TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm môi trường là một thách thức lớn toàn cầu, trong đó khí thải từ động cơ đốt trong đóng góp đáng kể vào vấn đề này Mặc dù các nhà sản xuất ô tô đã nỗ lực đạt tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, tác động của khí thải vẫn rất lớn Việc chuyển đổi sang động cơ điện và động cơ hybrid đã góp phần quan trọng trong việc cải cách ngành ô tô, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Trong bối cảnh kinh tế hiện nay, việc thay thế hoàn toàn động cơ đốt trong là điều khó khả thi Tuy nhiên, chúng ta có thể giảm lượng khí thải bằng cách giảm dung tích xy lanh và trang bị tăng áp cho xe, điều này giúp duy trì hiệu suất và công suất Các loại tăng áp cơ thông thường thường gặp phải độ trễ, do đó, nghiên cứu và ứng dụng tăng áp điện là một giải pháp khả thi, đặc biệt tại Việt Nam, nơi tiêu thụ xe máy đứng thứ hai Đông Nam Á với mật độ xe máy cao hơn nhiều so với xe du lịch.
Xe máy sử dụng động cơ đốt trong là phương tiện giao thông chủ yếu tại Việt Nam nhờ vào tính cơ động cao và giá thành hợp lý Đây là phương tiện đa năng, phục vụ cho việc di chuyển và vận chuyển hàng hóa trong gia đình Động cơ đốt trong hoạt động dựa trên quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng ngay trong xi lanh Tuy nhiên, hiệu suất của loại động cơ này còn thấp Hiện nay, xe điện và xe hybrid đang phát triển nhanh chóng, cùng với nhiều thiết bị nghiên cứu được áp dụng để tăng công suất và giảm tiêu hao nhiên liệu, trong đó có công nghệ tăng áp động cơ đã thành công trên ô tô.
Xe máy là phương tiện cá nhân với chi phí thấp và thiết kế đơn giản, rất phù hợp cho các thành phố đông đúc Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ mới cho xe máy vẫn còn hạn chế.
Việc áp dụng hệ thống tăng áp cho động cơ ô tô giúp cải thiện hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và nồng độ phát thải, đặc biệt trong điều kiện thành phố Tuy nhiên, tăng áp truyền thống vẫn gặp phải nhược điểm là độ trễ cao Xu hướng sử dụng xe điện và xe Hybrid đang phát triển, làm cho việc áp dụng tăng áp điện trở nên khả thi, giúp loại bỏ độ trễ và tạo ra điện, góp phần bảo vệ môi trường Hầu hết xe máy trên thị trường Việt Nam chưa được trang bị bộ tăng áp, nhưng việc áp dụng tăng áp điện có thể giảm dung tích xylanh, tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và cải tiến cho xe phân khối lớn Đề tài này sẽ tập trung vào động cơ phân khối trung bình trở lên, với hệ thống làm mát bằng nước, nghiên cứu trong điều kiện giao thông hạn chế, chủ yếu ở dải tốc độ thấp và đường đông đúc, đo lường các giá trị như tiêu hao nhiên liệu, khả năng vận hành và tính ổn định so với động cơ hút khí tự nhiên.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu lý thuyết về tăng áp, phân loại các loại tăng áp hiện có và phân tích ưu, nhược điểm của chúng Nghiên cứu cũng đề xuất phương án thiết kế nhằm khắc phục các nhược điểm, gia công mô hình và ứng dụng lên xe máy Cuối cùng, tiến hành nghiệm thu và so sánh với nguyên bản để đánh giá độ ổn định, an toàn và tính khả thi của dự án.
Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống tăng áp trên xe máy” là thực hiện các nội dung sau:
Nghiên cứu tổng quan đề tài
Cơ sở lí thuyết về tăng áp
Đưa ra ý tưởng, thiết kế tăng áp chạy bằng điện
So sánh các kết quả nghiệm thu
Kết luận độ tin cậy, khả thi của dự án.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Bộ tăng áp chạy bằng motor điện
Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và vận hành hệ thống tăng áp điện cho xe máy, bao gồm lập trình để điều chỉnh tốc độ Turbo theo điều kiện hoạt động Qua việc lắp ráp và bố trí hệ thống, nhóm tiến hành thực nghiệm và đo lường các thông số trên băng thử Dyno, sau đó so sánh với các giá trị nguyên bản để đánh giá tính khả thi của dự án.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc áp dụng kiến thức đã học để tìm kiếm thông tin và tài liệu liên quan từ nhiều nguồn như sách và internet Qua quá trình phân tích, tổng hợp và đối chiếu các dữ liệu, người nghiên cứu có thể đưa ra nội dung chính xác nhất.
Phương pháp thiết kế hệ thống tăng áp chạy bằng motor điện bao gồm các bước quan trọng như lựa chọn phụ kiện tăng áp, chọn motor dẫn động phù hợp, thiết kế bộ dẫn động với hộp số tăng tốc, và thiết kế giá đỡ để gắn trực tiếp lên xe máy.
Việc lắp đặt ứng dụng hệ thống tăng áp cho động cơ xe máy được thực hiện trong hai chế độ: cầm chừng và vận hành trên đường thực tế Quá trình này cho phép chúng ta thu thập các dữ liệu quan trọng như suất tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ động cơ, tính năng vận hành, độ ổn định và độ tin cậy Những số liệu này sẽ giúp so sánh và cải tiến hiệu suất so với tình trạng nguyên bản của động cơ.
Cấu trúc đề tài
Đề tài được chia thành 5 chương:
Chương 1 của bài viết cung cấp cái nhìn tổng quan về đề tài nghiên cứu, bao gồm lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng cũng như phạm vi nghiên cứu Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày các phương pháp nghiên cứu được áp dụng và cấu trúc tổng thể của đề tài.
Chương 2 của bài viết cung cấp cơ sở lý thuyết về tăng áp, bao gồm khái niệm, lịch sử hình thành và phát triển của bộ tăng áp, cũng như phân loại các bộ tăng áp hiện có trên thị trường Ngoài ra, chương này còn phân tích ưu nhược điểm của từng loại bộ tăng áp, giúp người đọc hiểu rõ hơn về các lựa chọn và ứng dụng của chúng.
Chương 3 của bài viết tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng, bao gồm khảo sát đối tượng nghiên cứu là xe Honda Winner 150 Bài viết đề xuất các phương án thiết kế và điều khiển phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính năng của xe.
Chương 4: Thực nghiệm trình bày quá trình nghiệm thu trên băng thử nghiệm và vận hành thực tế Nội dung chương này bao gồm việc tiến hành nghiệm thu kết quả trong nhiều trường hợp khác nhau, đồng thời so sánh với các yêu cầu đã đề ra.
