i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CÔNG SUẤT XE HAI BÁNH SVTH PHAN THỊ Y PHƯỢNG MSSV 16145231 Khóa 2016 – 2020 Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD ThS HUỲNH THỊNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM CÔNG SUẤT XE HAI BÁNH SVTH PHAN THỊ Y PHƯỢNG MSSV 16145231 Khóa 2016 – 2020 Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD ThS HUỲNH.
Lý do chọn đề tài
Nhu cầu sử dụng trang thiết bị nghiên cứu cơ bản tại các trường đại học, trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp ngày càng gia tăng, đặc biệt trong lĩnh vực thử nghiệm động cơ xe hai bánh Nhiều nhà sản xuất toàn cầu như AVL, Meiden, Ono Sokki và Dynojet cung cấp băng thử công suất hiện đại, đáp ứng các chu trình thử nghiệm nhưng không hoàn toàn phù hợp cho nghiên cứu tĩnh như đo đạc công suất và moment Những hệ thống này phức tạp, khó nâng cấp và sửa chữa do tiêu chuẩn riêng của từng hãng, cùng với giao diện và phần mềm điều khiển không thể chuyển giao Việc căn chỉnh đồng tâm và lắp đặt hệ thống cho băng thử động cơ cũng tốn nhiều thời gian Để khắc phục những nhược điểm này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu thử nghiệm công suất xe hai bánh” nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong công tác thử nghiệm và nghiên cứu khoa học.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu thử nghiệm công suất xe hai bánh
Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu thử nghiệm công suất xe hai bánh” là thực hiện các nội dụng sau:
- Nghiên cứu tổng quan đề tài
- Cơ sở lý thuyết thử nghiệm công suất xe hai bánh
- Thiết kế hệ thống bộ tạo tải
- Kết luận và kiến nghị
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Băng thử công suất xe hai bánh
Nghiên cứu này tập trung vào việc thử nghiệm công suất và thiết kế băng thử công suất cho xe hai bánh, đặc biệt là các loại xe hai bánh cỡ nhỏ Mục tiêu chính là phát triển hệ thống băng thử, với trọng tâm là thiết kế bộ tạo tải nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình thử nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc áp dụng kiến thức đã học, thu thập tài liệu liên quan và tiến hành phân tích, nghiên cứu nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết Cơ sở lý thuyết này sẽ là nền tảng quan trọng cho việc thiết kế ý tưởng cho bộ tạo tải công suất.
Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab ứng dụng vào việc mô phỏng và tính toán
Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu xe hai bánh tại Việt Nam bao gồm việc tìm hiểu thông số kỹ thuật của các mẫu xe phổ biến Từ những thông tin này, chúng ta sẽ tiến hành tính toán và thiết kế để lựa chọn các chi tiết phù hợp cho băng thử.
Các nghiên cứu về băng thử công suất trong và ngoài nước
1.5.1 Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, băng thử công suất xe hai bánh đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt là tại các trường đại học và học viện Tuy nhiên, chưa có đơn vị nào chế tạo băng thử công suất xe hai bánh hoàn chỉnh có tính thương mại hóa Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cải tiến băng thử cũ để nâng cao hiệu suất hoạt động Một số công trình tiêu biểu bao gồm đề tài “Thiết kế và chế tạo băng thử xe máy kiểu thủy lực” của Phan Duy Đức và các cộng sự, đã chế tạo thành công băng thử với công suất phanh 6kW và tốc độ thử nghiệm lên tới 60 km/h Hệ thống cung cấp nước cho phanh hoạt động theo kiểu tuần hoàn kín, sử dụng hai bơm nước độc lập Đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ đo moment xoắn” của Lê Duy Hưng và Huỳnh Xuân Bình tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã phát triển bộ đo công suất xe máy thông qua trục xoắn kết hợp với cảm biến Mặc dù bộ tạo tải bằng thanh xoắn chỉ phù hợp với thử nghiệm công suất nhỏ, nhưng nghiên cứu này cho thấy tiềm năng trong việc làm chủ công nghệ chế tạo và bảo dưỡng thiết bị tại Việt Nam.
Đề tài "Thiết kế băng thử công suất bánh xe chủ động" của Nguyễn Minh Trinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội cần được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện Ý tưởng thiết kế băng thử nhằm đo công suất tại bánh xe chủ động là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu về động cơ xe hai bánh, ô tô và xe tải có công suất dưới 400kW cho thấy kết quả chưa tối ưu, cần cải tiến để phục vụ chế tạo thương mại Thạc sĩ Đặng Đình Được đã ứng dụng phần mềm Labview trong thí nghiệm động cơ đốt trong, xây dựng mô hình thí nghiệm trên băng thử thủy lực Froude, giúp ghi nhận dữ liệu một cách trực quan Lê Văn Kiên đã nghiên cứu phanh thủy lực Dynomite 13 Dual Rotor, đề xuất lắp đặt hộp tăng tốc cho động cơ thử nghiệm, mở rộng khả năng đo cho động cơ có số vòng quay thấp Phạm Văn Mạnh tại Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã chế tạo băng thử công suất kéo cho xe hai bánh dưới 11.6 kW, cung cấp thiết bị hữu ích cho nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực này.
1.5.2 Các nghiên cứu trên thế giới
Các băng thử công suất được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu thực nghiệm động cơ đốt trong, dẫn đến nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới nhằm cải thiện hiệu suất và tính năng của thiết bị này.
Vào năm 1877, William Froude phát minh ra băng thử thủy lực dựa trên nguyên lý phanh Prony, được sử dụng để đo công suất động cơ nhỏ hơn 200 mã lực Hiện nay, băng thử Froude đã được cải tiến tại Trung tâm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế - Đại học Đà Nẵng, với khả năng đo tốc độ động cơ bằng encoder và đo lực bằng loadcell, mang lại kết quả thành công trong việc nâng cao độ chính xác và hiệu quả đo lường.
Vào năm 2008, Tiến sĩ Horizon Gitano – Briggs từ Đại học Khoa học Malaysia đã xây dựng một bài giảng nghiên cứu về động lực học và thử nghiệm động cơ đốt trong với các thiết bị đo công suất khác nhau Bài giảng cung cấp kiến thức tổng quan về băng thử công suất, nguyên lý hoạt động, phân loại băng thử và cách vận hành Tiến sĩ hy vọng rằng bài giảng sẽ giúp mọi người hiểu rõ ưu và nhược điểm của từng loại băng thử, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp nhất để thiết kế băng thử công suất mới.
Báo cáo của Mohammad Sami Ahmad nghiên cứu về băng thử động cơ sử dụng phanh bằng khí với cấu tạo đơn giản, bao gồm máy nén khí và bình nén tạo moment cản cho động cơ Moment cản này tăng theo áp suất trong bình nén nhưng không theo tỷ lệ tuyến tính Mặc dù vậy, loại băng thử này ít được sử dụng do phát sinh tiếng ồn lớn và độ chính xác kiểm soát không cao Tác giả đề xuất áp dụng phương án này để kiểm tra hiệu quả của các hộp số trong các băng thử động cơ có sử dụng hộp số.
Vào năm 2016, Gajanana G Shenoy, Sujith Kumar và Jerome Anthony đã thiết kế một băng thử công suất xe hai bánh theo yêu cầu của khách hàng Băng thử này được yêu cầu phải linh hoạt trong việc di chuyển, tiết kiệm chi phí vật liệu, và có khả năng đo moment cũng như công suất cho nhiều dòng xe khác nhau Sản phẩm sử dụng vi điều khiển Mega 32 bit để xác định moment cản tại bánh xe chủ động, và kết quả thiết kế đã hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của khách hàng.
Hiện nay, nhiều nghiên cứu và chế tạo băng thử công suất cho xe hai bánh đã được thực hiện trên thế giới, nhưng thiết bị này vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam Do đó, nghiên cứu này nhằm đóng góp vào quá trình thiết kế hoàn thiện băng thử công suất cho xe hai bánh trong nước.
