Thiết kế, xây dựng mô hình hệ thống gạt mưa tự động trên ô tô

Đồ án thiết kế mô hình hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018 - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Tấn Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Vũ Đình Huấn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế, xây dựng mô hình hệ thống gạt mưa tự động trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018

Hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018 giữ vai trò then chốt trong việc hỗ trợ người lái khi di chuyển dưới thời tiết xấu. Thiết bị tự động phát hiện nước mưa bám trên bề mặt kính chắn gió. Hệ thống lập tức kích hoạt cơ cấu gạt mà không cần thao tác tay từ tài xế. Cấu trúc tổng thể bao gồm cảm biến mưa, cụm công tắc tích hợp chế độ AUTO, mô tơ gạt nước, bơm nước rửa kính và hộp điều khiển điện tử BCM. Khi công tắc điều khiển xoay sang vị trí tự động, cảm biến phát tín hiệu hồng ngoại để quét liên tục vùng kính phía trước. Tín hiệu quang học chuyển hóa thành xung điện truyền về trung tâm điều khiển. Mô tơ gạt nước phản ứng nhanh chóng với từng cấp độ mưa cụ thể. Công nghệ này loại bỏ sự phân tâm cho tài xế, duy trì tầm quan sát tối đa trên đường cao tốc lẫn đô thị. Các bộ phận kết nối đồng bộ tạo nên chu trình khép kín an toàn, bền bỉ và chính xác cao trong quá trình xe vận hành thực tế.

1.1. Cấu tạo cơ bản của hệ thống

Cấu tạo hệ thống gồm nhiều cụm chi tiết chấp hành và điều khiển tinh vi. Cảm biến mưa gắn chặt sau gương chiếu hậu trong cabin. Cảm biến chứa điốt phát quang hồng ngoại và điốt quang thu tín hiệu. Cụm công tắc trên trụ lái cho phép lựa chọn nhiều chế độ gạt linh hoạt như Mist, Off, Auto, Low và High. Mô tơ gạt nước liên kết với cơ cấu đòn bẩy dẫn động hai cần gạt bên ngoài kính chắn gió. Cụm bơm nước rửa kính hỗ trợ làm sạch bụi bẩn đi kèm. Hộp điều khiển thân xe BCM giữ vai trò trung tâm tính toán. Mạng lưới dây dẫn phân phối nguồn điện ổn định từ ắc quy đến các rơ le điều khiển.

1.2. Nguyên lý vận hành tự động

Nguyên lý hoạt động dựa trên định luật phản xạ toàn phần ánh sáng hồng ngoại. Khi bề mặt kính khô ráo, tia hồng ngoại từ LED phản xạ hoàn toàn vào điốt thu. Lượng ánh sáng nhận được đạt mức tối đa. Khi hạt mưa rơi vào vùng quét, hệ số phản xạ của mặt kính thay đổi đột ngột. Một phần chùm tia hồng ngoại bị tán xạ ra ngoài không khí. Cường độ ánh sáng quay về điốt quang suy giảm đáng kể. Cảm biến biến đổi độ sụt giảm tín hiệu này thành điện áp tương ứng và gửi về hộp BCM. Hộp BCM giải mã dữ liệu rồi kích hoạt rơ le cấp điện cho mô tơ. Tốc độ gạt nước thay đổi linh hoạt tùy theo mật độ nước mưa đo được.

II. Phân tích lỗi hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018

Quá trình vận hành thực tế ghi nhận nhiều nguyên nhân gây sai lệch hoạt động của hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018. Môi trường nhiệt đới gió mùa gây tích tụ bụi bẩn trên bề mặt kính chắn gió. Lớp bụi dày làm tán xạ ánh sáng hồng ngoại khiến cảm biến nhận diện nhầm hạt mưa. Hiện tượng này kích hoạt chổi gạt chạy liên tục ngay cả khi trời nắng ráo. Sự lão hóa của miếng đệm silicon nằm giữa cảm biến và kính cũng tạo ra bọt khí cản trở đường truyền quang học. Ngoài ra, độ rung lắc của thân xe làm lệch giá đỡ cảm biến khỏi góc quét tiêu chuẩn. Lưỡi gạt cao su mòn hoặc chai cứng tạo vệt nước mờ trên kính, trực tiếp che khuất diode quang. Hư hỏng dây dẫn điện do chuột cắn hoặc chập chờn tiếp điểm giắc nối gây mất tín hiệu giao tiếp giữa cảm biến mưa và hộp BCM. Những sự cố này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính ổn định của hệ thống gạt nước.

