Bài giảng Thí nghiệm ô tô

Nhóm phát điện (gênêratơ): ở nhóm này các đại lượng không điện từ đối tượng cần đo được biến đổi thành sức điện động hoặc cường độ dòng điện, chẳng hạn như cảm biến điện cảm, cảm biến [r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG

HỌC PHẦN: THÍ NGHIỆM Ô TÔ

SỐ TÍN CHỈ: 02

LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015

CHƯƠNG I CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG ĐO LƯỜNG KỸ THUẬT

1.1 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm ôtô chiếm vị trí rất quan trọng trong nền công nghiệp ôtô Mục đích của việc thí nghiệm là để đánh giá hoặc phát hiện các ưu nhược điểm của các chi tiết, các cụm chi tiết và toàn bộ ôtô về các mặt như:

Thông số kỹ thuật và tính năng làm việc cơ bản

Độ tin cậy làm việc

Độ bền và tuổi thọ

Tóm lại, nhờ có thí nghiệm chúng ta có thể đánh giá chất lượng của chi tiết, của cụm và toàn bộ ôtô một cách tổng thể và từ đó có cơ sở đề xuất cải tiến

và hoàn thiện chúng nhằm đảm bảo sản xuất được những ôtô ngày càng có chất lượng cao Cần chú ý rằng chữ thí nghiệm có thể được hiểu theo nghĩa hẹp, như thí nghiệm xác định độ cứng của lò xo ly hợp, nhưng cũng có thể nghĩa rất rộng như thí nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của ôtô trong điều kiện sử dụng v.v…

Quy mô và độ phức tạp của thí nghiệm phụ thuộc vào mục đích đề ra ban đầu

Tuỳ theo mục đích và tính chất của thí nghiệm mà đề ra chương trình thí nghiệm bao gồm:

Phương pháp tiến hành và thời gian thí nghiệm

Đối tượng dùng cho thí nghiệm

Trang thiết bị dùng cho thí nghiệm

Vị trí, chế độ và điều kiện thí nghiệm

Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm

1.2 Các dạng thí nghiệm ôtô

Thí nghiệm ôtô được phân loại theo:

Mục đích thí nghiệm

Tính chất thí nghiệm

Vị trí tiến hành thí nghiệm

Đối tượng thí nghiệm

Cường độ và thời gian thí nghiệm

Theo mục đích thí nghiệm ta có thí nghiệm kiểm tra kiểm tra ở nhà máy sản xuất, thí nghiệm trong điều kiện sử dụng, thí nghiệm trong nghiên cứu khoa học

Theo tính chất thí nghiệm ta có thí nghiệm để xác định tính chất kéo, tính nhiên liệu, tính chất phanh, tính ổn định và điều khiển, tính êm dịu chuyển động, tính cơ động, độ tin cậy làm việc, độ mòn, độ bền…của ôtô

Theo vị trí tiến hành thí nghiệm ta có thí nghiệm trên bệ thử (trong phòng thí nghiệm), thí nghiệm ở bãi thử, thí nghiệm trên đường Thí nghiệm trên bệ thử

có thể tiến hành cho từng chi tiết, cho từng cụm hoặc cho cả ôtô một cách dễ dàng hơn so với khi thí nghiệm trên đường

Theo đối tượng thí nghiệm ta có thí nghiệm mẫu ôtô đơn chiếc, thí nghiệm mẫu ôtô của một đợt sản xuất nhỏ, thí nghiệm ôtô được sản xuất đại trà

Theo cường độ và thời gian thí nghiệm ta có thí nghiệm bình thường theo quy định và thí nghiệm tăng cường Ở thí nghiệm tăng cường thì thời gian thường được rút ngắn và chế độ tải trọng tăng

1.3 Yêu cầu đối với thiết bị đo

Thiết bị đo dùng cho thí nghiệm cần đảm bảo những yêu cầu chính sau đây:

Đảm bảo độ chính xác cần thiết cho thí nghiệm

Không bị ảnh hưởng bởi rung động, điều này rất cần thiết đối với thí nghiệm trên đường

Đặc tính của thiết bị đo cần phải tuyến tính hoặc rất gần với tuyến tính trong suốt phạm vi đo

Trọng lượng và kích thước nhỏ để có thể đặt được ở trong ôtô Điều này rất quan trọng khi thí nghiệm trên đường

Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết

Câu hỏi ôn tập

Câu 1: Nêu mục đích của thí nghiệm ôtô?

