(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco

(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

MSSV: 14145053 SVTH: HỒ MINH QUANG MSSV: 14145214

LỜI CẢM ƠN



Qua những tháng năm được học tập dưới mái trường chúng em đã nhận được sự dạy bảo,

sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, chúng

em tự tin có thể vượt qua được những chặng đường đầy khó khăn và thử thách để đạt được mục đích học tập cuối cùng Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc, chúng em xin được gởi lời cảm ơn đến:

Thầy Th.s Nguyễn Trọng Thức, thầy đã trực tiếp hướng dẫn đề tài, người tận tình chỉ dẫn, quan tâm theo dõi trong suốt thời gian thực hiện đề tài từ đó chúng em đã tích lũy cho mình những kiến thức bổ ích

Quý thầy trong bộ môn động cơ, bộ môn điện tử ô tô thuộc Khoa Cơ khí Động lực Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu

Quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cần thiết cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt thời gian học tập vừa qua

Các bạn sinh viên các khóa, đã cùng trao đổi kiến thức và giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian học tập

Chân thành cảm ơn quý thầy cô, nhà trường đã quan tâm và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Dù chúng em đã rất cố gắng nhưng chắc hẳn không tránh khỏi sự thiếu sót, rất mong những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn Sau cùng, chúng em xin kính chúc sức khỏe quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chúc thầy cô luôn thành công trong công việc và cuộc sống

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 07 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Phạm Tài Đông – Hồ Minh Quang

TÓM TẮT



“Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO” tạo ra một một thiết bị đo công suất xe

ECO và hiển thị lên máy tính giúp người nghiên cứu xe chủ động trong khâu nghiên cứu chế tạo xe ECO Với đề tài này, chúng em đã thiết kế ra được mô hình băng thử nghiệm dành cho

xe ECO, hiển thị trên phần mềm LabVIEW

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Lý do chọn đề tài 1

1.3 Mục tiêu đề tài 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Ý nghĩa thực hiện 2

1.6.Giới hạn đề tài 2

CHƯƠNG 2: CUỘC THI XE SINH THÁI VÀ XE ECO 3

2.1 Giới thiệu về Shell ECO Marathon 2017 và luật chơi 3

2.1.1 Kích thước 4

2.1.2 Khung Sườn 6

2.1.3 Bán kính quay vòng 7

2.1.4 Hệ thống khí xả 8

2.1.5 Lối thoát 9

2.1.6.Thông gió 10

2.1.7.Vách ngăn động cơ 10

2.1.8 Hệ thống phanh 11

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ BĂNG THỬ CÔNG SUẤT 13

3.1 Cơ sở để phân loại các hình thức thử nghiệm 13

3.1.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống thử nghiệm: 13

3.1.2 Các hình thức thử nghiệm 14

3.1.2.1 Dynamic testing 16

3.1.2.2 Transient testing 18

3.2 Các hình thức đo công suất xe 19

3.2.1 Inertia dynos 19

3.2.2 Steady state 19

3.3 Một số sản phẩm băng thử công suất trên thị trường trong và ngoài nước 20

3.3.1 Các sản phẩm băng thử ngoài nước 22

3.3.2 Băng thử công suất xe hai bánh trong nước 22

CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23

4.1 Đường đặc tính tốc độ của động cơ xăng 23

4.1.1 Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng 23

4.1.2 Một số điểm quan trọng trên đường đặc tính: 25

4.2 Sự truyền năng lượng trên xe 26

4.2.1 Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực 26

4.2.2 Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động 28

4.2.3 Sự tổn hao năng lượng khi truyền năng lượng trên xe 30

4.3 Nguyên lý đo công suất 31

4.3.1 Đối với một chuyển động thẳng 31

4.4 Tính toán ước lượng sơ bộ để thiết kế con lăn Rulo 34

CHƯƠNG 5: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ PHẦN MỀM LABVIEW 37