2.1. Yếu tố gây nhiễu cảm biến

Cảm biến mưa nhạy cảm trước tác động quang học từ môi trường bên ngoài. Bụi bẩn bám dính lâu ngày tạo màng chắn khúc xạ ánh sáng ngoài ý muốn. Vết ố kính do nước mưa chứa khoáng chất làm suy giảm lượng quang thông truyền qua lăng kính. Khi xe di chuyển trên đường gồ ghề, dao động cơ học làm rung lắc chân đế cảm biến. Vị trí tiếp xúc giữa bề mặt silicon và kính bị xê dịch. Khí bọt lọt vào khoảng hở gây nhiễu tín hiệu nhận về tại diode quang. Ngoài ra, việc dùng dung dịch rửa kính không đúng chuẩn tạo màng nhờn trên kính. Hiện tượng này cản trở sự tán xạ tự nhiên của giọt nước mưa.

2.2. Sự cố mạch điều khiển BCM

Hộp BCM chịu trách nhiệm giải mã và điều khiển toàn bộ chu trình gạt nước. Sự cố mạch điện khiến hộp không nhận diện được tín hiệu trả về từ cảm biến. Rơ le gạt mưa tốc độ thấp hoặc cao có thể bị dính tiếp điểm sau thời gian dài đóng cắt liên tục. Khi tiếp điểm cháy dính, mô tơ sẽ hoạt động mất kiểm soát hoặc dừng đột ngột giữa kính. Cầu chì bảo vệ đứt do quá tải dòng điện cũng làm tê liệt toàn bộ hệ thống gạt nước. Đường truyền tín hiệu LIN bị đoản mạch khiến BCM mất khả năng điều khiển thông minh. Trong tình huống này, tài xế bắt buộc phải chuyển sang chế độ gạt tay thủ công để tiếp tục di chuyển an toàn.

III. Thiết kế mô hình hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018

Giải pháp thiết kế mô hình thực hành giúp mô phỏng chuẩn xác hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018. Mô hình được xây dựng trên bộ khung giá đỡ chế tạo từ sắt hộp mạ kẽm kiên cố. Bề mặt mô hình sử dụng tấm alu hoặc mica gia công cơ khí chính xác để gắn thiết bị. Tất cả các phụ tùng gồm hộp BCM, cụm công tắc vô lăng, mô tơ gạt nước, bình nước rửa kính và cảm biến mưa đều trích xuất trực tiếp từ xe nguyên bản. Sơ đồ mạch điện được bố trí trực quan bằng các cọc đo kiểm chuyên dụng. Người học dễ dàng đo đạc điện áp, dạng sóng và trở kháng tín hiệu bằng thiết bị đo. Cổng kết nối OBD-II được tích hợp để giao tiếp với máy chẩn đoán GDS chuyên hãng. Phần mềm chẩn đoán đọc trực tiếp dữ liệu dòng thời gian thực từ hộp BCM. Thiết kế này tạo nền tảng vững chắc cho việc giảng dạy và thực hành chẩn đoán lỗi trên ô tô hiện đại.

