TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đặt vấn đề
Là sinh viên trường, nhóm chúng em nhận thấy những khó khăn trong nghiên cứu và thiết kế xe ECO cho các cuộc thi như lái xe sinh thái của Honda và Shell ECO-marathon Chúng em đã nhận ra hạn chế về thông số kỹ thuật của động cơ, cụ thể là mô men xoắn cực đại và công suất cực đại tại các vòng quay tương ứng Để có được công suất chính xác và nghiên cứu một cách hiệu quả, nhóm quyết định chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO” cho đề tài tốt nghiệp Mục tiêu là cung cấp thông tin chính xác về động cơ và truyền động, tạo ra hệ thống thông tin để điều chỉnh thông số phù hợp với yêu cầu của cuộc thi, đồng thời xây dựng biểu đồ công suất kéo của động cơ, từ đó đánh giá và kiểm định tình trạng kỹ thuật của hệ thống truyền lực và động cơ xe ECO.
Lý do chọn đề tài
Chúng tôi muốn phát triển một thiết bị kiểm tra chính xác công suất kéo của xe ECO, nhằm hỗ trợ các đội tham gia cuộc thi xe sinh thái trong việc nghiên cứu và tối ưu hóa hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu, từ đó góp phần vào thành công của cuộc thi Shell ECO-marathon tại trường.
Đề tài tốt nghiệp của nhóm em sẽ giải quyết các vấn đề liên quan đến cuộc thi Shell ECO-marathon, nhằm hỗ trợ các đội thi theo dõi các thông số cần thiết của xe Mục tiêu cuối cùng là giúp đội thi của trường đạt được thành công trong các cuộc thi xe sinh thái sắp tới.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo thiết bị đo công suất và mô men xoắn cực đại theo số vòng tua máy xe ECO Thiết bị này sẽ cung cấp cho người dùng các thông số đo lường và tính toán, hiển thị trên máy tính sử dụng hệ điều hành Windows.
2 ứng dụng LabVIEW Từ các thông tin đó người thiết kế xe ECO sẽ điều chỉnh các thông số cho phù hợp với mục tiêu đưa ra.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu thông số kỹ thuật của một số xe ECO sau cuộc thi, từ đó tính toán thiết kế chọn các chi tiết cho băng thử
Thiết kế và chế tạo băng thử được thực hiện dựa trên các tính toán thiết kế ban đầu Qua quá trình thực nghiệm, đánh giá mức độ đáp ứng của các thiết kế với điều kiện hoạt động thực tế của băng thử Dựa trên kết quả thực nghiệm, thiết kế sẽ được chỉnh sửa để phù hợp hơn với hoạt động của băng thử Trong nghiên cứu này, xe ECO được chọn làm đối tượng thử nghiệm chính.
Dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thức và thông qua việc tìm kiếm tài liệu trên internet cũng như các diễn đàn, tôi đã thu thập được nhiều thông tin hữu ích Điều này đã giúp tôi phát hiện ra những ý tưởng mới, từ đó hoàn thành đề tài một cách hiệu quả nhất.
Ý nghĩa thực hiện
Xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế băng thử công suất kéo của xe ECO nói riêng và xe 2 bánh nói chung
Xây dựng được đường đặc tính công suất kéo và lực kéo theo vận tốc xe
Xây dựng được phương trình thực nghiệm công suất kéo và lực kéo theo vận tốc xe
Giúp giải quyết được vấn đề theo dõi những thông số cần thiết của động cơ
Băng thử được thiết kế đặc biệt cho các dòng xe ECO, với công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài xe dưới 2,7 m Thiết bị này có khả năng đo công suất kéo của các xe trong phạm vi trên Thiết kế kỹ thuật của băng thử bao gồm các cụm chính và tính toán chi tiết kỹ thuật cần thiết Bài viết cũng trình bày nguyên lý đo đạt, quy trình sử dụng và các lưu ý quan trọng khi vận hành băng thử.
CUỘC THI XE SINH THÁI VÀ XE ECO
Giới thiệu về Shell ECO Marathon 2017 và luật chơi
Shell ECO-Marathon là một cuộc thi quốc tế dành cho sinh viên, nơi họ thiết kế và chế tạo những chiếc xe tiết kiệm năng lượng nhất Sự kiện diễn ra hàng năm tại ba khu vực chính: Châu Á, Châu Mỹ và Châu Âu Mục tiêu của các đội thi là tối ưu hóa hiệu suất của xe để di chuyển được quãng đường xa nhất với mức tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất.
Sự dẫn động trong tương lai của xe
Các kỹ sư tương lai sẽ có một năm để chuẩn bị cho cuộc thi chính thức diễn ra trong vài ngày trên các tuyến đường đô thị, nơi họ sẽ trình diễn chiếc xe tiết kiệm năng lượng nhất của mình.
Trong năm 2017, sự kiện Shell ECO-marathon chính diễn ra tại ba địa điểm trên toàn thế giới:
Shell ECO-marathon Châu Á: 16-ngày 19 Tháng Ba tại Singapore, SG
Shell ECO-marathon châu Mỹ: 27-ngày 29 Tháng Tư tại Detroit, Michigan, Mỹ Shell ECO-marathon Châu Âu: Tháng 25-28, London, Vương quốc Anh
Xe được phân loại theo loại xe và nguồn năng lượng, với xe Prototype (ba bánh) tập trung vào tiết kiệm năng lượng, mặc dù sự thoải mái của hành khách bị ảnh hưởng Ngược lại, xe UrbanConcept khuyến khích thiết kế thực tế hơn Các loại xe này sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau, bao gồm nhiên liệu cho động cơ đốt trong như xăng, dầu diesel, nhiên liệu hóa lỏng từ khí tự nhiên và ethanol.
Trong các loại xe điện, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro và pin lithium-based
Cuộc thi về quãng đường
Trong suốt thời gian diễn ra cuộc thi, các đội tập trung tối đa vào việc thực hiện nhiều vòng đua nhất có thể, nhằm di chuyển xe đi xa nhất với mức tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất.
Các xe sẽ được điều khiển với số vòng đua cố định và tốc độ tối đa theo quy định của ban tổ chức Ngoài ra, ban tổ chức cũng sẽ xác định giải thưởng cho người chiến thắng ở từng hạng mục dựa trên loại xe và loại nhiên liệu.
Những hạng mục giải thưởng khác như thành tích cho xe có độ an toàn cao nhất, giải thưởng làm việc nhóm và giải thiết kế
Cuộc thi này truyền cảm hứng cho các kỹ sư trẻ tương lai hiện thực hóa tầm nhìn về tính di động bền vững chỉ trong vài ngày Đây cũng là minh chứng cho những nỗ lực đáng ghi nhận trong suốt cuộc thi, hướng tới mục tiêu đưa những chiếc xe bền vững ra đường trong tương lai.