Câu 2: Các dạng thí nghiệm ôtô?

Câu 3: Yêu cầu của thiết bị đo trong thí nghiệm ôtô?

CHƯƠNG II CÁC LOẠI CẢM BIẾN DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM

2.1 Định nghĩa và phân loại cảm biến

Cảm biến là bộ phận để nhận tín hiệu về trang thái của tín hiệu cần đo và biến đổi nó thành tín hiệu điện tương ứng

Trong thí nghiệm ôtô thường dùng cảm biến để đo các đại lượng: chuyển dịch, tốc độ, gia tốc, lực, áp suất và ứng suất Khi nghiên cứu động cơ đốt trong cũng như những cơ cấu khác của ôtô có thể dùng đến cảm biến loại nhiệt, loại quang và loại hoá, hall, áp suất …

Cảm biến còn phân loại theo nguyên lý biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện theo hai nhóm lớn:

Nhóm phát điện (gênêratơ): ở nhóm này các đại lượng không điện từ đối tượng cần đo được biến đổi thành sức điện động hoặc cường độ dòng điện, chẳng hạn như cảm biến điện cảm, cảm biến thạch anh, cảm biến quang, cảm biến hall

và những cảm biến khác không cần nguồn điện bởi vì chính các cảm biến ấy là nguồn phát điện

Nhóm thông số: ở nhóm này đại lượng không điện từ đối tượng cần đo sẽ biến đổi thành một hoặc vài thông số điện của cảm biến như điện trở tenxơ, cảm biến điện dung, cảm biến điện từ, cảm biến con trượt

2.2 Cấu tạo các loại cảm biến

2.2.1 Cảm biến điện áp

a Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cảm biến điện áp Hình vẽ

Hiệu ứng áp điện (piezo-electric):

Ở trạng thái ban đầu các tinh thể thạch anh là trung hòa về điện, tức

là các ion dương và ion âm cân bằng như hình 2.1A Khi có áp lực bên ngoài tác dụng lên một tinh thể thạch anh làm cho mạng tinh thể bị biến dạng Điều này dẫn đến sự dịch chuyển các ion Một điện áp điện (B)

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của hiệu

ứng áp điện

được tạo ra Ngược lại, khi ta đặt vào một điện áp, điều này dẫn đến một biến dạng tinh thể và bảo toàn lực (hình 2.1C)

A Thạch anh tinh thể ở trạng thái chưa làm việc;

B Tác động của một lực bên ngoài;

C đặt vào một điện áp;

1 Áp lực; 2 Ion chiếm chỗ; 3 Điện áp tạo ra; 4 Phương tác động; 5 Biến dạng của tinh thể; 6 Cung cấp điện áp.

b Ứng dụng

Cảm biến áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong cơ khí và ngành công nghệ ôtô Chẳng hạn như: cảm biến kích nổ, cảm biến áp suất, cảm biến siêu âm, cảm biến gia tốc

Ứng dụng cảm biến điện áp Hình vẽ

Cảm biến tiếng gõ được đặt nắp trên động cơ dưới đầu xi lanh

Thành phần áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch anh là những vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp Phần tử áp điện được thiết

kế có kích thước với tần só riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ để xẩy ra hiện tượng cộng hưởng (f=7kHz)

Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lục lớn nhất và sinh ra một điện áp

Hình 2.2: Cảm biến tiếng gõ

2.2.2 Cảm biến cảm ứng từ

a Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động Hình vẽ

Những cảm biến này làm việc trên nguyên lý phát sinh sức điện động trên mạch khi từ thông thay đổi

Nguyên lý làm việc của cảm biến này được trình bày trên hình 2.3

Cảm biến cấu tạo bởi khung dây điện quay trong trường nam châm vĩnh cửu gây nên bởi hai cực bắc N và nam S

Khi khung dây điện quay như vậy thì từ thông đi qua dây điện sẽ thay đổi và sức điện động e (tín hiệu ra) sinh ra ở hai đầu ra của khung dây điện sẽ tỷ thuận với tốc độ thay đổi từ thông đi qua khung dây điện

Hinh 2.3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của

cảm biến cảm ứng từ

Sức điện động e được biểu diễn dưới công thức:

dt

d W

Trong đó:

W: Số vòng dây của khung dây

dt

: Tốc độ thay đổi từ thông đi qua dây điện

b Ứng dụng

Ứng dụng cảm biến cảm ứng từ Hình vẽ

Ứng dụng thực tế đối với cảm biến tốc độ bánh xe:

Cảm biến này bao gồm: một nam châm được bao kín bằng một cuộn dây

và các vòng cảm biến

Nam châm và cuộn dây được đặt cách các vòng cảm biến một khoảng xác

định

Khi răng của vòng cảm biến 4 không nằm đối diện cực từ, thì từ thông

đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở không khí lớn lên có từ trở cao Khi một răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh Như vậy, nhờ

sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng

Khi răng vòng cảm biến đối diện cuộn dây từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không

Khi răng của vòng cảm biến di chuyển ra khỏi cực từ, khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại

Việc luân chuyển các bánh xe sẽ thay đổi khe hở dẫn đến làm thay đổi từ trường Những thay đổi của từ trường tạo

ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây

Các tần số tín hiệu thay đổi như tốc độ bánh xe tăng hoặc giảm

Hình 2.4: Cảm biến tốc độ

1 Nam châm vĩnh cửu; 2 Cuộn dây;

3 Từ trường; 4 Vòng cảm biến;

5 Khe hở không khí; 6 Cáp kết nối

Cảm biến vị trí trục cam:

Cảm biến vị trí trục cam có thể đặt trên vành đai puly cam hoặc có thể tích hợp trong bộ chia điện

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một rotor dùng để khép mạch từ

có số răng như hình 2.5 Về cơ bản nguyên lý tương tự như cảm biến tốc độ

Việc luân chuyển trục cam sẽ thay đổi khe hở dẫn đến làm thay đổi từ trường

Sự biến thiên từ trường tạo ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây Tần số này thay đổi như hình 2.5 Cảm biến giúp

Hình 2.5: Cảm biến vị trí trục cam

1 Cảm biến vị trí trục cam;

2 Vòng cảm biến trục cam

xác định góc chuẩn của trục cam, từ đó xác định điểm chết trên và kỳ nén của mỗi xi lanh để đánh lửa

2.2.3 Cảm biến áp suất

a Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất Hình vẽ minh họa Cảm biến áp suất thường được

sử dụng để đo áp suất trong ôtô

Cấu tạo quan trọng nhất của cảm biến áp suất là:

Chip silicon 5, trong chip silicon

có màng 1 và các điện trở được mắc với nhau theo hình cầu Wheatstone

Khi áp suất cao, khi đó màng 5 tác dụng làm các điện trở biến Các điện trở biến dạng được kết nối với nhau theo hình cầu mạch Wheatstone Và khi

đó các điện trở thay đổi về giá trị điện trở dẫn đến thay đổi điện áp trên các điện trở đo Điện trở um cũng thay đổi phù hợp Sự thay đổi đó phù hợp với áp suất trên màng

Hình 2.6: Cảm biến áp suất

1 Màng; 2 Chân không; 3 Thủy tinh chịu nhiệt; 4 Mạch cầu;

5 Chip silicon

b Ứng dụng

Ứng dụng cảm biến áp suất Hình vẽ

Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP)

Cảm biến MAP được đặt tại dẫn khí nạp

Cảm biến nhằm xác định áp suất hiện tại trong đường ống nạp Điều đó là rất cần thiết để điều chỉnh chính xác tỷ lệ hòa khí Cảm biến MAP được cung cấp bởi một điện áp tham chiếu 5V Cảm

biến bao gồm một tấm chip silicon Mặt ngoài của tấm silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp Hai mặt của tấm được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay đổi Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheastone

Hình 2.7: Cảm biến áp suất đường

ống nạp

Cảm biến áp suất nhiên liệu

Cảm biến được lắp đặt ống phân phối của hệ thống cung cấp nhiên liệu

Cảm biến nhằm xác định áp suất nhiên liệu

Việc xác định áp suất được thực hiện bằng cách sử dụng một màng mỏng bằng thép có thể thay đổi điện trở Việc làm biến dạng màng thép sẽ tạo ra sự thay đổi điện trở, việc thay đổi điện trở này tỷ lên với áp suất nhiên liệu và được khuyếch đại trong IC khuyếch đại 2

Hình 2.8: Cảm biến áp suất nhiên liệu

Hình 2.9: Cấu tạo cảm biến áp suất

nhiên liệu

1 Dây kết nối; 2 IC khuyếch đại; 3 Màng ngăn thép; 4 Áp suất nhiên

liệu; 5 Vỏ.