Mục đích và yêu cầu trong thử nghiệm
Thử nghiệm xe và động cơ đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và xe máy, với ba lĩnh vực chính: nghiên cứu và thiết kế, kiểm định động cơ, và giáo dục Mỗi lĩnh vực này có những mục đích thử nghiệm riêng biệt, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của động cơ Trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế, thử nghiệm giúp phát triển công nghệ mới và tối ưu hóa thiết kế để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
Trong nghiên cứu và thiết kế, người ta thử nghiệm nhằm các mục đích:
Nghiên cứu thiết kế động cơ mới cho sản xuất hàng loạt bao gồm hai giai đoạn chính: thiết kế và thử nghiệm Quá trình này giúp xác định các điểm cần hoàn chỉnh, bởi vì có nhiều yếu tố phức tạp ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ mà thiết kế ban đầu không thể đánh giá đầy đủ Do đó, việc thử nghiệm động cơ là rất cần thiết Các phương án thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật cần được kết hợp chặt chẽ với thử nghiệm mô hình, chạy thử và hoàn thiện thiết kế trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt.
Nghiên cứu tối ưu hóa mức độ hoàn thiện của các sản phẩm sử dụng trong động cơ, bao gồm dầu mỡ bôi trơn, hệ thống làm mát và nhiên liệu, rất quan trọng Phân tích quá trình cháy là một phần thiết yếu trong nghiên cứu động cơ, thường được thực hiện trên các động cơ thử nghiệm có lắp máy quay phim trong xi lanh để ghi lại hình ảnh trong buồng đốt Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu thử nghiệm như áp suất cháy, nhiệt độ cháy và diễn biến ngọn lửa theo các góc quay trục khuỷu theo thời gian Việc này giúp đánh giá chính xác tính tối ưu của quá trình cháy và từ đó, đưa ra những điều chỉnh cần thiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, đặc biệt quan trọng cho nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu mới.
Nghiên cứu cải tiến động cơ tập trung vào việc hoàn thiện kết cấu và nâng cao hiệu suất của động cơ thông qua các giải pháp như tăng dung tích xylanh, cải thiện tỷ số nén và tối ưu hóa khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường và địa lý khác nhau Những cải tiến này không chỉ nâng cao tính kinh tế mà còn tăng cường hiệu quả hoạt động của động cơ.
6 b Thử nghiệm trong kiểm định động cơ
Việc kiểm định động cơ là quá trình quan trọng nhằm đánh giá các tính năng kỹ thuật và chất lượng chế tạo của động cơ mới, động cơ đã sửa chữa, đại tu, hoặc động cơ sau một thời gian sử dụng Qua đó, chúng ta có thể xác định thời hạn sử dụng và thời gian hoạt động giữa hai kỳ sửa chữa lớn Trong quá trình kiểm nghiệm, các thông số kỹ thuật cơ bản như công suất, moment động cơ, hiệu suất, số vòng quay, tuổi thọ, thành phần khí thải và lượng tiêu hao dầu bôi trơn thường được kiểm tra để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.
Công suất và moment là những thông số cơ bản quan trọng của động cơ, với việc xác định công suất động cơ phục vụ nhiều mục đích khác nhau Để tính toán công suất có ích, người ta thường dựa vào moment xoắn Me đo được trên phanh thử và quy đổi ra giá trị Pe Nguyên tắc xác định Me là sử dụng phanh (bộ tạo tải) để tạo ra moment cản (Mc), với các loại phanh thử khác nhau như phanh cơ khí, phanh thủy lực và phanh điện được áp dụng tùy theo loại băng thử động cơ.
Hiệu suất có ích của động cơ là tỷ lệ phần trăm nhiệt lượng chuyển đổi thành công có ích từ tổng nhiệt lượng cung cấp, được xác định qua quá trình đốt cháy trong xy lanh Bằng cách tính toán lượng nhiên liệu tiêu hao và công suất có ích trong một khoảng thời gian, ta có thể xác định hiệu suất động cơ Hiệu suất càng cao đồng nghĩa với việc giảm lượng nhiên liệu tiêu hao cho 1kW trong 1 giờ, từ đó giảm tổng lượng tiêu hao Việc xác định hiệu suất có ý nghĩa quan trọng đối với động cơ trên phương tiện vận tải, giúp ước lượng lượng nhiên liệu dự trữ cho một đoạn đường và tăng khả năng chuyên chở hàng hóa.
Xác định tuổi thọ và độ tin cậy của các chi tiết trong động cơ là quá trình đánh giá khoảng thời gian mà chi tiết hoặc động cơ có thể hoạt động trước khi đạt trạng thái hỏng hóc hoặc cần sửa chữa Độ tin cậy thể hiện khả năng của động cơ thực hiện chức năng trong một khoảng thời gian nhất định, duy trì các chỉ tiêu và thông số làm việc trong giới hạn cho phép Để xác định các chỉ số này, người ta tiến hành thử nghiệm trên băng thử ở các chế độ làm việc khác nhau, sau đó so sánh và phân tích số liệu thu được để đảm bảo kết quả chính xác.
Việc thử nghiệm khí xả động cơ là một yếu tố quan trọng không thể thiếu, đặc biệt trong bối cảnh các nước phát triển áp dụng các quy định nghiêm ngặt về thành phần và nồng độ chất độc hại trong khí thải Các chất chính được quan tâm bao gồm CO, CO2, HC, NOx, và O2 Thử nghiệm này không chỉ giúp xác định nồng độ khí xả mà còn đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và phát triển nhiên liệu mới, góp phần hoàn thiện công nghệ động cơ.
7 kết cấu, vận hành sử dụng, nhằm mục đích giảm thiểu ô nhiễm tác động đến môi trường c Thử nghiệm trong lĩnh vực giáo dục
Việc thực hiện các thử nghiệm trong đào tạo giúp sinh viên củng cố và hệ thống hóa kiến thức lý thuyết từ các môn học chuyên ngành Sinh viên có cơ hội làm quen với thiết bị, băng thử và các dụng cụ đo, cũng như quy trình thực hiện thử nghiệm động cơ Điều này không chỉ giúp họ tiếp cận các kỹ thuật đo tiên tiến mà còn nâng cao hiểu biết và hoàn thiện kiến thức đã học.
2.1.2 Yêu cầu trong thử nghiệm Để việc thử nghiệm diễn ra thuận lợi và hiệu quả, cần phải đảm bảo những yêu cầu sau đây:
- Thiết bị đo dùng cho thử nghiệm phải đảm bảo độ chính xác cần thiết cho thí nghiệm
- Trọng lượng, kích thước của thiết bị đo nhỏ gọn, dễ di dời
- Thỏa mãn được mục đích thử nghiệm cho nhiều động cơ, dòng xe khác nhau
- Kết hợp được với các thiết bị khác để hỗ trợ việc thử nghiệm
- Vị trí thử nghiệm phải phù hợp, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài
Để đảm bảo an toàn cho người vận hành và những người xung quanh, cần chú trọng đến các tiêu chí an toàn như ánh sáng, hệ thống thông gió và điều hòa không khí, hệ thống chữa cháy, cũng như các chỉ tiêu về âm thanh, tiếng ồn và khí thải Ngoài ra, cũng cần tuân thủ các yêu cầu liên quan đến đồ gá và khớp nối.
