Đồ án: Nghiên cứu và thiết kế mô hình Điện thân xe Toyota Innova chi tiết

Đồ án nghiên cứu, thiết kế mô hình điện thân xe. Phân tích hệ thống chiếu sáng, tín hiệu và nâng hạ kính trên xe Toyota Innova 2015.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hiếu
• Người hướng dẫn: GVHD. Nguyễn Văn Giao
• Trường học: Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu và thiết kế mô hình Điện thân xe: Chiếu sáng, Tín hiệu và Nâng hạ kính
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mô hình Điện thân xe

Mô hình điện thân xe là một hệ thống quan trọng trong công nghệ ô tô hiện đại, bao gồm các thành phần điện tử điều khiển chiếu sáng và nâng hạ kính. Đây là đề tài nghiên cứu và thiết kế của các sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tại Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh. Hệ thống này được ứng dụng trên nhiều dòng xe ô tô hiện đại như Toyota Innova 2015. Mô hình điện thân xe giúp tối ưu hóa chức năng chiếu sáng, báo hiệu an toàn, và điều khiển cửa kính điện, nâng cao trải nghiệm lái xe và an toàn giao thông. Việc hiểu rõ về cấu tạo và hoạt động của hệ thống chiếu sáng và nâng hạ kính là cần thiết cho kỹ thuật viên ô tô và những người quan tâm đến công nghệ xe hơi.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu mô hình điện thân xe

Ngành công nghiệp ô tô đang phát triển nhanh chóng với những yêu cầu ngày càng cao về an toàn và tiện nghi. Hệ thống chiếu sáng và nâng hạ kính là những thành phần không thể thiếu. Việc thiết kế mô hình điện thân xe giúp sinh viên nắm vững lý thuyết và ứng dụng thực tế, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư ô tô. Nghiên cứu này cung cấp kiến thức sâu rộng về công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ô tô.

1.2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

Mục đích chính là thiết kế và xây dựng mô hình điện thân xe có chức năng chiếu sáng và nâng hạ kính hoạt động tương tự xe thực tế. Các nhiệm vụ bao gồm: nghiên cứu hệ thống chiếu sáng (đèn pha, đèn hậu, đèn sương mù), hệ thống tín hiệu (xi nhan, đèn cảnh báo), và hệ thống nâng hạ kính. Ngoài ra, đề tài còn tập trung vào mô phỏng mạch điện trên phần mềm Proteus và nâng cấp hệ thống điều khiển bằng Arduino.

II. Hệ thống Chiếu sáng và Tín hiệu trên Ô tô

Hệ thống chiếu sáng ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ đèn sợi đốt đơn giản đến công nghệ LED hiện đại. Mỗi thế hệ đèn xe mang lại những cải tiến về độ sáng, tuổi thọ, và hiệu suất năng lượng. Đèn halogen (1960-1990) từng phổ biến nhờ hiệu suất cao, sau đó đèn xenon (1990 trở lại) cung cấp ánh sáng trắng mạnh mẽ. Hiện nay, đèn LED (Light Emitting Diodes) trở thành xu hướng chủ đạo nhờ tiết kiệm điện và tuổi thọ dài. Bên cạnh chiếu sáng, hệ thống tín hiệu như xi nhan, đèn cảnh báo, và đèn sương mù đóng vai trò quan trọng trong an toàn giao thông.

2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống chiếu sáng xe

Đèn carbua là công nghệ chiếu sáng đầu tiên trên xe, sau đó đèn sợi đốt xuất hiện với ánh sáng vàng nhạt. Đèn halogen đã cải tiến đáng kể với nhiệt độ màu cao hơn (3200K). Đèn xenon HID (High Intensity Discharge) cung cấp ánh sáng 3000 lumen với màu trắng (5000K-6000K). Công nghệ LED hiện đại tiết kiệm năng lượng 80% so với halogen, sáng gấp 10 lần, và tuổi thọ lên đến 50.000 giờ.

2.2. Chức năng và phân loại đèn trên xe

Đèn chiếu sáng đường (headlight) giúp lái xe nhìn rõ đường trong điều kiện tối, với hai chế độ: dipped (pha gần) và main (pha xa). Đèn hậu (tail light) báo hiệu vị trí và hướng của xe cho những người phía sau. Đèn sương mù (fog light) giúp tăng tầm nhìn trong điều kiện thời tiết xấu. Đèn xi nhan và đèn cảnh báo tín hiệu ý định thay đổi hướng. Mỗi loại đèn xe được thiết kế với mục đích riêng biệt để nâng cao an toàn lái xe.

III. Hệ thống Nâng hạ Kính điện trên Ô tô

Hệ thống nâng hạ kính là một trong những tính năng tiện nghi quan trọng trên xe ô tô hiện đại. Hệ thống này cho phép điều khiển cửa sổ xe bằng điện, thay vì phải quay tay cầm thủ công như xưa. Cấu tạo hệ thống nâng hạ kính bao gồm motor điện, cơ chế dẫn động (cáp, đòn bẩy), công tắc điều khiển, và mạch điện. Motor nâng hạ kính nhận lệnh từ công tắc trung tâm hoặc công tắc từng cửa, sau đó truyền động lực để kéo kính lên hoặc hạ xuống. Mô hình nâng hạ kính trên Toyota Innova 2015 được thiết kế với hai loại dẫn động: đòn bẩy kiểu chữ X và cáp Bowden, đảm bảo hoạt động mượt mà và an toàn.

3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống nâng hạ kính

Motor nâng hạ kính hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường của điện. Khi công tắc được bật, dòng điện chạy qua cuộn dây motor, tạo ra lực xoay chiều quay trục motor. Lực xoay này được truyền qua hộp số giảm tốc, sau đó thông qua cơ chế dẫn động (cáp hoặc đòn bẩy) để nâng hoặc hạ kính. Sơ đồ mạch điện hệ thống có thể là kiểu dương chờ hoặc âm chờ, tùy vào thiết kế của từng hãng xe.

3.2. Cơ chế dẫn động và motor nâng hạ kính

Cáp xoắn là phương pháp dẫn động truyền thống, trong đó cáp xoắn quanh trục và kéo kính lên xuống. Cáp Bowden và cáp Bowden kép được sử dụng rộng rãi nhờ hiệu suất cao và độ bền tốt. Motor nâng hạ kính thường là motor DC 12V hoặc 24V, có công suất 10-15W, quay với tốc độ 50-200 vòng/phút. Hệ thống còn có chức năng chống kẹt cửa để bảo vệ an toàn khi kính gặp vật cản.

IV. Thiết kế Thi công và Bảo trì Mô hình Điện thân xe

Thiết kế mô hình điện thân xe là quá trình phức tạp bao gồm nhiều bước từ lý thuyết đến thực hành. Đầu tiên, thiết kế 3D được thực hiện trên phần mềm CAD để tạo hình dáng tổng thể của mô hình. Tiếp theo, mô phỏng mạch điện trên phần mềm Proteus giúp kiểm tra tính đúng đắn của sơ đồ mạch điện trước khi thi công. Thi công thiết kế thực tế sử dụng các linh kiện thực như motor, công tắc, dây điện, và bóng đèn LED để xây dựng mô hình hoạt động. Cuối cùng, bảo trì và sửa chữa là các kỹ năng cần thiết để duy trì hiệu suất của mô hình và ứng dụng lên xe thực tế.

4.1. Quá trình thiết kế 3D và mô phỏng trên phần mềm

Mô hình 3D được thiết kế chi tiết với các bộ phận như bàn mô hình, motor nâng hạ kính, hệ thống đèn chiếu sáng. Phần mềm Proteus được sử dụng để mô phỏng mạch điện một cách chính xác, kiểm tra các kết nối, điện áp, và dòng điện. Quá trình này giúp phát hiện lỗi sẽ sớm trước khi thi công thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí.

4.2. Lắp ráp nâng cấp với Arduino và bảo trì hệ thống

Thi công mô hình sử dụng linh kiện thực như motor 12V, LED, công tắc, relay, và dây điện. Nâng cấp bằng Arduino cho phép điều khiển thông qua điện thoại thông minh, tăng tính hiện đại và linh hoạt. Bảo trì hệ thống bao gồm kiểm tra dây điện, thay thế bóng đèn bị hỏng, kiểm tra hoạt động motor, và sửa chữa các mạch điện lỗi để đảm bảo mô hình hoạt động ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống chiếu sáng, tín hiệu và hệ thống nâng hạ kính Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống chiếu sáng, tín hiệu và hệ thống nâng hạ kính Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống chiếu sáng, tín hiệu và mô hình hệ thống nâng hạ cửa kính Chương 4: Sửa chữa và bảo trì hệ thống chiếu sáng, tín hiệu và hệ thống nâng hạ cửa kính Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển của đề tài 5 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG, TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG NÂNG HẠ KÍNH 2.1 Khái quát lịch sử phát triển của hệ thống chiếu sáng, tín hiệu Theo các số liệu thống kê ngày nay, mặc dù công nghệ chiếu sáng trên xe hơi đã phát triển rất nhiều, và hầu hết các tuyến đường đều đã được trang bị đèn đường chiếu sáng, tăng độ an toàn cho xe lưu thông vào ban đêm nhưng tỉ lệ số vụ tai nạn xe vào ban đêm lên đến 40 % trong khi mật độ xe lưu thông vào ban đêm chỉ bằng 1/5 mật độ xe lưu thông vào ban ngày, chính vì những đòi hỏi phải tăng tính an toàn cho người điều khiển xe vào ban đêm mà công nghệ chiếu sáng trên xe đã rất được quan tâm được chú trọng nghiên cứu và phát triển. Ai cũng thấy được tầm quan trọng của đèn chiếu sáng trên xe hơi khi vận hành trong bóng tối. Ra đời đồng thời với xe hơi, đèn pha đã trải qua 120 năm lịch sử từ những chiếc khổng lồ cổ lỗ tới Bi-Xenon hay LED ngày nay. Bắt đầu từ chiếc đèn thuở sơ khai có cấu tạo khổng lồ đến những chiếc Bilux (hai bóng) hình parabol của thập niên 1950-1960, đèn pha đã cải thiện đến 85% hiệu quả chiếu sáng.

Sau đó là sự xuất hiện của đèn cốt (low-beam) chiếu sáng trong khoảng 100 m và đèn Bi-Xenon với khoảng cách quan sát an toàn 180m hiện nay. Lịch sử đèn pha bắt đầu cùng thời với xe hơi khi Gottlieb Daimler và Karl Benz giới thiệu chiếc xe hơi đầu tiên năm 1886. Qua từng giai đoạn, do yêu cầu đòi hỏi khác nhau của thực tế khi lái xe vào ban đêm, trong thời tiết xấu, các đèn pha liên tục được cải tiến và phát triển với nhiều loại khác nhau.1 Đèn xe trước thời kỳ sử dụng đèn điện Chiếc xe hơi đầu tiên được ra đời vào năm 1886, cùng thời đó thì Thomas Edison cũng chỉ mới phát minh ra bóng đèn sợi đốt, tuy nhiên bóng đèn sợi đốt lúc đó không được sử dụng để chiếu sáng trên xe hơi vì nguồn điện để thắp sáng bóng đèn là Accu thì lại không đáp ứng được về dung lượng trong khi máy phát điện một chiều còn quá cồng kềnh và chưa được ứng dụng trên xe hơi. Vì vậy vào những năm cuối thế kỷ 19 người ta muốn lái xe ra đường vào ban đêm thì phải mang theo những chiếc đèn lồng, đèn măng sông, … là những chiếc đèn được sử dụng để thắp sáng trong nhà.

Tuy nhiên những chiếc đèn này với ánh sáng leo lét không thể đáp ứng về chiếu sáng cho xe. Vì vậy những nhà sản xuất xe hơi và những nhà khoa học đã bắt tay nghiên cứu các loại đèn có khả năng chiếu xa và vùng chiếu rộng để lắp đặt trên xe. Ban đầu người ta đã nghĩ ra cách hướng chùm ánh sáng về phía trước mặt đường bằng cách sử dụng các gương cầu mà ngày nay phát triển thành chóa đèn, tạo ra những chùm ánh sáng song song, vì vậy cải thiện đáng kể khả năng chiếu xa. Ngoài các loại đèn nến thông thường, tài xế còn sử dụng đèn xăng và acetylene để chiếu sáng con đường phía trước được xa hơn.

Đèn pha sử dụng acetylene được biết đến nhiều hơn so với các các đèn dùng khí carbua (đất đèn) bởi chúng ít tốn kém hơn. Với đèn sử dụng khí carbua, người ta phải đốt 35 lít gas để thắp sáng đèn trong một giờ. Các nhà sản xuất thường lắp một bình chứa khí gas bên ngoài xe để mọi người không phải ngửi mùi khó chịu của carbua. Ngày từ những năm đầu tiên của lịch sử đèn pha, một vấn đề luôn ám ảnh những nhà chế tạo xe hơi đến tận ngày nay, đó là khi họ cố gắng tạo loại đèn pha có khả năng chiếu sáng càng xa càng tốt thì nó có thể gây lóa mắt cho tài xế đi trên xe ngược chiều.

Để tránh hiện tượng này, năm 1908 các nhà thiết kế đã đưa ra ý tưởng hạ thấp ngọn lửa acetylene ra khỏi tiêu điểm ống kính mỗi khi gặp xe ngược chiều bằng cách sử dụng sợi dây điều khiển. Mặc dù cách làm này được ứng dụng nhanh chóng nhưng tương lai 7 cho đèn pha acetylene không còn. Xe hơi ngày một nhanh hơn khiến đèn gas trở nên lỗi thời.1: Đèn carbua gắn trên xe đạp 2.2 Đèn sợi đốt được sử dụng và phổ biến trên xe hơi Với sự phát triển của bóng đèn sợi tóc và sự ra đời các loại máy phát điện gọn nhẹ có thể lắp đặt trên xe hơi thì vào năm 1910 các loại bóng đèn sợi tóc đầu tiên được sử dụng để chiếu sáng trên xe hơi. Năm 1913, công ty điện Bosch, Đức, đã có cách tiếp cận hợp lý đối với vấn đề này và đưa ra sản phẩm "Bosch Light".

Đây là hệ thống tích hợp đèn pha, máy phát điện một chiều và bộ điều chỉnh để tránh gây phiền phức cho khách hàng nếu mua các phần tử rời rạc. Tuy nhiên, vẫn xuất hiện những tranh cãi xung quanh đèn pha sử dụng điện hiện đại và các đèn pha thế hệ cũ sử dụng gas. Một giải pháp mới là kết hợp đèn pha chạy bằng nhiên liệu với đèn pha điện. Các loại đèn pha này cùng tồn tại cho đến sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất.

Năm 1920, điện chiếm ưu thế không chỉ trong đèn pha mà còn trong cả công nghệ chế tạo xe hơi. 8 • Đèn cốt (low - beam) ra đời cũng trong thời kỳ này: Lái xe trong đêm vẫn bị ảnh hưởng bởi vấn đề rất cũ là gây chói mắt của những chiếc xe đi ngược chiều. Các kỹ sư đã cố gắng rất nhiều nhằm giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng thiết bị chống lóa mắt và tìm ra phương pháp lắp đặt đèn pha. Hai đèn chiếu riêng biệt với hai chùm ánh sáng mang lại hiệu quả cao hơn (pha và cốt).

• Bóng đèn bilux - giải pháp tất cả trong một: Năm 1924, chuyên gia về đèn Osram đưa ra giải pháp kỹ thuật mới nhằm giảm chói mắt cho xe đi ngược chiều là dùng bóng đèn có hai sợi đốt, kết hợp cả chùm pha và cốt trên cùng một gương phản xạ. Thay vì phải dùng 2 nguồn sáng với hai chóa đèn riêng biệt cho 2 chế độ chiếu xa và chiếu gần • Đèn cốt không đối xứng - sáng hơn phía bên phải: Năm 1957, đèn cốt không đối xứng xuất hiện. Loại đèn này có cường độ sáng cao hơn phía bên tay phải, nơi hay có người đi bộ và xe đạp mà lái xe thường rất khó phát hiện trong đêm. Và được chính quyền Đức chính thức công nhận việc sử dụng đèn cốt không đối xứng trên xe ô tô.3 Đèn halogen ra đời và được sử dụng phổ biến trên xe hơi ( thời kỳ 1960- 1990 ): Hình 2.2: Đèn Hallogen Chỉ một vài năm sau, ngành công nghiệp ôtô chứng kiến sự xâm nhập và chiếm ưu thế của đèn sử dụng khí halogen (gồm các khí Flo, Clo).

Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là hiệu quả chiếu sáng và tuổi thọ làm việc cao. Trong khi đó, 9 đối với các đèn sợi đốt thông thường, kim loại bốc hơi từ các sợi đốt tập trung trên bề mặt kính làm xám đen. Khí Halogen có tác dụng làm hạn chế sự bốc hơi của kim loại từ sợi đốt làm cho bóng đèn trở nên sáng. Ngoài ra nó cũng giúp đốt nóng sợi đốt một cách mạnh mẽ và cho nguồn ánh sáng tốt hơn.

*Đèn pha chiếu ánh sáng từ các thấu kính: Công nghệ chiếu sáng tiếp tục được phát triển xa hơn bằng giải pháp thay đổi hình dạng của đèn pha và gương phản xạ. Đầu những năm 1960, các đèn pha hình chữ nhật bắt đầu xuất hiện trên đường phố. Năm 1983, đèn pha đánh dấu sự phát triển mang tính quyết định nhờ cách thức chiếu ánh sáng lên trên mặt đường theo nguyên lý của các đèn slide. Sự khác nhau mang tính quyết định nằm ở gương phản xạ.

Nó không phải là một gương parabol mà là gương ellipsoid với ba trục chuyển động nên tạo ra nhiều ánh sáng hơn. Đèn pha chiếu tạo ra một chùm sáng dạng nón với một điểm hội tụ xác định rất gần với bề mặt phản xạ. Các thấu kính thông thường sẽ được thay thế bằng các thấu kính hội tụ với một vùng chỉ vài cm2 tập trung chùm sáng. Các nhà thiết kế xe hơi rất ngạc nhiên với công nghệ đèn pha mới.

Ngay lập tức họ thiết kế các đèn pha cực kỳ gọn nhẹ và cực mỏng với các kính hội tụ đặt nghiêng. Các đèn pha dùng phương pháp chiếu này mang đến nhiều ưu điểm như sự phân bố ánh sáng, giảm một cách đáng kể sự lóa do sương mù, mưa và tuyết.4 Đèn xenon ra đời và được sử dụng phổ biến trên xe hơi (thời kỳ 1990 – nay Hình 2.3: Bộ đèn xenon và bộ tăng áp 10 Năm 19991 đèn pha Xenon ra đời. Nguồn sáng của đèn này gồm khí Xenon và một lượng nhỏ muối kim loại. Bằng cách sử dụng bộ tăng áp (Ballast) tạo ra những xung ngắn với điện áp lên đến 28.000 Volt, các quầng plasma sẽ xuất hiện giữa các cực của đèn.

Đèn Xenon được sử dụng từ năm 1995 và bắt đầu thay thế các bóng đèn sợi đốt thông thường. Ưu điểm lớn nhất của Xenon là chúng chỉ tiêu thụ 35W nhưng lại có cường độ ánh sáng gấp 2 lần so với những chiếc đèn halogen công suất 55W. • Đèn BI - Xenon ra đời: Hình 2.4: Công nghệ chiếu sáng Bi -Xenon Khi đèn Xenon ra đời người ta lại phải sử dụng bộ đèn chiếu có 2 chóa, một chóa cho đèn pha và một chóa cho đèn cốt, vì Xenon chỉ có một tim. Vào năm 1998 bóng đèn Xenon 2 chế độ Pha – cốt xuất hiện, cũng tương tự như bóng đèn 2 tim, đèn Xenon 2 chế độ pha cốt bố trí 2 bóng đèn Xenon sát nhau nhưng 2 tim đèn đặt được bố trí lệch nhau, nên ánh sáng phát ra từ các tim đèn này qua phản xạ của gương cầu cho những luồng sáng có góc chiếu khác nhau.