3.1. Thi công kết cấu cơ khí

Khung mô hình sử dụng thép hộp mạ kẽm có độ bền cao và chống ăn mòn hiệu quả. Khung được gia công hàn định hình theo kết cấu vững chắc. Bánh xe chịu tải có khóa hãm được lắp dưới chân đế giúp mô hình di chuyển linh hoạt trong xưởng thực hành. Mặt panô được cắt gọt chuẩn xác bằng máy phay CNC hiện đại. Bề mặt bố trí hình vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện sắc nét. Kính chắn gió kích thước chuẩn được cố định an toàn trên giá đỡ. Cụm mô tơ và cần gạt nước gắn kết đúng tọa độ không gian như trên xe thật. Kết cấu cơ khí đảm bảo triệt tiêu rung lắc khi cụm cơ cấu gạt nước vận hành ở tốc độ cao nhất.

3.2. Đấu nối điện và tích hợp GDS

Hệ thống dây điện được bọc ống ghen cách điện chuyên dụng và luồn gọn gàng phía sau panô. Nguồn cấp 12V lấy từ ắc quy hoặc bộ chuyển đổi nguồn công suất lớn. Các giắc nối chuẩn xe Hyundai liên kết chắc chắn giữa hộp BCM và các cảm biến. Cổng OBD-II cho phép kết nối máy chẩn đoán GDS để truy cập dữ liệu hệ thống. Kỹ thuật viên truy cập mục Body Control Module trên phần mềm để chọn thẻ Current Data. Màn hình máy tính hiển thị trạng thái công tắc, giá trị cảm biến và tín hiệu kích hoạt rơ le theo thời gian thực. Hệ thống giắc đo kiểm hỗ trợ tạo ban bệnh giả lập phục vụ công tác đào tạo kỹ thuật ô tô.

IV. Ứng dụng mô hình hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018

Mô hình hệ thống gạt mưa tự động xe Hyundai Elantra 2018 mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho công tác giảng dạy chuyên ngành công nghệ ô tô. Thiết bị giải quyết triệt để sự thiếu hụt trang thiết bị trực quan trong các cơ sở đào tạo. Sinh viên có cơ hội rèn luyện kỹ năng thực hành từ khâu tra cứu sơ đồ mạch điện đến thao tác đo kiểm trên thiết bị thật. Mô hình hỗ trợ tích cực cho việc nghiên cứu sâu về giao thức truyền thông dữ liệu trong hệ thống mạng thân xe. Quá trình kiểm nghiệm thực tế khẳng định mô hình hoạt động bền bỉ, tính ổn định cao và an toàn tuyệt đối. Giáo trình thực hành đi kèm được chuẩn hóa bài bản, nâng cao chất lượng dạy nghề theo chuẩn kỹ thuật quốc tế. Đây là công cụ đắc lực hỗ trợ kỹ thuật viên tương lai làm chủ công nghệ ô tô hiện đại một cách vững chắc.

4.1. Hiệu quả trong giảng dạy đào tạo

Mô hình trực quan giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết bài giảng và thực tế xưởng sửa chữa. Người học quan sát rõ nét phản xạ của chùm tia hồng ngoại khi phun nước lên bề mặt kính. Các bài tập thực hành được xây dựng đa dạng từ đo kiểm điện áp đến phân tích sơ đồ mạch điện. Sinh viên được rèn luyện phương pháp chẩn đoán lỗi bằng máy quét GDS chuyên nghiệp. Việc thực hành trực tiếp trên thiết bị chuẩn giúp người học tự tin thao tác bảo dưỡng hệ thống điện thân xe. Khả năng tư duy logic và kỹ năng giải quyết sự cố kỹ thuật của người học được nâng cao rõ rệt.