5.1 Linh kiện điện tử 37

5.1.1 Giới thiệu Arduino 38

5.1.1.1 Lịch sử 39

5.1.1.2 Phần cứng 40

5.2 Phần mềm LabVIEW 42

5.2.1 Giới thiệu 42

5.2.1.1 Đặc điểm của LabVIEW 43

5.2.1.2 Khởi động môi trường LabVIEW 45

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG THỬ 49

6.1 Tính toán chọn các chi tiết trong cụm tạo tải 49

6.1.1 Tính toán chọn con lăn 49

6.1.1.1 Chọn kiểu con lăn 49

6.1.1.2 Chọn kết cấu con lăn 50

6.1.1.3 Tính toán kích thước, khối lượng rulo và mô men quán tính của rulo 51

6.2 Thiết kế bố trí chung bộ tạo tải 52

6.2.1 Tính toán cụm tạo tải 52

6.2.1.1 Tính toán trục rulo 52

6.2.1.2 Tính toán ổ bi 55

6.3 Tính toán bền khung 57

6.3.1 Tính sức bền khung giá đỡ xe trước 57

6.4 Thiết kế mạch điện, lập trình trên Arduino và hiện thị trên LabVIEW 60

6.4.1 Thiết kế mạch điện 60

6.4.2 Lập trình trên Arduino 60

6.4.3 Hiển thị trên LabVIEW 62

6.4.3.1 Giao diện người dùng 62

6.4.3.2 Chương trình 62

CHƯƠNG 7: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM 63

7.1 Thi công 63

7.1.1 Vẽ thiết kế trên bản vẽ 2D 63

7.1.1.1 Con lăn Rulo 63

7.1.1.2 Khung giá đỡ xe ECO 64

7.1.2 Mô phỏng thiết kế 3D trên solidworks 65

7.1.3 Hình ảnh thực tế toàn bộ băng thử 66

7.2 Kết quả đo thực nghiệm 66

7.2.1 Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm 67

7.2.2 Các bước tiến hành thử nghiệm 67

7.2.3 Kết quả thử nghiệm trên băng thử 68

7.2.3.1 Sử dụng phương pháp thứ nhất thử nghiệm 68

7.2.3.2 Sử dụng phương pháp thứ hai 71

7.2.3.3 So sánh hai đồ thị và đưa ra kết quả 74

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 76

8.1 Kết luận: 76

8.2 Đề nghị: 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC VÀ KÝ HIỆU

Eco: Economic (sinh thái)

Const: Hằng số

AC: Alternating current

LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

VI: Virtual Instrument

FPGA: Field-programmable gate array

IDE: Arduino Software

GND: Ground

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Kích thước giới hạn của xe 5

Hình 2.2 Bố trí các bộ phận trên xe 6

Hình 2.3 Điều kiện thiết kế khung sườn 7

Hình 2.4 Bán kính quay vòng 8

Hình 2.5 Tầm nhìn tài xế ……… ……….… 8

Hình 2.6 Đặt lái bánh trước……… … 8

Hình 2.7: Tiêu chuẩn khí thải và bố trí ống xả 9

Hình 2.8 Bố trí cơ cấu gài vỏ và lối thoát 10

Hình 2.9 Bố trí các lỗ thông gió trên xe 10

Hình 2.10 Bố trí vách ngăn 11

Hình 2.11 Thử phanh với độ dốc 20% 12

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống thử nghiệm 13

Hình 3.2 Quá trình đo tĩnh stationary test 14

Hình 3.3 Đồ thị lực kéo cực đại ở tay số 3 16

Hình 3.4 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu đo bằng phương pháp dynamic test và stationary test 17

Hình 3.5 Đồ thị vận tốc theo thời gian 17

Hình 3.6 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo thời gian 18

Hình 3.7 Băng thử của hãng Dynojet 21

Hình 3.8 Băng thử của hãng Mustang Dynamometer và Nexion Dynamometer 21

Hình 4.1 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế tốc độ 24

Hình 4.2 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng có hạn chế tốc độ 25