Chương 5: Đánh giá và kết luận: Sau khi nghiệm thu và thu thập kết quả thực tế, cần so sánh các thông số kỹ thuật với thông số gốc từ nhà sản xuất Việc này giúp đánh giá tính ổn định, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế của mô hình.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP
Giới thiệu về động cơ tăng áp
Bộ tăng áp động cơ (Turbocharger) là hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức giúp động cơ tạo ra công suất lớn hơn mà không cần tăng kích thước Hoạt động dựa trên năng lượng khí thải, bộ tăng áp được gắn vào họng xả, nơi khí thải quay tua bin, từ đó vận hành máy nén không khí Máy nén này nén nhiều không khí hơn vào xylanh, dẫn đến việc phun nhiều nhiên liệu hơn Kết quả là, động cơ được trang bị tăng áp có thể sản sinh công suất cao hơn so với động cơ hút khí tự nhiên cùng kích thước xylanh.
Hình 2 1: Biểu đồ so sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo momen của động cơ nạp khí tự nhiên và động cơ kết hợp sử dụng turbo tăng áp
Dựa vào biểu đồ, có thể nhận thấy rằng động cơ kết hợp sử dụng turbo tăng áp và giảm kích cỡ sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn ở cùng một mức momen xoắn Cụ thể, với momen 50Nm, các động cơ 1.3L, 1.5L, 2.0L và 3.0L lần lượt có mức tiêu hao nhiên liệu là 255g/kWh, 275g/kWh, 285g/kWh và 345g/kWh, cho thấy động cơ nhỏ hơn tiêu thụ ít nhiên liệu hơn.
6 động cơ 1.3L là nhỏ nhất có nghĩa là lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ ít nhất trong khi momen tao ra của bốn động cơ là như nhau
Hình 2 2: Bộ tăng áp động cơ (Turbocharger)
Bộ tăng áp động cơ là thiết bị quan trọng thường được sử dụng cho xe tải, xe hơi, tàu hỏa và máy xây dựng Chúng thường kết hợp với động cơ đốt trong theo chu kỳ Otto và chu kỳ diesel, đồng thời cũng mang lại hiệu quả trong các tế bào nhiên liệu.
Bộ tăng áp hoạt động dựa vào luồng khí thải từ động cơ, dẫn khí thải qua một tua bin để quay máy nén khí Tua bin này có thể quay với tốc độ lên đến 150.000 vòng/phút, gấp 30 lần tốc độ của hầu hết các động cơ ô tô hiện nay Do được gắn với họng xả động cơ, nhiệt độ làm việc của tua bin rất cao.
Bộ tăng áp giúp động cơ tối ưu hóa quá trình đốt cháy bằng cách nén thêm nhiên liệu vào xy lanh trong mỗi chu kỳ nổ, từ đó tăng áp suất hút nhiên liệu lên đến 6 lần.
Áp suất không khí khoảng 14,7 psi, trong khi động cơ hoạt động ở mức 8 psi, dẫn đến việc động cơ nạp thêm 50% nhiên liệu Sự gia tăng này giúp công suất động cơ tăng khoảng 30-40%.
Mục đích chính của việc tăng áp là nâng cao công suất động cơ, đồng thời cải thiện các tiêu chí hiệu suất khác.
• Giảm thể tích toàn bộ của ĐCĐT ứng với một đơn vị công suất
• Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất
• Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất
• Hiệu suất của động cơ tăng đặc biệt là khi tăng áp tuabin khí, do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm
• Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại
• Giảm độ ồn của động cơ.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
Một bộ tăng áp có thể chia thành 3 phần chính
• Phần lạnh bao gồm phần khoan nén khí, cánh nén và van an toàn
• Phần nóng bao gồm phần vỏ, khoang tuabin, khớp nối với cụm ống xả, cánh tuabin
• Phần trung tâm bao gồm vỏ bao bọc một trục nối cánh tuabin và cánh nén, đồng thời chứa các đường dầu, nước làm mát
Bộ tăng áp gồm hai phần chính: phần nóng và phần lạnh Phần nóng chứa cánh tuabin, nơi dòng khí xả từ các xylanh tạo áp lực, làm cho tuabin quay và dẫn động máy nén Khi tuabin quay, máy nén cũng quay theo cùng tốc độ nhờ trục kết nối Không khí từ môi trường được hút vào máy nén qua bầu lọc và cửa nạp, sau đó dòng khí di chuyển đến miệng ra của bánh công tác dưới tác động của lực ly tâm.
Chuyển động quay tạo ra dòng khí mạnh mẽ, được dẫn qua bộ làm mát trước khi được đưa vào đường ống nạp và đẩy vào xylanh.
Hình 2 3: Đường truyền không khí từ ngoài cho đến khi vào trong buồng đốt
Dòng khí nén được đẩy mạnh tạo ra hiện tượng chân không cục bộ tại cửa vào, từ đó hút không khí phía trước và tạo ra dòng chảy liên tục trong rãnh cánh Khí sau đó được dẫn qua vành tăng áp, nơi động năng chuyển thành áp năng, làm tăng áp suất và giảm tốc độ Nhờ quá trình này, không khí được nén sơ bộ trước khi vào xilanh động cơ sau khi đi qua bộ tuabin tăng áp.
Bộ tăng áp được kết nối với động cơ qua mặt khớp bên phần nóng và được gắn chặt với đầu ra của họng xả bằng các bulong.
Hình 2 4: Mặt ăn ghép giữa tăng áp và họng xả
Buồng nén gồm 2 phần chính khi chúng kết hợp với nhau sẽ tạo nên một bộ khuếch tán không khí
Hình 2 5: Buồng nén trước và sau khi ghép lại
Bộ khuếch tán giúp chuyển đổi luồng không khí hỗn loạn với tốc độ nhanh và áp suất thấp thành luồng không khí có tốc độ thấp hơn và áp suất cao hơn thông qua cánh nén.
Hình 2 6: Lí do sau khi nén áp suất, nhiệt độ không khí tăng
Khi không khí được nén đến áp suất cao, nhiệt độ của nó cũng tăng lên, do đó, các bộ tăng áp cần có hệ thống làm mát để ngăn chặn hiện tượng kích nổ sớm trong buồng đốt.
Hình 2 7: Động cơ được trang bị bộ làm mát
Vai trò của làm mát khi tăng áp
Cải thiện hiệu suất cơ giới
Pc tăng mà không làm tăng áp suất chu trình
Giảm công tiêu thụ của máy nén cho 1kg khí tăng áp
Các phương pháp làm mát khi tăng áp
Phương pháp làm mát hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng nước làm mát, được tuần hoàn trong động cơ để mang nhiệt từ khí tăng áp ra ngoài Đây là cách đơn giản và hiệu quả giúp giảm nhiệt độ khí tăng áp, giữ cho nó chỉ cao hơn một chút so với nhiệt độ trung bình của nước làm mát.
