TỔNG QUAN
NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG MÁY
2.1.1 Các trạng thái mất cân bằng của vật quay:
Có ba trạng thái mất cân bằng vật quay:
+ Mất cân bằng động thuần túy
+ Mất cân bằng hỗn hợp (Mất cân bằng động)
Xét một đĩa tròn có khối lượng M, với trục quay đi qua trọng tâm và vuông góc với mặt đĩa Khi đĩa quay quanh trục, các phần tử trên đĩa tạo ra lực quán tính hoàn toàn cân bằng, dẫn đến không có lực tác dụng lên trục ngoại trừ trọng lượng của chính đĩa.
→ Ta nói đĩa cân bằng tĩnh
Hình 2.1: Mô tả trạng thái mất cân bằng tĩnh
+ Gắn vào đĩa M một vật có khối lượng m tại bán kính r, khi đó trọng tâm của đĩa sẽ lệch một đoạn R: ≠ 0
+ Khi đĩa quay với vận tốc ω, thì sinh ra lực quán tính ly tâm:
→ Đĩa mất cân bằng tĩnh
Mất cân bằng động thuần túy xảy ra ở vật quay có chiều dày lớn, khi trọng tâm nằm trên trục quay nhưng vẫn tồn tại lực quán tính không cân bằng.
+ Xét vật đã cân bằng tĩnh:
Hình 2.2: Mô tả trạng thái mất cân bằng động thuần túy
+ Gắn 2 khối nặng có khối lượng m 1 , m 2 nằm ở hai bên trục quay và có bán kính tương ứng là r 1 , r 2 , thỏa: r1 m 1 = - r 2m2 (2.3)
Hình 2.3: Thí nghiệm mất cân bằng động thuần túy
+ Trọng tâm của đĩa không thay đổi: r G =0 (2.4)
+ Khi vật quay với vận tốc góc ω, sinh ra một lực quán tính ly tâm là:
+ Hai lực này tạo nên một ngẫu lực:
Gây nên phản lực tác động trên trục, như vậy vật chỉ mất cân bằng động mà không mất cân tĩnh
- Mất cân bằng động hỗn hợp (Mất cân bằng động):
+ Khi vật quay mất cân bằng tĩnh, xuất hiện lực quán tính: p qt ≠0 , M qt = 0 (2.7)
+ Khi vật quay mất cân bằng động thuần túy, tồn tại mô – men quán tính: p qt =0 , M qt ≠ 0 (2.8)
+ Thực tế, là khi quay vật tồn tại cả hai lực quán tính ly tâm và mô – men quán tính:
Ta gọi chung là mất cân bằng hỗn hợp, hay là mất cân bằng động
2.1.2 Cân bằng động vật quay
Phân phối lại khối lượng của vật quay giúp khử lực quán tính ly tâm và mô-men quán tính Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một đối trọng tương ứng với khối lượng mất cân bằng, được đặt ở vị trí xác định.
2.1.3 Nguyên tắc cân bằng động vật quay
2.1.3.1 Cân bằng vật quay chiều dày nhỏ (xem như một mặt phẳng) :
Vật có chiều dày nhỏ khi kích thước theo trục tương đối nhỏ so với kích thước theo hướng kính, cho phép giả thiết rằng khối lượng vật quay phân bố trên một mặt phẳng vuông góc với trục quay.
Nguyên tắc cân bằng vật thể yêu cầu trọng tâm phải trùng với trục quay để tránh mất cân bằng Khi vật có chiều dày nhỏ, lực quán tính ly tâm tác động lên trục có thể dẫn đến tình trạng mất cân bằng tĩnh Do đó, việc cân bằng thực chất là phân bố lại khối lượng nhằm đảm bảo trọng tâm vật trùng với tâm quay, từ đó loại bỏ lực quán tính ly tâm phát sinh trong quá trình hoạt động.