Phân loại thử nghiệm
Có nhiều kiểu thử nghiệm khác nhau, tùy vào mục đích và phương pháp đã nêu ở phần trên mà chúng ta có thể chia theo 2 cách sau
2.2.1 Phân loại thử nghiệm theo thông số cần đo a Đo công suất, moment của động cơ
Công suất động cơ là thông số kỹ thuật quan trọng nhất, không phụ thuộc vào công dụng và loại động cơ Việc xác định chính xác công suất động cơ trong thiết kế, chế tạo, sửa chữa và sử dụng là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
- Kiểm nghiệm động cơ trước khi xuất xưởng (nhằm kiểm tra động cơ sau khi thiết kế có đạt chỉ tiêu công suất đề ra không)
- Kiểm tra động cơ sau khi sửa chữa lớn
- Tổ chức khai thác động cơ hợp lí, an toàn và tin cậy
- Biết chiều hướng và các giá trị biến động công suất trong những điều kiện khai thác cụ thể
- Giúp nhà nước trong việc quản lý, kiểm soát các phương tiện giao thông
Có 2 cách đo công suất động cơ thông qua việc xây định đường đặc tính ngoài của động cơ hoặc xây dựng đường đặc tính tải của động cơ
Đường đặc tính ngoài của động cơ thể hiện mối quan hệ giữa công suất, moment xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu với số vòng quay của trục khuỷu Những đường cong này giúp xác định hiệu suất hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.
Việc thử nghiệm lấy đường đặc tính ngoài của động cơ được thực hiện như sau:
Phanh cho động cơ có tải trọng và bướm ga mở hoàn toàn
Sau khi dùng bộ tạo tải làm giảm số vòng quay của động cơ cho tới một vị trí mà động cơ làm việc không ổn định nữa
Đo các giá trị moment xoắn động cơ, chi phí nhiên liệu, số vòng quay của động cơ
Để xác định số vòng quay của động cơ, cần giảm tải cho động cơ cho đến khi đạt được trạng thái nhiệt mới ổn định Sau đó, tiến hành ghi và đo các thông số cần thiết.
Tiến hành đo 7 hoặc 8 điểm đo, từ đó ta vẽ được đồ thị Me = f(n); ge f(n)
Sau khi có được các giá trị Me, ta tìm được các giá trị công suất của động cơ tương ứng thông qua công thức: M e 30 P e
Ta vẽ được đồ thị Pe = f(n)
Hình 2 1 Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ
Xác định đường đặc tính tải trọng của động cơ
Đặc tính tải trọng của động cơ thể hiện sự biến thiên của suất tiêu hao nhiên liệu và các chỉ tiêu công tác khác theo công suất và moment khi động cơ hoạt động ở số vòng quay không đổi Bằng cách xây dựng đường đặc tính tải, chúng ta có thể xác định suất tiêu hao nhiên liệu một cách chính xác.
Tiêu hao nhiên liệu của động cơ GE và sự thay đổi lượng nhiên liệu trong một giờ được xác định theo từng số vòng quay khi thay đổi phụ tải Bằng cách tính toán suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất gemin và lượng nhiên liệu giới hạn cung cấp cho chu trình ∆gct, chúng ta có thể xác định chế độ làm việc tối ưu của động cơ dựa trên công suất và số vòng quay.
Việc thử nghiệm lấy đường đặc tính tải trọng của động cơ được tiến hành theo các bước sau:
Theo đặc tính tốc độ, công suất động cơ Pe được xác định dựa trên số vòng quay, và tại chế độ này, chúng ta sẽ sử dụng đường đặc tính tải trọng tương ứng.
Công suất này được coi là 100% bởi vì nó là công suất của động cơ ở số vòng quay đã cho và khi bướm ga mở hoàn toàn
Tính các trị số 0,25Pe; 0,50Pe; 0,75Pe; 0,85Pe; 0,95Pe, rồi làm cho động cơ chịu những tải trọng theo thứ tự đó
Trong mỗi lần thử nghiệm, chúng ta duy trì số vòng quay n không đổi bằng cách từ từ khép bướm ga lại Dữ liệu thu thập được cho phép chúng ta vẽ đồ thị đặc tính tải, như được minh họa trong hình.
Hình 2 2 Đồ thị đặc tính tải của động cơ b Đo lượng tiêu hao nhiên liệu
Thử nghiệm xác định mức độ tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong một đơn vị thời gian giúp xác định chi phí tiêu hao nhiên liệu trong một giờ Gnl, suất tiêu hao nhiên liệu ge và hệ số dư lượng không khí α Có nhiều phương pháp để đo mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ, trong đó có ba phương pháp chính: đo theo thể tích bằng bình thót cổ, đo bằng cách cân trực tiếp và đo bằng thiết bị điện tử.
10 c Đo nồng độ khí thải
Trong quá trình đo khí thải, xe thử nghiệm thường được đưa lên băng thử công suất kết hợp với thiết bị đo nồng độ khí thải để xác định nồng độ từng chất có trong khí thải Mỗi quốc gia sẽ áp dụng tiêu chuẩn khí thải và quy trình đo lường riêng biệt Dựa trên các tiêu chuẩn này, việc thử nghiệm nhằm đo nồng độ các chất có trong khí thải được thực hiện một cách chính xác.
CO, CO2, HC, NOx, sau đó so sánh với giá trị tiêu chuẩn xem có thỏa mãn hay không để điều chỉnh cho phù hợp
2.2.2 Phân loại thử nghiệm theo phương pháp thử nghiệm a Thử nghiệm tĩnh (Stationary testing)
Phương pháp thử nghiệm tĩnh được áp dụng để đo công suất, mô-men xoắn của động cơ, cũng như khí thải tĩnh của động cơ xe máy Phương pháp này cũng có thể sử dụng để đo lực kéo và công suất kéo xe máy tại một tay số nhất định ở từng điểm vận tốc Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là việc thu thập số liệu được thực hiện khi xe hoạt động ổn định tại một tốc độ cụ thể.
Hình 2 3 Đồ thị quá trình thử nghiệm tĩnh
Trong quá trình thử nghiệm tĩnh, số liệu được thu thập một cách gián đoạn bằng cách cho xe máy hoạt động ổn định tại từng điểm làm việc Tại điểm làm việc 1, các thông số như tốc độ xe, lực kéo và công suất kéo được đo đạc Khi chuyển sang điểm làm việc 2, nếu các thông số như moment và số vòng quay không ổn định, sẽ không tiến hành lấy số liệu Sau khi động cơ ổn định, số liệu tại điểm làm việc 2 sẽ được ghi nhận Quá trình này tiếp tục tương tự cho các điểm làm việc tiếp theo cho đến khi hoàn tất việc đo tại điểm cuối cùng.
Quá trình xây dựng đường lực kéo tiếp tuyến cực đại cho xe máy ở tay số 3 (tương ứng với 100% ga) được thực hiện qua các bước cụ thể.
Cố định xe trên băng và làm nóng
Cho xe chuyển dần sang tay số 3
Để tiến hành đo, hãy chọn chế độ vận tốc cố định V = 20 km/h Sau đó, tăng ga từ từ đến 100% và chờ cho giá trị tốc độ và lực kéo ổn định trước khi ghi nhận kết quả.
Sau đó chuyển sang giá trị V = 30 km/h → lấy giá trị lực kéo Tiến hành tương tự để có các giá trị lực kéo cực đại ở 40, 50, 60…km/h
Nối các điểm (tốc độ, lực kéo), ta có đồ thị lực kéo tiếp tuyến cực đại ở tay số 3 như hình 2.4
Hình 2 4 Đồ thị lực kéo tiếp tuyến cực đại ở tay số 3 b Thử nghiệm động (Dynamic & transient testing)
Phương pháp thử nghiệm động là kỹ thuật quan trọng trong việc đo khí thải và tiêu hao nhiên liệu Đặc biệt, thử nghiệm tạm thời (transient testing) được áp dụng để đánh giá khí thải và tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel cỡ lớn Điểm nổi bật của phương pháp này là quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện khi xe hoạt động liên tục, đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy trong kết quả đo lường.