2.2.4 Cảm biến Hall

a Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cảm biến Hall Hình vẽ

Hiệu ứng Hall ở đây được tạo ra bởi một tấm bán dẫn (IC hall) Khi cung cấp một điện áp một chiều U thì

có một dòng điện phân bố đều trên toàn

bộ bề mặt của tấm IC Hall và tạo ra từ trường xung quang tấm Hall Khi ta thay đổi từ trường dẫn đến sự thay đổi các điện tử, các điện tử này bất ngờ chệch hướng quỹ đạo hiện tại Kết quả

là tấm Hall đưa ra một hiệu điện thế

Hall (hình 2.10)

Hình 2.10: Nguyên lý cảm biến HALL

b Ứng dụng

Ứng dụng cảm biến Hall Hình vẽ

Cảm biến vị trí trục khuỷu:

Cảm biến Hall được lắp gần bánh

đà hoặc Puli trục khuỷu

Cảm biến xác định vị trí của trục

và tốc độ của trục khuỷu

Các tín hiệu từ cảm biến vị trí suất

ra là ở dạng xung Các xung này được đưa tới ECU

Theo sơ đồ nguyên lý, khí có nguồn cung cấp đến IC Hall và có từ thông đi qua nó thì IC Hall sẽ cho một tín hiệu điện áp Khi cực bắc lại gần IC Hall thì IC Hall sẽ tạo ra điện áp Còn cực nam lại gần IC Hall thì sự thay đổi điệp áp là rất nhỏ so với cực bắc, do đó

Hình 2.11: Cảm biến vị trí trục khuỷu Cặp cực từ; 2 Cảm biến tốc độ động cơ; 3 Khoảng cách giữa cặp cực và cảm biến tốc độ; 4 Khoảng cách giữa các xung; 5 Tín hiệu từ cảm biến tốc

độ

điện áp lúc này là 0V.

Cảm biến mô men:

Khi người lái điều khiển vô lăng,

mô men lái tác dụng lên trục của cảm biến mô men thông qua trục lái chính

Khi đó làm quay rotor của cảm biến

Trên Stator là đĩa phân đoạn có tác dụng ngăn IC hall tiếp xúc với từ trường Trên rotor có các nam châm, do đó khi quay rotor làm cho IC Hall tiếp xúc với từ trường Khi tiếp xúc sẽ sinh ra các điện

áp Khi không tiếp xúc thì điện áp mất

Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến mô men

1 IC Hall; 2 Rotor; 3 Stator.

2.2.5 Manheto – điện trở suất

a Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động Hình vẽ

Dó là liên kết từ hóa trong một vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ gồm nhiều lớp Mỗi một lớp là một lớp từ hóa Nếu không có sự ảnh hưởng của

từ hóa bên ngoài, thì sự liên kết của mỗi lớp từ hóa là ngẫu nhiên Nếu một

từ trường ngoài tác dụng vào vật liệu sắt từ, thì các thành phần từ hóa sẽ phù hợp với từ trường bên ngoài

Sự liên kết của các thành phần

từ hóa phụ thuộc trên độ mạnh của từ trường bên ngoài:

Nếu từ trường yếu, sự liên kết của thành phần từ hóa đến từ trường bên ngoài là ngẫu nhiên và do đó không đồng đều Các vật liệu sắt từ có điện trở cao

Nếu từ trường đủ mạnh, sự liên kết của thành phần từ hóa là thống

Hình 2.13: Cảm biến Manhêtô

nhất với tù trường ngoài Các vật liệu sắt từ có điện trở thấp

b Ứng dụng

Ứng dụng Hình vẽ

Cảm biến tốc độ bánh xe:

Cảm biến tốc độ bánh xe đặt trên các bánh xe trước và bánh sau

Cảm biến tốc độ đo tốc độ của từng bánh xe Tạo ra các sóng vuông với tần số liên tục và tương ứng với tốc độ động cơ tăng lên

Cảm biến tốc độ bao gồm hai magneto-resistive điện trở kết nối với nhau theo dạng cầu Wheatstone Khi vòng từ tính quay, từ thông biến thiên qua các phần tử magneto này làm cho điện thế tại các điểm giữa của hai nhánh thay đổi Một bộ so sánh khuyếch đại căn cứ vào sự chênh lệch điện áp tại 2 điểm này sẽ tạo ra các xung vuông Tần số các xung này bằng số cực các nam châm gắn vào vòng từ tính

Hình 2.14: Cảm biến tốc độ bánh xe

Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tốc độ xe