Xét một vật quay gồm các khối lượng m i (i = 1,2,…) có trọng tâm nằm ở các nút
Hình 2.4: Chia khối lượng trên vật quay chiều dày nhỏ
+ Khi trục quay với vận tốc góc ω, các khối lượng này sẽ gây ra một lực quán tính ly tâm: p i = m i r i ω 2 (2.10)
+ Trọng tâm của vật quay: = ≠ 0
Để đạt được sự cân bằng, cần bổ sung một khối lượng m tại bán kính r sao cho lực quán tính ly tâm do khối lượng này tạo ra (p = m r ω²) cân bằng với lực quán tính ly tâm từ khối lượng m i hiện có.
+ Phương trình trên được giải bằng đa giác lực như đã biết
→ ta được vị trí và khối lượng cân bằng cân thêm vào: m r (2.14)
+ Khi phương trình (2.13) thỏa, trọng tâm của các khối nặng m i và khối lượng nặng m thêm vào sẽ trùng với tâm quay
9 Tổng ∑ m i r i gọi là khối lượng mất cân bằng của vật quay
9 Khối lượng m thêm vào gọi là đối trọng
9 Có thể thay thế việc thêm vào đối trọng m ở A bằng cách lấy đi một khối lượng m ở B, xuyên tâm đối với A
9 Có thể dùng nhiều đối trọng thay cho một đối trọng
Trong trường hợp vật quay có chiều dày nhỏ và ở trạng thái cân bằng tĩnh, chỉ cần thêm ít nhất một đối trọng và thực hiện thao tác trên một mặt phẳng duy nhất.
- Cân bằng vật quay chiều dày nhỏ theo phương pháp hiệu số mô – men:
Chia vật quay thành nhiều phần nhỏ và đánh số điểm chia Tại vị trí i, đặt một đối trọng m i ở nút có bán kính r để tạo chuyển động cho vật quay Khối lượng m i được ghi lại và thiết lập thành đồ thị, như minh họa trong hình 2.5.
- Thí nghiệm cân bằng tĩnh:
Hình 2.5: Thí nghiệm cân bằng tĩnh
+ Từ đồ thị ta xác định được giá trị và vị trí các khối lượng m max và m min
(2.16) + Xác định được khối lượng mất cân bằng:
Mr G = − (2.17) + M: Khối lượng mất cân bằng
+ r G : Vị trí khối lượng mất cân bằng
2.1.3.2 Cân bằng vật quay chiều dày lớn:
- Vật quay có chiều dày lớn là khi kích thước chiều rộng có độ lớn đáng kể
Hình 2.6: Vật quay có chiều dày lớn
+ Nguyên tắc cân bằng là phân phối lại khối lượng trên hai mặt phẳng tùy ý vuông góc với trục quay
- Cân bằng vật quay có chiều dày lớn theo phương pháp chia lực:
Giả sử ta chia vật quay thành nhiều mặt phẳng i (1,2…) có trọng tâm m i nằm vuông góc với với trục quay và đặt ở mút các vector có bán kính r i
+ Chọn hai mặt phẳng (I) và (II) làm hai mặt phẳng cân bằng
Hình 2.7: Thí nghiệm cân bằng vật quay có chiều dày lớn
+ Khi quay với vận tốc ω sẽ sinh ra lực quán tính ly tâm: p m i r i ω 2 i
+ Chia lực p i thành hai thành phần trên hai mặt phẳng (I) và (II)
+ Khi đó bài toán trở thành xử lý mất cân bằng trên từng mặt phẳng
(2.18) Đây là cơ sở lý thuyết cho nguyên lý chế tạo máy cân bằng động bánh xe ô tô
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE
Lốp xe là bộ phận duy nhất tiếp xúc với mặt đường, truyền lực từ động cơ và phanh tới bề mặt đường, đồng thời điều khiển quá trình di chuyển của xe Nó cũng chịu toàn bộ trọng lượng xe và giảm chấn động từ mặt đường nhờ không khí có áp suất cao bên trong.