Phương thức này có hệ số trao đổi nhiệt cao và tổn thất áp suất thấp, với chênh lệch nhiệt độ giữa nước vào và nước ra chỉ khoảng 10 ÷ 15 độ C Các tổn thất phát sinh trong phương thức này bao gồm:
Tổn thất áp suất do khí nạp phải đi qua két làm mát
Qua làm mát khí tăng áp sẽ cho phép giảm công tiêu thụ của máy nén
2.2.2.2 Hệ thống dầu bôi trơn
Phần giữa của hệ thống chứa trục nối giữa cánh tuabin và cánh nén, không chỉ chứa nước làm mát mà còn có dầu bôi trơn Dầu động cơ được cung cấp từ ống dẫn dầu, nhằm bôi trơn và làm mát các ổ trục tự lựa lắp bên trong khoang trung tâm Sau khi thực hiện chức năng, dầu sẽ chảy ra qua ống thoát và trở về các-te dầu.
Hình 2 8: Hệ thống dầu bôi trơn
Bên trong bộ tăng áp, có hai loại ổ trục đỡ chính: ổ bi và ổ đỡ, cả hai đều giúp kiểm soát việc xoay quanh trục nối Những ổ bi này không phải là loại thông thường mà là ổ bi tự lựa có độ chính xác cao, được chế tạo từ vật liệu cao cấp, cho phép chịu được tốc độ quay và nhiệt độ cao từ turbo Nhờ vào thiết kế này, các trục tuabin có thể quay với lực ma sát thấp hơn so với ổ đỡ chất lỏng, giúp giảm trọng lượng và cho phép quay chậm hơn nhưng vẫn hiệu quả Điều này góp phần giúp turbo tăng áp tăng tốc nhanh hơn và giảm độ trễ.
Bộ tăng áp được trang bị bạc đạn dọc trục (Thrust bearing) nhằm ngăn chặn sự trượt dọc, với cấu trúc tương tự như trục khuỷa của động cơ và bao gồm hai loại ổ trục.
Hình 2 10: Bạc đạn dọc trục
Turbo tăng áp không cung cấp công suất ngay lập tức khi bạn đạp ga, mà cần vài giây để tăng vận tốc trước khi phát huy tác dụng Điều này dẫn đến hiện tượng độ trễ, khiến xe bất ngờ tăng tốc khi turbo bắt đầu hoạt động.
Để giảm độ trễ tác dụng của turbo, một phương pháp hiệu quả là giảm trọng lượng của các bộ phận quay, giúp cánh tuabin và cánh nén khí tăng tốc nhanh chóng và nâng cao công suất động cơ sớm hơn Việc chế tạo turbo với kích thước nhỏ hơn là cách chắc chắn để giảm độ quán tính, giúp tăng cường công suất ở tốc độ động cơ thấp Tuy nhiên, turbo nhỏ có thể không hiệu quả ở tốc độ cao khi lượng khí nạp lớn, và việc tuabin quay quá nhanh ở tốc độ cao có thể gây nguy hiểm do áp lực khí xả lớn.
Turbo tăng áp lớn có thể nâng cao công suất động cơ ở tốc độ cao, nhưng lại gây ra độ trễ lớn do thời gian tăng tốc chậm của cánh turbin và cánh nén khí Để khắc phục vấn đề này, các bộ phận đặc biệt đã được chế tạo, giúp giảm độ trễ bằng cách sử dụng turbo nhỏ hơn Điều này hạn chế việc quay quá nhanh ở tốc độ động cơ cao Đặc biệt, trong turbo có một van nhạy cảm với áp suất, cho phép khí xả đi tắt qua cánh turbin khi áp suất tăng quá cao, từ đó giảm tốc độ tuabin và ngăn hao tổn.
Van an toàn hoạt động bằng cách sử dụng một màng căng được ép bởi lò xo Khi áp suất trong ống nạp vượt quá mức cho phép, lực đẩy sẽ vượt qua lực đàn hồi của lò xo, mở van an toàn Khi van được mở, khí thải dư thừa sẽ thoát ra ngoài, ngăn chặn tác động lên cánh tuabin và giảm tốc độ cũng như khả năng tạo ra áp suất lớn hơn của máy nén.
Hình 2 11: Vị trí lắp đặt van an toàn bên trong buồn tuabin
Hình 2 12: Cấu tạo bộ phận dẫn động van an toàn
Hình 2 13: Đường truyền khí xả khi van an toàn được kích hoạt
Van an toàn được chia ra làm hai loại là loại bên trong và bên ngoài:
Hình 2 14: Van an toàn bên trong và bên ngoài
Quá trình phát triển
Bộ tăng áp, được phát minh gần đây với động cơ đốt trong, ra đời vào năm 1905 nhờ bằng sáng chế của kỹ sư Thụy Sĩ Alfred Buchi Ông mô tả thiết kế gồm cánh quạt hoạt động nhờ khí thải, kết nối với máy nén qua một trục.
Hình 2 15: Thiết kế bộ tăng áp động cơ
Mặc dù không được gọi là bộ tăng áp ngay từ đầu, thiết kế của ông Buchi đã mang cấu trúc cơ bản của một bộ tăng áp với tua bin dẫn động bằng khí thải và cánh tuabin nén trên cùng một trục Ông đã sáng chế ra máy nén nhằm giải quyết vấn đề thiếu oxy khi máy bay bay ở độ cao lớn, dẫn đến giảm hiệu suất và khả năng hoạt động của máy bay Mặc dù ý tưởng của ông rất hứa hẹn, nguyên mẫu đầu tiên không thành công và bị bác bỏ do không đáng tin cậy Phải mất 15 năm sau, khái niệm của ông Buchi mới thực sự được áp dụng vào thực tiễn.
Vào năm 1920, chiếc máy bay Packard Le-Pere Lusac 11 đã thực hiện một kỳ tích được coi là không thể, khi bay lên độ cao hơn 10.000 mét (33.000 feet) nhờ vào sức mạnh tăng áp.
11 thực tế được thiết kế bởi Pháp và ủy quyền từ Mỹ đã tạo ra những chiếc máy bay chưa từng xuất hiện trong các trận chiến, nhưng chúng đã để lại dấu ấn lịch sử Những máy bay này sử dụng động cơ V12 Liberty do Packard Motor Car Company sản xuất Tuy nhiên, điều quan trọng nhất không chỉ là động cơ mà còn là bộ tăng áp, hay còn gọi là “bộ siêu nạp”, được thiết kế bởi General Electric Company và phát triển trong phòng thí nghiệm Turbo dưới sự quản lý của ông Stanford, đánh dấu sự ra đời của bộ tăng áp đầu tiên hoạt động hiệu quả thực sự.
Hình 2 16: Động cơ V12 Liberty tăng áp trên LUSAC 11
Bộ tăng áp đã giúp Lusac 11 đạt độ cao vượt quá 10.000 mét, nhưng thí nghiệm suýt gặp nguy hiểm khi phi công gần như mất mạng do nhãn cầu của anh bị đông lại khi cố gắng điều chỉnh nguồn oxy ở độ cao cực cao Dù trong tình huống khẩn cấp, phi công đã kịp lấy lại sự tỉnh táo trong những giây cuối cùng và hạ cánh an toàn, chứng minh rằng ý tưởng của ông Buchi là khả thi.