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý đo công suất 30

Hình 5.1 Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX (loại NPN) 35

Hình 5.2 Cảm biến được lắp đặt trên khung thử 36

Hình 5.3 Cận cảnh con Arduino Uno 38

Hình 5.1 Cửa số Getting Started của LabVIEW 43

Hình 5.2 Cửa sổ Project Explorer 46

Hình 6.1 Sơ đồ khối thiết kế băng thử 47

Hình 6.2 Loại một con lăn 47

Hình 6.3 Loại sử dụng hai rulo 48

Hình 6.4 Kích thước rulo 49

Hình 6.5 Biểu đồ lực tác dụng lên trục rulo 53

Hình 6.6 Kính thước ổ đỡ 55

Hình 6.7 Biểu đồ lực tác dụng lên bánh trước phải 56

Hình 6.8 Sơ đồ mạch điện 58

Hình 6.9 Sơ đồ khối thuật toán đo công suất xe 59

Hình 6.10 Giao diện người dùng của LabVIEW 61

Hình 6.11 Chương trình đo công suất bằng phần mềm LabVIEW 61

Hình 7.1 Bản vẽ 2D con lăn ( Rulo ) 62

Hình 7.2 Bản vẽ 2D khung gá đỡ xe ECO 63

Hình 7.3 Mô phỏng 3D băng thử trên phần mềm solidworks 64

Hình 7.4 Ảnh chụp thực tế toàn bộ băng thử 65

Hình 7.5 Sơ đồ kết nối thiết bị 66

Hình 7.6 Hình ảnh thực tế thí nghiệm 66

Hình 7.7 Đồ thị thực nghiệm công suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương pháp một 70

Hình 7.8 Đồ thị thực nghiệm công suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương pháp hai 73

Hình 7.9 Đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm đo công suất giữa hai phương pháp 74

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số cho phép 4 Bảng 7.1 Số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất theo phương pháp một 67 Bảng 7.2 Số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất theo phương pháp hai 69

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Là sinh viên của trường, hiểu được những khó khăn trong khâu nghiên cứu và thiết kế

xe ECO ( cuộc thi lái xe sinh thái, tiết kiệm nhiên liệu của Honda và cuộc thi Shell marathon) thì nhóm đã thấy được những mặt hạn chế của xe ECO, vì chưa biết rõ về thông số

ECO-kỹ thuật của động cơ ( mô men xoắn cực đại, công suất cực đại ) phát ra tại số vòng quay tương ứng Để biết được công suất chính xác của xe và có hướng nghiên cứu một cách chính

xác nhất và phù hợp với cuộc thi Vì lý do đó nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO” để làm đề tài tốt nghiệp với mong muốn cung

cấp những thông tin chính xác về động cơ và truyền động, tạo ra một hệ thống thông tin chính xác về động cơ, để điều chỉnh thông số phù hợp với yêu cầu đặt ra của cuộc thi Cung cấp một biểu đồ chính xác nhất về công suất kéo của động cơ phát ra, từ đó cho phép đánh giá, kiểm định tình trạng kỹ thuật của hệ thống truyền lực và động cơ của xe ECO

1.2 Lý do chọn đề tài

Muốn góp phần tạo ra một thiết bị để kiểm tra chính xác công suất kéo của xe ECO, giúp các nhóm tham gia cuộc thi xe sinh thái chủ động trong khâu nghiên cứu xe ECO tiết kiệm nhiên liệu, góp phần cho cuộc thi Shell ECO-marathon của trường ta thành công tốt đẹp

Với những vấn đề trên, đề tài tốt nghiệp của nhóm em sẽ tập trung giải quyết được những vấn đề đặt ra

Đề tài này mong muốn sẽ hỗ trợ các đội thi cuộc thi Shell ECO-marathon để theo dõi được những thông số cần thiết của xe Và cuối cùng là để cuộc thi xe sinh thái của trường ta dành thắng lợi trong các lần thi sắp đến

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

1.4 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 chế tạo băng thử từ những tính toán thiết kế ban đầu Thực nghiệm đánh giá mức độ đáp ứng của các thiết kế đối với điều kiện hoạt động của băng thử Từ thực nghiệm chỉnh sửa lại thiết kế cho phù hợp với hoạt động của băng thử Trong quá trình thực nghiệm nghiên cứu thiết kế băng thử, chọn xe ECO làm đối tượng thử nghiệm

Thông qua sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm tài liệu trên internet, trên các diễn đàn, tìm đọc tài liệu… Từ đó, có cơ sở để tìm ra những ý tưởng mới để hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

