãng Toyota. Các thông số và yêu cầu kỹ thuật cơ bản của hệ thống điện ô tô được tổng hợp phục vụ thiết kế gồm:

  • Điều kiện làm việc: Hệ thống điện ô tô vận hành trong dải nhiệt độ phân theo vùng khí hậu (-40°C đến nhiệt đới), chịu rung xóc tần số 50 - 250 Hz với gia tốc lên đến 150 m/s², xung điện áp đỉnh vài trăm volt và độ ẩm môi trường cao.
  • Nguồn điện và phụ tải: Nguồn điện một chiều 12V từ ắc quy và máy phát điện sử dụng hệ thống dây chung (single wire system) với cực âm nối mass thân xe. Điện áp làm việc duy trì từ 0,9 đến 1,25 lần điện áp định mức (Uđm = 14V).
Nhóm phụ tải điện Thiết bị tiêu biểu Công suất định mức
Phụ tải làm việc liên tục Bơm nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, kim phun Bơm xăng: 50 - 70W; Đánh lửa: 20W; Kim phun: 70 - 100W
Phụ tải làm việc không liên tục Đèn pha, đèn cốt, đèn kích thước, radio/CD, đèn táp lô Pha: 60W; Cốt: 55W; Đèn kích thước: 10W; Radio/CD: 10 - 15W; Đèn táp lô: 2W
Phụ tải làm việc thời gian ngắn Báo rẽ, đèn phanh, motor nâng kính, motor gạt nước, còi, đèn sương mù Báo rẽ: 4x21W + 2x2W; Phanh: 2x21W; Kính: 150W; Gạt nước: 30 - 65W; Còi: 25 - 40W; Sương mù: 35 - 50W
  • Thiết bị bảo vệ và đóng ngắt: Hệ thống sử dụng cầu chì bảo vệ phụ tải từ 5 - 30A, dây chảy (Fusible link) từ 40 - 120A cho các mạch chính có dòng trên 40A, bộ ngắt mạch (CB), cùng hệ thống relay tiếp điểm thường mở (NO), thường đóng (NC) và relay chuyển đổi.
  • Quy chuẩn đọc sơ đồ mạch điện Toyota: Nhận diện mã linh kiện, số chân giắc cắm (đọc từ trái qua phải đối với giắc cái, từ phải qua trái đối với giắc đực theo hướng khóa giắc quay lên trên), phân biệt hộp đầu nối (Junction Block - nền xám) và hộp relay (Relay Block - nền trắng), giắc chia J2, các điểm tiếp mass và quy ước mã màu dây dẫn (màu nền kết hợp màu sọc).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp bao gồm:

  • Phương pháp tra cứu tài liệu: Thu thập, dịch thuật và phân tích tài liệu kỹ thuật, sổ tay sửa chữa hệ thống điện thân xe Toyota Zace 2003.
  • Phương pháp phân tích và mô hình hóa: Khảo sát sơ đồ mạch điện nguyên bản, phân rã các khối chức năng và thiết kế sơ đồ bố trí tổng thể trên mặt phẳng mô hình.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Gia công cơ khí khung giá, xử lý vật liệu nhựa phẳng, lắp đặt linh kiện thực tế, đấu nối hệ thống dây dẫn và kiểm tra vận hành bằng thiết bị đo kiểm chuyên dụng (đồng hồ vạn năng VOM).
  • Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến đóng góp của giảng viên hướng dẫn và các giảng viên chuyên môn thuộc Khoa Cơ khí Động lực.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu trích xuất từ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của Toyota Motor Vietnam, thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe Toyota Zace 2003 và các kết quả đo đạc kiểm tra thông mạch, điện áp trên cụm chi tiết thực tế tại xưởng thực hành.

Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm

Quá trình gia công và chế tạo mô hình hệ thống điện thân xe được triển khai qua các bước kỹ thuật cụ thể:

  1. Xử lý khung xương và gia công mặt bảng: Tháo bỏ phần khung gỗ của mô hình năm 2010 đã hư hại, tẩy sạch lớp sơn cũ; tiến hành hàn gia cố thêm giá đỡ bình ắc quy và cắt bỏ các thanh kim loại thừa; hoàn thiện sơn phủ bảo vệ toàn bộ khung sắt. Mặt bảng mô hình được gia công bằng phương pháp ép nhiệt ống nhựa tròn thành các tấm phẳng, sau đó đo đạc kích thước và cắt định hình theo khung nhôm.
  2. Lắp ráp kết cấu và định vị chi tiết: Gắn hệ thống khung nhôm định hình lên khung sắt; tiến hành khoét lỗ trên các bảng nhựa phẳng để định vị các cụm chi tiết điện thực tế (bảng đồng hồ táp lô, cụm công tắc tổ hợp, các cụm đèn chiếu sáng và tín hiệu, motor gạt nước, cơ cấu nâng hạ kính, hộp cầu chì và relay). Dán decal in sơ đồ nguyên lý mạch điện và ký hiệu nhận diện lên mặt trước bảng nhựa trước khi cố định thiết bị.
  3. Đấu nối mạch điện và bố trí trạm đo kiểm (Domino): Toàn bộ dây dẫn được đi gọn gàng ở mặt sau các bảng nhựa theo đúng sơ đồ mạch điện của Toyota Zace 2003. Các đầu dây nguồn, mass, chân tín hiệu cảm biến và chân điều khiển của từng hệ thống được đưa ra hệ thống cầu đấu domino ở mặt ngoài. Cách bố trí này cho phép người học dễ dàng đo kiểm thông số điện áp, kiểm tra thông mạch hoặc tự thực hiện các bài tập đấu nối liên kết từng hệ thống riêng biệt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống điện và điện tử trên ô tô

Chương này hệ thống hóa toàn diện cơ sở kỹ thuật về mạng điện ô tô. Tác giả phân tích vai trò của các phân hệ điện - điện tử từ khởi động, đánh lửa, chiếu sáng đến các hệ thống điều khiển hiện đại. Nội dung tập trung làm rõ các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến dải nhiệt độ vận hành, khả năng chịu gia tốc rung động (150 m/s²), yêu cầu chống nhiễu điện từ và đặc tính của hệ thống dây dẫn chung nối mass thân xe.

Chương 1 cũng cung cấp bảng tra cứu quy cách dây điện theo số sợi/đường kính (ví dụ: cỡ 9/0.75 dùng cho đèn kích thước; cỡ 28/0.50 dùng cho đèn đầu; cỡ 14/0.75 dùng cho hệ thống đánh lửa). Đồng thời, tác giả xây dựng hướng dẫn chi tiết về phương pháp đọc sơ đồ mạch điện EWD của Toyota, bao gồm nguyên lý tra cứu vị trí linh kiện (như loa cửa sau R9, giắc nối BB1), cấu tạo hộp đầu nối, cách xác định số chân giắc đực - giắc cái khi đo kiểm và quy ước ký hiệu màu dây.

Chương 2: Hệ thống điện thân xe trên xe Toyota Zace 2003

Chương 2 trình bày chi tiết về các thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của các cụm hệ thống điện thân xe trên hai phiên bản Toyota Zace DX và GL (động cơ xăng 1.8L EFI 4 xi-lanh thẳng hàng, công suất 83 bhp tại 4800 vòng/phút, hộp số sàn 5 cấp). Nội dung phân tích chuyên sâu gồm 3 phân hệ chính:

  • Hệ thống thông tin: Cung cấp sơ đồ mạch điện và đường dẫn dòng điện cấp nguồn từ ắc quy qua dây chảy chính FL MAIN 2.0L, dây chảy 100A ALT, 80A AM1, khóa điện nấc IG, qua cầu chì 15A GAUGE cấp tới chân 5 giắc C10 của cụm đồng hồ táp lô. Phân tích nguyên lý làm việc của đồng hồ tốc độ xe, đồng hồ tốc độ động cơ, đồng hồ nhiên liệu (cơ cấu dây may so và thanh lưỡng kim kết hợp biến trở phao xăng) và đồng hồ nhiệt độ nước làm mát (dùng cảm biến nhiệt điện trở hệ số nhiệt âm NTC).
  • Chẩn đoán hư hỏng hệ thống thông tin: Tác giả lập bảng tổng hợp hiện tượng, nguyên nhân và quy trình kiểm tra xử lý cho 5 dạng hư hỏng điển hình (bảng táp lô không sáng, đồng hồ vòng tua không hoạt động, đèn phanh tay không sáng, đồng hồ nhiệt độ nước không báo và đèn báo áp suất dầu bôi trơn không sáng).
  • Hệ thống chiếu sáng - tín hiệu và điện phụ: Thuyết minh nguyên lý hoạt động, sơ đồ đấu nối và các pan bệnh thường gặp của cụm đèn đầu, đèn sương mù, đèn kích thước, đèn trần, hệ thống còi, báo rẽ, báo nguy, đèn phanh, đèn lùi; cùng các hệ thống điện phụ gồm cơ cấu nâng hạ kính, gạt nước rửa kính và điều khiển gương chiếu hậu.