Hình 2 17: Phi công Major Rudolph William Schroeder người đã góp phần chứng minh giả thiết của Buchi là đúng
Sau 5 năm, ông Buchi đã chứng minh được ý tưởng của mình khi ông đã thành công lắp đặt bộ tăng áp lên những động cơ diesel 10 xylanh khổng lồ của những chiếc tàu thủy, những chiếc tàu này được dùng cho việc vận chuyển các thành viên trong bộ quốc phòng Đức, đó là 2 chiếc tàu Hansestadt Danzig và Preussen, do những thiết kế của ông Buchi đều không có giấy phép, nên hàng loạt các nhà sản xuất đã sử dụng nó, từ đó bộ tăng áp xuất hiện ngày càng nhiều trên các phương tiện khác như tàu lửa, tàu thủy, và trên những động cơ diesel thương mại cỡ lớn
Trong giai đoạn 1939 – 1945, Chiến tranh Thế giới thứ hai đánh dấu một bước tiến lớn cho công nghệ tăng áp, khi General Electric và Ford hợp tác sản xuất hơn 300.000 bộ tăng áp Những bộ tăng áp này đã được trang bị cho các máy bay huyền thoại như B-17 Flying Fortress, B-24 Liberator, P-38 Lightning và P-47 Thunderbolt Đặc biệt, máy bay Đức Focke-Wulf FW 190 cũng sử dụng công nghệ tăng áp, giúp nó nổi bật hơn nhiều loại máy bay chiến đấu khác.
Sau Thế chiến II, vào năm 1950, các nhà sản xuất ô tô bắt đầu thử nghiệm lắp đặt bộ tăng áp cho các dòng xe của họ Tuy nhiên, tất cả các thử nghiệm này đều không thành công và không có sản phẩm nào được sản xuất hàng loạt.
Năm 1962, GM ra mắt Oldsmobile Jetfire và Chevrolet Corvair Monza Spyder, đánh dấu sự xuất hiện của chiếc xe chở khách đầu tiên sử dụng tăng áp Jetfire, được đặt tên bởi một fan hâm mộ Transformers 6 tuổi, sở hữu động cơ “Turbo Rocket” yêu cầu kết hợp với Turbo Rocket Fluid để đạt công suất 215HP Turbo Rocket Fluid là hỗn hợp 50% nước cất và 50% methanol cùng một ít chất chống gỉ, và nếu thiếu, động cơ dễ gặp sự cố Tuy nhiên, chỉ sau một năm, Jetfire và Corvair đã bị loại bỏ khỏi thị trường do độ tin cậy kém, với các đại lý đề nghị tháo gỡ bộ tăng áp miễn phí Mặc dù không thành công về doanh số, những chiếc xe này đã mở đường cho các nhà tiên phong và chứng minh tiềm năng của công nghệ tăng áp trong ngành ô tô.
Hình 2 18: Oldsmobile Jetfire và Chevrolet Corvair Monza Spyder
Vào năm 1965, chiếc xe 4x4 International Harvester Scout ra mắt nhằm cạnh tranh với xe Jeep, trang bị động cơ xăng 2.5L với bộ tăng áp, mang lại công suất 110HP Điều này giúp Scout trở thành một trong những chiếc xe 4x4 nhanh nhất thời bấy giờ và được coi là nguyên mẫu của các dòng xe SUV hiện đại Tuy nhiên, sau hai năm có mặt trên thị trường, động cơ tăng áp 2.5L của Scout đã được thay thế bằng động cơ khác.
Động cơ hút khí tự nhiên 3.2L có khả năng kiểm soát tiêu hao nhiên liệu tốt hơn so với động cơ tăng áp, mặc dù động cơ tăng áp thường tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn Chiếc Scout vẫn sử dụng bộ tăng áp kết hợp với bộ chế hòa khí, nhưng thay vì sử dụng hỗn hợp nước cất và methanol như Jetfire, nó chỉ sử dụng phun nhiên liệu thông thường.
Hình 2 19: Chiếc xe INTERNATIONAL HARVESTER SCOUT 4x4
Hình 2 20: Động cơ tăng áp 2.5L của International Harvester scout
Năm 1973, BMW đã ra mắt dòng xe BMW 2002 Turbo, đánh dấu cột mốc quan trọng trong lịch sử của công nghệ tăng áp Mặc dù nhận thấy rằng bộ tăng áp không phù hợp khi kết hợp với bộ nén hòa khí, hãng vẫn quyết định sử dụng bộ phun xăng cơ trên mẫu xe này.
Hệ thống 22 khí giúp phân chia nhiên liệu đến từng xylanh một cách chính xác và giảm tình trạng kích nổ Mặc dù động cơ 2.0L với công suất 170HP là một cải tiến mạnh mẽ, nhưng bộ tăng áp vẫn gặp phải tình trạng trễ và mức tiêu hao nhiên liệu không hiệu quả do tỉ số nén 6.9:1 được sử dụng để hạn chế khả năng kích nổ Tương tự như JetFire, Turbo 2002 chỉ tồn tại trong một năm trước khi bị ngừng sản xuất.
Hình 2 21: Xe đầu tiên BMW trang bị tăng áp
Năm 1975 đánh dấu một bước đột phá lớn trong lịch sử tăng áp khi Porsche giới thiệu phiên bản 911 tăng áp đầu tiên, biến nó thành một cột mốc quan trọng Chiếc xe này không chỉ là mẫu 911 tăng áp đơn nhanh nhất thế giới khi ra mắt, mà còn thay đổi cái nhìn của công chúng về tăng áp, từ một công nghệ không đáng tin cậy trở thành biểu tượng của sức mạnh và tốc độ Nhờ vào sự ra đời của mẫu xe này, người tiêu dùng đã không còn lo ngại về việc tăng áp gây ra tiêu hao nhiên liệu lớn hay những vấn đề kỹ thuật.
Hình 2 22: Động cơ tăng áp Porsche năm 1975
Năm 1978, Mercedes giới thiệu mẫu xe chở khách đầu tiên sử dụng động cơ diesel tăng áp, Mercedes 300 SD, khẳng định sự kết hợp hoàn hảo giữa diesel và tăng áp Cùng năm, chiếc xe máy đầu tiên trang bị bộ tăng áp, Kawasaki Z1R TC, cũng ra mắt, nhưng không được ưa chuộng do động cơ hút khí tự nhiên truyền thống có thiết kế đơn giản và nhẹ hơn vẫn mang lại hiệu suất tương đương.
Các loại tăng áp hiện nay
2.4.1 Tăng áp đơn (Single Turbo)
Hình 2 23: Bộ tăng áp đơn (Single Turbo)
Động cơ tăng áp đơn lẻ có khả năng biến thiên đa dạng, với sự khác biệt kích thước giữa bánh răng máy nén và tuabin ảnh hưởng đến đặc tính mô-men xoắn Tuabin lớn cung cấp công suất tối đa nhưng có độ trễ cao, trong khi tuabin nhỏ cho phép quay nhanh hơn Hơn nữa, việc sử dụng vòng bi giúp giảm ma sát, từ đó tăng tốc độ quay của máy nén và tuabin.
2.4.2 Tăng áp ống xả kép (Twinpower Turbo)
Bộ turbo nhỏ giúp giảm độ trễ và cải thiện thời gian đáp ứng, nhưng khi động cơ quay với tốc độ cao, kích thước nhỏ có thể gây áp suất ngược, khiến động cơ phải tiêu tốn thêm công suất để đẩy khí thải ra Ngược lại, bộ turbo lớn dễ dàng gặp phải hiện tượng này Để khắc phục, các hãng xe đã thiết kế ống xả kép, mang lại nhiều lợi ích về công suất, mô-men xoắn và tiết kiệm nhiên liệu.
Trục khuỷu của động cơ cần quay 720 để hoàn thành một chu trình làm việc Đối với động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng, các xi-lanh hoạt động với góc lệch 180 Trong trường hợp này, thứ tự nổ của động cơ là 1-3-4-2.
Khi xét về xi-lanh thứ 3 ở cuối kỳ nổ với piston ở điểm chết dưới, xu-pap xả sẽ mở sớm Trong động cơ không có ống xả kép, phần lớn năng lượng khí thải được sử dụng để quay bánh turbin của bộ Turbo tăng áp, trong khi một phần bị tổn thất trong ống xả Đồng thời, ở xi-lanh thứ 1, khi piston ở điểm chết trên chuẩn bị vào kỳ nạp, xu-pap nạp và xả sẽ cùng mở do góc trùng điệp Áp suất lớn khiến một phần khí xả từ xi-lanh thứ 3 trào ngược vào xi-lanh thứ 1, ảnh hưởng đến kỳ nạp và chất lượng hòa khí, dẫn đến giảm hiệu quả quá trình nổ và công suất Vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn ở các động cơ có nhiều xi-lanh, khi góc lệch công tác giữa các xi-lanh càng nhỏ.
Kết quả thử nghiệm cho thấy công suất và momen xoắn của động cơ 1.5L DCi K9K 4 xi-lanh thẳng hàng khác nhau khi sử dụng bộ turbo tăng áp với ống xả kép so với ống xả đơn.
Hình 2 24: Biểu đồ so sánh công suất
Hình 2 25: Biểu đồ so sánh momen xoắn
Việc ứng dụng ống xả kép mang lại lợi ích rõ rệt, với mức tăng gần 8.5% về công suất và momen xoắn khi động cơ hoạt động ở tốc độ trên 1000 vòng/phút.
Năm 2006, BMW đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng khi lần đầu tiên giới thiệu công nghệ TwinPower Turbo trên mẫu sedan BMW 335i, mở đường cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trên mọi dòng xe BMW hiện nay.
Turbo sử dụng ống xả kép, nhưng ở dải tua máy thấp, bộ turbo không được cấp khí xả, dẫn đến hiện tượng hụt hơi Công nghệ TwinPower Turbo ra đời nhằm cải thiện hiệu suất và sức mạnh, đồng thời hạn chế nhược điểm này TwinPower bao gồm các công nghệ độc quyền của BMW như Valvetronic, VANOS và bộ phun nhiên liệu HDPi chính xác cao Turbo có thể là bộ tăng áp đơn hoặc tăng áp kép, trong đó BMW chọn giải pháp tăng áp cuộn đôi twin-scroll với hai cửa nạp khí cho động cơ TwinPower Turbo.
Hình 2 27: Cơ cấu đường nạp kép twin-scroll trên động cơ turbo của BMW
TwinPower Turbo là công nghệ tiên tiến giúp cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách sử dụng hai đường nạp khí với kích thước khác nhau Đường nạp khí nhỏ hơn tối ưu hóa khả năng đáp ứng ở dải tua máy thấp, trong khi đường nạp khí lớn hơn tối ưu hóa sức mạnh ở dải vòng tua cao Nhờ đó, công nghệ này gần như triệt tiêu hiện tượng turbo lag, áp dụng cho cả động cơ tăng áp đơn và tăng áp kép.
Hiện nay, công nghệ TwinPower Turbo đã được trang bị trên tất cả các dòng sản phẩm của BMW, từ những mẫu xe entry-level như Series 1 và Series 2 cho đến các dòng xe cỡ lớn như Series 5 và Series 7 Công nghệ này mang đến trải nghiệm lái xe hoàn toàn khác biệt, đặc biệt nâng cao khả năng vận hành cho các mẫu xe của BMW.
2.4.3 Tăng áp kép (T-win Turbo và Bi Turbo)
Bi Turbo và Twin-turbo đều là hệ thống tăng áp kép với hai bộ tăng áp trong một động cơ, nhưng thiết kế và nguyên lý hoạt động của chúng không hoàn toàn giống nhau Theo định nghĩa truyền thống, động cơ Bi-turbo sử dụng một bộ tăng áp lớn và một bộ tăng áp nhỏ, trong khi đó, Twin-turbo có hai bộ tăng áp có kích thước tương đương.
Sự khác biệt cơ bản giữa Bi-turbo và Twin-turbo nằm ở thiết kế của chúng, mặc dù nhiều hãng xe vẫn thường nhầm lẫn và sử dụng hai thuật ngữ này một cách không chính xác.
Bi Turbo và Twin-turbo sẽ khắc phục được hiện tượng turbo lag hay “trễ” ở tăng áp turbo giúp cho xe hoạt động mạnh hơn ở vòng tua thấp
Hình 2 28: Bộ tăng áp kép T-win Turbo hoặc Bi-Turbo
2.4.3.1 Tăng áp kép Bi Turbo
Khám phá nguyên lý hoạt động của động cơ 2.0L Turbo tăng áp kép (Bi-turbo) được trang bị trên hai mẫu xe Ford Everest 4WD và Ford Ranger Wildtrak 4×4.
Hình 2 29: Turbo tăng áp kép (Bi turbo) được trang bị trên dòng xe Ford
The Ford Ranger Wildtrak 4×2 and Ford Everest 4WD are both equipped with a powerful 2.0L Diesel engine featuring a 4-cylinder inline (I4) configuration They utilize Ford's latest generation Bi-Turbo technology for enhanced performance and efficiency.