1.5 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

1.6 Giới hạn đề tài

Băng thử được thiết kế ứng dụng cho các dòng xe ECO Qua tìm hiểu các dòng xe ECO

ta thấy các xe có công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài xe dưới 2,7 m nên băng thử được thiết kế có thể đo được công suất kéo của các xe có công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài

xe dưới 2,7 m Thiết kế kỹ thuật cho các cụm chính của băng thử, tính toán kỹ thuật các chi tiết chính trên băng thử Nguyên lý đo đạt vận hành bệ thử, đưa ra quy trình sử dụng, các lưu

ý khi sử dụng và vận hành băng thử

CHƯƠNG 2: CUỘC THI XE SINH THÁI VÀ XE ECO

2.1 Giới thiệu về Shell ECO Marathon 2017 và luật chơi

“ Shell ECO-Marathon là một sân chơi cho sinh viên trên toàn thế giới để xây dựng, thiết kế và lái xe tiết kiệm năng lượng nhất Sự kiện này được diễn ra hàng năm tại ba khu vực Châu Á, Châu Mỹ và Châu Âu Các đội có nhiệm vụ làm sao để xe đi xa hơn nhưng ít nhiên liệu nhất

Sự dẫn động trong tương lai của xe

Các kỹ sư tương lai sẽ có một năm để chuẩn bị cho một cuộc chiến chính thức một vài ngày trên những cung đường đô thị với với chiếc xe tiết kiệm năng lượng nhất của mình Địa điểm

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

Làm thế nào để nó hoạt động?

Được chia theo loại xe và loại năng lượng Loại xe Prototype ( ba bánh) tập trung chủ yếu vào việc tiết kiệm năng lượng nhất, trong khi đó sự thoải mái hành khách bị mất đi Nhưng với loại xe UrbanConcept khuyến khích những thiết kế thực tế hơn Với những loại xe thiết

kế theo loại năng lượng bao gồm nhiên liệu cho động cơ đốt trong: 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 những ngày cuộc thi chính thức diễn ra, các đội nổ lực thực hiện các vòng đua nhiều nhất có thể để đưa xe đi xa nhất với lượng nhiên liệu ít nhất

Các xe sẽ được lái với số vòng đua cố định và tốc độ giới hạn được quy định bởi ban

tổ chức Ban tổ chức cũng có các tính cho người chiến thắng ở mỗi hạng mục đối với từng loại xe từng 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 truyền cảm hứng cho các kỹ sư trẻ tương lai để biến tầm nhìn của họ về tính

di động bền vững thành hiện thực, dù chỉ trong một vài ngày Nó cũng là những nổ lực chói sáng về tất cả những gì đã diễn ra trong cuộc thi để một ngày nào đó có thể chạy những chiếc

xe này trên đường

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 tạo nên một cuộc cá cược vui xem ai có thể đi xa hơn với cùng lượng nhiên liệu với chiếc xe của mình Sau đó nó được mở rộng đến nhiều hơn hai châu lục, bao gồm nhiều loại năng lượng hơn và sự tranh luận sôi nổi về xung quanh tương lai của nguồn năng lượng và xe”

2.1.1 Kích thước

Bảng 2.1: Các thông số cho phép

Hình 2.1: Kích thước giới hạn của xe

 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

2.1.2 Khung Sườn

 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

2.1.3 Bán kính quay vòng

 Bán kính quay vòng < 8m

 Chỉ đặt lái ở bánh trước

 Tầm nhìn tài xế 1800

Hình 2.4: Bán kính quay vòng

Hình 2.5: Tầm nhìn tài xế Hình 2.6: Đặt lái bánh trước 2.1.4 Hệ thống khí xả

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

2.1.5 Lối thoát

 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

 Chân để phía trước

Hình 2.8: Bố trí cơ cấu gài vỏ và lối thoát

 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

2.1.8 Hệ thống phanh

 Hệ thống phanh độc lập

 Độ dốc 20% (20:100)

Hình 2.11: Thử phanh với độ dốc 20%

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ BĂNG THỬ CÔNG SUẤT

3.1.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống thử nghiệm:

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống thử nghiệm

Trong đó:

 Jdc: mô men quán tính (quay) của động cơ

 Js: mô men quán tính (quay) của trục nối

 JDyno: mô men quán tính (quay) của bộ tạo tải (dyno)

Đối tượng thử nghiệm trong băng thử công suất có thể là động cơ, xe hoặc một đối tượng nào khác nhưng tất cả các đối tượng này không thể tính toán được trực tiếp công suất mà phải đo gián tiếp qua công suất bộ tạo tải

Phương trình liên hệ khi bệ thử hoạt động:

Me – Mc = ∑𝐽𝑑𝜔

Trong đó:

 Me: mô men có ích do động cơ sinh ra

 MC: mô men cản do bộ tạo tải sinh ra

 ∑ : tổng mô men quán tính (quay) của bệ thử

 ω: vận tốc góc của động cơ (hoặc bộ tạo tải)

 𝑑𝜔

𝑑𝑡 đạo hàm vận tốc góc theo thời gian hoặc gia tốc

Trong trường hợp cần đo mô men động cơ:

Ta có Me = Mc + (∑𝐽)×𝑑𝜔

𝑑𝑡

Mô men cản của bộ tạo tải MC có thể đo được dễ dàng (∑𝐽)×𝑑𝜔

𝑑𝑡 có thể đo

được nhưng phức tạp Để đo được mô men dễ dàng ta cho 𝑑𝜔

𝑑𝑡 = 0 (gia tốc quay không đổi hoặc vận tốc không đổi ) thì xem như mô men sinh ra từ động cơ cân bằng mô men cản Me

= Mc Ta có phương pháp thử tĩnh (stationary testing)

Trong trường hợp cần đo khí thải động cơ: khí thải khi động cơ làm việc ổn định (gia tốc bằng 0) và trong quá trình thay đổi tốc độ (gia tốc khác 0) thì khí thải sinh ra của động

cơ là hoàn toàn khác nhau Ta cần đo khí thải trong toàn chu trình thí nghiệm, giá trị 𝑑𝜔

𝑑𝑡 ≠

0 Ta có phương pháp thử động (dynamic testing) và thử transient (transient testing)

3.1.2 Các hình thức thử nghiệm

a Công dụng: dùng trong trường hợp công suất, mô men … động cơ, đo khí thải tĩnh của

động cơ xe máy hoặc có thể dùng trong trường hợp đo lực kéo, công suất kéo xe máy (tại một tay số nhất định) ở từng điểm vận tốc

b Đặc điểm

- Quá trình lấy số liệu được thực hiện khi xe hoạt động ổn định tại một điểm vận tốc nhất định

- Đồ thị quá trình đo (lấy số liệu) trong stationary test:

Hình 3.2 Quá trình đo tĩnh stationary test

c Phương pháp lấy số liệu:

Trong quá trình đo tĩnh stationary test các số liệu được đo một cách gián đoạn: Xe máy làm việc ổn định ở điểm làm việc 1 → Lấy số liệu đo (tốc độ xe, lực kéo, công suất kéo.…) Chuyển sang điểm làm việc 2 (thời gian gia tăng), trong quá trình chuyển số liệu (mô men, số vòng quay…) biến thiên không ổn định ta không lấy số liệu Sau khi động cơ đã ổn định (sau quá trình điều hòa) ta lấy số liệu đo ở điểm làm việc 2

Đo số liệu điểm làm việc 2 xong, chuyển điểm làm việc qua điểm 3 tiến hành tương tự cho đến điểm đo cuối cùng

Lấy ví dụ quá trình xây dựng đường lực kéo tiếp tuyến cực đại (ứng với 100% ga) của xe máy

ở tay số 3:

Quá trình đo thực hiện như sau:

 Cố định xe trên bệ và làm nóng

 Cho xe chuyển dần sang tay số 3

 Tiến hành đo bằng cách chọn chế độ vận tốc V= const cố định giá trị tốc độ ở 20 km/h, sau đó tăng ga dần đến 100%, chờ giá trị tốc độ, lực kéo ổn định → lấy giá trị

 Sau đó chuyển sang giá trị V = 30 km/h → lấy giá trị lực kéo Tiến hành tương tự để có các giá trị lực kéo cực đại ở 40, 50, 60…km/h