Một chút về lịch sử cuộc thi
Trở về ngày cuộc thi năm 1939 khi mà những nhân viên của công ty dầu khí Shell tại
Mỹ đã khởi xướng một cuộc thi thú vị nhằm xem ai có thể di chuyển xa nhất với cùng một lượng nhiên liệu trong chiếc xe của mình Cuộc thi này sau đó đã được mở rộng ra nhiều châu lục khác nhau, bao gồm đa dạng các loại năng lượng và kích thích những cuộc tranh luận sôi nổi về tương lai của nguồn năng lượng và phương tiện giao thông.
Bảng 2.1: Các thông số cho phép
Thông số Kí hiệu Giới hạn
Chiều cao giới hạn trên Ht < 100cm
Chiều rộng giới hạn trên Bt < 130cm
Chiều dài giới hạn trên Lt < 350cm
Chiều rộng giới hạn dưới Bd >50cm
Chiều dài giới hạn dưới Ld >100cm
Tỉ lệ chiều cao và rộng h/b 50kg
Trọng lượng xe Wx < 140kg
Hình 2.1: Kích thước giới hạn của xe
Vỏ tháo lắp dễ dàng cho việc kiểm tra, độ cứng phù hợp
Tất cả các bộ phận phải nằm trong vỏ
Bố trí các chi tiết như ắc quy, hệ thống nhiên liệu, động cơ … 1 cách an toàn và gọn gàn chắc chắn
Bánh xe không được chạm các bộ phận khác của xe
Sàn xe phải liền 1 khối không chắp nối
Vỏ xe cũng liền 1 khối dễ tháo lắp và không dùng cửa
Hình 2.2: Bố trí các bộ phận trên xe
Chọn vật liệu có độ cứng vững cao
Nhẹ là yếu tố ưu tiên
Bao bọc toàn bộ xe để bảo vệ tài xế
Không để nhô ra các cạnh nhọn và bén kể cả trong và ngoài xe
Thanh rollbar: o Cao hơn mũ 5cm o Cao hơn bình xăng 5cm o Rộng hơn vai tài xế o Chịu được 70kg
Hình 2.3: Điều kiện thiết kế khung sườn
Chỉ đặt lái ở bánh trước
Hình 2.4: Bán kính quay vòng
Hình 2.5: Tầm nhìn tài xế Hình 2.6: Đặt lái bánh trước
Nên đưa dòng khí xả thoát ra khỏi thân xe, nhưng không đưa ra quá xa khí thải phải hợp lý không xả khói đen
Hình 2.7: Tiêu chuẩn khí thải và bố trí ống xả
Tài xế có khả năng thoát khỏi xe trong 10 giây
Không dùng bang keo băng dính để kết nối phần khung sườn và vỏ,
Tuy nhiên phải có có cấu đơn giản nhưng vẫn chắc chắn dễ thoát lắp mà không cần đến dụng cụ chuyên dùng
Hình 2.8: Bố trí cơ cấu gài vỏ và lối thoát
Thông gió phù hợp để giải toả nhiệt độ động cơ làm mát khoang xe do điều kiện nóng ẩm ở Đông Nam Á
Hình 2.9: Bố trí các lỗ thông gió trên xe
Vách ngăn cố định tách được khoang động cơ và khoang tài
Được làm bằng vật liệu chống cháy
Ngăn chặn những can thiệp vào khoang động cơ khi xe chuyển động
Ngăn chặn sức nóng, khói xe cũng như những rủi ro từ khoang động cơ để bảo vệ tài xế
Hình 2.10: Bố trí vách ngăn
Hệ thống phanh độc lập
Hình 2.11: Thử phanh với độ dốc 20%
TỔNG QUAN VỀ BĂNG THỬ CÔNG SUẤT
Các hình thức đo công suất xe
Phương pháp này sử dụng động cơ để tăng tốc khối lượng quán tính, được gọi là 'bánh đà' để đơn giản hóa Bằng cách biết quán tính của bánh đà và tốc độ tăng tốc, chúng ta có thể tính toán công suất cần thiết Nếu liên tục đo và tính toán công suất theo các bước nhỏ, chúng ta sẽ tạo ra biểu đồ chính xác về các đặc tính công suất của động cơ trên máy tính.
Chi phí thấp, tính kinh tế cao
Hệ thống đơn giản dễ sửa chửa
Cho thấy các thông số thực tế hơn về khả năng tăng tốc của xe
Độ chính xác không cao, do cơ cấu thiết kế bằng hệ thống cơ khí dẫn đến độ sai lệch cao
Chỉ đo được công suất khi tăng tốc đột ngột tốc độ xe
Đề tài đồ án đang làm theo phương pháp này
Phương pháp này sử dụng thiết bị gọi là 'phanh', 'bộ hấp thụ' hoặc 'bộ hãm' để áp dụng tải cho động cơ và duy trì tốc độ ổn định Mô-men xoắn được phanh hãm lại và được đo thông qua cảm biến lực Có nhiều phương pháp khác nhau để cung cấp tải, bao gồm cả cơ khí và điện Một số hệ thống phanh phổ biến bao gồm nước, dòng xoáy và thủy lực.
Đo được công suất xe tại tua máy cố định khi giữ góc mở bướm ga không đổi
Chi phí cao của phanh, bộ phận tải và bộ điều khiển
Phức tạp do kiểm soát vòng khép kín của tải trọng cần thiết để giữ chính xác vòng / phút của động cơ
Cần hiệu chỉnh tải để duy trì độ chính xác
Cơ chế phanh của dyno tạo ra một lượng lớn nhiệt do công suất động cơ được chuyển hóa thành nhiệt, do đó cần có hệ thống làm mát phức tạp để tiêu tán nhiệt này.
Dù sử dụng các hệ thống điều khiển máy tính hiện đại, động cơ vẫn có thể mất thời gian ở từng giai đoạn vận hành, dẫn đến sai số trong hệ thống máy tính.
Một số sản phẩm băng thử công suất trên thị trường trong và ngoài nước
Xe máy hiện nay là phương tiện giao thông phổ biến ở các nước đang phát triển, do đó, việc kiểm tra và đánh giá tính năng hoạt động của xe máy và các chi tiết liên quan là rất cần thiết Điều này đã thúc đẩy các hãng sản xuất thiết bị nghiên cứu và chế tạo ra các máy móc cùng băng thử kiểm tra xe ngày càng nhiều hơn.
3.3.1 Sản phẩm băng thử công suất trên thị trường ngoài nước
Trong những năm gần đây, thị trường xuất hiện đa dạng các loại băng thử xe hai bánh từ các hãng nổi tiếng toàn cầu Các sản phẩm này không chỉ phong phú về chủng loại và mẫu mã, mà còn đa dạng về chất lượng và tính năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.