Chương 3: Chế tạo mô hình hệ thống điện thân xe

Chương 3 mô tả toàn bộ quy trình thiết kế, chế tạo và hoàn thiện mô hình thực nghiệm từ khâu lên ý tưởng đến chế tạo thực tế. Tác giả trình bày bản vẽ sơ bộ khung giá, quy trình xử lý vật liệu (ép ống nhựa tròn thành tấm phẳng, cắt gọt, gắn nhôm định hình, hàn gia cố giá đỡ ắc quy, phun sơn tĩnh điện/sơn phủ).

Chương này minh họa trực quan kết cấu hoàn thiện của từng cụm chức năng trên mô hình (cụm đèn đầu trái - phải, cụm tín hiệu trước - sau, bảng đồng hồ thông tin, cụm gạt mưa rửa kính, cụm nâng hạ kính và cụm công tắc điều khiển). Phần cuối chương biên soạn tài liệu khai thác mô hình, bao gồm hướng dẫn vận hành an toàn với nguồn ắc quy 12V, quy trình bảo dưỡng định kỳ, bảng ký hiệu chân cắm domino và các sơ đồ đấu nối mạch điện phục vụ bài tập thực hành của sinh viên.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu nghiên cứu và tạo ra sản phẩm thực nghiệm phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo tại đơn vị:

  • Kết quả chế tạo thực tế: Chế tạo thành công mô hình hệ thống điện thân xe Toyota Zace 2003 hoàn chỉnh, tích hợp đầy đủ các cụm chức năng hoạt động chính xác theo nguyên lý nguyên bản: cụm đồng hồ táp lô và đèn chỉ báo, cụm đèn chiếu sáng và tín hiệu (đèn pha/cốt, đèn sương mù, đèn demi, xi nhan, hazard, phanh, lùi, còi), cụm nâng hạ kính và cụm gạt nước rửa kính.
  • Tính năng đo kiểm thực hành: Hệ thống cọc đấu nối domino và giắc cắm được đưa ra ngoài trực quan kèm sơ đồ decal chỉ dẫn rõ ràng, cho phép sinh viên thực hiện thao tác tháo lắp, đấu nối độc lập từng mạch điện, đo kiểm thông số điện áp và điện trở bằng đồng hồ VOM.
  • Tài liệu hướng dẫn: Biên soạn bộ tài liệu thuyết minh và hướng dẫn khai thác mô hình khoa học, cung cấp quy trình chẩn đoán 5 dạng pan bệnh phổ biến trên hệ thống thông tin táp lô và phương pháp tra cứu sơ đồ mạch điện Toyota.
  • Đóng góp thực tiễn: Khóa luận đã phục hồi thành công thiết bị thực hành cũ bị hư hỏng từ năm 2010 thành một mô hình học cụ mới, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị cho nhà trường và bổ sung phương tiện trực quan phục vụ các bài thực hành môn học Điện thân xe ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Mô hình tập trung vào hệ thống điện thân xe điều khiển bằng rơ le và công tắc truyền thống của xe Toyota Zace 2003; hệ thống điều khiển gương chiếu hậu mới dừng lại ở nội dung nghiên cứu lý thuyết trong thuyết minh chứ chưa tích hợp chi tiết thực tế lên khung mô hình. Mô hình chưa tích hợp hộp tạo pan lỗi tự động (hộp đánh pan) và chưa có các hệ thống điều khiển điện tử kết nối mạng giao tiếp CAN bus hiện đại.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục nghiên cứu thiết kế và lắp đặt bổ sung hệ thống điều khiển gương chiếu hậu gập/chỉnh điện lên mô hình; thiết kế tích hợp hộp tạo hư hỏng giả lập (hộp tạo pan) với các công tắc ngắt mạch/nối mass ngầm để phục vụ rèn luyện kỹ năng chẩn đoán sự cố cho người học; mở rộng hướng nghiên cứu chế tạo các mô hình điện thân xe thế hệ mới có trang bị hộp điều khiển BCM và mạng truyền thông dữ liệu.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận và mô hình thực nghiệm mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Sử dụng làm tài liệu học tập, tra cứu phương pháp đọc sơ đồ mạch điện Toyota (EWD), nắm vững nguyên lý hoạt động của các mạch điện thân xe cơ bản và thực hành đấu dây, đo kiểm chẩn đoán lỗi.
  • Giảng viên và cán bộ quản lý xưởng thực hành: Tham khảo cấu trúc bài giảng thực hành, quy trình khai thác - bảo dưỡng mô hình thiết bị dạy học và tham khảo quy trình gia công, cải tạo mô hình thực hành cũ thành thiết bị đào tạo trực quan với chi phí hợp lý.
  • Các nội dung có giá trị sử dụng cao gồm: Hướng dẫn chi tiết cách xác định chân giắc cắm đực/cái theo sơ đồ EWD, bảng tra cứu ký hiệu màu dây - cầu chì và các bước xử lý hư hỏng mạch cấp nguồn đồng hồ táp lô.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận này giải quyết vấn đề thực tiễn nào tại đơn vị đào tạo?
Khóa luận giải quyết tình trạng thiếu hụt thiết bị thực hành do mô hình hệ thống điện ô tô năm 2010 tại Khoa Cơ khí Động lực (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long) bị hư hỏng sau thời gian dài sử dụng. Tác giả đã tận dụng kết cấu khung cũ để cải tạo, gia công cơ khí và chế tạo thành mô hình điện thân xe hoàn chỉnh theo sơ đồ kỹ thuật của xe Toyota Zace 2003.