 Nối các điểm (tốc độ, lực kéo) ta có đồ thị lực kéo max ở tay số 3

Hình 3.3 Đồ thị lực kéo cực đại ở tay số 3 3.1.2.1 Dynamic testing

a Công dụng: dùng trong trường hợp đo khí thải, tiêu hao nhiên liệu

b Đặc điểm Khác với stationary test, các số liệu đo trong dynamic test được lấy liên tục trong

Hình 3.4 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu đo bằng phương pháp dynamic test và stationary test

c Phương pháp lấy số liệu: trong quá trình đo động dynamic test các số liệu được đo một

cách liên tục trong suốt quá trình thử nghiệm

Lấy ví dụ quá trình đo tiêu hao nhiên liệu:

Người điều khiển xe chạy theo chu trình thử nghiệm vận tốc theo thời gian như hình vẽ:

Hình 3.5 Đồ thị vận tốc theo thời gian

Trong chu trình thử nghiệm, vận tốc xe thay đổi liên tục, có quá trình tăng tốc, giảm tốc, giữ tốc và tiêu hao nhiên liệu được đo liên tục trong suốt quá trình thử nghiệm Máy tính

sẽ ghi nhận liên tục các giá trị tiêu hao nhiên liệu theo thời gian

Hình 3.6 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo thời gian

Sự khác biệt về tiêu hao nhiên liệu khi xe tăng giảm tốc so với khi xe chạy ở tốc độ tĩnh đều được máy đo ghi nhận khi xe tăng tốc tiêu hao nhiên liệu tăng vọt Điều này được thực hiện trong chế độ đo dynamic, còn stationary không thể làm được

3.1.2.2 Transient testing

a Công dụng: dùng trong trường hợp đo khí thải, tiêu hao nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ

lớn, động cơ tàu thủy với tốc độ, chế độ hoạt động ít thay đổi

b Đặc điểm

Khác với stationary test, các số liệu đo trong transient được lấy liên tục trong suốt quá trình thử

Transient test khác với dynamic test ở quy trình thử chuẩn, quy trình thử chuẩn ít dao động (ít thay đổi vận tốc) so với dynamic test và đồ thị này là %Vmax theo thời gian

Đối với xe máy thường sử dụng hai hình thức là stationary test và dynamic test Trong đề tài này chỉ xác định thông số công suất của xe ở vận tốc ổn định nên chọn hình thức stationary test [3]

3.2 Các hình thức đo công suất xe

 Ưu điểm:

 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

 Nhược điểm:

 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

3.2.2 Steady state

Là phương pháp sử dụng một thiết bị thường được gọi là 'phanh', 'bộ hấp thụ' hoặc 'bộ hãm' để áp dụng tải cho động cơ và giữ nó ở tốc độ không đổi Các mô-men xoắn được phanh hãm lại, và được đo qua cảm biến đo lực Có rất nhiều phương pháp cung cấp tải,

cả cơ khí và điện Một số ví dụ phổ biến của hệ thống phanh là nước, dòng xoáy và thủy lực

 Ưu điểm:

 Độ chính xác cao

 Đo được công suất xe tại tua máy cố định khi giữ góc mở bướm ga không đổi

 Nhược điểm:

 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 sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt (công suất động cơ được biến thành nhiệt) mà phải được tiêu tan Hệ thống làm mát phức tạp

 Ngay cả với các hệ thống điều khiển máy tính tốt, động cơ có thể mất nhiều thời gian ở mỗi khâu vận hành, điều này có thể gây sai số hệ thống máy tính [2]

3.3 Một số sản phẩm băng thử công suất trên thị trường trong và ngoài nước

Xe máy ngày nay là phương tiện giao thông được sử dụng phổ biến ở các nước đang phát triển vấn đề kiểm tra đánh giá tính năng hoạt động của xe máy cũng như các chi tiết trên

là điều cần thiết Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra các thiết bị máy móc, các băng thử kiểm tra trên xe ngày càng được các hãng sản xuất thiết bị quan tâm nghiên cứu