4.2. Tiềm năng phát triển và mở rộng

Mô hình sở hữu tiềm năng phát triển thành cụm thực hành điện thân xe đa chức năng. Thiết kế khung giá mở cho phép tích hợp thêm cụm đèn chiếu sáng tự động Auto Light. Hệ thống có thể mở rộng kết nối với mạng truyền thông CAN bus nhằm điều khiển đồng bộ giữa các hộp điện tử ECU khác nhau trên ô tô. Các bộ tạo pan điện tử điều khiển qua vi điều khiển Arduino hoặc máy tính có thể được cấy ghép thêm vào mô hình. Cải tiến này tạo ra nhiều kịch bản sự cố phức tạp hơn phục vụ thi tay nghề quốc gia. Thiết bị còn có thể ứng dụng trong các khóa đào tạo nâng cao tay nghề cho kỹ thuật viên tại đại lý dịch vụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Mục tiêu quan trọng của việc phát triển khoa học kỹ thuật là tạo ra thật nhiều sản phẩm hiện đại nhằm phục vụ cho đời sống vật chất lẫn tinh thần của con người. Cùng mục tiêu đó ngành công nghệ kỹ thuật ô tô đã không ngừng cải tiến những hệ thống trên xe nhằm mang đến cho người lái cảm thấy tiện ích và thoải mái nhất có thể. Vì lẽ đó ý tưởng về hệ thống gạt mưa tự động đã được hình thành trên nền tảng của gạt mưa truyền thống.

Hệ thống có thể tự động kích hoạt gạt mưa giúp người lái có thể tập trung lái xe và nhìn đường đảm bảo được an toàn khi đang xe chạy với tốc độ cao. Chúng em là những sinh viên năm cuối, sau khi trải qua nhiều môn thực tập tại xưởng thì chúng tôi nhận thấy được Khoa Cơ khí động lực nói riêng và trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh nói chung đang thực sự chú trọng tới ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô. Minh chứng cho điều đó là thiết bị, mô hình thực tập tại xưởng được đầu tư đa dạng đáp ứng được đầy đủ nhu cầu thực hành của sinh viên. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật là không có điểm dừng vì thế sinh viên ngoài củng cố vững chắc kiến thức cũ thì phải luôn cập nhập cải tiến trên xe ô tô.

Nhằm giúp cho các bạn sinh viên trong quá trình thực tập có thể tiếp cận, cập nhật thêm những kiến thức mới về chuyên ngành chúng em quyết định nghiên cứu đề tài “Thiết kế, xây dựng mô hình hệ thống gạt mưa tự động trên ô tô” với sự hướng dẫn của Th.S Vũ Đình Huấn-Giảng viên bộ môn Điện tử ô tô. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu: - Áp dụng được mạch điện thực tế vào mô hình - Mô hình hoạt động ổn định và đảm bảo tính thẩm mỹ - Từ mô hình sinh viên có thể tìm hiểu về mạch điện hệ thống; đo kiểm được công tắc, cảm biến, relay, motor,…. - Biên soạn nội dung thực tập phù hợp giúp sinh viên trau dồi thêm nhiều kiến thức sau khi thực tập trên mô hình 1  Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan lý thuyết hệ thống gạt mưa tự động - Tìm hiểu mạch điện hệ thống thực tế trên xe - Thiết kế, thi công mô hình hệ thống gạt mưa tự động - Xây dựng nội dung thực hành trên mô hình 1. Phạm vi nghiên cứu Do không đủ thời gian cũng như kinh phí hạn hẹp, nhóm chúng em chỉ tập trung giải quyết 3 vấn đề sau: - Giới thiệu mạch điện thực tế của hệ thống gạt mưa tự động - Thiết kế, xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống - Biên soạn nội dung thực tập trên mô hình 1.

Phương pháp nghiên cứu Nhóm chúng em áp dụng 2 phương pháp chính vào nghiên cứu là: -Phương pháp tổng quan: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu về hệ thống gạt mưa tự động làm cơ sở để thực hiện mô hình -Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra các thiết bị, thiết kế và thi công mô hình 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Lịch sử phát triển của hệ thống gạt mưa trên ô tô -Năm 1903: Sự ra đời của cần gạt nước kính chắn gió Năm 1902, Mary Anderson có một chuyến đi đến thành phố New York. Cô lái một chiếc xe điện vào một ngày trời râm và có mưa tuyết. Cô ấy không thể nhìn xuyên qua kính chắn gió, vì vậy cô thường xuyên nhảy ra ngoài để làm sạch kính bằng tay.