2. Dòng điện cấp nguồn cho cụm đồng hồ táp lô trên xe Toyota Zace 2003 đi qua những linh kiện nào khi bật khóa điện IG?
Khi bật khóa điện sang vị trí IG, dòng điện đi từ cực (+) ắc quy qua dây chảy FL MAIN 2.0L $\rightarrow$ chân 1 giắc F7 $\rightarrow$ dây chảy 100A ALT $\rightarrow$ chân 1 giắc F8 $\rightarrow$ chân 1 giắc F9 $\rightarrow$ dây chảy 80A AM1 $\rightarrow$ chân 1 giắc F10 $\rightarrow$ chân 2 giắc I9 $\rightarrow$ tiếp điểm AM1 và IG1 $\rightarrow$ chân 4 giắc I9 $\rightarrow$ chân 2 giắc F14 $\rightarrow$ cầu chì 15A GAUGE $\rightarrow$ chân 3 giắc F13 $\rightarrow$ chân 5 giắc C10 để cấp nguồn cho bảng đồng hồ táp lô.

3. Cơ cấu đo của đồng hồ báo mức nhiên liệu và đồng hồ báo nhiệt độ nước làm mát hoạt động theo nguyên lý nào?
Cả hai đồng hồ đều sử dụng phần tử lưỡng kim kết hợp dây may so sinh nhiệt để làm lệch kim chỉ thị. Điểm khác biệt nằm ở phần tử cảm biến: đồng hồ nhiên liệu nối tiếp với biến trở cơ học gắn phao xăng (mức xăng cao $\rightarrow$ điện trở nhỏ $\rightarrow$ dòng lớn $\rightarrow$ dây may so nóng làm lưỡng kim cong nhiều về vạch F); trong khi đồng hồ nhiệt độ nước sử dụng cảm biến nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NTC (nhiệt độ nước tăng $\rightarrow$ điện trở cảm biến giảm $\rightarrow$ dòng điện tăng làm kim lệch về vạch H).

4. Khi bật khóa điện mà toàn bộ bảng táp lô không sáng, quy trình kiểm tra xử lý được thực hiện như thế nào?
Tác giả xác định hai nguyên nhân chính là cầu chì 15A GAUGE bị đứt hoặc các đoạn dây dẫn nguồn/mass bị mất tiếp xúc. Quy trình xử lý gồm: kiểm tra tình trạng cầu chì 15A GAUGE và thay thế nếu hỏng; sử dụng đồng hồ vạn năng VOM đo thông mạch các đoạn dây cấp nguồn từ khóa điện đến chân 5 giắc C10 và khắc phục vị trí hở mạch.

5. Các bước chính trong quy trình gia công mặt bảng mô hình được tác giả thực hiện ra sao?
Quy trình gia công mặt bảng gồm: ép nhiệt ống nhựa tròn thành các tấm nhựa phẳng; đo đạc kích thước khung nhôm định hình và cắt các tấm nhựa phẳng theo đúng kích thước; khoét các lỗ lắp ráp thiết bị; dán decal in sơ đồ mạch điện và ký hiệu lên mặt bảng; lắp đặt các chi tiết điện thực tế và cố định toàn bộ các bảng lên khung mô hình bằng nhôm định hình.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống điện thân xe trên ô tô" của sinh viên Phạm Hà Đông đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế và chế tạo thực nghiệm đề ra. Đề tài đã chuyển hóa thành công hệ thống lý thuyết mạng điện ô tô và sơ đồ mạch điện của dòng xe Toyota Zace 2003 thành một mô hình thiết bị dạy học trực quan, hoàn chỉnh và vận hành ổn định. Sản phẩm không chỉ góp phần phục hồi và nâng cao cơ sở vật chất phục vụ đào tạo tại Khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long mà còn cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô trong học tập và nghiên cứu chuyên môn.