3.3.1 Sản phẩm băng thử công suất trên thị trường ngoài nước

Những năm gần đây đã xuất hiện rất nhiều các loại băng thử xe hai bánh của các hãng nổi tiếng trên thế giới Trên thị trường các loại băng thử rất phong phú về chủng

loại, mẫu mã, chất lượng cũng như những tính năng mà nó mang lại

 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 trên ngoài tính năng đo công suất của xe còn có thêm tính năng mô phỏng lực cản chuyển động của xe Các băng thử này đều sử dụng động cơ điện AC nhưng động cơ điện này vừa có thể là máy phát vừa có thể là động cơ điện Bộ tiêu thụ tải điện được sử dụng trên các băng thử là biến trở nhiệt hay sử dụng biến tần để biến đổi tần số dòng điện cho máy phát tạo ra thành dòng điện có tần số như dòng điện trong lưới điện quốc gia và dòng điện được đưa vào lưới điện quốc gia Đồng thời các băng thử này còn có tính năng kiểm tra một

3.3.2 Băng thử công suất xe hai bánh trong nước

Hiện nay đối với sản phẩm băng thử công suất kéo của xe hai bánh chỉ có một vài trường chế tạo và hầu hết các công ty cung cấp thiết bị và máy móc: Tân Phát, Tân Hoàng Minh, Gamma….đều cung cấp các băng thử xe hai bánh gồm nhiều chủng loại nhưng đều là thiết bị nhập ngoại

Hiện tại băng thử công suất kéo của xe hai bánh tại nước ta đã được chế tạo thành công tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng và Đại học Bách khoa TP HCM Băng thử của trường đại học Bách khoa Đà Nẵng hoạt động trên nguyên lý tạo tải bằng thanh xoắn Bộ tạo tải dùng thanh xoắn chỉ phù hợp với việc thử nghiệm công suất nhỏ với thử công suất lớn thanh xoắn không đáp ứng được, miền giá trị hoạt động để tạo tải của thanh xoắn nhỏ Băng thử của trường Đại học Bách khoa TP HCM hoạt động trên nguyên lý sử dụng động cơ điện AC tương

tự như các băng thử ngoại nhập ứng dụng rất tốt trong kiểm tra đánh giá xe hai bánh nhưng giá thành chế tạo băng thử khá cao nên khó có thể áp dụng rộng rãi tại nước ta Băng thử được chế tạo trên nguyên lý tạo tải bằng máy phát điện xoay chiều với bộ tiêu thụ tải điện sử dụng dung dịch điện ly có thể đáp ứng được với việc thử nghiệm động cơ với công suất cao với giá thành chế tạo thấp phù hợp với điều kiện nước ta

CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong nội dung chương này sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết cho việc tính toán công suất kéo của xe

Để xác định được lực hay mô men tác dụng lên các bánh xe chủ động cần phải nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ loại piston Đường đặc tính tốc độ của động cơ là các

đồ thị chỉ sự phụ thuộc của công suất có ích Pe (W), mô men xoắn có ích Me(Nm), tiêu hao nhiên liệu trong một giờ GT và suất tiêu hao nhiên liệu 𝑔𝑒𝑣 theo số vòng quay ne (v/p) hoặc theo tốc độ góc ωe (rad/s) của trục khuỷu

Đường đặc tính tốc độ của động cơ nhận được bằng cách thí nghiệm động cơ trên băng thử Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại (tức là lúc mở bướm ga hoàn toàn) đối với động cơ xăng hoặc đặt thanh răng của bơm cao áp ứng với chế độ cung cấp nhiên liệu hoàn toàn đối với động cơ diesel chúng ta sẽ có đường đặc tính ngoài của động cơ

4.1.1 Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng

Tốc độ góc ωmin của trục khuỷu là tốc độ góc nhỏ nhất mà động cơ có thể làm việc ổn định ở chế độ toàn tải Khi tăng tốc độ góc thì mô men và công suất của động cơ tăng lên