Phương pháp lấy số liệu: Trong quá trình thử nghiệm động, các số liệu được đo một cách liên tục trong suốt quá trình thử nghiệm
Lấy ví dụ quá trình đo tiêu hao nhiên liệu: Người điều khiển xe chạy theo chu trình thử nghiệm vận tốc theo thời gian như hình 2.5
Hình 2 5 Đồ thị vận tốc theo thời gian
Cấu trúc chung của băng thử công suất xe hai bánh
Băng thử công suất là thiết bị quan trọng dùng để đo lường các thông số như công suất, moment xoắn và tốc độ quay của động cơ hoặc xe Thiết bị này có khả năng kết hợp với các công cụ khác để đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu, khí thải và hiệu suất của các chất bôi trơn trên động cơ.
Băng thử công suất có hai loại chính: loại đầu tiên dành cho việc thử nghiệm trực tiếp động cơ, và loại thứ hai, gọi là Chassis Dynamometer, được sử dụng để thử nghiệm toàn bộ chiếc xe Đối với xe hai bánh, Chassis Dynamometer thường là lựa chọn ưu tiên do động cơ của chúng có công suất nhỏ.
2.3.1 Sơ đồ bố trí chung
Băng thử công suất xe hai bánh được cấu thành từ nhiều bộ phận quan trọng, bao gồm khung băng thử, rulo, hệ thống truyền động, bộ tạo tải, hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu, cùng với các hệ thống phụ trợ khác.
Hình 2 7 Sơ đồ khối nguyên lý băng thử công suất xe hai bánh
Khung băng thử là thành phần chính tạo hình dạng cho băng thử, đồng thời hỗ trợ và lắp đặt các chi tiết như xe thử nghiệm, bộ tạo tải và rulo Khi thiết kế khung băng thử, việc tính toán và lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho việc gá đặt các chi tiết.
Hình 2 8 Băng thử công suất Dynojet model 250i
Hình 2 9 Băng thử công suất – Nghiên cứu của sinh viên trường Đại học Bách khoa
Khung của băng thử có thể chia thành các phần nhỏ như sau:
Khung chính của xe được thiết kế để gá đặt xe, cố định các chi tiết và lắp đặt thiết bị phụ trợ như quạt thổi gió và khay đựng màn hình điều khiển Có hai loại khung chính: loại đầu tiên là khung đặt nổi trên sàn, mang lại ưu điểm di dời linh hoạt nhờ vào bánh xe, cũng như dễ dàng trong việc lắp đặt, sửa chữa và vệ sinh Loại thứ hai là khung đặt âm dưới mặt đất.
Khung xe này tiết kiệm không gian và đảm bảo an toàn khi gá đặt Tuy nhiên, việc sửa chữa, vệ sinh và lắp đặt sẽ gặp khó khăn khi xảy ra hư hỏng.
Khung gá đỡ rulo và bộ tạo tải là cấu trúc chính dùng để hỗ trợ rulo, bộ tạo tải, hệ thống truyền động của băng thử và các hệ thống phụ trợ khác Thiết kế của khung này thường bao gồm các ô tản nhiệt nhằm giải nhiệt cho bộ tạo tải, và nó được gắn liền với khung chính để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình hoạt động.
Cơ cấu cố định xe là yếu tố quan trọng quyết định độ an toàn trong quá trình thử nghiệm Một băng thử thông thường bao gồm các thành phần như kẹp bánh xe trước, móc nối để ràng xe, và tấm trượt điều chỉnh chiều dài xe Tất cả các chi tiết này được lắp đặt chắc chắn trên khung chính của băng thử.
Băng thử đặt nổi trên sàn được trang bị khung đường dẫn xe, giúp dễ dàng di chuyển băng thử Khung này thường được thiết kế rời, mang lại sự tiện lợi cho việc di dời.
Rulo là bộ phận quan trọng trong băng thử công suất, có nhiệm vụ nhận moment kéo từ động cơ và truyền tới bánh xe qua hệ thống truyền động, làm cho bộ tạo tải quay Đồng thời, rulo cũng truyền moment cản từ bộ tạo tải đến bánh xe, giúp hãm tốc độ bánh xe Hơn nữa, rulo đại diện cho điều kiện chuyển động của xe trên mặt đường.
Kết cấu của rulo bao gồm hai phần chính: bánh đà và vỏ rulo, được kết nối với nhau thông qua phương pháp hàn Phần vỏ rulo có hình dạng vành khăn, tiếp xúc trực tiếp với bánh xe, trong khi phần bánh đà được gắn liền với trục của rulo.
Rulo dành cho băng thử xe hai bánh có 2 dạng: một rulo và hai rulo a Một rulo
16 Đặc điểm của loại rulo này là chỉ có một rulo kết nối với bánh xe chủ động
Rulo được thiết kế để mô phỏng lực cản đường, với bộ tạo tải điều khiển trực tiếp giúp điều chỉnh lực cản linh hoạt tại bánh xe chủ động Tuy nhiên, loại rulo này gặp khó khăn trong việc neo giữ bánh trước, dẫn đến việc mất thời gian trong quá trình sử dụng.
Rulo thường được sử dụng trong các băng thử công suất để kiểm tra hiệu suất ở nhiều tốc độ khác nhau Hai rulo có thể được áp dụng trong quá trình thử nghiệm để đảm bảo tính chính xác và đa dạng trong việc đo lường công suất.
Hệ thống hai rulo được kết nối bằng bộ truyền xích, mang lại ưu điểm trong việc neo giữ bánh trước xe máy khi bánh xe chủ động lọt vào khoảng giữa hai rulo, giúp tiết kiệm thời gian Tuy nhiên, khi mô phỏng lực cản đường, cấu trúc hai rulo không phù hợp do bộ truyền xích bị co giãn liên tục, gây mất ổn định moment quán tính và khó kiểm soát lực cản của bộ tạo tải Do đó, loại hai rulo thường được áp dụng cho băng thử công suất trong điều kiện tốc độ ổn định.
Hệ thống truyền động là phần kết nối giữa trục rulo và trục bộ tạo tải, có vai trò quan trọng trong việc dẫn động tốc độ quay và moment từ động cơ tới bộ tạo tải Đồng thời, hệ thống này cũng truyền moment cản từ bộ tạo tải tới bánh xe Trong băng thử công suất xe bánh, có nhiều loại dẫn động được sử dụng, bao gồm truyền động xích, truyền động cardan và truyền động bánh răng.
Nguyên lý hoạt động
2.4.1 Nguyên lý hoạt động chung của một băng thử công suất xe hai bánh
Các loại băng thử công suất hoạt động dựa trên nguyên lý chung: khi xe hoạt động, công suất từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động qua hệ thống truyền lực Moment xoắn từ động cơ khiến bánh xe quay, kéo theo rulo quay và bộ tạo tải hoạt động Bộ tạo tải này sinh ra moment cản, tùy thuộc vào loại bộ tạo tải mà nguyên lý tạo tải có sự khác biệt Moment cản này được truyền tới rulo qua hệ thống dẫn động, làm giảm tốc độ của xe Để đo moment cản, thường gắn thiết bị cân lực (load cell) gần bộ tạo tải.
Trong băng thử công suất, load cell là thiết bị phổ biến để đo moment Đây là một cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện piezoelectric, cho phép chuyển đổi tải trọng hoặc lực tác dụng thành tín hiệu điện Tín hiệu này có thể biểu hiện dưới dạng thay đổi điện áp, dòng điện hoặc tần số, tùy thuộc vào loại load cell và mạch đo sử dụng.
Một loadcell thường bao gồm các strain gauges gắn trên bề mặt của thân loadcell, được làm từ kim loại đàn hồi Tùy thuộc vào loại loadcell và mục đích sử dụng, thân loadcell có thể có hình dạng và vật liệu chế tạo khác nhau, như nhôm hợp kim, thép không gỉ hoặc thép hợp kim.