Hai Turbo này có thể hoạt động độc lập để tạo hiệu suất động cơ tối ưu khi cần:
• Tăng mô men xoắn khi ở tốc độ thấp
• Tăng công suất khi ở tốc độ cao
Hình 2 30: Vị trí của 2 turbo
Nguyên lý hoạt động của Động cơ 2.0L Bi-Turbo như sau:
Hình 2 31: Sơ đồ làm việc của Bi-turbo
• Vòng tua của động cơ trong khoảng 1500 v/p – Chỉ có Turbo nhỏ hoạt động
• Khi vòng tua của động cơ hoạt động trong khoảng 1500v/p đến 2500v/p – Cả hai Turbo nhỏ và lớn cùng hoạt động
• Khi vòng tua của động cơ trên 3000 v/p – Chỉ có Turbo lớn hoạt động
2.4.3.2 Tăng áp kép Twin Turbo Động cơ V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới được phát triển hoàn toàn bởi đội ngũ kỹ sư của Mercedes AMG Hệ thống bao gồm 2 turbo có kích thước bằng nhau được lắp ráp song song Cỗ máy này được trang bị hàng loạt các công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực phát triển động cơ hiện nay, bao gồm công nghệ phun xăng trực tiếp, đầu xy-lanh tối ưu cho sự di chuyển của dòng hỗn hợp khí, khung máy được làm bằng hợp kim nhôm đúc nguyên khối, thành xy-lanh được phủ chất liệu nano-slide chống ma sát.v.v
Hình 2 32: Động cơ xăng V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới của Mercedes
Nguyên lý hoạt động của Twin Turbo:
• Ở vòng tua thấp chỉ có 1 turbo hoạt động
• Ở vòng tua lớn thì cả 2 turbo đều hoạt động
Ưu, nhược điểm của việc ứng dụng tăng áp trên động cơ đốt trong
Sử dụng tăng áp cho động cơ đốt trong có thể nâng cao hiệu suất động cơ từ 30-40%, nhờ vào việc cải thiện hiệu suất nạp Điều này dẫn đến quá trình cháy hiệu quả hơn, từ đó gia tăng công suất tổng thể của động cơ.
Động cơ tăng áp tạo ra áp suất lớn hơn, giúp mỗi hành trình của piston sản sinh sức mạnh vượt trội so với động cơ hút khí tự nhiên Nhờ đó, động cơ tăng áp có khả năng sản xuất nhiều năng lượng hơn, ngay cả khi kích thước động cơ giữ nguyên.
Động cơ tăng áp mang lại hiệu suất mạnh mẽ và tạo ra mô-men xoắn ấn tượng, ngay cả khi được thiết kế để tiết kiệm nhiên liệu cho các sản phẩm kích thước nhỏ Đặc biệt, động cơ này sản sinh nhiều mô-men xoắn hơn ở dải vòng quay thấp, giúp cải thiện khả năng vận hành và hiệu suất tổng thể.
Giảm trọng lượng động cơ là một lợi ích quan trọng trong sản xuất ô tô Để đạt được công suất mong muốn, các nhà sản xuất thường phải chế tạo động cơ với dung tích xy lanh lớn Tuy nhiên, với việc ứng dụng công nghệ tăng áp, họ có thể tạo ra động cơ có dung tích nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo công suất đầu ra tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với động cơ không có tăng áp.
Tiết kiệm chi phí sản xuất là một lợi ích quan trọng khi sản xuất động cơ có dung tích nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn và kích thước nhỏ hơn Việc này không chỉ giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho doanh nghiệp.
Động cơ tăng áp giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả nhờ công suất tương đương với các động cơ lớn hơn, mặc dù có dung tích xy lanh nhỏ hơn Việc đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong xy lanh không chỉ nâng cao hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu khí thải, góp phần cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Động cơ tăng áp ô tô giúp hạn chế tiếng ồn tối đa bằng cách sử dụng lại một phần khí thải trong quá trình nén khí, từ đó lọc được nhiều không khí vào đường ống và linh kiện hơn so với động cơ hút khí tự nhiên Nhờ đó, tiếng ồn của động cơ trở nên êm ái và mượt mà hơn do tiếng ồn trong quá trình hút và xả được giảm thiểu và tinh lọc.
Động cơ tăng áp thường gặp phải vấn đề độ trễ, tức là phản ứng chậm hơn so với động cơ thông thường Nhược điểm này xuất phát từ việc động cơ cần đạt đến một mức vòng tua nhất định để tạo ra đủ lượng khí xả cho hệ thống tăng áp hoạt động hiệu quả Khi không đủ khí thải để quay tuabin nạp của turbo, độ trễ sẽ xảy ra, đặc biệt là sau khi nhấn van tiết lưu.
Chi phí sửa chữa động cơ tăng áp thường cao hơn do cấu trúc phức tạp và yêu cầu sử dụng vật liệu bền hơn để đảm bảo tuổi thọ Khi gặp sự cố, việc sửa chữa động cơ này không chỉ khó khăn mà còn tốn kém hơn so với động cơ thông thường.
Để tối ưu hóa hiệu suất lái xe, người lái cần điều tiết quá trình điều khiển hợp lý, đặc biệt khi xe đang chạy với tốc độ cao Khi đó, bộ tăng áp sẽ hoạt động mạnh hơn, làm cho các xi lanh đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn, dẫn đến hiệu quả tiêu thụ kém Do đó, để đạt được hiệu quả tốt nhất, người lái không nên nhấn mạnh vào chân ga mà cần kiểm soát bướm ga một cách hợp lý và chú ý đến quá trình lái xe.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
Khảo sát động cơ Honda Winner 150
Xe được trang bị động cơ 150cc DOHC, làm mát bằng dung dịch, với công nghệ PGM-FI và cấu trúc 4 kỳ, xy-lanh đơn Động cơ này mang lại hiệu suất mạnh mẽ, giúp xe vận hành linh hoạt và tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Côn tay, hộp số 6 cấp
Hệ thống côn tay kết hợp với hộp số 6 cấp mang lại hiệu suất tối ưu cho xe, giúp người lái dễ dàng chuyển số và tận hưởng cảm giác phấn khích khi điều khiển ở nhiều tốc độ khác nhau.
Thông số kỹ thuật của Honda Winner 150 2016
Honda WINNER 150 được thiết kế nhằm tạo ra một mẫu xe thể thao vượt trội hơn so với những phương tiện di chuyển thông thường Với kiểu dáng thể thao ấn tượng, xe vẫn giữ được sự quen thuộc đặc trưng của thương hiệu Honda Động cơ mạnh mẽ cùng hộp số nhẹ và nhạy giúp xe dễ dàng vận hành, phù hợp với nhiều đối tượng khách hàng khác nhau.
Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật Honda Winner 150
1 Khối lượng bản thân 122kg
3 Khoảng cách trục bánh xe 1.276 mm
5 Khoảng sáng gầm xe 167 mm
6 Dung tích bình xăng 4,5 lít
7 Kích cỡ lốp trước/ sau Trước: 90/80-17M/C
8 Phuộc trước Ống lồng, giảm chấn thủy lực
9 Phuộc sau Lò xo trụ đơn
10 Loại động cơ PGM-FI, 4 kỳ,
DOHC, xy-lanh đơn, côn 6 số, làm mát bằng dung dịch
11 Dung tích xy-lanh 149,1 cm3
12 Đường kính x hành trình pít-tông 57,3 x 57,8 mm
14 Công suất tối đa 11,5kW/9.000 vòng/phút
15 Mô-men cực đại 13,5Nm/6.500 vòng/phút
16 Dung tích nhớt máy 1,1L khi thay nhớt
17 Hệ thống khởi động Điện/Đạp chân
Phương án thiết kế bộ tăng áp
Hình 3 1: Sơ đồ động cơ tăng áp chạy bằng điện
Bộ tăng áp điện được lắp trực tiếp vào họng ga của động cơ, khác biệt với các loại tăng áp truyền thống chạy bằng khí thải, không tiếp xúc với nhiệt độ khí thải Do đó, bộ tăng áp điện không cần tản nhiệt cho không khí nhưng vẫn duy trì nhiệt độ khí nạp ở mức an toàn Motor của bộ tăng áp được điều khiển bởi bộ xử lý tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga, cho phép điều chỉnh tốc độ quay của tuabin và lượng không khí nạp vào động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho các dung tích động cơ khác nhau và cải thiện lượng không khí nạp ở mọi vòng tua máy.
3.2.1 Lựa chọn buống nén khí và cánh tua bin
Việc điều khiển tốc độ quay của tuabin cho phép chúng ta linh hoạt trong việc lựa chọn cánh và vỏ Turbo Do đó, có thể chọn các thành phần này ở mức độ tương đối để phù hợp với động cơ cần ứng dụng.
Hình 3 2: Vỏ Turbo và cánh tuabin
Bộ tăng áp truyền thống thường kết nối các cánh quạt bên khí thải và khí nạp qua một trục giữa Tuy nhiên, với bộ tăng áp chạy bằng motor điện, trục giữa được kết nối từ motor điện đến cánh quạt khí nạp Do đó, cần thiết kế lại trục giữa và mặt bích làm kín phía sau vỏ Turbo để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Đế chụp vỏ Turbo được thiết kế dựa trên thông số đo đạc chính xác của vỏ Turbo, sử dụng phần mềm Catia V3 P5R21 để phác thảo Sản phẩm sẽ được gia công bằng công nghệ CNC, với vật liệu được lựa chọn là hợp kim nhôm để đảm bảo độ bền và hiệu suất.
Hình 3 4: Bản vẽ kỹ thuật của đế chụp Turbo
3.2.2 Lựa chọn motor dẫn động
Motor DC 775 tốc độ 12000 vòng/ phút
STT Thông số Đơn vị
4 Đường kính động cơ 42mm
5 Chiều dài động cơ 77mm
6 Chiều dài trục động cơ 100mm
Motor 775 là một động cơ điện mạnh mẽ, độ bền cao và công suất lớn, có thể dùng để quạt, băng tải, máy khoan, máy bơm nước, máy mài
Cấu tạo motor 775 bao gồm:
- Miếng nam châm tạo từ trường
- Bộ phận cung cấp dòng điện một chiểu
Nguyên lí hoạt động của Motor 775:
Motor 775 bao gồm hai phần chính: Stator (phần đứng yên) và Rotor (phần chuyển động), được quấn bằng nhiều vòng dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu Khi Stator và Rotor được kết nối với nguồn điện, từ trường sẽ xuất hiện xung quanh chúng Sự tương tác giữa từ trường của Rotor và Stator tạo ra chuyển động quay của Rotor quanh trục, tạo ra một momen.
Motor 775 được trang bị trục đầu ra có bạc đạn chịu lực ở cả hai đầu, cho phép động cơ hoạt động hiệu quả ở công suất và số vòng quay cao Điều này giúp Motor 775 duy trì hiệu suất tối ưu ngay cả trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
53 động cơ được trang bị cánh quạt tản nhiệt bên trong giúp động cơ hoạt động thông thoáng tránh tình trạng quá nhiệt gây hại cho động cơ
Hình 3 7: Cánh quạt tản nhiệt của Motor 775
3.2.3 Thiết kế bộ dẫn động (hộp số tăng tốc)
Hình 3 8: Sơ đồ đường truyền motor, hộp số, cánh tuabin
Tỉ số truyền của hộp số 2 cấp bánh răng thẳng:
Suy ra, tỉ số truyền của hộp số tăng tốc 2 cấp là 18.03
Hình 3 9: Hình ảnh minh họa hộp số 2 cấp
3.2.3.1 Thiết kế vỏ hộp số
Vật liệu: Hợp kim nhôm
Phương pháp gia công: CNC
Vỏ hộp số tăng tốc được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm Catia P3 V5R21, đảm bảo tính chính xác trong việc đo đạc và tính toán kích thước phù hợp cho các bánh răng ăn khớp, vòng bi và ổ đỡ Qua đó, bản vẽ được phác thảo và hoàn thiện một cách chính xác nhất.
Hình 3 10: Vỏ hộp số mặt số 1
Hình 3 11: Vỏ hộp số mặt số 2
Bản vẽ kỹ thuật của vỏ hộp số:
Hình 3 12: Bản vẽ chi tiết mặt số 1
Hình 3 13: Bản vẽ chi tiết mặt số 2
3.2.3.2 Thiết kế bánh răng, ổ đỡ
Kiểu răng: bánh răng trụ , răng thẳng
Vật liệu: Hỗn hợp gang
Bộ dẫn động gồm 3 bánh răng trụ, răng thẳng ăn khớp với nhau
Bánh răng số 1: Bánh răng được nối với Motor điện thông qua trục 8mm, có 55 răng 0.8M
Bánh răng số 2: Bánh răng số 2 ăn khớp với bánh răng số 1, có 15 răng 0.8M và bánh răng số 2’ có 59 răng 0.6M trục 4mm
Hình 3 15: Bánh răng số 2 và 2’
Bánh răng số 3: Bánh răng số 3 ăn khớp với bánh răng số 2’, có 12 răng 0.6M, trục 3mm và được vào trục 8mm của cánh tuabin
Hình 3 16: Bánh răng số 3 Ổ đỡ: bạc đạn NSK
Bên trong hộp số tăng tốc gồm có 3 trục, mỗi trục được thiết kế 2 ổ đỡ ở 2 đầu trục bằng bạc NSK chịu mài mòn và tốc độ cao
Các vòng bị, ổ đỡ, bạc đạn có kích thước như sau:
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 683ZZ 3x7x3mm lỗ trục 3mm, chịu mài mòn, tốc độ cao
Hình 3 17: Vòng bi lỗ trục 3mm
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 684ZZ 4x9x4mm lỗ trục 4mm, chịu mài mòn, tốc độ cao
Hình 3 18: Vòng bi lỗ trục 4mm
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 685ZZ 5x11x5mm lỗ trục 5mm, chịu mài mòn, tốc độ cao
Hình 3 19: Vòng bi lỗ trục 5mm
Vòng bi, ổ bi, bạc đạn NSK 688ZZ 8x16x5mm lỗ trục 8mm, chịu mài mòn, tốc độ cao
Vòng bi lỗ trục 8mm đóng vai trò quan trọng trong việc bôi trơn và tản nhiệt cho hộp số, đặc biệt khi hộp số hoạt động ở vận tốc cao, có thể đạt đến 100.000 vòng/phút Để đảm bảo hiệu suất, hộp số được thiết kế kín và sử dụng nhớt để bôi trơn các bánh răng kiểu vung tóe Nhớt không chỉ giảm ma sát mà còn giúp giảm nhiệt độ ở ổ đỡ, vòng bi và bạc đạn trong quá trình hoạt động.