Trên thị trường hiện nay, lốp xe được phân loại thành nhiều loại khác nhau, chủ yếu bao gồm lốp có săm và lốp không có săm, trong đó lốp không có săm sử dụng lớp cao su đặc biệt để đảm bảo kín khí Ngoài ra, lốp cũng được chia thành lốp bố tròn và lốp bố chéo, mỗi loại đều có những đặc điểm và ứng dụng riêng.
Các loại lốp đều có cấu trúc tương tự nhau, bao gồm hoa lốp, lớp đai để tăng cứng, lớp bố (bố tròn hoặc bố chéo), lớp lót trong và dây mép lốp.
Hình 2.8: Cấu tạo lốp xe ô tô
Lốp xe có đa dạng kích cỡ và hình dạng, tùy thuộc vào từng loại xe và mục đích sử dụng Thông tin về kích thước, tính năng và hình dạng lốp thường được in trên bề mặt bên của lốp theo tiêu chuẩn quốc tế.
Ví dụ trên mặt bên của một chiếc lốp có ghi là: 195/60 R 15 86H Trong đó:
Kích thước lốp 195/60R15 có nghĩa là chiều rộng lốp là 195 mm, tỷ lệ chiều cao/chiều rộng là 60%, loại lốp là bố tròn, và đường kính vành lốp là 15 inch Chỉ số chịu tải của lốp là 86, tương đương với khả năng chịu tải 530 kg, trong khi tốc độ lớn nhất cho phép là khoảng 210 km/h.
Hình 2.9: Ký hiệu và các kích thước lốp xe ô tô
- Vành là một bộ phận hình trụ tròn để lốp được gắn trên nó Vành xe được làm bằng thép dập, hay làm bằng nhôm đúc
Hình 2.10: Ký hiệu và các kích thước vành
Vành xe cũng được tiêu chuẩn hoá tương tự như lốp, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp, sửa chữa và thay thế Các thông số kích cỡ của vành được ghi rõ trên mép vành, bao gồm chiều rộng vành, hình dạng gờ, độ lệch, đường kính vành, tâm vành bánh xe, đường kính và mặt lắp may - ơ.
Vành xe bằng nhôm đúc có kích thước được ghi như sau: 14 x 5 1/2 JJ 45, trong đó 14 là đường kính vành tính bằng inch, 5 1/2 (5,5) là chiều rộng vành cũng tính bằng inch, và 45 là độ lệch bánh xe đo bằng mm Ký hiệu JJ chỉ hình dạng mặt bích vành, với gờ vai của JJ cao hơn J một chút, giúp lốp xe ít có khả năng bị tuột ra.
2.2.3 Thế nào là mất cân bằng động bánh xe ô tô
Hiện tượng rung động bánh xe xảy ra khi bánh xe quay với tốc độ cao do sự không cân bằng khối lượng, tạo ra lực ly tâm Sự biến dạng tại một vùng của bánh xe làm giảm bán kính ở vùng khác, dẫn đến rung động Người lái cảm nhận sự rung động này qua vành lái trên bánh xe dẫn hướng, trong khi bánh xe không dẫn hướng gây rung động cho thân xe, tương tự như cảm giác khi xe chạy trên đường mấp mô.
Sự mất cân bằng bánh xe là kết quả của nhiều yếu tố, bao gồm sự không cân bằng của lốp, săm, vành, cũng như moay - ơ, tang trống hay đĩa phanh Tuy nhiên, ảnh hưởng lớn nhất đến sự mất cân bằng này đến từ trọng lượng và khối lượng phân bố xa tâm của bánh xe.
Hình 2.11: Sự mất cân bằng trên bánh xe ô tô
Sự mất cân bằng bánh xe xảy ra khi bánh xe đặt trên trục công-sôn với hai ổ bi, tạo ra lực ly tâm khi quay Lực này khiến tâm trục bị cong và mặt phẳng bánh xe bị đảo, dẫn đến việc trục quay bị ngoáy tròn Hệ quả là bánh xe rung lắc mạnh và đường kính bánh xe thay đổi theo chu kỳ quay, gây ra biến dạng trục.