Hình 2 14 Nguyên lý hoạt động của loadcell
Nguyên lý hoạt động của loadcell dựa trên bốn strain gauges được kết nối thành cầu điện trở Wheatstone, được dán vào bề mặt thân loadcell Khi có tải trọng tác động, thân loadcell sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong strain gauges Sự thay đổi này gây ra biến động trong giá trị điện trở của các strain gauges, từ đó làm thay đổi điện áp đầu ra Mặc dù sự thay đổi điện áp đầu ra rất nhỏ (khoảng 20 mVolt khi tải đầy), nhưng nó có thể được đo và số hóa sau khi khuếch đại tín hiệu từ milli-volt lên mức 0-5V hoặc 0-10V.
Hình 2 15 Nguyên lý đo lực (đo moment)
Nguyên lý đo lực liên quan đến việc xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe (Fkxe) trong điều kiện cân bằng trên băng thử, so sánh với lực cản do bộ tạo tải gây ra.
Fxe – Fcản dyno = mdyno.a Lực cản của bộ tạo tải được xác định bằng phương trình sau:
Fcản dyno = F loadcell r iR + Fth
Trong đó: mdyno – Khối lượng quán tính của băng thử bao gồm khối lượng quán tính của rulo và bộ tạo tải a – Gia tốc của xe
Fxe – Lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động
Fcản dyno – Lực cản tạo ra bởi bộ tạo tải
Floadcell là thiết bị đo lực, với giá trị Floadcell nhỏ hơn 0 khi bộ tạo tải hoạt động ở chế độ động cơ và lớn hơn 0 khi ở chế độ máy phát Tỷ số truyền của hệ thống từ rulo đến bộ tạo tải loadcell cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất hoạt động của thiết bị này.
F r iR - Lực tại bề mặt rulo r - Chiều dài cánh tay đòn tác động lên loadcell
Fth - Lực tổn hao của băng thử (xem phần 2.4.5 – Nguyên lý xác định tổn hao)
Từ lực đo được bởi loadcell và gia tốc xác định được, lực kéo của xe được xác định theo phương trình sau:
Fxe = F loadcell r iR + Fth + mdyno.a
2.4.3 Nguyên lý đo tốc độ quay
Trong băng thử công suất, cảm biến tốc độ điện từ được sử dụng để đo tốc độ quay của bánh xe, bộ tạo tải và động cơ Cảm biến này bao gồm một nam châm và cuộn dây được đặt cách các vòng cảm biến một khoảng xác định Khi răng của vòng cảm biến không đối diện với cực từ, từ thông qua cuộn dây sẽ thấp do khe hở không khí lớn Khi răng tiến gần cực từ, khe hở giảm, làm tăng từ thông và sinh ra sức điện động cảm ứng Khi răng đối diện với cuộn dây, từ thông đạt cực đại nhưng điện áp bằng không Khi răng di chuyển ra khỏi cực từ, khe hở tăng, làm giảm từ thông và sinh ra sức điện động ngược lại Sự luân chuyển của bánh xe thay đổi khe hở, dẫn đến thay đổi từ trường và tạo ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây, với tần số tín hiệu thay đổi theo tốc độ bánh xe.
Hình 2 16 Cảm biến tốc độ
1 Nam châm vĩnh cửu; 2 Cuộn dây; 3 Từ trường; 4 Vòng cảm biến; 5 Khe hở không khí; 6 Cáp kết nối
Encoder là một loại cảm biến tốc độ quay, cung cấp thông tin về góc quay dưới dạng số mà không cần bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC) Cấu tạo của encoder bao gồm đĩa quay có lỗ gắn vào trục động cơ, một đèn LED làm nguồn sáng, một mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng và mạch khuếch đại tín hiệu.
Trên đĩa có các lỗ, đèn LED chiếu sáng qua những lỗ này khi đĩa quay, tạo ra tín hiệu cho encoder Mỗi khi mắt thu nhận tín hiệu từ đèn LED, encoder sẽ phát ra một xung, tương ứng với số lần ánh sáng bị cắt Tần số của xung đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay của đĩa Encoder thường gặp có hai tín hiệu đầu ra lệch pha 90 độ, cho phép xác định chiều quay của động cơ.
2.4.4 Nguyên lý mô phỏng lực cản đường và moment quán tính Để mô phỏng lực cản đường và moment quán tính, bộ điều khiển sẽ điều khiển lực cản tạo ra bởi bộ tạo tải sao cho lực kéo, tốc độ, gia tốc của xe tương tự như xe chạy trên đường thực
Trên bộ tạo tải: Fxe – Fcản dyno = mdyno.a
Tương ứng trên đường thực: Fxe – Fcản đường = mxe.a
Để mô phỏng chính xác tốc độ, gia tốc và lực kéo của xe khi di chuyển trên đường, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh bộ tạo tải nhằm tạo ra lực cản theo phương trình Fcản đường = F0 + F1.V + F2.V^2 Tham khảo thêm trong phần 2.4.6 về nguyên lý đo lực cản đường trên đường thực.
Fcản dyno = F0 + F1.V + F2.V 2 + melectrical.a Với: melectrical - Khối lượng quán tính cần bù để đạt được tốc độ và gia tốc như chạy trên đường thực
2.4.5 Nguyên lý xác định tổn hao
Tổn hao của băng thử bao gồm tổn hao ổ bi rotor, ma sát giữa bề mặt rotor và rulo với không khí, tổn hao ở các khớp nối, cùng với tổn hao của hệ thống truyền động trong quá trình vận hành Trong thiết kế, các hệ số tổn hao η được chọn là giá trị trung bình cho từng chi tiết cơ khí, mang ý nghĩa trong giai đoạn thiết kế Giá trị tổn hao tổng cộng thực tế của băng thử sẽ được xác định sau khi hoàn thiện chế tạo và lắp ráp.
Phương pháp xác định tổn hao của băng thử từ thực nghiệm:
Tổn hao của băng thử được xác định bằng một hàm bậc 3 theo tốc độ:
Fth = FL0 + FL1V + FL2V 2 + FL3V 3 Trong đó:
Fth: lực tổn hao trên băng thử
FL0: Thành phần tổn hao không phụ thuộc tốc độ (N)
FL1: Hệ số tổn hao phụ thuộc bậc nhất theo tốc độ (N/(km/h))
FL2: Hệ số tổn hao phụ thuộc bậc hai theo tốc độ (N/(km/h) 2 )
FL3: Hệ số tổn hao phụ thuộc bậc ba theo tốc độ (N/(km/h) 3 )
Trước khi xác định các hệ số tổn hao, cần làm nóng băng thử để giảm thiểu tổn hao ma sát của ổ bi rotor trong bộ tạo tải ổn định.
Tiến hành đo tổn hao bằng cách điều khiển bộ tạo tải tăng tốc đến các giá trị tốc độ 5, 15, 20, 25…80 km/h Sau đó, giảm tốc độ cho đến khi dừng hẳn Tại mỗi giá trị tốc độ không đổi, lực kéo cần duy trì tốc độ sẽ được đo bằng Loadcell, phản ánh tổn hao của bộ tạo tải ở tốc độ tương ứng.
Bộ số (Lực tổn hao – Tốc độ) sẽ được xác định, từ đó chương trình điều khiển sẽ sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tìm ra các hệ số tổn hao.
Tổn hao ở những giá trị tốc độ trung gian sẽ được tính theo phương trình tổn hao với những hệ số vừa tìm được
Chọn phương án bộ tạo tải
3.1.1 Bộ tạo tải ma sát (cơ khí) a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Phanh ma sát (cơ khí) bao gồm các loại như phanh guốc, phanh đĩa và phanh dải Cấu tạo của phanh cơ khí gồm các má phanh gắn với cánh tay đòn của cân, trong đó có trục quay nối với trục rulo, nơi được gắn vật liệu chịu mòn để má phanh tỳ vào.
Má phanh được gắn vào trục quay bằng cách siết đai ốc số 6 Lực ma sát giữa má phanh và trục quay tạo ra một moment kéo phanh quay theo chiều của trục Tuy nhiên, có một moment ngược chiều có độ lớn tương đương, giúp hãm sự quay của tang trống và duy trì trạng thái cân bằng Moment ngược này chính là moment cản cân bằng với moment cần đo có độ lớn là: M G.L.
G là trọng lượng tác dụng lên cân
L là chiều dài của cánh tay đòn
1 Tang trống, 2 Cánh tay đòn, 3 Đối trọng, 4 Giá, 5 Quả cân 6 Đai ốc điều chỉnh
Toàn bộ năng lượng cơ học trong phanh ma sát được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt do ma sát, vì vậy công suất phanh phụ thuộc vào phương pháp làm mát Trong hầu hết các trường hợp, nước được sử dụng làm chất làm mát và cũng đóng vai trò là chất bôi trơn.
Mối quan hệ giữa moment phanh và số vòng quay của phanh (khi lực phanh giữ không đổi) là một đường nằm ngang Để đánh giá khả năng sử dụng của phanh, cần khảo sát đặc tính của phanh cùng với đặc tính của động cơ, đặc biệt ở một giá trị lực xiết bulông nhất định.
Tại hai điểm A* và B*, phanh cắt đặc tính của động cơ thể hiện 28 định, đường đặc tính Điều này có nghĩa là, với cùng một moment phanh, động cơ sẽ có hai điểm làm việc khác nhau: A*(nA*,M*) và B*(nB*,M*).
Tại tốc độ thấp, điểm làm việc A* không ổn định do moment động cơ có thể vượt quá hoặc thấp hơn moment phanh, dẫn đến tình trạng tăng hoặc giảm tốc độ động cơ và có thể gây tắt máy Ngược lại, ở tốc độ lớn hơn nB*, điểm làm việc B* ổn định hơn, vì khi tốc độ động cơ vượt quá nB*, moment động cơ sẽ nhỏ hơn moment phanh, làm giảm tốc độ động cơ, và khi tốc độ nhỏ hơn nB*, moment động cơ sẽ lớn hơn moment phanh, làm tăng tốc độ động cơ Do đó, điểm làm việc ổn định là B*.
Việc sử dụng phanh cơ khí chỉ cho phép xác định đường đặc tính của động cơ trong khoảng từ Mmax đến MB* Ưu điểm của phương pháp này bao gồm khả năng đo đạc chính xác và dễ dàng, tuy nhiên cũng có nhược điểm như giới hạn trong phạm vi xác định và khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ.
Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp
Dùng tốt trong trường hợp thử nghiệm động cơ công suất nhỏ
Việc điều khiển phải thực hiện thủ công gây khó khăn cho quá trình thí nghiệm
Các chi tiết dễ bị mài mòn, hư hỏng
Không thử nghiệm được động cơ có công suất lớn
Phanh ma sát hiện nay ít được sử dụng, nhưng trong một số trường hợp, nó có thể được kết hợp với phanh thủy lực để mở rộng khả năng ứng dụng Ưu điểm nổi bật của phanh ma sát là khả năng đo moment ở tốc độ vòng quay rất nhỏ, điều này giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống phanh thủy lực.
3.1.2 Phanh thử dạng thủy lực a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 3 3 Cấu tạo phanh thủy lực
Phanh thủy lực bao gồm vỏ phanh (stator) lắp trên hai gối tựa để có thể lắc lư, cùng với trục nối với rotor Rotor được kết nối với trục của rulo, và nước được sử dụng làm chất lỏng trong bể chứa, được bơm vào không gian trong rotor qua đường dẫn trên vỏ phanh Khi rotor quay, ma sát giữa nước và rotor cùng với lực ly tâm làm cho nước quay theo, tạo ra áo nước trong vỏ phanh Ma sát này khiến stator có xu hướng quay theo, từ đó nước truyền moment từ rotor sang stator và tác động lên cảm biến đo lực (loadcell) Stator được giữ lại ở vị trí cân bằng nhờ một moment, trong khi các lớp nước xảy ra hiện tượng trượt và tạo nên sự xoáy Ma sát giữa các lớp nước biến thành nhiệt và được nước thải mang theo ra ngoài, sau đó được dẫn qua két làm mát và quay trở lại bể chứa.
Moment phanh có thể đo được của phanh thủy lực phụ thuộc vào hình dáng kết cấu của mặt trong vỏ và rotor, cùng với đường kính của phanh Sự thay đổi của moment này rất lớn, đặc biệt là do hình dáng kết cấu của rotor và stator.
Tải của băng thử khi hoạt động phụ thuộc vào thể tích nước trong phanh thủy lực, được điều chỉnh qua lưu lượng nước vào và ra bằng van tiết lưu Một bơm ly tâm hút nước từ bể chứa vào phanh, với đường ống hồi nước về bể và đường ống ra khỏi phanh đều có van tiết lưu Việc điều chỉnh lưu lượng nước vào phanh được thực hiện qua các van tiết lưu trên cả hai đường ống.
Khi phanh đạt trạng thái mong muốn, cần điều chỉnh lưu lượng nước vào và ra khỏi phanh sao cho bằng nhau, nhằm duy trì lượng nước trong phanh ổn định.
Phanh thủy lực có nhiều dạng khác nhau Theo kết cấu người ta chia ra làm ba loại: dạng đĩa, dạng chốt và dạng cánh
Phanh thủy lực dạng đĩa
Rotor có hình dạng đĩa phẳng, khi quay tạo ra dòng nước xoáy nhờ lực ma sát giữa rotor và nước cùng với lực ly tâm Sự ma sát này truyền moment động cơ cho stator, khiến stator có xu hướng xoay quanh ổ đỡ Để giữ stator cân bằng, cơ cấu cân lực được sử dụng Lực ma sát giữa nước và phanh tăng lên khi vòng nước dày hơn Để cải thiện hiệu quả phanh, có thể thiết kế rotor với nhiều đĩa hoặc khoan lỗ trên bề mặt đĩa.
Hình 3 4 Cấu tạo phanh thủy lực dạng đĩa
1.Stator, 2 Ổ bi stator, 3 Ổ bi rotor, 4 Mặt bích, 5 Băng, 6 Van điều chỉnh, 7 Khớp nối, 8 Rotor
Phanh thuỷ lực dạng chốt
Rotor được thiết kế hình trụ với ba hàng chốt ba cạnh, trong khi đó, mặt hông của stator cũng gắn các chốt ba cạnh xen kẽ Giữa các hàng chốt của rotor và stator có khe hở nhất định, tạo khoang nước và tránh va chạm Khi trục 6 quay, rotor cũng sẽ quay, tạo ra ma sát giữa các chốt của rotor với nước và giữa nước với các chốt của stator Ma sát này giúp truyền moment từ rotor sang stator, khiến stator có xu hướng quay theo Lượng nước trong phanh và khe hở giữa các chốt là yếu tố quyết định việc truyền moment Trong quá trình thử nghiệm, việc điều chỉnh lượng nước vào phanh giúp thay đổi tải cho động cơ; khi lượng nước tăng, moment truyền từ rotor sang stator cũng tăng theo, và ngược lại.
Hình 3 5 Cấu tạo phanh thủy lực dạng chốt
1 Stator, 2 Chốt trên stator, 3 Rotor, 4 Chốt trên rotor, 5 Then, 6 Trục nối với trục rulo, 7 Trục rotor
Công suất phanh dạng chốt rất mạnh mẽ, tuy nhiên, loại phanh này có nhược điểm là hoạt động không ổn định Sau một thời gian sử dụng, vị trí các chốt có thể bị lệch do đai ốc cố định bị lỏng, dẫn đến nguy cơ hư hỏng do va đập, kẹt và gây ra tiếng ồn khó chịu.
Phanh thuỷ lực dạng cánh
Tính toán thiết kế bộ tạo tải
Xe máy Suzuki Raider 150cc có các thông số như trong bảng 3.2
Bảng 3 2 Thông số của xe máy Suzuki Raider 150cc
THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC LỐP XE
Chiều dài 1960 mm Kích cỡ lốp trước 70/90 – 17 38S
Chiều rộng 975 mm Kích cỡ lốp sau 80/90 – 17 44S
Chiều cao 980 mm HỘP SỐ
Tỷ số truyền sơ cấp (primary reduction) ip 3.5 Khoảng sáng gầm xe 150 mm
Tỷ số truyền lực chính io 3.071
THÔNG SỐ TRỌNG LƯỢNG Tỷ số truyền tay số 1 i1 2.75 Trọng lượng không tải 109 kg Tỷ số truyền tay số 2 i2 1.785
THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ Tỷ số truyền tay số 3 i3 1.368 Loại động cơ
Xe sử dụng động cơ xăng 4 kỳ với 1 xy lanh, được làm mát bằng dung dịch Tỷ số truyền tay số 4 là 1.095 và tỷ số truyền tay số 5 là 0.913 Dung tích xy lanh đạt 147.3 cm³, mang lại công suất cực đại Pemax tại số vòng quay nep.
13.6 kW Tỷ số truyền tay số 6 i6 0.8
10000 vg/ph Moment cực đại Memax tại số vòng quay nem
3.2.1 Xây dựng các đường đặc tính kéo của xe thử nghiệm a Xây dựng đồ thị đặc tính ngoài của động cơ Đường đặc tính tốc độ ngoài được sử dụng như một tài liệu kỹ thuật để đánh giá tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ Đường đặc tính của động cơ nhận được bằng cách thí nghiệm động cơ trên băng thử, khi cho động cơ làm việc ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là mở bướm ga hoàn toàn ta sẽ nhận được đường đặc tính ngoài của động cơ, nếu bướm ga mở ở các vị trí khác nhau sẽ cho ta các đường đặc tính cục bộ Như vậy ứng với mỗi loại động cơ sẽ có một đường đặc tính ngoài nhưng sẽ có rất nhiều đuờng đặc tính cục bộ
Khi thiếu dữ liệu thực nghiệm về đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ, chúng ta có thể áp dụng công thức kinh nghiệm của S.R Lây Đécman để xây dựng đường đặc tính này Việc sử dụng mối quan hệ giải tích giữa công suất, mômen xoắn và số vòng quay theo công thức Lây Đécman giúp tính toán sức kéo một cách thuận lợi hơn so với việc sử dụng đồ thị đặc tính ngoài từ thực nghiệm.
Công thức S.R.Lây Đécman có dạng như sau:
Pe, ne – Công suất hữu ích của động cơ và số vòng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngoài
Pemax, nep - Công suất có ích cực đại và số vòng quay ứng với công suất cực đại
41 a, b, c – Các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ sao cho thỏa mãn
Mặt khác, mối quan hệ giữa moment xoắn Me với các giá trị Pe và ne của động cơ được tính theo công thức: e 30 e e e e
Tại vị trí Pe = Pemax = 13.6 kW; ne = nep = 10000 vg/ph, thay vào (1) ta được phương trình:
Tại vị trí Me = Memax 8 Nm; ne = nem = 8500 vg/ph, thay vào (2) ta được phương trình:
0.85 0.85 1.062 em em e e ep ep ep n n
Mặt khác, moment động cơ đạt cực đại Memax 8 Nm tại nem = 8500 vg/ph, suy ra: max
0 1 0 1.7 0 e em em ep ep dM n b c b c dn n n (5)
Từ ba phương trình (3), (4), (5) suy ra các hệ số a, b, c là nghiệm của hệ phương trình sau:
Thay các hệ số a, b, c vừa tìm được vào (1), ta được:
Bằng cách thay thế các giá trị khác nhau của ne vào công thức (6), chúng ta có thể tính toán công suất Pe tương ứng và từ đó vẽ đồ thị Pe = f(ne) Sử dụng các giá trị Pe đã tính được, chúng ta có thể xây dựng đồ thị Me = f(ne) thông qua công thức (2) Các giá trị Pe và Me tương ứng với ne được trình bày trong bảng 3.3, từ đó cho phép vẽ đồ thị đặc tính ngoài của động cơ như hình 3.14.
Bảng 3 3 Đặc tính ngoài động cơ xe máy Suzuki Raider 150cc
Tốc độ động cơ ne (vg/ph)
Công suất động cơ Pe (kW)
Moment động cơ Me (Nm)
Tốc độ động cơ ne (vg/ph)
Hình 3 14 Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ xe Suzuki Raider 150cc
Sau khi xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ, chúng ta có thể tiến hành nghiên cứu tính chất động lực học của xe Đường đặc tính kéo của xe là đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến Fk tại các tay số khác nhau và tốc độ chuyển động của xe vx, tức là Fk = f(vx).
Để xây dựng đường đặc tính kéo của xe, cần xác định lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động và vận tốc xe ở các tay số khác nhau Khi công suất từ động cơ được truyền đến bánh xe chủ động qua hệ thống truyền lực, tổn hao công suất do ma sát khiến công suất bánh xe nhỏ hơn công suất động cơ Công suất này được thể hiện qua moment xoắn và số vòng quay của bánh xe Moment xoắn truyền tới bánh xe cùng với sự tiếp xúc với mặt đường tạo ra lực kéo tiếp tuyến Fk, lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe Lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động được xác định theo công thức cụ thể cho từng tay số.
Moment xoắn của động cơ (Nm) được ký hiệu là Me, trong khi tỷ số truyền chính của hệ thống truyền lực là io Tỷ số truyền sơ cấp được ký hiệu là ip, và tỷ số truyền của từng tay số là ih Hiệu suất chung của hệ thống truyền lực được ký hiệu là ηtl, với giá trị chọn là 0.95 Cuối cùng, bán kính tính toán của bánh xe được ký hiệu là rb và được đo bằng mét (m).
Lốp xe bánh xe sau có kí hiệu là: 80/90 – 17 44S suy ra bán kính thiết kế ro của bánh xe sau là: 17 25.4 80 90% 287.9 o 2 r mm
Trong tính toán thực tế, bán kính của bánh xe cần xem xét sự biến dạng của lốp, phụ thuộc vào các yếu tố như tải trọng, áp suất không khí, độ đàn hồi của vật liệu và khả năng bám đường Bán kính tính toán rb được xác định bằng công thức: rb = λ * ro, với λ là hệ số biến dạng lốp Đối với lốp có áp suất thấp, λ thường nằm trong khoảng 0.93 đến 0.935, và thường chọn λ = 0.93.
Bằng cách thay thế các thông số và giá trị tương ứng với tỷ số truyền ở từng tay số khác nhau vào công thức (7), ta có thể tính toán được giá trị của lực kéo tiếp tuyến Đồng thời, có mối quan hệ giữa tốc độ nê của động cơ và vận tốc vx của xe, được thể hiện qua một công thức cụ thể.
Bằng cách thay thế các giá trị ne và ih tương ứng với tỷ số truyền ở các tay số khác nhau vào công thức (8), chúng ta có thể tính toán được các giá trị vận tốc của xe tại từng tay số Khi thay thế các giá trị ne bằng các giá trị vận tốc vx tương ứng, chúng ta có thể xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ và phân tích mối quan hệ giữa moment và vận tốc.
Dựa vào công thức (7) và số liệu từ bảng 3.4, ta có thể xây dựng đường đặc tính kéo Fk = f(vx) cho xe với các tay số khác nhau, như thể hiện trong hình 3.15.
Bảng 3 4 Số liệu đồ thị đặc tính kéo của động cơ ne
Đồ thị cân bằng lực kéo của động cơ xe Suzuki Raider 150cc thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động và các lực cản chuyển động, phụ thuộc vào vận tốc của xe Cụ thể, Fk được xác định bởi hàm số Fk = f(v), cho thấy sự tương tác giữa lực kéo và tốc độ di chuyển.
Lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động giúp khắc phục các lực cản chuyển động Phương trình cân bằng lực kéo được thiết lập giữa lực kéo tiếp tuyến Fk và các lực cản, tạo ra sự cân bằng trong quá trình di chuyển.
Xét trường hợp tổng quát, ta có: k f i w j
F F F F F (9) Ở lực Fi: dấu (+) dùng khi xe lên dốc, dấu (-) dùng khi xe xuống dốc Ở lực Fj: dấu (+) dùng khi xe tăng tốc, dấu (-) dùng khi xe giảm tốc
Fk - Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động
Ff - Lực cản lăn ở bánh xe
Fw - Lực cản không khí
Fj – Lực quán tính của xe khi chuyển động không đều
Xét trường hợp xe chuyển động ổn định (j = 0), trên đường bằng (α = 0) suy ra phương trình cân bằng lực kéo là: k f w
Khi bánh xe di chuyển trên mặt đường, lực cản lăn xuất hiện song song với mặt đường và ngược chiều chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Lực cản lăn này phát sinh do sự biến dạng của lốp khi tiếp xúc với bề mặt đường, tạo thành vết lăn.
46 bánh xe trên đường và do ma sát ở bề mặt tiếp xúc giữa lốp xe với đường Công thức tính lực cản lăn Ff như sau:
Lực cản lăn được tính theo công thức F_f = m*g*f, trong đó m là tổng khối lượng của xe và người ngồi lên, với giá trị m = 109 + 65 = 174 kg Gia tốc trọng trường g có giá trị là 9.81 m/s² Hệ số cản lăn f phụ thuộc vào vận tốc vx (m/s) của xe, và giá trị f0 được xác định cho từng loại mặt đường khác nhau, với f0 = 0.02.
Chọn bán kính rulo, tính toán và kiểm nghiệm các tỷ số truyền của hệ thống truyền động
3.3.1 Chọn bán kính rulo và tính tỷ số truyền từ rulo đến máy phát Ở phần 3.2, ta đã tìm được tỷ số truyền i của hệ thống truyền động từ bánh xe đến máy phát, và i được tính theo công thức: a tl tl b i i i Ri
Trong đó: i – tỷ số truyền từ bánh xe tới máy phát (i = 0.131 ÷ 0.292) ia – tỷ số truyền từ bánh xe đến rulo itl – tỷ số truyền từ rulo đến máy phát
R – bán kính của rulo rb - bán kính bánh xe
Chọn bán kính rulo R = 0.23 m và tỷ số truyền từ bánh xe đến máy phát i = 0.292, dẫn đến tỷ số truyền từ rulo đến máy phát itl = 0.33 Hệ thống truyền động từ rulo đến máy phát có thể sử dụng bộ truyền xích hoặc bộ truyền bánh răng.
3.3.2 Kiểm nghiệm đặc tính của máy phát ứng với các tỷ số truyền khác nhau
Ta có, tốc độ quay của máy phát nmp ứng với tỷ số truyền i được tính theo công thức:
Ta chọn 3 giá trị i trong khoảng (0.131 ÷ 0.292) để kiểm nghiệm, gồm i1 = 0.131; i2
Để xác định các giá trị moment của máy phát tương ứng với tốc độ quay, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp nội suy trong Matlab Cụ thể, quá trình này sẽ được thực hiện bằng cách nội suy từ các giá trị tốc độ máy phát nmp và các giá trị moment Mmp được trình bày trong bảng 3.7.
Trong đồ thị cân bằng lực kéo của động cơ, lực kéo dư Fd, cần thiết cho việc leo dốc và tăng tốc, được xác định bởi sự chênh lệch giữa tổng lực kéo (Ff + Fw) và lực kéo Fk ở các vận tốc khác nhau Đồng thời, máy phát tạo ra lực cản tương đương với lực cản khi xe di chuyển, lực cản này được truyền tới rulo thông qua hệ thống truyền động Do đó, lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo được tính theo một công thức cụ thể.
Frulo – Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo (N)
Mmp – Moment của máy phát (Nm) i – Tỷ số truyền từ bánh xe đến máy phát
Suy ra lực cản cực đại do máy phát tạo ra bằng tổng lực cản khi xe chuyển động Xét trường hợp xe chuyển động đều: w cos 0.625 2 sin
Góc dốc của mặt đường được ký hiệu là α, với giả thiết rằng khi α nhỏ, cosα gần bằng 1 và sinα gần bằng α Sử dụng các thông số này cùng với các giá trị i1, i2, i3 trong Matlab, chúng ta có thể thu được các bảng giá trị tương ứng.
Bảng 3 8 Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo ứng với tỷ số truyền i 1 = 0.292 i1 = 0.292
Tốc độ máy phát n mp1
Lực cản cực đại tại rulo
Bảng 3 9 Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo ứng với tỷ số truyền i 2 = 0.26 i2 = 0.26
Tốc độ máy phát nmp2 (vg/ph)
Lực cản cực đại tại rulo Frulo2 (N)
Lực cản leo dốc Fi2 (N)
Bảng 3 10 Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo ứng với tỷ số truyền i 3 = 0.131 i3 = 0.131
Tốc độ máy phát nmp3 (vg/ph)
Lực cản cực đại tại rulo Frulo3 (N)
Lực cản leo dốc Fi3 (N)
Hình 3 22 Đồ thị lực kéo và lực cản của xe, lực cản cực đại tại rulo do máy phát tạo ra
Nhìn vào các bảng số liệu kết hợp với hình 3.22 ta thấy:
Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo với tỷ số truyền i1 = 0.292 có khả năng cản hoàn toàn lực kéo lớn nhất của tay số 3, 4, 5, 6 và gần một nửa lực kéo của tay số 1, 2 Máy phát có thể đo lực kéo của xe lên đến 729.6 N tương ứng với tốc độ từ 0 đến 34 m/s, cho thấy máy phát có thể ghi nhận tốc độ cực đại của xe là 32.7 m/s nhưng không thể đo lực kéo của tay số 1, 2 nếu vượt quá 729.6 N Trong thực tế, máy phát có khả năng đo lực kéo khi xe leo dốc với góc dốc tối đa 23 độ, đây cũng là góc dốc phổ biến trên các tuyến đường tại Việt Nam, vì vậy tỷ số truyền i1 = 0.292 là lựa chọn hợp lý.
Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo với tỷ số truyền i3 = 0.131 (đường màu vàng đậm) có khả năng ngăn chặn hoàn toàn lực kéo lớn nhất của tay số 1 và 2, đạt đến 1626 N khi tốc độ xe từ 0 đến 15 m/s, trong khi lực kéo cực đại của xe vẫn được duy trì.
Máy phát tại 1451 N có khả năng đo lường lực kéo của xe khi leo dốc với góc dốc tối đa là 53 độ Tuy nhiên, trong trường hợp này, máy phát không thể đo được lực kéo ở các tay số 2, 3, 4, 5, 6 với tốc độ từ 15 đến 32.7 m/s Hơn nữa, phạm vi lực kéo mà máy phát đo được lớn hơn nhiều so với lực kéo cực đại của xe, dẫn đến tỷ số truyền i3 = 0.131 không phù hợp.
Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo với tỷ số truyền i2 = 0.26 có khả năng cản hoàn toàn lực kéo lớn nhất của tay số 3, 4, 5, 6, và hơn một nửa lực kéo của tay số 1, 2 Cụ thể, lực cản này có thể đo được lực kéo của xe trong giới hạn lên đến 819.4 N, tương ứng với tốc độ xe từ 0 đến 32.7 m/s Máy phát đủ khả năng đo tốc độ cực đại của xe nhưng không thể đo được lực kéo của tay số 1, 2 khi vượt quá 819.4 N.
Máy phát có khả năng đo lực kéo của xe khi leo dốc với góc dốc tối đa 26 độ, cho phép ghi nhận lực kéo và góc dốc cao hơn so với trường hợp trước Đồng thời, máy phát cũng đo được tốc độ cực đại của xe Tỷ số truyền i2 = 0.26 được xác định là phù hợp nhất cho hệ thống truyền động của băng thử.