Phương án điều khiển
Ý tưởng điều khiển motor DC dựa vào tín hiệu vị trí bướm ga (TPS) sẽ gửi tín hiệu ADC đến bo mạch Arduino R3 Arduino sẽ xử lý tín hiệu này và xuất ra mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A thông qua PWM Mạch PWM sẽ khuếch đại tín hiệu và cung cấp xung vuông (xung PWM) để điều chỉnh tốc độ của motor DC.
Hình 3 21: Sơ đồ điều khiển động cơ tăng áp
Bộ chuyển đổi ADC là gì
ADC, viết tắt của bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số, là mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên tục thành giá trị nhị phân mà thiết bị kỹ thuật số có thể hiểu Thiết bị này có thể là vi mạch ADC độc lập hoặc được tích hợp trong bộ vi điều khiển, phục vụ cho các ứng dụng tính toán kỹ thuật số.
ADC hoạt động như thế nào
Một cách hiệu quả để hiểu hoạt động của ADC là xem nó như một bộ chia tỷ lệ toán học ADC thực hiện việc ánh xạ các giá trị điện áp từ một dải sang một dải khác, chuyển đổi chúng thành các giá trị nhị phân.
Để chuyển đổi điện áp thành các mức logic phù hợp cho thanh ghi, cần thiết phải có một giao diện giữa tín hiệu analog và đầu vào logic Các thanh ghi chỉ chấp nhận mức logic, do đó việc kết nối trực tiếp tín hiệu với đầu vào logic sẽ không mang lại kết quả tốt.
Hình 3 22: Biểu đồ Analog và Digital
Phương pháp điều xung PWM là gì?
Phương pháp điều xung PWM (Điều chế độ rộng xung) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung vuông, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm
Hình 3 23: Các mức giá trị % của xung PWM
Xung là các trạng thái cao và thấp (HIGH/LOW) của điện áp được lặp lại Đặc trưng của một xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tần số (frequency) và chu kỳ xung (duty cycle).
Tần số là số lần lặp lại trong 1 đơn vị thời gian Đơn vị tần số là Hz, tức là số lần lặp lại dao động trong 1 giây
Lấy ví dụ, 1Hz = 1 dao động trong 1 giây 2Hz = 2 dao động trong 1 giây 16MHz = 16 triệu dao động trong 1 giây
Như vậy theo quy tắc tam suất: 16 triệu dao động - 1 giây > 1 dao động tốn 1/16.000.000 (giây) = 0,0625 (micro giây)
Để xác định một dao động, cần chú ý đến trạng thái bắt đầu và kết thúc của nó Nhiều người mới nghiên cứu điện tử thường nhầm lẫn trong việc nhận diện dao động Dao động được xác định khi trạng thái bắt đầu lặp lại ngay sau khi kết thúc.
Hình 3 24: Cách xác định 1 dao động
Một dao động thường bao gồm hai trạng thái điện: mức cao (x giây) và mức thấp (y giây) Tỉ lệ phần trăm thời gian giữa hai trạng thái này được gọi là chu kỳ xung Khi x/y = 0%, xung chứa toàn bộ điện áp thấp Nếu x/y = 50%, trong 50% thời gian đầu, xung có điện áp cao, và 50% thời gian sau có điện áp thấp Cuối cùng, với x/y = 100%, xung chứa toàn bộ điện áp cao.
Tóm lại, với 1 xung ta có 2 phần:
Tần số: để tính toán ra được thời gian của 1 xung
Chu kì xung: bao nhiêu thời gian xung có mức áp cao, bao nhiêu thời gian xung có mức áp thấp
3.3.1 Lựa chọn linh kiện điều khiển
Hình 3 25: Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ)
Dòng điện tải mạch: 43A
Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V
Tần số điều khiển tối đa: 25KHz
Thiết bị sẽ tự động ngắt khi điện áp thấp để bảo vệ động cơ, cụ thể là khi điện áp giảm xuống dưới 5.5V Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 sẽ tự ngắt nguồn và khôi phục hoạt động khi điện áp trở lại trên 5.5V.
Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt
VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (5V – 3V3)
R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải
L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái
RPWM và LPWM: Chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ
RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận
RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch
RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng
R_IS và L_IS: Kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H
Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD: Chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ
Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ
Sơ Đồ Kết Nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A
Hình 3 26: Sơ đồ kết nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ)
Hình 3 27: Bo mạch Arduino Uno R3
Arduino Uno là bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328, phát triển bởi Arduino.cc Với các chân đầu vào/đầu ra Digital và Analog, bảng mạch này có khả năng giao tiếp với nhiều bảng mạch mở rộng khác nhau Arduino Uno là lựa chọn lý tưởng cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử và lập trình, giúp họ dễ dàng xây dựng các dự án như lập trình Robot, xe tự hành, hay điều khiển bật tắt LED.
Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật bo mạch Arduino Uno R3
Chip điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V
70 Điện áp đầu vào(khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số chân Digital 14 (of which 6 provide PWM output)
Dòng điện DC trên mỗi chân
Dòng điện DC trên chân 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB used by bootloader
Tốc độ thạch anh 16 MHz
Bảng mạch được tích hợp một LED kết nối với chân D13, cho phép LED sáng khi chân nhận giá trị mức cao (HIGH) và tắt khi ở mức thấp (LOW).
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC)
5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA)
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA)
GND: Là chân mang điện cực âm trên board
Chân IOREF trên Arduino UNO cho phép đọc điện áp hoạt động của vi điều khiển, nhưng không được sử dụng để cấp nguồn.
Hình 3 28: Các cổng kết nối và đèn báo tín hiệu
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB
KB cho SRAM (Static Random Access Memory) là nơi lưu trữ giá trị của các biến được khai báo Việc khai báo nhiều biến sẽ tiêu tốn nhiều bộ nhớ RAM hơn Lưu ý rằng dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất khi nguồn điện bị ngắt.
KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn
Các chân đầu vào và đầu ra
Board Arduino Uno có 14 chân Digital cho phép sử dụng làm đầu vào và đầu ra, với các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Mỗi chân cung cấp điện áp 5V và dòng tối đa là 20mA, kèm theo điện trở kéo lên trong khoảng 20-50 ohm Để bảo vệ board mạch, dòng tối đa trên mỗi chân I/O không được vượt quá 40mA.
Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu (TX) TTL
PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite ()
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI bằng thư viện SPI
LED được tích hợp trên bảng mạch và kết nối với chân D13 Khi chân D13 có giá trị mức cao (HIGH), LED sẽ sáng, và khi ở mức thấp (LOW), LED sẽ tắt.