11 bánh xe tăng, dồn ép các khe hở theo chiều tác dụng của tâm quán tính lực li tâm gây nên đảo mặt phẳng quay của lốp
2.2.4 Nguyên nhân gây ra mất cân bằng động ở bánh xe ô tô
Mặc dù công nghệ đúc áp lực cao được sử dụng trong sản xuất vành và lốp xe, nhưng vẫn xảy ra hiện tượng phân bố khối lượng không đều, xuất hiện bọt xốp và hình dáng không tròn đều của các chi tiết.
- Trong quá trình vận hành xe không thể tránh khỏi va đập, lốp mòn không đều, xước, méo, các vật thể như kim loại và đất đá dính vào…
2.2.5 Tại sao phải cân bằng cho bánh xe ô tô
- Hậu quả của việc bánh xe mất cân bằng:
Bánh xe đóng vai trò quan trọng trong ô tô, đặc biệt là ở tốc độ cao Khi ô tô di chuyển với vận tốc lớn, sự mất cân bằng có thể gây ra rung động mạnh, ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động và dẫn đến hư hỏng các chi tiết như gối đỡ, trục và ổ lăn.
Việc cân bằng bánh xe trước khi sử dụng và định kỳ là rất quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình lắp ráp và bảo dưỡng, nhằm giảm thiểu các tác hại có thể xảy ra.
- Sự cân bằng của bánh được đặc biệt quan tâm trên ô tô con, ô tô chạy tốc độ cao ở khía cạnh điều khiển và an toàn giao thông trên đường
Cân bằng bánh xe là bước cuối cùng quan trọng trong quy trình sản xuất xe hoàn chỉnh, đồng thời cũng là một phần thiết yếu trong việc bảo dưỡng và sửa chữa định kỳ cho xe.
MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE Ô TÔ
Máy cân bằng bánh xe ô tô là thiết bị quan trọng giúp phát hiện vị trí và khối lượng mất cân bằng trên bánh xe khi quay, từ đó điều chỉnh khối lượng phân bố để đảm bảo hiệu suất hoạt động Thiết bị này có ứng dụng tự động hóa cao và thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất ô tô cũng như các xưởng sửa chữa và bảo dưỡng ô tô.
Máy cân bằng bánh xe ô tô hoạt động dựa trên chuyển động quay của bánh xe
Sự phân bố không đều khối lượng của bánh khi chuyển động sẽ tạo ra lực quán tính ly
Lực quán tính ly tâm thay đổi theo chu kỳ gây ra hiện tượng rung, ảnh hưởng đến cảm biến và bộ xử lý để đưa ra kết quả cần thiết Khi xem xét bánh xe ô tô như một vật thể có chiều dày lớn, bài toán cân bằng bánh xe trở thành vấn đề cân bằng của vật quay có chiều dày lớn Sự mất cân bằng được phân tích trên hai mặt của bánh xe, thường là hai mặt chứa đường mép vành.
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE ÔTÔ
Hiện nay, trên thị trường có nhiều hãng sản xuất máy cân bằng bánh xe ô tô nổi bật như Heshbon (Hàn Quốc), John Bean (Mỹ) và CEEGOS (Trung Quốc) Những sản phẩm này ứng dụng công nghệ tiên tiến, hiện đại, mang lại khả năng cân bằng bánh xe ô tô một cách chính xác và dễ dàng sử dụng.
- Các loại máy cân bằng bánh xe ô tô trên thị trường:
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại máy cân bằng động bánh xe ô tô với ứng dụng tự động hóa cao, được chia thành hai loại chính: máy cân bằng bánh xe tháo rời và máy cân bằng bánh xe không tháo rời.
+ Máy cân bằng bánh xe tháo rời: a) John Bean - B9460 / B9460P b) SICAM - SBM V780
Hình 2.12: Một số máy cân bằng động bánh xe tháo rời bánh
+ Máy cân bằng bánh xe không tháo rời:
Hình 2.13: Máy cân bằng bánh xe không tháo rời
PHƯƠNG TIỆN - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
BỐ TRÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Đề tài được thực hiện tại xưởng Thực hành - Thí nghiệm ô tô, Khoa Cơ Khí - Công Nghệ, Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM
- Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 4 đến tháng 6 năm 2010
Đề tài này tập trung nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các ứng dụng tự động hóa của máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean B9450, do thời gian thực hiện có hạn.
PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
- Máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean B9450, và một số loại máy khác
- Các thiết bị kiểm tra: Đồng hồ đo VOM, Oscilloscope,…
- Các dụng cụ dùng cho tháo lắp: Cờ lê, kìm, tu - vít các loại…
- Máy tính cá nhân, máy vi tính,
PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Dựa trên nguyên lý cân bằng máy, bài viết sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy cân bằng động bánh xe ô tô, nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn khi vận hành phương tiện.
3.3.2.1 Khảo sát – vận hành máy cân bằng động bánh xe ô tô John bean B9450
- Trước khi vận hành máy phải kiểm tra kỹ tình trạng của máy, kiểm tra áp suất và tình trạng của bánh xe
- Các trình tự vận hành máy: ắ Bước 1: Gắn bỏnh xe lờn trục mỏy
Lựa chọn loại côn phù hợp với đường kính vòng lăn, tiến hành gắn bánh lên trục, bánh xe được gắn đủ chặt, không lệch tâm
Hình 3.1: Cách lắp bánh xe lên máy cân bằng ắ Bước 2: Cấp nguồn cho mỏy, bật cụng tắc nguồn ắ Bước 3: Nhập cỏc thụng số ban đầu
Sau khi cấp nguồn và máy đã hoàn tất quá trình khởi động, bạn cần nhấn nút “Stop” để dừng máy, sau đó tiến hành nhập các thông số đầu vào cần thiết.
- Lựa chọn đơn vị đo chiều dài:
Nhấn nút chọn đơn vị ⇒ nhấn 1 lần hệ IN ⇒ nhấn 2 lần hệ OZ ⇒ nhấn 3 lần hệ mét ⇒ sau đó nhấn “Enter” để kết thúc chọn
- Nhập giá trị đường kính vành: các giá trị nhập sẽ hiển thị trên 3 LED 7 đoạn bên trái
Nhấn nút nhập đường kính vành ⇒ nhập giá trị bằng hai nút tăng (+) và giảm (-)
⇒ sau đó nhấn “Enter” để kết thúc lệnh
- Nhập giá trị chiều rộng vành:
Nhấn nút nhập chiều rộng vành ⇒ nhập giá trị bằng hai nút tăng (+) và giảm (-)
⇒ sau đó nhấn “Enter” để kết thúc lệnh
- Nhập giá trị khoảng cách từ thân máy tới bánh xe (Rim):
Nhấn nút nhập khoảng cách ⇒ Đo khoảng cách bằng thước gắn trên máy Xem
(hình 3.2) ⇒ có thể thay đổi giá trị bằng nút tăng (+) và giảm (-) ⇒ nhấn “Enter” để kết thức lệnh
Hình 3.2: Đo khoảng cách từ máy tới bánh xe ắ Bước 4: Đúng nắp an toàn tiến hành cõn bằng:
Máy sẽ tự động thực hiện quá trình cân bằng, và khi hoàn tất, còi sẽ phát tín hiệu Lúc này, màn hình sẽ hiển thị giá trị mất cân bằng giữa hai mặt của bánh xe, bao gồm cả mặt trong và mặt ngoài.
Trong trường hợp xảy ra sự cố khi bánh xe quay, hãy nhấn nút “Stop” để dừng khẩn cấp động cơ Sau đó, khi máy cắt đã hoàn tất, hãy đọc giá trị mất côn và tiến hành xác định vị trí và gắn chì.
- Đọc giá trị mất cân bằng của hai mặt bánh xe
- Vị trí và gắn chì là vị trí sẽ được xác định là điểm cao nhất trên bánh xe
Vị trí mất cân bằng được xác định khi tất cả 6 đèn báo dò tìm và đèn báo vị trí mất cân bằng đều sáng Khi đó, người dùng cần đạp phanh và tiến hành gắn chì với khối lượng đã được xác định.
Để xác định vị trí điểm mất cân bằng, bạn cần đạp phanh cố định bánh và gắn chì có khối lượng tương đương với khối lượng mất cân bằng Sau đó, tiến hành cân bằng lại và gắn chở, lặp lại quy trình cho đến khi giá trị mất cân bằng đạt 0.
Hình 3.3: Cấu trúc màn hình
3.3.2.2 Phương pháp tháo rã máy
- Các dụng cụ tháo lắp máy sử dụng: Cờ lê, tu - vít (loại 4 chấu và loại đầu dẹp), kìm…
Để tháo nắp bảo vệ máy, đầu tiên, bạn cần tháo màn hình bằng cách nâng nhẹ màn hình theo hướng mũi tên và rút cáp màn hình cùng dây nối đất Sau khi màn hình đã được gỡ bỏ, tiếp theo là tháo bốn vít của nắp bảo vệ bằng tua vít 4 chấu Cuối cùng, nhẹ nhàng nâng nắp bảo vệ lên để quan sát toàn bộ cấu tạo bên trong của máy.
Hình 3.4: Tháo nắp bảo vệ máy
Để tháo bộ mạch điện – điện tử, trước tiên cần tháo nắp bảo vệ máy để quan sát cấu trúc bên trong Bước 1 là tháo nắp hộp bảo vệ mạch điện – điện tử bằng cách dựng cờ lờ số 8 và tháo một bulông nắp Bước 2 bao gồm việc tháo các dây cáp động cơ, công tắc hành trình, màn hình, các cảm biến, cáp thước, dây nối đất của thân máy và dây cấp nguồn 220V Cuối cùng, Bước 3 là tháo ba bulông giữ hộp bảo vệ (dựng cờ lờ số 8 và số 11), sau đó kéo hộp mạch điện – điện tử ra khỏi thân máy theo hướng mũi tên.
Hình 3.5: Tháo bộ mạch điện – điện tử
Để tháo rã bộ mạch điện – điện tử, thực hiện các bước sau: Bước 1: Tháo các dây cấp nguồn 220V, dây tụ động cơ và cáp mạch xử lý Bước 2: Tháo 4 vít của mạch xử lý (sử dụng tua vít 4 chấu) để lấy bo mạch xử lý ra Bước 3: Tháo 5 vít của bo mạch chính (cũng sử dụng tua vít 4 chấu) để hoàn tất việc tháo rời toàn bộ mạch điện – điện tử.
Hình 3.6: Tháo rời mạch điện – điện tử
3.3.2.3 Phương pháp khảo sát, kiểm tra máy
- Khảo sát cấu tạo cơ khí của máy: Thân máy, giá đỡ cơ cấu trục, cơ cấu chấp hành,…
- Khảo sát thành phần tín hiệu:
Xác định các thành phần tín hiệu cần sử dụng bao gồm cảm biến nhiệt KTY81-220, cảm biến nhiệt LM75, cảm biến áp điện Piezo, cảm biến Encoder quang và công tắc hành trình.
+ Phân tích nguyên lý và cấu tạo của các thành phần tín hiệu
+ Từ đó đưa ra cơ sở cho lập trình cho hệ thống
- Khảo sát mạch điện - điện tử:
+ Xác định nguồn cấp 220 VAC:
+ Xác định mạch nguồn cấp DC:
Để xác định mạch công suất, cần phân tích sơ đồ cuộn dây của động cơ, cách thức đảo chiều động cơ và các linh kiện quan trọng như rơle và tụ điện của động cơ.
+ Xác định mạch xử lý – điều khiển: Các linh kiện điện tử sử dụng, vẽ mạch nguyên lý, kết nối thành phần tín hiệu.