Không cần phải nói, điều này gây khó chịu cho cô ta cũng như các hành khách trên xe, những người không cảm thấy hứng thú với không khí lạnh lẽo hay sự chậm trễ.1: Mary Anderson Mary Anderson được ghi nhận cho chiếc gạt nước kính chắn gió đầu tiên vào năm 1903. Cô gọi ý tưởng của mình là “thiết bị lau cửa sổ”. Cần gạt nước của những thời điểm đó hoạt động bằng tay chứ không phải bằng động cơ.Trong loại gạt mưa này, một cần gạt được kết nối cơ học với cần gạt nước thông qua một thanh gạt và tay cầm được vận hành bằng tay.Tài xế phải bỏ một tay vô lăng làm hạn chế khả năng điều khiển trên xe.2: Cần gạt nước kính chắn gió điều khiển bằng tay Mary trở về nhà và thiết kế chiếc gạt nước kính chắn gió đầu tiên. Đó là một lưỡi dao ở bên ngoài kính chắn gió được điều khiển bằng một đòn bẩy ở bên trong, giữ cho người lái xe an toàn và khô ráo.

Năm 1903, Văn phòng Sáng chế & Thương hiệu Hoa Kỳ đã trao cho Mary bằng sáng chế cho thiết bị của cô, nhưng cô không bao giờ có thể bán ý tưởng này vì hầu hết các hãng xe đều không hưởng ứng với phát minh này.3: Bằng sáng chế của M.Anderson (1903) 4 -Năm 1917: Cần gạt nước bằng điện đầu tiên được phát minh Charlotte Bridgwood đã phát minh ra cần gạt nước hoạt động bằng điện đầu tiên trên thế giới. Motor điện được đưa vào giúp di chuyển một lá cao su chạy qua chạy lại trên kính chắn gió. Sáng chế được đặt tên là “Storm Windsheld Cleaner” được cấp bằng sáng chế năm 1917. Nhưng thiết kế này cũng không thành công về mặt thương mại.

Sau năm 1920, khi bằng sáng chế của Bridgwood đã hết hạn các hãng xe mới bắt đầu áp dụng cần gạt nước bằng điện lên xe một cách rộng rãi.4: Cần gạt nước bằng điện Sau đó bộ rửa kính cũng được bổ sung vào xe hơi với phần điều khiển được thêm ngay vào cần gạt bật/tắt của cần gạt nước. Bộ phận này sẽ phun tia nước rửa kính lên thẳng phía trước của kính chắn gió thông qua mấy cái lỗ nhỏ nằm trên nắp capo. Một bình chứa nước được đặt trong khoang máy và các cấu thành chạy điện khác được kết nối với nhau. -Năm 1962: Bộ gạt mưa ngắt quãng được ra đời Năm 1962 , Bob Kearns sáng chế ra bộ gạt nước không liên tục ( ngắt quãng ) đầu tiên cho phép tài xế có thể thay đổi được tốc độ quét và thời gian nghi giữa mỗi lần quét.

Sau khi thử nghiệm rộng rãi, các giám đốc điều hành của Ford đã quyết định đưa ra một thiết kế tương tự như cần gạt nước gián đoạn của Kearns như một tùy chọn trên dòng Mercury của công ty, bắt đầu từ các mẫu xe năm 1969. Kearns và Ford đã tham gia vào một cuộc tranh 5 chấp bằng sáng chế kéo dài nhiều năm mà cuối cùng phải được giải quyết tại tòa án. Một phiên bản hư cấu của vụ kiện về phát minh và sáng chế của Kearns đã được sử dụng cho bộ phim Flash of Genius năm 2009, được quảng cáo là "dựa trên câu chuyện có thật", nhưng không tuyên bố là chính xác về mặt lịch sử ở mọi khía cạnh. - Từ những năm 1990 đến nay , cần gạt nước được phát triển theo sự phát triển của công nghệ xe hơi.

Các vi cảm biến được gắn ngay trên kính chắn gió để phát hiện trời mưa, kích hoạt hệ thống gạt nước tự động, thay đổi tốc độ gạt nước tùy theo lượng nước mưa có nặng hạt hay không và thay đổi theo tốc độ di chuyển của xe. Hệ thống gạt mưa tự động trên ô tô 2. Cấu tạo và hoạt động các bộ phận của hệ thống Hình 2.5: Cấu tạo chung hệ thống gạt mưa tự động Hệ thống gạt mưa rửa và rửa kính tự động bao gồm các bộ phận sau: - Công tắc gạt mưa và rửa kính - Hộp điều khiển điện thân xe (BCM) - Cảm biến mưa 6 - Motor gạt mưa và cơ cấu dẫn động cần gạt - Motor rửa kính - Cần gạt mưa - Bình nước rửa kính - Vòi phun nước 2. Công tắc gạt mưa và rửa kính Công tắc gạt mưa được tích hợp với công tắc đèn và gắn trên trục lái, phía sau vô lăng.6: Vị trí của công tắc gạt mưa trên xe Điều khiển gạt mưa và rửa kính phía trước: Hình 2.7: Các chế độ gạt mưa và rửa kính phía trước 7 - MIST: Cần gạt nước kính chắn gió có thể hoạt động chỉ khi bạn giữ công tắc chuyển sang vị trí "MIST".

Cần gạt sẽ quay trở lại vị trí "OFF" khi công tắc được thả. - OFF: Cần gạt nước sẽ dừng hoạt động khi bạn chuyển công tắc sang vị trí “OFF”. - AUTO: Khi bạn chuyển công tắc sang vị trí “AUTO” cần gạt mưa sẽ vận hành tự động ( nhận tính hiệu điều khiển từ BCM). Điều chỉnh tốc độ “AUTO” bằng cách vặn công tắc (SLOW-FAST).

- LO: Khi bạn chuyển công tắc sang vị trí “LO” cần gạt mưa sẽ gạt với tốc độ chậm. - HI: Khi bạn chuyển công tắc sang vị trí “HI” cần gạt mưa sẽ gạt với tốc độ nhanh. - Khi kéo công tắc về phía người lái thì nước rửa kính sẽ được phun lên kính chắn gió phía trước. - Khi ấn vào nút “AUTO” rửa kính: Khi công tắc gạt nước phía trước tắt “OFF” và nút này được nhấn, nước rửa kính được phun và cần gạt nước sẽ tự động hoạt động 4 lần.

Sau đó, nước rửa kính sẽ được xịt lại và gạt nước sẽ tự động hoạt động 3 lần.  Điều khiển gạt mưa phía sau: Hình 2.8: Các chế độ gạt mưa và rửa kính phía trước - OFF: Cần gạt nước sẽ dừng hoạt động khi bạn chuyển công tắc sang vị trí “OFF” - Khi xoay công tắc hướng lên cần gạt mưa phía sau sẽ hoạt động - Khi xoay công tắc hướng xuống hoàn toàn thì cần gạt mưa phía sau sẽ hoạt động kết hợp với nước rửa kính sẽ được phun. Hộp điều khiển điện thân xe (BCM) Trước kia khi BCM (Body Control Module) chưa ra đời, mỗi hệ thống điện trên xe đều có 1 hộp điều khiển riêng và trong số các hộp điều khiển này thường có một số thiết bị có chức năng tương tự như nhau: bộ định thời gian, tốc độ xe, nguồn cung cấp, tín hiệu máy phát điện,.Các hộp điều khiển này nằm rải rác khắp xe gây khó khăn trong việc chẩn đoán, hoạt động với độ tin cậy không cao và chi phí cho việc chế tạo cao. Vì vậy gần đây, các nhà sản xuất đã tích hợp các hộp điều khiển lại với nhau trong 1 module gọi là BCM nhằm mục đích giảm chi phí, tăng độ tin cậy khi hoạt động và tạo điều kiện thuận lợi cho việc chẩn đoán, sửa chữa.