Băng thử xe của hãng Dynojet với 3 dòng sản phẩm băng thử model 250ix, model 250i, model 200i
Hình 3.7 Băng thử của hãng Dynojet
Băng thử của hãng Mustang Dynamometer và Nexion Dynamometer
Hình 3.8 Băng thử của hãng Mustang Dynamometer và Nexion Dynamometer
Các băng thử xe không chỉ đo công suất mà còn mô phỏng lực cản chuyển động Chúng sử dụng động cơ điện AC, có khả năng hoạt động như máy phát hoặc động cơ Bộ tiêu thụ tải điện trên băng thử có thể là biến trở nhiệt hoặc biến tần, giúp điều chỉnh tần số dòng điện để phù hợp với lưới điện quốc gia Ngoài ra, các băng thử này còn cho phép kiểm tra các hệ thống khác của xe hai bánh, như hệ thống phanh và hệ thống treo.
3.3.2 Băng thử công suất xe hai bánh trong nước
Hiện nay, chỉ có một số ít nhà sản xuất băng thử công suất kéo cho xe hai bánh tại Việt Nam Hầu hết các công ty cung cấp thiết bị và máy móc như Tân Phát, Tân Hoàng Minh, và Gamma đều cung cấp nhiều loại băng thử xe hai bánh, nhưng chủ yếu là thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài.
Băng thử công suất kéo cho xe hai bánh đã được phát triển thành công tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng và Đại học Bách khoa TP HCM Băng thử của Đại học Bách khoa Đà Nẵng sử dụng thanh xoắn để tạo tải, tuy nhiên chỉ phù hợp với thử nghiệm công suất nhỏ do hạn chế về khả năng tạo tải Ngược lại, băng thử của Đại học Bách khoa TP HCM hoạt động dựa trên động cơ điện AC, cho hiệu quả kiểm tra cao nhưng chi phí chế tạo lại khá cao, gây khó khăn trong việc áp dụng rộng rãi Để khắc phục vấn đề này, băng thử mới được thiết kế với nguyên lý tạo tải bằng máy phát điện xoay chiều và dung dịch điện ly, cho phép thử nghiệm động cơ công suất cao với chi phí chế tạo thấp, phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Đường đặc tính tốc độ của động cơ xăng
Để xác định lực và mô men tác dụng lên các bánh xe chủ động, cần nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ piston Đường đặc tính này thể hiện sự phụ thuộc của công suất hữu ích (Pe), mô men xoắn hữu ích (Me), tiêu hao nhiên liệu theo giờ và suất tiêu hao nhiên liệu theo số vòng quay hoặc tốc độ góc của trục khuỷu Đường đặc tính tốc độ được xác định thông qua thí nghiệm động cơ trên băng thử, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, cho phép thu được đường đặc tính ngoài của động cơ.
4.1.1 Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng
Tốc độ góc tối thiểu ωmin của trục khuỷu là mức độ mà động cơ hoạt động ổn định ở chế độ toàn tải Khi tốc độ góc tăng, mô men và công suất động cơ cũng sẽ gia tăng.
Mô men xoắn tối đa 𝑀 𝑒 𝑀 và công suất tối đa 𝑃 𝑒 𝑃 đạt được tại tốc độ góc 𝜔 𝑒 𝑀 và 𝜔 𝑒 𝑃 tương ứng Các giá trị này được chỉ dẫn trong đặc tính kỹ thuật của động cơ, cho thấy rằng động cơ chủ yếu hoạt động trong vùng tốc độ 𝜔 𝑒 𝑀 - 𝜔 𝑒 𝑃.
Hình 4.1 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế tốc độ
Khi tốc độ góc của trục khuỷu vượt quá giá trị 𝜔 𝑃, công suất động cơ sẽ giảm do hỗn hợp khí nạp kém và tăng tổn thất ma sát Tăng tốc độ góc cũng làm tăng tải trọng động, gây hao mòn nhanh các chi tiết của động cơ Do đó, trong thiết kế ô tô du lịch, tốc độ góc của trục khuỷu phải tương ứng với tốc độ cực đại của ô tô trên đường nhựa tốt nằm ngang, không được vượt quá 10-20% so với tốc độ góc 𝜔 𝑒 𝑃.
Công suất của động cơ Pe với hai thành phần:
Mô men xoắn Me (Nm)
Giữa chúng có quan hệ giữa công suất, mô men xoắn, tốc độ góc như sau:
Công suất Pe, mô men xoắn Me và tốc độ góc ωe có mối quan hệ chặt chẽ trong điều kiện cung cấp nhiên liệu tối đa Cụ thể, công thức Pe = Me ωe thể hiện rằng khi tăng tốc độ góc ωe, công suất Pe và mô men xoắn Me cũng sẽ thay đổi tương ứng.
Hình 4.2 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng có hạn chế tốc độ
4.1.2 Một số điểm quan trọng trên đường đặc tính:
Chế độ công suất cực đại 𝑃 𝑒 𝑃 ( Pemax ) tương ứng với 𝑀 𝑒 𝑃 và 𝜔 𝑒 𝑃
Chế độ mô men xoắn cực đại 𝑀 𝑒 𝑀 (Memax) tương ứng với 𝑃 𝑒 𝑀 và 𝜔 𝑒 𝑀
Hệ số thích ứng của động cơ theo mô men xoắn được định nghĩa là tỷ số giữa mô men xoắn cực đại và mô men xoắn tại chế độ công suất cực đại.
Tiêu chuẩn thử nghiệm động cơ để xác định đường đặc tính ngoài có sự khác biệt giữa các quốc gia, do đó, một động cơ giống nhau khi được thử nghiệm ở các nước khác nhau sẽ cho ra những giá trị công suất khác nhau.
Sự truyền năng lượng trên xe
Quá trình truyền năng lượng từ động cơ đến mặt đường qua hệ thống truyền lực và chuyển động ảnh hưởng đến vận tốc và mô men Một phần năng lượng sẽ bị tiêu hao trong hệ thống truyền lực do tích lũy động năng và thế năng, cùng với sự tiêu hao năng lượng do trượt Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào quá trình truyền năng lượng trên xe khi xe đang chuyển động ổn định và chưa có hiện tượng trượt.
4.2.1 Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực Ở ô tô năng lượng được truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thông qua hệ thống truyền lực Quá trình truyền và biến đổi năng lượng được đặc trưng bởi các thành phần của công suất đầu vào Pe và công suất đầu ra ở bánh xe Pk, nghĩa là bởi vận tốc góc và mô men tương ứng:
Các mối quan hệ giữa các thông số Me, Mk, 𝜔 𝑒 , 𝜔 𝑏 được gọi là các đặc tính truyền động Ở đây:
Pk: công suất truyền đến các bánh xe chủ động (W)
𝜔 𝑘 : vận tốc góc của bánh xe chủ động (rad/s)
Mk: mô men của các bánh xe chủ động (Nm)
Mặt khác, để thể hiện các mối quan hệ chức năng ở truyền động, chúng ta sử dụng các khái niệm sau:
+ Tỷ số truyền động học (truyền vận tốc):
Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực thường được áp dụng trong các hệ thống truyền động có cấp, trong đó "ne" đại diện cho số vòng quay của động cơ tính bằng vòng/phút, và "nb" là số vòng quay của bánh xe cũng tính bằng vòng/phút.
Theo kết cấu của hệ thống truyền lực thì tỷ số truyền it còn được tính theo công thức sau:
𝑖 𝑡 = 𝑖 ℎ 𝑖 𝑙 𝑖 𝑜 (4.7) Ở đây: ih: tỷ số truyền của hộp số il: tỷ số truyền của hai ly hợp io: tỷ số truyền của bộ truyền xích (truyền lực cuối cùng)
+ Tỷ số truyền mô men:
𝑀 𝑒 [1] (4.8) + Hiệu suất của truyền động (với giả thiết hệ là bậc không):
𝑀 𝑒 𝜔 𝑒 [1] (4.9) Ở trường hợp đang xét 𝜂 chính là hiệu suất của hệ thống truyền lực
Xét về mặt kết cấu của hệ thống truyền lực thì hiệu suất 𝜂 còn được tính như sau:
𝜂 𝑙 : hiệu suất của ly hợp
𝜂: hiệu suất của hộp số
𝜂 𝑥 : hiệu suất của bộ truyền xích (truyền lực cuối cùng)
4.2.2 Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động
Hệ thống chuyển động là bộ phận truyền động giữa bánh xe và mặt đường, được xem như một cụm biến đổi bậc không, có nghĩa là không tính đến khối lượng và biến dạng của nó.
Công suất của bánh xe chủ động được thể hiện qua Mk và 𝜔 𝑘, tạo ra phản lực Fk từ mặt đường khi bánh xe tiếp xúc Phản lực này là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động, giúp biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của xe Như vậy, mô men Mk và vận tốc góc 𝜔 𝑘 trên trục bánh xe được chuyển hóa thành lực kéo và vận tốc tịnh tiến V.
Quan hệ giữa các thông số vừa nêu được thể hiện:
𝑉 = 𝑟 𝑙 𝜔 𝑘 [1] (4.12) Ở đây: rb: bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) của bánh xe (m)
V: vận tốc tịnh tiến (m/s) rl: bán kính lăn của bánh xe (m)
Trong thực tế, có thể coi rb là hằng số, trong khi rl lại không phải, vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải trọng và vận tốc Điều này dẫn đến việc hệ thống chuyển động biến đổi lực với tỷ lệ không đổi, nhưng sự truyền vận tốc lại không ổn định Khi xe di chuyển trên đường tốt và với vận tốc cao, hiện tượng này càng trở nên rõ ràng.
Khi vận tốc thấp và điều kiện đường xấu, ta thấy rằng lực lăn (rl) không bằng lực cản lăn (rb) Do đó, cần xem xét sự trượt giữa bánh xe và mặt đường để hiểu rõ hơn về tình huống này.
4.2.3 Sự tổn hao năng lượng khi truyền năng lượng trên xe
Khi năng lượng được truyền từ động cơ đến khung xe, một phần năng lượng sẽ chuyển đổi thành nhiệt năng không thể thu hồi Việc hiểu rõ giá trị này là rất quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế, bởi vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và độ bền của xe.
Để xác định công suất sử dụng cho việc truyền động ô tô dựa trên công suất của động cơ đã cho, hoặc ngược lại, để tính toán công suất cần thiết của động cơ dựa trên yêu cầu năng lượng của xe, việc phân tích và tính toán chính xác là rất quan trọng.
- Nhằm xác định các yêu cầu làm mát đảm bảo cho hệ thống làm việc bình thường
Các tổn thất được biểu thị về mặt định lượng bởi công suất tổn hao 𝑃 𝛾 hay mô men tổn hao
𝑀 𝛾 Tuy vậy người ta thường biểu thị bằng các hệ số không thứ nguyên là hiệu suất 𝜂 hoặc hệ số tổn hao 𝛾
Mối quan hệ giữa các đại lượng:
Công việc tính toán tổn hao thường dựa trên kinh nghiệm và mang tính gần đúng, vì vậy để xác định chính xác, cần phải thực hiện thực nghiệm Khi tính toán tổn hao, chúng ta cần thực hiện riêng cho từng bộ phận, và tổng tổn hao được xác định theo nguyên tắc tổ hợp mắc nối tiếp Cần lưu ý rằng trong truyền động cơ khí chỉ có tổn hao về mô men, không có tổn hao về vận tốc, và tổn hao này phụ thuộc vào kết cấu cũng như ma sát.
Sát giữa các bề mặt của các chi tiết và sơ đồ động học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mô men truyền, vận tốc, độ nhớt và nhiệt độ của dầu bôi trơn.
Nguyên lý đo công suất
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý đo công suất
Công suất của xe được xác định bằng cách cho bánh xe quay một khối lượng nặng (Rulo) với moment quán tính nhất định Qua việc đo lường gia tốc khi bánh xe quay, ta có thể tính toán được công suất của xe.
Theo định luật II Newton, gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên nó Độ lớn của gia tốc tỷ lệ thuận với lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật.
4.3.1 Đối với một chuyển động thẳng
Trong cơ học cổ điển, khối lượng có giá trị không đổi, bất kể chuyển động của vật Do đó, phương trình định luật II Newton trở thành:
𝐹⃗ = 𝑚 𝑎⃗ (4.17) Với : 𝐹⃗ : vecto lực (vật (trong SI, lực đo bằng đơn vị N) m là khối lượng của vật (trong SI, khối lượng đo bằng đơn vị kg)
𝑎⃗ là gia tốc của vật (trong SI, gia tốc đo bằng đơn vị m/s2)
Trong cơ học cổ điển, tổng ngoại lực được xác định bằng tích của khối lượng và gia tốc Động lượng là đại lượng vật lý phản ánh sự tương tác giữa vật và các vật khác Khi động lượng không ổn định, điều này cho thấy có lực bên ngoài tác động, như lực từ bánh xe lên rulo để tạo ra chuyển động quay Độ lớn và hướng của lực này sẽ được tính toán dựa trên gia tốc.
Công suất được hiểu là tốc độ thực hiện công hoặc sản sinh năng lượng Để tính toán công suất trung bình trong một chuyển động, cần đo lực cần thiết để di chuyển đối tượng, khoảng cách di chuyển và thời gian thực hiện Các công thức liên quan có thể giúp xác định công suất trong suốt quá trình này.
Trong đó: A : công thực hiện (J)
F: lực tác động (N) s: quãng đường dịch chuyển được (m)
P = F.v (4.19) Trong đó: P: công suất phát sinh(W)
F: lực tác động (N) v: vận tốc dịch chuyển (m/s)
4.3.2 Đối với chuyển động quay
Nhiều khái niệm trong chuyển động tịnh tiến có thể được áp dụng cho chuyển động quay Do đó, định luật II Newton cho chuyển động quay được biểu diễn bằng công thức: 𝑀 = 𝐼 𝑑𝜔.
𝑑𝑡 = 𝐼 𝜖 (4.20) Trong đó: M là mô men lực (N.m)
I là mô men quán tính đối với trục quay của vật (kg.m 2 )
Mô men quán tính là đại lượng vật lý, đo bằng kilôgam mét vuông (kg.m²), phản ánh mức độ quán tính của các vật thể khi chúng chuyển động quay, tương tự như khối lượng trong chuyển động thẳng.
Mô men quán tính I của một chất điểm có khối lượng là m, cách trục quay một khoảng là r, được xác định bằng công thức như sau:
Với I: mô men quán tính (kg.m 2 ) m: khối lượng vật thể (kg) r: bán kính vật thể (m)
Khi công được thực hiện để tăng động năng của vật thể quay, ta có thể tính toán động năng của Rulo di chuyển với tốc độ quay và thời điểm quán tính ban đầu để xác định công suất Dựa vào các tính chất vật lý cơ bản, có hai phương pháp để đo công suất.
Để đo gia tốc góc, xe được tăng tốc tới tốc độ quán tính tối đa và ghi lại các xung điện phát sinh từ sự quay của Rulo Các xung này sẽ được sử dụng để tính toán khoảng thời gian giữa chúng Gia tốc trung bình cho từng cặp giá trị xung liền kề được xác định bằng cách so sánh chênh lệch vận tốc góc và chênh lệch thời gian tương ứng Cuối cùng, mô men trung bình trong khoảng thời gian đó được tính bằng cách nhân gia tốc trung bình với mô men quán tính của Rulo.
𝜔 2 , 𝜔 1 : tốc độ góc tại 2 điểm liên tục (rad/s)
𝑡 2 , 𝑡 1 : khoảng thời gian 2 điểm liên tục(s)
I là mô men quán tính đối với trục quay của vật (kg.m 2 )
𝜔 2 : tốc độ góc tại thời điểm hiện tại (rad/s) [2]
Động năng được định nghĩa là công cần thiết để gia tốc một vật có khối lượng nhất định từ trạng thái nghỉ đến vận tốc hiện tại của nó.
Độ biến thiên động năng của một chất điểm trong một quãng đường nhất định tương đương với công của ngoại lực tác động lên chất điểm trong quãng đường đó.
Với 𝑊 đ : động năng sinh ra (J)
I: mô men quán tính của vật thể (kg/m 2 )
Trong một khoảng thời gian hữu hạn, vận tốc biến thiên từ 𝜔 1 đến 𝜔 2 ,ta có công thực hiện được:
Giả thiết trong khoảng thời gian ∆𝑡, một lực sinh công 𝐴 (bánh xe tác động lên Rulo) ,công suất lúc này ta viết dưới dạng:
∆𝑡: khoảng thời gian thực hiện công (s) [2]
4.4 Tính toán ước lượng sơ bộ để thiết kế con lăn Rulo
Dựa vào công thức sơ bộ bên dưới để chọn vật liệu và để ước lược kích thước
• Mô men quán tính J = khối lượng x (bán kính R²/2) kg/m² ( dành cho trụ tròn đặc)
• Mô men quán tính J = khối lượng x (bán kính trong² + bán kính ngoài² / 2) kg/m² ( dành cho trụ tròn rỗng )
• Vận tốc góc 𝜔 = (số vòng / 60) x 2 x 3.14 rad/giây
• Động lượng W = mô men quán tính J x (𝜔 ² / 2) Jun
• Công A = (mô men quán tính J x (vận tốc góc sau 𝜔 ² / 2)) – (mô men quán tính J x (vận tốc góc trước 𝜔 ² / 2)) Jun
• Công suất kW = Delta Erot / thời gian xe chuyển động / 1000
• Mô men xoắn Nm = (công suất Kw x 9549.305) / vòng động cơ
• Công suất HP = Kw * 1.3410 & mô men xoắn ft/lbs = Nm * 0.7376 [2]
Khi tiến hành thử nghiệm xe trên băng thử, cần đảm bảo rằng xe mô phỏng chính xác điều kiện vận hành trên mặt đường Việc này có nghĩa là khi xe giảm tốc và thả trớn, bánh xe sẽ không bị ảnh hưởng bởi quán tính của Rulo, từ đó mang lại kết quả thử nghiệm thực tế và chính xác hơn.
Vậy để xe và Rulo tương tác phù hợp với nhau, ta sẽ dựa vào mô men quán tính để thiết kế con lăn Rulo
Khi xe được đặt lên Rulo, khối lượng tổng cộng của xe và người lái khoảng 100 kg sẽ tác động lực lên Rulo Với bán kính Rulo khoảng 100 mm, chúng ta có thể tính toán mô men quán tính cần thiết.
I= mr 2 = 100 0,12 = 1 (kg.m2).Từ đó ta sẽ suy ra khối lượng để thiết kế Rulo phù hợp cho băng thử.
LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ PHẦN MỀM LABVIEW
Linh kiện điện tử
Cảm biến được sử dụng là cảm biến tiềm cận
Hình 5.1 Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX (loại NPN)
Chân Black của cảm biến NPN hoạt động như sau: Khi không có kim loại cắt mặt, đầu vào của cảm biến duy trì mức điện áp 12V Tuy nhiên, khi phát hiện kim loại, chân Black sẽ gửi tín hiệu với mức điện áp 0V.
Bằng cách đo chu kỳ xung từ cảm biến qua mạch điều khiển, chúng ta có thể tính toán tốc độ vòng quay của Rulo, từ đó suy ra nhiều thông số khác liên quan.
Arduino là một board mạch vi xử lý mở, được thiết kế để xây dựng các ứng dụng tương tác với môi trường Sử dụng vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32-bit, board này bao gồm 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, tương thích với nhiều board mở rộng khác Ra mắt vào năm 2005, Arduino hướng đến việc cung cấp một phương thức dễ dàng và tiết kiệm cho người yêu thích, sinh viên và chuyên gia để phát triển thiết bị tương tác thông qua cảm biến và cơ cấu chấp hành Các dự án phổ biến cho người mới bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Arduino cũng đi kèm với một môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho phép người dùng lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++ trên máy tính cá nhân.
Giá của các board Arduino thường dao động khoảng €20 (tương đương $27 hoặc 574.468 VNĐ), nhưng nếu là hàng giả, giá có thể giảm xuống dưới $9 Người dùng có thể đặt hàng board Arduino dưới dạng lắp sẵn hoặc dưới dạng kit tự lắp Thông tin thiết kế phần cứng được công khai, cho phép những ai muốn tự làm mạch Arduino có thể thực hiện một cách dễ dàng.
Hình 5.2 Cảm biến được lắp đặt trên khung thử
Tính đến giữa năm 2011, đã có hơn 300.000 mạch Arduino chính thức được sản xuất thương mại, và con số này đã tăng lên khoảng 700.000 mạch vào năm 2013, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mã nguồn mở trong lĩnh vực điện tử.
Arduino được thành lập vào năm 2005 tại Viện thiết kế tương tác Ivrea, Italy, nhằm hỗ trợ sinh viên trong các dự án sáng tạo Trước đó, sinh viên sử dụng "BASIC Stamp" với giá khoảng $100, một mức giá cao cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, là giảng viên tại Ivrea Tên gọi "Arduino" xuất phát từ một quán bar ở Ivrea, nơi các nhà sáng lập thường gặp gỡ, lấy cảm hứng từ tên của Bá tước Arduino, vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.
Lý thuyết phần cứng do sinh viên Colombia Hernando Barragan đóng góp đã dẫn đến sự phát triển của nền tảng Wiring Sau khi hoàn thiện, các nhà nghiên cứu đã hợp tác để cải thiện tính năng của nền tảng, giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn cho cộng đồng mã nguồn mở Mặc dù trường nơi phát triển nền tảng này đã bị đóng cửa, nhưng các nhà nghiên cứu như David Cuarlielles đã tiếp tục phổ biến ý tưởng và ứng dụng của nó.
Giá của board mạch này hiện tại khoảng 30 USD, nhưng có phiên bản giả chỉ còn 9 USD Một mạch Arduino Mini Pro nhái, có thể xuất xứ từ Trung Quốc, có giá thấp hơn 4 USD, đã bao gồm phí bưu điện.
Hình 5.3 Cận cảnh con Arduino Uno Đối với chúng ta lập trình cho Arduino thì trước tiên quan tâm những thành phần được đánh số ở trên:
1 Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điểu khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu khiển với máy tính
2 Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được Lúc đó, ta cần một nguồn 9V đến 12V
3 Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu số Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu (AREF)
4 Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn
5 Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến
6 Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu
Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328
Bảng mạch Arduino đời đầu được trang bị cổng giao tiếp RS-232 và chip vi xử lý Atmel ATmega8, với 14 chân I/O số ở phía trên và 6 chân analog đầu vào ở phía đáy.
Mạch Arduino bao gồm vi điều khiển AVR và các linh kiện bổ sung, giúp dễ dàng lập trình và mở rộng với các mạch khác Một điểm nổi bật của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn, cho phép người dùng kết nối với các module mở rộng gọi là shield Một số shield truyền thông trực tiếp qua các chân khác nhau, trong khi nhiều shield khác sử dụng bus I²C, cho phép xếp chồng và sử dụng song song Arduino chủ yếu sử dụng chip megaAVR như ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560, cùng với các bộ vi xử lý tương thích khác Hầu hết các mạch đều có bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và thạch anh dao động 16 MHz, mặc dù một số thiết kế như LilyPad chỉ chạy ở 8 MHz và không có bộ điều chỉnh điện áp onboard Vi điều khiển Arduino có thể được lập trình với boot loader, cho phép tải chương trình vào bộ nhớ flash on-chip dễ dàng hơn so với các thiết bị cần bộ nạp bên ngoài, giúp việc sử dụng Arduino trở nên thuận tiện hơn với máy tính gốc.
Khi lập trình ngăn xếp phần mềm Arduino, các board thường được kết nối qua RS-232, nhưng phương thức thực hiện phụ thuộc vào từng loại phần cứng Các board Serial Arduino có mạch chuyển đổi từ RS232 sang TTL, trong khi các board hiện tại được lập trình qua cổng USB thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như FTDI FT232 Một số biến thể như Arduino Mini và Boarduino không chính thức sử dụng board adapter hoặc cáp USB-to-serial tháo rời, Bluetooth hoặc các phương thức khác Nếu sử dụng công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được áp dụng.
Bo mạch Arduino cung cấp hầu hết các chân I/O của vi điều khiển cho các mạch ngoài Các phiên bản như Diecimila, Duemilanove và hiện tại là Uno đều có 14 chân I/O kỹ thuật số và 6 chân analog.
Phần mềm LabVIEW
LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments,
LabVIEW, một ngôn ngữ lập trình độc đáo, khác biệt hoàn toàn so với các ngôn ngữ truyền thống như C hay Pascal Thay vì sử dụng cú pháp văn bản, LabVIEW diễn đạt thông qua hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, do đó còn được gọi là lập trình G, viết tắt của từ "Graphical".
LabVIEW là môi trường lập trình đồ họa cho phép phát triển ứng dụng giao diện người dùng chuyên nghiệp một cách nhanh chóng Được hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học sử dụng, LabVIEW hỗ trợ việc phát triển các ứng dụng đo lường, kiểm thử và điều khiển tinh vi thông qua biểu tượng trực quan và dây nối tín hiệu Nền tảng này có khả năng tích hợp với hàng nghìn thiết bị phần cứng và cung cấp hàng trăm thư viện để phân tích nâng cao và hiển thị dữ liệu, giúp bạn tạo ra các thiết bị ảo tùy chỉnh theo nhu cầu.
Chương trình LabVIEW, được biết đến như một thiết bị ảo (Virtual Instrument - VI), mô phỏng giao diện và hoạt động của các thiết bị thực như dao động ký và thiết bị đo đa năng VI bao gồm hai phần chính: Front Panel, là giao diện người dùng, và Block Diagram, là chương trình điều khiển phía sau giao diện Sau khi xây dựng Front Panel, người dùng có thể thêm mã (code) để điều khiển các đối tượng trên giao diện bằng cách sử dụng hình đồ họa đại diện cho các hàm Mã trong Block Diagram được gọi là G code (mã G) hoặc Block Diagram code, và nó thường ở dạng đồ họa.
Khác với các ngôn ngữ lập trình văn bản như C++ và Visual Basic, LabVIEW sử dụng biểu tượng để phát triển ứng dụng, thay vì dòng lệnh Trong lập trình văn bản, thứ tự các dòng lệnh quyết định trình tự thực hiện, trong khi LabVIEW áp dụng lập trình đồ họa dạng dòng chảy dữ liệu Ở LabVIEW, dòng chảy dữ liệu qua các nút trên Block Diagram xác định trình tự thực hiện chương trình Hai đặc điểm nổi bật này - lập trình đồ họa và thực thi dòng chảy dữ liệu - làm cho LabVIEW trở nên khác biệt so với nhiều ngôn ngữ lập trình đa dụng khác.
Trong giáo trình này, bạn sẽ học cách sử dụng LabVIEW để phát triển ứng dụng thu thập dữ liệu đơn giản qua ba bước: thu thập, phân tích và hiển thị Mặc dù được giảng dạy trên hệ điều hành Windows, LabVIEW hỗ trợ nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm Windows, Mac OS và Linux Ngoài ra, bạn cũng có thể triển khai ứng dụng LabVIEW cho các nền tảng thời gian thực và FPGA.
Chương trình LabVIEW có các đặc điểm sau:
Đồ họa và biên dịch
Lập trình theo dạng dòng chảy dữ liệu hướng
Đa mục tiêu và nhiều nền tảng
Trong giáo trình này, bạn sẽ khám phá tính chất đồ họa và khả năng biên dịch của LabVIEW, cùng với các tính năng lập trình theo dòng chảy dữ liệu Để tìm hiểu thêm về những tính năng khác, bạn có thể tham khảo các tài liệu bổ sung từ National Instruments.
Mã G trong Block Diagram được đại diện bằng đồ họa với các biểu tượng và dây tín hiệu, chứa đầy đủ các khái niệm lập trình tương tự như các ngôn ngữ lập trình truyền thống Nó bao gồm các cấu trúc dữ liệu, vòng lặp, xử lý sự kiện, biến, đệ quy, và lập trình hướng đối tượng LabVIEW có khả năng biên dịch mã G trực tiếp thành mã máy, cho phép các bộ vi xử lý thực hiện mà không cần bước biên dịch riêng biệt.
Dòng chảy dữ liệu và lập trình hướng sự kiện
Chương trình LabVIEW sử dụng quy tắc lập trình dòng chảy dữ liệu, khác với phương pháp tuần tự của các ngôn ngữ lập trình văn bản như C và C++ Việc thực thi dựa vào dữ liệu, với dòng chảy dữ liệu giữa các nút trong mã G xác định thứ tự thực hiện.
Tính năng lập trình hướng sự kiện trong LabVIEW mở rộng môi trường lập trình dòng chảy dữ liệu, cho phép người dùng tương tác trực tiếp mà không cần sử dụng vòng hỏi (polling) Điều này cũng cho phép các hoạt động không đồng bộ khác tác động đến việc thực thi mã G trên Block Diagram, hỗ trợ đa mục tiêu và nhiều nền tảng.
Với ứng dụng LabVIEW, bạn có thể tận dụng hiệu suất của các bộ xử lý đa lõi và phần cứng song song như FPGA Thông thường, ứng dụng LabVIEW có khả năng tự động mở rộng cho CPU với hai, bốn hoặc nhiều lõi mà không cần lập trình bổ sung.
Mã G có khả năng hoạt động trên nhiều hệ thống LabVIEW khác nhau và trên các hệ điều hành như Windows, Mac OS X và Linux, trừ một số hàm đặc biệt Do đó, bạn có thể sử dụng cùng một mã chương trình cho các nền tảng khác nhau.
Lập trình hướng đối tượng là một phương pháp lập trình phổ biến, được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngôn ngữ lập trình Phương pháp này cho phép tạo ra các đối tượng tương tự nhau nhưng vẫn có những khác biệt nhất định, giúp tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của phần mềm.
LabVIEW cho phép lập trình viên sử dụng kỹ thuật lập trình hướng đối tượng thông qua mã G, với 43 diễn được tạo ra bằng các lớp đối tượng Ngoài ra, phần mềm còn cung cấp các công cụ hỗ trợ đa luồng và quản lý bộ nhớ hiệu quả.
LabVIEW tự động cho phép mã chạy song song, khác với các ngôn ngữ lập trình khác yêu cầu quản lý luồng thủ công Nhờ vào trình biên dịch và hệ thống thực thi hoạt động đồng bộ, LabVIEW tối ưu hóa việc thực thi mã mà không cần can thiệp Mặc dù hầu hết các chi tiết về hệ thống thực thi không quan trọng với người dùng, LabVIEW vẫn cung cấp các tùy chọn để nâng cao hiệu suất chương trình.
5.2.1.2 Khởi động môi trường LabVIEW
Khi bạn khởi động LabVIEW, cửa sổ Getting Started xuất hiện như trong Hình 1-1
Hình 5.1 Cửa số Getting Started của LabVIEW
Sử dụng cửa sổ Getting Started để khởi tạo các dự án mới và VI, cho phép bạn tạo chương trình từ đầu hoặc dựa trên các mẫu và ví dụ có sẵn Ngoài ra, bạn có thể mở các tập tin LabVIEW hiện có và truy cập vào tài nguyên cùng sự hỗ trợ từ cộng đồng LabVIEW.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG THỬ
Tính toán bền khung
Số vòng quay cho phép 8000 vòng/phút
Khung bệ gá đỡ Rulo được chế tạo từ thép hộp chữ nhật 6×4, đảm nhiệm vai trò làm giầm ngang để đặt trục lên Rulo, trong khi chân khung sử dụng thép hộp 8×4, với loại thép C45 Việc sử dụng cùng loại vật liệu cho toàn bộ khung bệ giúp đảm bảo rằng nếu một chi tiết trên khung chịu tác động lực lớn mà vẫn đáp ứng điều kiện làm việc, thì các chi tiết khác cũng sẽ duy trì được hiệu suất làm việc tương tự.
Khung băng thử phần trước chịu tải xe ECO, được làm bằng thép V dày 3mm được hàn lại với nhau chắc chắn như hình chụp trên
6.3.1 Tính sức bền khung giá đỡ xe trước
Xe ECO có tải trọng 50 kg và người lái nặng 60 kg, tổng khối lượng khung chịu tải là 110 kg Để đảm bảo tính bền, ta chọn tổng tải trọng là 150 kg Với m = 150 kg và g = 10 m/s², ta tính được lực P = mg = 150 x 10 = 1500 N.
Xe ECO có trọng tâm đặt tại giữa xe và chuyển động với 3 bánh Nên ta có
3 = 500 N tác dụng xuống 3 bánh xe
Xét tại bánh trước phải:
Khi gỡ bỏ liên kết giữa thanh và khung đỡ, ta thay thế bằng ba gối đỡ cố định Lúc này, lực tác dụng lên thanh bao gồm khối lượng của xe và ba phản lực liên kết của thanh.
Khối lượng tác dụng lên điểm xét là 50 kg = 500 N
Ta có phương trình mô men tại:
Hình 6.7 Biểu đồ lực tác dụng lên bánh trước phải
57 Ứng suất pháp tác dụng lên thanh: σ z =M x
Thanh kết cấu có thông số nên ta có:
Jx của sắt V 40x3x2 là 3 cm 4
3 2 = 3,3 kN / cm 2 Ứng suất cho phép của thép C45 là 500÷600 N/mm 2 = 50÷60 kN/cm 2 Vậy kết cấu đã chọn đảm bảo điều kiện bền
Bánh trước trái được tính tương tự vì cùng chịu P2 = 500 N và khoảng cách tương tự bánh trước phải Nên ta không tính lại, vì tương tự nhau
6.4 Thiết kế mạch điện, lập trình trên Arduino và hiện thị trên LabVIEW
6.4.1 Thiết kế mạch điện
Hình 6.8 Sơ đồ mạch điện
Hình 6.9 Sơ đồ khối thuật toán đo công suất xe
Khi bắt đầu thí nghiệm, Rulo được quay để cảm biến tiệm cận nhận diện tín hiệu từ 4 miếng sắt lồi gắn trên bề mặt Cảm biến sau đó gửi tín hiệu về mạch xử lý, nhằm tính toán khoảng chu kỳ giữa các xung.
Trong đó T: chu kỳ giữa 2 xung liên tiếp (s) f T : tần số xung (Hz)
Rulo có bốn xung trong một vòng quay, với khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp được đo bằng micro giây (μs) Từ thông tin này, tốc độ quay của Rulo được tính trong mạch xử lý là n R = 60.10^6.
T (vòng/phút) Chuyển sang tốc độ góc ω 2 = n R
Từ đó dựa vào các biểu thức để tính toán đưa ra công suất của xe
Trong đó : P: công suất xe (W)
I: moment quán tính rulo ω 1 , ω 2 : tốc độ góc của rulo
Hình 6.10 Giao diện người dùng của LabVIEW 6.4.3.2 Chương trình
Hình 6.11 Chương trình đo công suất bằng phần mềm LabVIEW.
THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM
Thi công
7.1.1 Vẽ thiết kế trên bản vẽ 2D
Hình 7.1 Bản vẽ 2D con lăn ( Rulo )
7.1.1.2 Khung giá đỡ xe ECO
Hình 7.2 Bản vẽ 2D khung gá đỡ xe ECO
7.1.2 Mô phỏng thiết kế 3D trên solidworks
Hình 7.3 Mô phỏng 3D băng thử trên phần mềm solidworks
7.1.3 Hình ảnh thực tế toàn bộ băng thử
Hình 7.4 Ảnh chụp thực tế toàn bộ băng thử
7.2 Kết quả đo thực nghiệm
Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình kết nối thiết bị lên băng thử, các bước thực hiện thí nghiệm và so sánh kết quả đo được với kết quả thực tế.
Mục đích và nội dung thử nghiệm:
Xác định đường đặc tính công suất kéo của xe và mô men
So sánh đánh giá kết quả so với thông số của xe
Thiết bị và đối tượng thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm: Băng thử chế tạo
Đối tượng thí nghiệm: Xe tiết kiệm nhiên liệu
7.2.1 Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm
Hình 7.5 Sơ đồ kết nối thiết bị 7.2.2 Các bước tiến hành thử nghiệm
Hình 7.6 Hình ảnh thực tế thí nghiệm
Để bắt đầu quá trình kiểm tra, hãy đặt xe lên băng thử và đảm bảo hai bánh trước được đặt trên hai gá đỡ cố định Tiếp theo, kết nối các thiết bị đo và khởi động chương trình đo để tiến hành kiểm tra hiệu suất của xe.
Giắc USB nối với máy tính Giắc cảm biến
Màn hình hiển thị số liệu
Hộp điều khiển xử lí
Cảm biến gắn trên khung
Bước 2: Khởi động hâm nóng động cơ cho chạy hoạt động ổn định
Để đạt tốc độ khoảng 50km/h, hãy mở bướm ga, vì xe được thiết kế tiết kiệm nhiên liệu với công suất tối ưu, nên việc đo chỉ cần thực hiện ở dải tốc độ thấp an toàn.
Bước 4: Khi xe đạt tới công suất tối đa thì thả từ từ bướm ga cho tới khi bướm ga đóng hoàn toàn rồi tắt máy
Bước 5: Xuất đồ thị công suất của xe đã đo, xử lý số liệu và điều chỉnh cơ cấu xe Tiếp tục thử nghiệm để xác định công suất tối ưu.
7.2.3 Kết quả thử nghiệm trên băng thử
Kết quả thử nghiệm dưới đây được thực hiện trên xe tiết kiệm nhiên liệu với góc mở bướm ga đạt khoảng 50km/h Chúng tôi sẽ áp dụng hai phương pháp đo đã nêu ở phần trước để tiến hành thử nghiệm.
7.2.3.1 Sử dụng phương pháp thứ nhất thử nghiệm
Phương pháp này tính gia tốc góc giữa hai điểm liền kề, từ đó xác định mô men quay Sau đó, mô men quay được nhân với vận tốc góc tại thời điểm hiện tại để tính công suất.
Ta được bảng số liệu:
Bảng 7.1 Số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất theo phương pháp một ω xe (vòng/phút) ∆t(s) P(kW)
Hình 7.7 Đồ thị thực nghiệm công suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương pháp một
7.2.3.2 Sử dụng phương pháp thứ hai
Phương pháp này sẽ tính công thực hiện được trong một khoảng thời gian, suy ra công suất
Bảng 7.2 Số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất theo phương pháp hai ω xe (vòng/phút) ∆t(s) P(kW)
Tốc độ xe (vòng/phút)
Hình 7.8 Đồ thị thực nghiệm công suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương pháp hai
Tốc độ xe(vòng/phút)
7.2.3.3 So sánh hai đồ thị và đưa ra kết quả
Hình 7.9 Đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm đo công suất giữa hai phương pháp
Dựa vào đồ thị, có thể nhận thấy rằng đường biểu diễn công suất của hai phương pháp đo gần như giống nhau, cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng.
Theo các bảng dữ liệu, công suất tối đa của xe khi bướm ga mở và tốc độ đạt khoảng 50 km/s là Pmax= 1,9 kW Cần lưu ý rằng đây là công suất tác động lên Rulo từ bánh xe, chưa phải là công suất thực tế của động cơ Công suất của động cơ thực tế sẽ cao hơn do có sự tổn hao công suất trong quá trình truyền lực từ động cơ đến bánh xe, cũng như ma sát giữa bánh xe và Rulo.
Tốc độ xe(vòng/phút)
