CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống khởi động
Động cơ đốt trong cần một ngoại lực để khởi động do không thể tự khởi động Máy khởi động quay trục khuỷu thông qua vành răng, yêu cầu tạo ra moment lớn từ nguồn điện hạn chế của ắc quy và phải gọn nhẹ Do đó, motor điện một chiều được sử dụng trong máy khởi động Để khởi động động cơ, trục khuỷu phải đạt tốc độ quay tối thiểu, thường từ 40 - 60 vòng/phút cho động cơ xăng và từ 80 - 100 vòng/phút cho động cơ diesel, tùy thuộc vào cấu trúc và tình trạng hoạt động của động cơ.
Hình 2.1.1 Máy khởi động trên động cơ
Các thành phần chính trên hệ thống khởi động bao gồm:
- Hộp điều khiển động cơ ECU
- Công tắc bàn đạp phanh, công tắc ly hợp
- Công tắc vị trí số
Hình 2.1.2 Các thành phần chính trên hệ thống khởi động
2.1.3.1 Khái quát về ắc quy
Ắc quy trong ô tô, thường được gọi là ắc quy khởi động, có chức năng chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại Loại ắc quy này chủ yếu là ắc quy chì – axit, nổi bật với khả năng tạo ra dòng điện lớn trong thời gian ngắn (5 đến 10 giây) và cung cấp dòng điện mạnh mẽ từ 200 đến 800A với độ sụt thế bên trong thấp Điều này khiến ắc quy khởi động trở thành nguồn năng lượng lý tưởng để khởi động động cơ ô tô.
Ắc quy khởi động không chỉ có nhiệm vụ khởi động động cơ mà còn cung cấp điện cho các thiết bị quan trọng khác trong hệ thống điện, đặc biệt là trong trường hợp động cơ chưa hoạt động hoặc khi máy phát điện chưa đạt đủ công suất Nó đảm bảo nguồn điện cho các thiết bị như đèn đậu và radio cassette khi động cơ hoạt động ở chế độ số vòng quay thấp.
CD, các bộ nhớ (đồng hồ, hộp điều khiển…), hệ thống báo động…
Ắc quy không chỉ cung cấp năng lượng mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc lọc và ổn định điện thế cho hệ thống điện của ô tô khi điện áp máy phát thay đổi Thông thường, điện áp của ắc quy là 6V, 12V hoặc 24V, trong đó ắc quy 12V thường được sử dụng cho xe du lịch, còn ắc quy 24V thường dành cho xe tải Để đạt được điện áp cao hơn, người ta có thể kết nối nhiều ắc quy 12V theo hình thức nối tiếp.
Ắc quy cung cấp điện khi:
Khi động cơ ngừng hoạt động, điện từ bình ắc quy sẽ được sử dụng để cung cấp ánh sáng và hỗ trợ cho các thiết bị điện phụ hoặc các thiết bị điện khác.
Động cơ khởi động sử dụng điện từ bình ắc quy để cung cấp dòng điện cho máy khởi động và hệ thống đánh lửa trong quá trình khởi động Chức năng khởi động xe là nhiệm vụ quan trọng nhất của ắc quy.
Khi động cơ hoạt động, điện từ bình ắc quy có thể cần thiết để hỗ trợ hệ thống nạp, đặc biệt khi nhu cầu về tải điện trên xe vượt quá khả năng của hệ thống nạp.
Cả ắc quy và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao
Hình 2.1.3.1b Ắc quy và hệ thống điện
Trên ô tô, có hai loại ắc quy phổ biến để khởi động là ắc quy axit và ắc quy kiềm Trong đó, ắc quy axit được ưa chuộng hơn nhờ vào sức điện động cao hơn mỗi cặp bản cực, điện trở trong nhỏ và khả năng khởi động tốt Mặc dù ắc quy kiềm cũng có nhiều ưu điểm, nhưng ắc quy axit vẫn là lựa chọn chính cho hầu hết các phương tiện.
Bình ắc quy ô tô bao gồm dung dịch axit sunfuric loãng và các bản cực âm, dương, thường được làm từ chì hoặc vật liệu tương tự, gọi là ắc quy chì-acid Một bình ắc quy thường có 6 ngăn, mỗi ngăn chứa nhiều bản cực được ngâm trong dung dịch điện phân.
Hình 2.1.3.2a Cấu tạo ắc quy
Cấu tạo của một ngăn
Cơ sở hoạt động của ắc quy dựa vào các ngăn chứa, trong đó các bản cực âm và dương được kết nối riêng biệt và xen kẽ với nhau, ngăn cách bởi các tấm ngăn có lỗ thông nhỏ Cách bố trí này tối ưu hóa bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân, từ đó cho phép ắc quy cung cấp lượng điện lớn hơn Việc tăng diện tích bề mặt cũng đồng nghĩa với việc dung lượng của ắc quy được nâng cao, giúp ắc quy hoạt động hiệu quả hơn trong việc cung cấp điện.
Hình 2.1.3.2b Cấu tạo một ắc quy đơn
Bản cực ắc quy được cấu tạo từ khung sườn bằng hợp kim chì có chứa Antimony hoặc Canxi, với thiết kế lưới phẳng, mỏng Khung này đóng vai trò quan trọng trong việc dán vật liệu hoạt tính, bao gồm chì oxide (PbO2) ở bản cực dương và chì xốp (Pb) ở bản cực âm.
Hình 2.1.3.2c Cấu tạo bản cực Hình 2.1.3.2d Chất điện phân
Chất điện phân trong bình ắc quy bao gồm 36% acid sulfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O), với tỷ trọng đạt 1.270 ở 20°C khi bình được nạp đầy Tỷ trọng là chỉ số so sánh trọng lượng của dung dịch với trọng lượng của nước cùng thể tích; tỷ trọng càng cao, chất lỏng càng đặc Để đo tỷ trọng của dung dịch điện phân, người ta sử dụng một tỷ trọng kế Chất điện phân trong bình ắc quy đã nạp điện có tỷ trọng cao hơn và nặng hơn so với chất điện phân trong bình ắc quy đã phóng điện.
Khi sử dụng ắc quy, cần cẩn trọng vì chất điện phân trong bình là hỗn hợp acid sulfuric và nước, trong đó acid sulfuric có tính ăn mòn cao, có thể gây thương tích cho da và mắt Luôn mang đồ bảo hộ khi tiếp xúc với ắc quy Nếu dung dịch acid dính vào tay, phải rửa ngay bằng nước, và nếu văng vào mắt, cần rửa ngay và tìm kiếm sự chăm sóc y tế Khi nạp ắc quy, khí Hydrogene được giải phóng, vì vậy cần tránh xa ngọn lửa và tia lửa điện để ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng.
Vỏ ắc quy có vai trò quan trọng trong việc giữ các điện cực và ngăn cách các phần của bình ắc quy, thường được chia thành 6 ngăn Các bản cực được hỗ trợ trên các gờ đỡ, ngăn chặn hiện tượng ngắn mạch do vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy Vỏ ắc quy thường được sản xuất từ polypropylen, cao su cứng và plastic Một số nhà sản xuất cung cấp vỏ ắc quy trong suốt, cho phép người dùng dễ dàng kiểm tra mực dung dịch điện phân mà không cần mở nắp, với hai chỉ dẫn mực thấp và cao bên ngoài.
Hình 2.1.3.2e Vỏ ắc quy Hình 2.1.3.2f Nắp thông hơi Hình 2.1.3.2g Dãy nắp thông hơi
Nắp thông hơi được lắp đặt trên các lỗ để bổ sung dung dịch điện phân, giúp hơi acid ngưng tụ và rơi trở lại ắc quy, đồng thời cho phép khí hydro bay hơi.
Sa bàn điện từ
Định nghĩa về dòng điện
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các hạt mang điện, chủ yếu là electron trong các mạch điện, diễn ra dọc theo dây dẫn Bên cạnh electron, các ion và chất điện ly cũng có thể đóng vai trò là hạt mang điện trong quá trình này.
Ngoài ra ta cũng có một định nghĩa về chiều của dòng điện như sau:
Dòng điện được định nghĩa là sự chuyển động có hướng của các điện tích dương Trong mạch điện với dây dẫn kim loại, các electron mang điện tích âm di chuyển ngược lại với chiều của dòng điện trong dây dẫn.
Dòng điện trong dây dẫn có thể di chuyển theo bất kỳ chiều nào Khi có một dòng điện I trong mạch, hướng của dòng điện được quy ước đánh dấu, thường bằng mũi tên trên sơ đồ mạch điện Hướng này được gọi là hướng tham chiếu của dòng điện I; nếu dòng điện di chuyển ngược lại hướng tham chiếu, giá trị của I sẽ là âm.
Tác dụng của dòng điện
Dòng điện có năm tác dụng cơ bản, bao gồm tác dụng từ, tác dụng nhiệt, tác dụng phát sáng, tác dụng hóa học và tác dụng sinh lý Những tác dụng này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tiễn và công nghệ hiện đại.
– Tác dụng từ: người ta ứng dụng tác dụng từ của dòng điện vào trong các thiết bị như chuông điện, quạt điện, máy xay sinh tố, máy bơm…
– Tác dụng nhiệt của dòng điện: xuất hiện trong nồi cơm điện, bàn là điện, bóng đèn dây tóc, bếp điện, lò nướng…
– Tác dụng phát sáng: đèn LED báo ở các thiết bị điện tử, đèn ống, đèn bút thử điện…
– Tác dụng hóa học của dòng điện: được áp dụng trong các lĩnh vực như mạ điện, đúc điện, tinh luyện kim loại…
– Tác dụng sinh lý của dòng điện được ứng dụng nhiều vào y học như kích tim trong cấp cứu, phục hồi trí nhớ, điện châm trong đông y
2.2.2 Hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi từ thông qua mạch kín biến đổi, dẫn đến sự sinh ra dòng điện Dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng.
Suất điện động cảm ứng
Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng
Để xác định chiều dòng điện cảm ứng trong khung dây kín, trước tiên cần xác định chiều của véc tơ cảm ứng từ bên ngoài Sau đó, cần xem xét sự thay đổi từ thông qua khung dây để đưa ra kết luận chính xác.
qua khung dây (vòng dây) tăng hay giảm theo thời gian:
Nếu từ thông tăng thì cảm ứng từ BC → của dòng điện cảm ứng gây ra ngược chiều với cảm ứng từ ngoài B →
Nếu từ thông giảm thì cảm ứng từ BC → của dòng điện cảm ứng gây ra cùng chiều với cảm ứng từ ngoài B →
Sau khi xác định chiều của BC, chúng ta áp dụng quy tắc nắm tay phải để xác định chiều của dòng điện cảm ứng Đại lượng và chiều của sức điện động cảm ứng sẽ thay đổi khi cuộn dây được quay, tùy thuộc vào vị trí của cuộn dây đó.
Trong sơ đồ (1) ở Hình 18, dòng điện di chuyển từ chổi than A tới bóng đèn Khi nguồn điện ngừng hoạt động, như thể hiện trong sơ đồ (2), dòng điện sẽ dừng lại Sau đó, trong sơ đồ (3), dòng điện chuyển hướng từ chổi than B đến bóng đèn.
Dòng điện được tạo ra bởi thiết bị này là dòng điện xoay chiều, và vì lý do đó, thiết bị này được gọi là máy phát điện xoay chiều Định luật Len-xơ là nguyên tắc cơ bản liên quan đến hoạt động của máy phát điện này.
Dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại với nguyên nhân sinh ra nó, theo định luật Fa-ra-đây về cảm ứng điện từ Suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch.
t| Trong hệ SI, hệ số tỉ lệ k = 1 Theo định luật Len-xơ thì trong hệ SI suất điện động cảm ứng được viết dưới dạng : 𝑒 𝑐 = -
Trường hợp trong mạch điện là một khung dây có N vòng dây thì:
Qui tắc bàn tay phải giúp xác định hướng của các đường sức từ trong điện từ học Khi đặt bàn tay phải sao cho ngón cái chỉ về phía chuyển động của đoạn dây dẫn, các ngón tay còn lại sẽ chỉ hướng của đường sức từ, từ cực âm đến cực dương của nguồn điện Hiện tượng cảm ứng điện từ có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tiễn, như trong việc phát điện và các thiết bị điện tử.
Hiện tượng cảm ứng điện từ không chỉ là một khái niệm quan trọng trong vật lý mà còn có nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống Hiện tượng này đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực kỹ thuật và được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp và không gian, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Hiện tượng cảm ứng điện tử được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và trong ngành công nghiệp, với các thiết bị tiêu biểu như bếp từ, quạt điện, đèn huỳnh quang, lò vi sóng, máy xay, lò nướng, chuông cửa và loa Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao tiện ích trong sinh hoạt mà còn đóng góp vào sự phát triển của công nghệ hiện đại.
Điện từ đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị gia dụng như đèn, thiết bị nhà bếp và hệ thống điều hòa không khí Đặc biệt, quạt điện là một ví dụ điển hình cho việc ứng dụng nguyên tắc điện từ trong việc tạo ra luồng gió mát mẻ, giúp cải thiện không gian sống.
Các hệ thống làm mát, bao gồm quạt điện, đều sử dụng động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Động cơ điện này vận hành nhờ từ trường được tạo ra bởi dòng điện, theo nguyên lý lực Lorentz.
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIẢNG DẠY
Giới thiệu
3.1.1 Mô hình hệ thống khởi động
Mô hình hệ thống điện của xe bao gồm các thành phần chính như máy khởi động, hộp điều khiển ECU, công tắc bàn đạp phanh, công tắc ky hợp, hộp cầu chì và bình ắc quy Những thành phần này phối hợp chặt chẽ với nhau để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống điện, từ việc khởi động động cơ cho đến việc bảo vệ các mạch điện.
- Các chi tiết được liên kết,lắp ráp lại với nhau để tạo thành một hệ thống khởi động và được gá chắc chắn trên khung nhôm
Mô hình được sử dụng với mục đích giúp người học đạt được các mục tiêu học tập quan trọng, bao gồm việc tìm hiểu và xác định cấu trúc cũng như chức năng của các chi tiết trong Hệ thống khởi động Người học sẽ dựa vào sơ đồ để xác định chân ra và vào của Engine ECU, trình bày nguyên lý hoạt động của Hệ thống khởi động, thiết kế và xây dựng mạch điện phù hợp với nguyên lý này Ngoài ra, việc đấu dây, hoàn thiện và vận hành các mô hình cũng là một phần quan trọng Cuối cùng, người học sẽ phát triển kỹ năng làm việc nhóm để thảo luận và giải quyết các sự cố liên quan đến điện ô tô.
Sa bàn điện từ là một mô hình bao gồm các chi tiết nhỏ, tái hiện các thiết bị điện từ như motor điện, nam châm điện, máy biến áp, máy phát điện, cuộn cảm và rơ le.
Các chi tiết được bố trí cố định trên bảng mi ca giúp người xem dễ dàng quan sát các hiện tượng vật lý như cảm ứng từ, hiện tượng tự cảm và dòng điện một cách rõ ràng và dễ hiểu.
Người học sẽ đạt được các mục tiêu quan trọng như tìm hiểu và xác định cấu trúc cũng như chức năng của các chi tiết trên sa bàn điện từ Họ sẽ trình bày nguyên lý hoạt động của các mô hình trên sa bàn này, thực hiện đấu dây và hoàn thiện các mô hình để vận hành hiệu quả Bên cạnh đó, người học cũng sẽ phát triển khả năng làm việc nhóm, thảo luận và giải quyết các sự cố liên quan đến điện ô tô.
Thiết kế thực hiện mô hình
3.2.1 Lựa chọn thiết bị, vật liệu
3.2.1.1 Lựa chọn vật liệu làm khung
Nhóm đã chọn nhôm thanh định hình làm vật liệu chính cho khung các mô hình dạy học Nhôm định hình là loại nhôm được xử lý kim loại, giúp tối ưu hóa các đặc tính vật lý, rất phù hợp cho thiết kế, kỹ thuật và sản xuất.
Nhôm thanh định hình nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội so với nhôm thông thường, cho phép tạo ra những sản phẩm dễ dàng xử lý Nhờ vào đặc tính này, các sản phẩm từ nhôm định hình có khả năng tạo ra không gian tinh tế và ấn tượng hơn so với các vật liệu khác.
- Đặc điểm của nhôm định hình:
Nhôm định hình nổi bật với khả năng cách nhiệt hiệu quả, đồng thời bề mặt của nó được phủ một lớp sơn tĩnh điện cao cấp, giúp tăng cường độ bền và ngăn chặn hiện tượng oxy hóa cũng như bạc màu.
Nhôm định hình nổi bật với khả năng chịu lực tác động mạnh trong khi vẫn giữ được trọng lượng nhẹ, dễ dàng lắp ráp, nên rất được ưa chuộng Trong ngành công nghiệp, nhôm định hình được sử dụng phổ biến để chế tạo khung, kệ, giá đỡ và các băng tải Trong lĩnh vực ô tô, nhôm thường được dùng để làm bệ bước và ống bô, thể hiện tính ứng dụng đa dạng của vật liệu này.
Nhóm đã chọn nhôm định hình kích thước 20x20mm cho các mô hình dạy học để đảm bảo tính thẩm mỹ và kích thước phù hợp Để liên kết các đoạn nhôm, nhóm sử dụng ke góc chìm nhôm định hình Loại ốc được sử dụng là ốc lục giác 304 M5x8mm, giúp đảm bảo sự cứng cáp cho các thanh nhôm.
Hình 3.2.1.1a Nhôm định hình Hình 3.1.1.1b Ke góc nhôm định hình
Để đảm bảo tính đồng bộ và thẩm mỹ cho các mô hình, nhóm thiết kế đã lựa chọn kiểu dáng và kích thước cố định cho khung của cả ba mô hình.
Kích thước khung mô hình: 560mm x 395mm x 90mm
3.2.1.2 Lựa chọn vật liệu làm mặt mô hình
Nhóm đã chọn nhựa mica trắng sữa làm vật liệu cho mặt khung mô hình nhằm tạo sự mới mẻ và tính thẩm mỹ cao Đối với mô hình dạy học, tấm mica mặt trước được chọn loại 5mm để đảm bảo nâng đỡ chắc chắn, trong khi mặt sau sử dụng loại 3mm Mica có đặc điểm bóng đều óng ánh, bề mặt phẳng mịn và sáng bóng, cùng với khả năng xuyên sáng tốt và màu sắc đa dạng Ngoài ra, mica có tính dẻo, dễ gia công, lắp ghép, uốn và ép theo ý muốn Nó cũng chịu được nhiệt độ cao, chống ăn mòn, không dẫn điện, nhiệt và không thấm nước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo hình sản phẩm.
+ Module relay 5VDC có opto
Hình 3.2.1.3b Module relay 5VDC có opto
+ Module relay 5VDC có opto
Hình 3.2.1.3c Module relay 5VDC có opto
+Module LM7805 đầu ra USB
Hình 3.2.1.3d Module LM7805 đầu ra USB
Hình 3.2.1.3e Công tắc ly hợp
Hình 3.2.1.3j Công tắc bàn đạp phanh
+Công tắc vị trí số
Hình 3.2.1.3f Công tắc vị trí số
Lựa chọn đế và giắc cắm nối dây
Để thuận tiện cho việc đấu mạch điện cho hai mô hình, nhóm đã chọn loại đế banana có đường kính 4mm và chiều dài 23mm, cùng với giắc cắm banana có đường kính 4mm và chiều dài 26.5mm.
Hình 3.2.1.3g Đế banana Hình 3.2.1.3h Giắc cắm banana
Hình 3.2.2a Bố trí chung mô hình hệ thống khởi động
Hình 3.2.2b Bố trí chung mô hình Sa bàn điện từ
3.2.3 Thiết kế sơ đồ mạch điện
Hình 3.2.3a Mạch điện hệ thống khởi động 01
Hình 3.2.3b Mạch điện hệ thống khởi động 02
Hình 3.2.3c Mạch điện hệ thống khởi động 03
Hình 3.2.3d Mạch điện hệ thống khởi động 04
Nhằm tiết kiệm chi phí cho việc đấu nối, nhóm đã quyết định tự chế tạo mạch điện sử dụng Arduino Uno, có khả năng điều khiển tự động động cơ tương tự như hộp điều khiển ECU thực tế.
Hình 3.2.3e Sơ đồ mạch điện arduino uno với relay
Hình 3.2.3f Thuật toán điều khiển Arduino
3.2.4 Đấu nối hoàn thiện mô hình
Sau khi lựa chọn thiết bị và thiết kế mô hình, nhóm bắt đầu lắp ráp các chi tiết của khung và mặt mô hình, sau đó gắn các chi tiết lên bề mặt khung.
Chế tạo mô hình Hệ thống Khởi động
Hình 3.2.4.a Mô hình hệ thống khởi động 01
Hình 3.2.4.b Mô hình hệ thống khởi động 02
Hình 3.2.4.c Mô hình hệ thống khởi động 03
Hình 3.2.4.d Mô hình hệ thống khởi động 04
Chế tạo mô hình Sa bàn điện từ
Hình 3.2.4e Mô hình Sa bàn điện từ