Mô men xoắn đạt giá trị cực đại 𝑀𝑒𝑀 ứng với tốc độ góc 𝜔𝑒𝑀 và công suất đạt giá trị cực đại 𝑃𝑒𝑃 ở tốc độ góc 𝜔 𝑒𝑀 Các giá trị 𝑃𝑒𝑃, 𝑀𝑒𝑀 và tốc độ góc tương ứng với các

giá trị trên 𝜔 𝑒𝑀 và 𝜔 𝑒𝑃 được chỉ dẫn trong các đặc tính kỹ thuật của động cơ Động cơ

chủ yếu làm việc trong vùng 𝜔 𝑒𝑀 - 𝜔 𝑒𝑃

Hình 4.1 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế tốc độ

Khi tăng tốc độ góc của trục khuỷu lớn hơn giá trị 𝜔𝑃 thì công suất sẽ giảm

do hỗn hợp khí nạp kém và do tăng tổn thất ma sát trong động cơ Ngoài ra khi tăng tốc độ

góc làm tăng tải trọng động gây hao mòn nhanh các chi tiết của động cơ Vì thế khi thiết kế ô

tô du lịch thì tốc độ góc của trục khuỷu động cơ tương ứng với tốc độ cực đại của ô tô trên

đường nhựa tốt nằm ngang không vượt quá 10- 20% so với tốc độ góc 𝜔 𝑒𝑃

Công suất của động cơ Pe với hai thành phần:

 Mô men xoắn Me (Nm)

 Tốc độ góc 𝜔e (rad/s)

Giữa chúng có quan hệ giữa công suất, mô men xoắn, tốc độ góc như sau:

Đặc tính ngoài là mối quan hệ giữa công suất Pe , mô men xoắn Me và tốc độ góc ωe

khi cung cấp nhiên liệu tối đa Pe( ωe), Me (ωe),

𝛼 = 100%

𝛼 : góc mở bướm ga

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 𝑃𝑒𝑃 ( Pemax ) tương ứng với 𝑀𝑒𝑃 và 𝜔𝑒𝑃

𝑃𝑒𝑃= 𝑀𝑒𝑃 𝜔𝑒𝑃 [3] (4.2)

Chế độ mô men xoắn cực đại 𝑀𝑒𝑀 (Memax) tương ứng với 𝑃𝑒𝑀 và 𝜔𝑒𝑀

𝑃𝑒𝑀= 𝑀𝑒𝑀 𝜔𝑒𝑀 (4.3)

Hệ số thích ứng của động cơ theo mô men xoắn là tỷ số giữa mô men xoắn cực đại và

mô men xoắn ứng với chế độ công suất cực đại

K = 𝑀𝑒𝑀

4.2 Sự truyền năng lượng trên xe

Quá trình truyền năng lượng từ động cơ đến mặt đường thông qua hệ thống truyền lực

và hệ thống chuyển động sẽ làm thay đổi vận tốc (vận tốc góc hoặc vận tốc tịnh tiến) và mô men (hoặc lực) Một phần năng lượng truyền đi sẽ tiêu hao ở hệ thống truyền lực do sự tích lũy năng lượng ở dạng động năng (do các chi tiết có khối lượng) và thế năng (do tính đàn hồi sinh ra) và một phần năng lượng nữa bị tiêu hao do có sự xuất hiện của sự trượt Bây giờ chúng ta xét đến quá trình truyền năng lượng trên xe trong trường hợp xe chuyển động ổn định

và chưa xét đến 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:

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):

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:

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 = 𝜂𝑙𝜂ℎ𝜂𝑥 [1] (4.10)

Ở đây:

𝜂𝑙: hiệu suất của ly hợp

𝜂: hiệu suất của hộp số

𝜂𝑥: 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 cụm truyền động giữa bánh xe với mặt đường Ở trường hợp này chúng được coi là cụm biến đổi bậc không nghĩa là ta không để ý đến khối lượng và biến dạng của nó

Công suất của bánh xe chủ động được thể hiện qua Mk và 𝜔𝑘 Nhờ có Mk tại bánh xe chủ động và nhờ sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên đã phát sinh phản lực Fk từ mặt đường tác dụng lên bánh xe hướng theo chiều chuyển động của xe Phản lực này chính là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động Như vậy hệ thống chuyển động đã biến đổi chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến của xe Tức là biến đổi mô men Mk và vận tốc góc 𝜔𝑘 trên trục bánh xe thành lực kéo của bánh xe và vận tốc tịnh tiến V

Quan hệ giữa các thông số vừa nêu được thể hiện: