Thiết kế chế tạo xe mô hình sử dụng động cơ xăng 4 kì

Quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

TÊN CÔNG TRÌNH:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE MÔ HÌNH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ XĂNG 4 KÌ

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ- TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số công trình: ………

Mục Lục

Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết 3

1.1 Khung xe 3

1.2 Hệ thống lái 3

1.2.1 Hệ thống lái thuần cơ khí 4

1.2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS-Hydraulic Power Steering) 4

1.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPA) 5

1.2.4 Hệ thống lái trợ lực điện tử (ESP) 6

1.3 Hệ thống khởi động: 6

1.3.2 ACCU trên ô tô: 8

1.4 Hệ thống lửa xe 9

1.4.1 Các thành phần chính của hệ thống đánh lửa 9

1.4.2 Yêu cầu của hệ thống đánh lửa 10

1.4.3 Quá trình phát triển của hệ thống đánh lửa 11

1.5 Hệ thống phanh: 13

1.5.1 Phanh đĩa 13

1.5.2 Phanh khí nén: 14

1.6 Động Cơ: 16

1.6.1 Động cơ đốt trong 16

1.6.2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản: 17

1.6.3 Các kì trong một động cơ piston đẩy 4 kì: 17

1.6.4 Phân loại động cơ đốt trong 18

Theo cách thức hoạt động 18

Theo phương thức làm mát 18

Theo nhiên liệu sử dụng 19

Theo cách chuyển động của piston 19

Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu 19

Theo phương pháp đốt 19

Theo phương pháp làm mát 20

Chương 2 :NỘI DUNG THỰC HÀNH 21

2.1 Giới thiệu chung về đề tài 21

2.2 Chi tiết khung xe 20

2.3 Hệ thống lái 21

2.4 Hệ thống dẫn động: 22

2.5 Hệ thống phanh xe: 23

2.6 Động cơ ( Động cơ Honda Blade 110cc) 23

Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết

Chassis bao gồm một khung dùng để đỡ các vật, tương tự như bộ xương của động vật Trong trường hợp ô tô, thuật ngữ chassis là một khung dùng để gắn kết các bộ phận như động cơ, hộp số, trục dẫn động, vi sai và bộ phận treo

1.2 Hệ thống lái

Từ khi ô tô ra đời cho đến nay, hệ thống lái được cải tiến không ngừng để đáp ứng các tiêu chí về an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điều kiện chuyển động với vận tốc cao và mật độ các phương tiện tham gia giao thông lớn Quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần

cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái Steer by wire, hệ thống lái tự động

Hình1 Sơ đồ các bộ phận của hệ thống lái

1.2.1 Hệ thống lái thuần cơ khí

Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50 Cho đến này bản thân bộ phận cơ khí hệ thống lái cũng có nhiều cải tiến Các nghiên cứu

về hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ, đảm bảo động lực quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt,

sự tương ứng động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và bên trái

Hệ thống lái thuần cơ khí bao gồm hai thành phần chính: dẫn động lái và cơ cấu lái

Cơ cấu lái là bộ chuyển đổi mô men giữa góc quay vòng các bánh xe dẫn hướng và góc quay vành lái lớn Dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng đồng thời đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng quay quanh trụ đứng với vận tốc và góc quay khác nhau nhằm tránh hiện tượng trượt khi quay vòng

Nhìn chung hệ thống thuần lái cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển động trên đường đảm bảo các bánh xe ít bị trượt khi quay vòng Tuy nhiên có nhiều vấn đề cần cải tiến trên hệ thống lái này:

 Người lái phải sử dụng 100% năng lượng để thực hiện việc quay vòng bánh xe trong quá trình chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử dụng

 Quỹ đạo chuyển động quay vòng chịu ảnh hưởng của góc quay thân xe và tình trạng đánh lái Trong khi hệ thống lái này chỉ tập trung vào bài toán góc quay dẫn hướng bánh chuyển động theo vô lăng do đó ảnh hưởng của dịch chuyển thân xe đặc biệt khi đánh lái ở tốc độ cao là rõ nét và chưa kiểm soát được

 Chưa tối ưu khối lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu công kềnh, nặng chiếm nhiều không gian bố trí Khả năng va đập khi sảy ra sự cố ảnh hưởng nhiều đến người sử dụng là rõ nét

Hệ thống lái thuần cơ khí chủ yếu trang bị cho các dòng xe từ thập kỷ 70-80 Trên thị trường Việt Nam một số ít các xe cũ vẫn lưu thông sử dụng loại hệ thống lái này

1.2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS-Hydraulic Power Steering)

Hệ thống lái có trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhắm giải quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi lái xe Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn hao cho việc đánh lái Việc trang bị hệ thống lái trợ lực sẽ giúp cho người lái

ít tổn hao năng lượng khi quay vòng xe và giảm được những va đập từ bánh xe lên vô lăng Không những thế, nó còn nâng cao được tính năng an toàn trong trường hợp bánh xe gặp sự cố Đây là một trong những ưu điểm nổi bật hệ thống lái trợ lực thủy lực

Vấn đề chính cần giải quyết là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe và sự thay đổi góc đánh lái Có thể thấy rõ: Khi di chuyển ở vận tốc thấp ta cần trợ lực nhiều, ngược lại tốc độ cao cần hạn chế trợ lực, Vị trí vô lăng vị trí trung hòa (chạy thẳng) cần ít trợ lực, đánh lái nhiều càng xa vị trí trung hòa tỷ lệ trợ lực càng tăng Hay nói các khác hệ thống trợ lực thủy lực cần bố trí thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển động theo hai thông số chính: góc đánh lái và vận tốc xe

Điểm quan trọng nhất của hệ thống lái trợ lực thủy lực chính là thanh xoắn (torsion bar) bố trí trên trục lái Thanh xoắn này đóng vai trò bộ phận cảm biến mô men Góc đánh lái càng lớn mô men xoắn càng lớn làm cho thanh xoắn biến dạng nhiều khi đó cửa van dầu trợ lực được mở rộng áp lực dầu trợ lực tăng theo Vận tốc chạy xe tăng làm cho mô men cản tại bánh xe dẫn hướng giảm làm cho biến dạng thanh xoắn cũng giảm độ mở van trợ lực, lực trợ lực giảm theo điều này làm hạn chế khả năng trợ lực khi tăng vận tốc mốt cách tự nhiên

Hệ thống trợ lực lái này ngoài ưu điểm tạo cảm giác nhẹ khí lái xe vẫn còn một số nhược điểm cần cải tiến: Việc điều khiển các van dầu trợ lực bằng thanh xoắn hoàn toàn bằng cơ khí nên dải tốc độ hạn chế (góc biến dạng thanh xoắn được giới hạn), đặc biệt khi chạy ở tốc độ cao công suất bơm dầu tăng dẫn đến áp lực dầu tăng theo, việc hạn chế trợ lực trở lên khó khăn (mất cảm giác lái), bơm dầu làm việc liên tục (do nối trực tiếp với động cơ) làm tổn hao năng lượng trong tình trạng không cần trợ lực

Trên thị trường Việt Nam hiện nay rất nhiều dòng xe trang bị hệ thống lái này do giá thành rẻ và phù hợp tốc độ chạy xe hạn chế (<120km/h)

1.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPA)

Trên hệ thống lái trợ lực thủy lực là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực thủy lực (được phát triển từ thập kỷ 90) Ngoài hai bộ phận là cơ cấu lái và dẫn động lái như hệ

thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực lái thủy lực được cải tiến Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi đến hộp MCU điều khiển trợ lực Hộp MCU điều khiển trợ tổng hợp các tín hiệu chạy

xe, tính toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định áp lực trợ lực lái

So sánh với hệ thống lái trợ lực thủy lực hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các dải tốc

độ khác nhau đặc biệt là dải tốc độ cao (tạo cảm giác lái ), tạo sự thoải mái khi lái xe

Trên thị trường Việt Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện thường được trang bị cho các dòng xe hạng trung và một số xe hạng sang

1.2.4 Hệ thống lái trợ lực điện tử (ESP)

Hệ thống lái trợ lực điện phát triển cùng thời điểm với hệ thống trợ lực lái thủy lực điều khiển điện tử So với hệ thống lái trợ lực thủy lực hệ thống lái trợ lực điện tử có nhiều ưu điểm hơn Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử sử dụng bộ trợ lực thủy lực thì với bơm thủy lực gắn với động cơ nên hoạt động liên tục trong quá trình chạy xe gây lãng phí công suất khi không sử dụng trợ lực lái, thêm vào đó dầu trợ lực lái là một nhân tố gây ô nhiễm môi trường Kết cấu của hệ thống lái trợ lực điện tử cũng gọn hơn

Cải tiến quan trong của hệ thống này là thay thế lực tác dụng từ bơm dầu trợ lực bằng động cơ điện Mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển nên các chế độ trợ lực được thay đổi một cách linh hoạt Hộp điều khiển ECU được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển và mô hình toán điều khiển trợ lực hệ thống lái Tùy theo từng hãng

xe, mô hình điều khiển được sử dụng có sự khác nhau Tuy nhiên, có một đặc điểm chung nhất đó là các đặc tính trợ lực được xây dựng dựa trên đặc tính cản từ mặt đường Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản (bố trí trên thanh xoắn) sẽ xác định

mô men cản từ mặt đường tác dụng lên hệ thống, kết hợp với cảm biến vận tốc và các thông số chạy xe phần mềm sẽ quyết định trợ lực tỷ lệ trợ lực thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện

1.3 Hệ thống khởi động:

Hệ thống khởi động là một hệ thống giúp cho động cơ đốt trong của ô tô có thể bắt đầu hoạt động

Vì động cơ đốt trong không thể tự khởi động nên cần phải có một ngoại lực để khởi động nó Thiết bị tạo ra ngoại lực là động cơ hay mô-tơ điện một chiều, thông thường gọi là mô-tơ đề Để khởi động động cơ thì trục khuỷu phải quay nhanh hơn tốc độ quay tối thiểu Tốc độ quay tối thiểu để khởi động động cơ khác nhau tuỳ theo cấu trúc động cơ và tình trạng hoạt động, thường từ 40 -60 vòng/ phút đối với động cơ xăng và

từ 80 - 100 vòng/phút đối với động cơ diesel

1.3.1 Động cơ khởi động chạy điện: Động cơ khởi động hiện đại dùng nguồn điện

là ắc qui của ô tô Các động cơ này cần phải tạo ra mô men lực lớn từ nguồn điện hạn chế của ắc qui đồng thời phải gọn nhẹ Vì lý do này người ta dùng mô tơ điện một chiều trong động cơ khởi động

4 Chổi than và giá đó chổi than

5 Bộ truyền bánh răng giảm tốc

6 Li hợp khởi động

7 Bánh răng bendix và then xoắn

Hình 2 Động cơ khởi động chạy bằng điện

1.3.2 ACCU trên ô tô:

Accu chì acide là một thiết bị hoá điện, nó sinh ra hiệu điện thế và phân phối cường độ

dòng điện Accu là một nguồn năng lượng sơ cấp trên ô tô ngày nay Nên nhớ rằng

accu không tích trữ điện mà chỉ tích trữ hoá học, nhờ vậy mà quá trình điện hoá được

sinh ra Một cách đơn giản, chì và dung dịch acide phản ứng với nhau và sinh ra một

hiệu điện thế Phản ứng hoá học này chuyển hoá năng thành điện năng và đó là cơ sở

của các loại accu trên ô tô

Công dụng của acquy: acquy cung cấp điện khi:

Động cơ ngừng hoạt động: Điện từ bình accu được sử dụng để chiếu sáng, dùng cho

các thiết bị điện phụ, hoặc là các thiết bị điện khác khi động cơ không hoạt động

Động cơ khởi động: Điện từ bình acquy được dùng cho máy khởi động và cung cấp

dòng điện cho hệ thống đánh lửa trong suốt thời gian động cơ đang khởi động Việc

khởi động xe là chức năng quan trọng nhất của acquy Động cơ đang hoạt động: Điện từ bình acquy có thể cần thiết để hỗ trợ cho hệ thống

nạp khi nhu cầu về tải điện trên xe vượt qua khả năng của hệ thống nạp

Cả acquy và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao

Hình 3 Acquy khởi động chì-axit

1.4 Hệ thống lửa xe

1.4.1 Các thành phần chính của hệ thống đánh lửa

qua một khoảng trống (giống như tia sét) Nguồn điện này phải có điện áp rất cao để tia lửa có thể phóng qua khoảng trống và tia lửa mạnh Thông thường, điện áp giữa hai cực của bugi khoảng từ 40.000 đến 100.000 vôn Một số xe đòi hỏi phải sử dụng loại bugi nóng Loại bugi này được thiết kế có chất sứ bao bọc tiếp xúc với kim loại ít hơn

do vậy việc trao đổi nhiệt kém hơn và nến nóng hơn và làm sạch bụi bẩn tốt hơn Bugi lạnh thì ngược lại, thiết kế với vùng trao đổi nhiệt lớn hơn vì vậy sẽ nguội hơn khi hoạt động Động cơ hiệu suất cao sẽ sinh nhiều nhiệt hơn do vậy phải sử dụng bugi nguội hơn Nếu bugi quá nóng, nó sẽ làm cho hỗn hợp cháy trước khi tia lửa phát ra

- Bôbin: là bộ phận sinh ra cao áp để tạo ra tia lửa Rất đơn giản, điện thế cao được

sinh ra do cảm ứng giữa hai cuộn dây Một cuộn có ít vòng được gọi là cuộn sơ cấp (màu vàng), cuốn xung quanh cuộn sơ cấp (màu đen) nhưng nhiều vòng hơn là cuộn thứ cấp Cuộn thứ cấp có số vòng lớn gấp hàng trăm lần cuộn sơ cấp

Dòng điện từ nguồn điện chạy qua cuộn sơ cấp của bôbin, đột ngột, dòng điện bị ngắt

đi tại thời điểm đánh lửa do má vít (đang đóng kín mạch điện thì đột ngột mở ra) Khi dòng điện ở cuộn sơ cấp bị ngắt đi, từ trường điện do cuộn sơ cấp sinh ra giảm đột ngột Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, cuộn thứ cấp sinh ra một dòng điện để chống lại sự thay đổi từ trường đó Do số vòng của cuộn thứ cấp lớn gấp rất nhiều lần số vòng dây cuộn sơ cấp nên dòng điện ở cuộn thứ cấp có điện áp rất lớn (có thể đến 100.000 vôn) Dòng điện cao áp này được bộ chia điện đưa đến nến bugi qua dây cao

áp

- Bộ chia điện: Chia nguồn điện cao áp từ Bôbin đến các xi lanh Điều này được thực

hiện bởi trục bộ chia điện và con quay gắn ở đầu Cuộn thứ cấp của tăng điện được kết nối với con quay, nắp bộ chia điện có các đầu nối với các dây cao áp đến các xi lanh Khi con quay quay vòng tròn nó sẽ chia nguồn điện cao áp cho các xi lanh theo một tứ

tự nhất định

1.4.2 Yêu cầu của hệ thống đánh lửa

các bugi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Hòa khí bị nén có điện trở lớn, nên cần phải tạo

ra điện thế hàng chục ngàn vôn để đảm bảo phát ra tia lửa mạnh, có thể đốt cháy hỗn hợp hòa khí

- Thời điểm đánh lửa chính xác: Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn có thời điểm đánh

lửa chính xác vào cuối kỳ nén của các xy lanh và góc đánh lửa sớm phù hợp với sự thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ

- Có đủ độ bền: Hệ thống đánh lửa phải có đủ độ tin cậy để chịu đựng được tác động

của rung động và nhiệt của động cơ Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do bô bin tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí đã được nén ép Hỗn hợp hòa khí được nén ép và đốt cháy trong xi lanh Sự bốc cháy này tạo ra động lực của động cơ Nhờ có hiện tượng tự cảm và cảm ứng tương hỗ, cuộn dây tạo ra điện áp cao cần thiết cho đánh lửa Cuộn sơ cấp tạo ra điện thế hàng trăm vôn còn cuộn thứ cấp thì tạo ra điện thế hàng chục ngàn vôn

1.4.3 Quá trình phát triển của hệ thống đánh lửa

- Kiểu điều khiển bằng vít: Kiểu hệ thống đánh lửa này có cấu tạo cơ bản nhất Trong

kiểu hệ thống đánh lửa này, dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng

cơ Dòng sơ cấp của bô bin được điều khiển cho chạy ngắt quãng qua tiếp điểm của vít lửa Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm li tâm tốc và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa Bộ chia điện sẽ phân phối điện cao áp từ cựôn thứ cấp đến các bugi

Trong kiểu hệ thống đánh lửa này tiếp điểm của vít lửa cần được điều chỉnh thường xuyên hoặc thay thế Một điện trở phụ được sử dụng để giảm số vòng dây của cuộn sơ cấp, cải thiện đặc tính tăng trưởng dòng của cuộn sơ cấp, và giảm đến mức thấp nhất

sự giảm áp của cuộn sthứ cấp ở tốc độ cao

Hình 4 Hệ thống đánh lửa kiểu điều khiển bằng vít

để nó chạy một cách gián đoạn theo đúng các tín hiệu điện được phát ra từ bộ phát tín hiệu Góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng cơ như trong kiểu hệ thống đánh lửa bằng vít hoặc có thể dùng các cảm biến vị trí như loại quang, Hall

Hình 5 Hệ thống đánh lửa bán dẫn

- Kiểu kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử): Trong kiểu hệ thống

đánh lửa này không sử dụng bộ đánh lửa sớm chân không và li tâm Thay vào đó, chức năng ESA của Bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm

Hình 6 Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa sớm bằng điện tử)

- Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS): Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử

dụng bô bin đơn hoặc đôi cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi Thời điểm đánh lửa được điều khiển bởi ESA của ECU động cơ Trong các động cơ gần đây, hệ thống đánh lửa này chiếm ưu thế

Hình 7 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)