Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe eco đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

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 Đặt vấn đề 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa thực 1.6.Giới hạn đề tài CHƯƠNG 2: CUỘC THI XE SINH THÁI VÀ XE ECO 2.1 Giới thiệu Shell ECO Marathon 2017 luật chơi 2.1.1 Kích thước 2.1.2 Khung Sườn 2.1.3 Bán kính quay vịng 2.1.4 Hệ thống khí xả 2.1.5 Lối thoát vii 2.1.6.Thông gió 10 2.1.7.Vách ngăn động 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 hình thức thử nghiệm 13 3.1.1 Sơ đồ tổng quan 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 cơng suất xe 19 3.2.1 Inertia dynos 19 3.2.2 Steady state 19 3.3 Một số sản phẩm băng thử cơng suất thị trường ngồi nước 20 3.3.1 Các sản phẩm băng thử nước 22 3.3.2 Băng thử công suất xe hai bánh nước 22 CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 4.1 Đường đặc tính tốc độ động xăng 23 4.1.1 Đặc tính tốc độ động xăng 23 4.1.2 Một số điểm quan trọng đường đặc tính: 25 4.2 Sự truyền lượng xe 26 4.2.1 Sự truyền biến đổi lượng hệ thống truyền lực 26 viii 4.2.2 Sự biến đổi lượng hệ thống chuyển động 28 4.2.3 Sự tổn hao lượng truyền lượng xe 30 4.3 Nguyên lý đo công suất 31 4.3.1 Đối với chuyển động thẳng 31 4.4 Tính tốn ước lượng sơ để thiết kế 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 LabVIEW 43 5.2.1.2 Khởi động môi trường LabVIEW 45 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BĂNG THỬ 49 6.1 Tính tốn chọn chi tiết cụm tạo tải 49 6.1.1 Tính tốn chọn lăn 49 6.1.1.1 Chọn kiểu lăn 49 6.1.1.2 Chọn kết cấu lăn 50 6.1.1.3 Tính tốn kích thước, khối lượng rulo mơ men qn tính rulo 51 6.2 Thiết kế bố trí chung tạo tải 52 ix 6.2.1 Tính tốn cụm tạo tải 52 6.2.1.1 Tính tốn trục rulo 52 6.2.1.2 Tính tốn ổ bi 55 6.3 Tính tốn bền khung 57 6.3.1 Tính sức bền khung giá đỡ xe trước 57 6.4 Thiết kế mạch điện, lập trình Arduino thị LabVIEW 60 6.4.1 Thiết kế mạch điện 60 6.4.2 Lập trình Arduino 60 6.4.3 Hiển thị 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 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 thiết kế 3D solidworks 65 7.1.3 Hình ảnh thực tế toàn băng thử 66 7.2 Kết 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 x 7.2.3 Kết thử nghiệm băng thử 68 7.2.3.1 Sử dụng phương pháp thứ thử nghiệm 68 7.2.3.2 Sử dụng phương pháp thứ hai 71 7.2.3.3 So sánh hai đồ thị đưa kết 74 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 76 8.1 Kết luận: 76 8.2 Đề nghị: 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 xi 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 xii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Kích thước giới hạn xe Hình 2.2 Bố trí phận xe Hình 2.3 Điều kiện thiết kế khung sườn Hình 2.4 Bán kính quay vòng Hình 2.5 Tầm nhìn tài xế ……………… ………………….… Hình 2.6 Đặt lái bánh trước…………………………………………………………… … Hình 2.7: Tiêu chuẩn khí thải bố trí ống xả Hình 2.8 Bố trí cấu gài vỏ lối 10 Hình 2.9 Bố trí lỗ thơng gió 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 hệ thống thử nghiệm 13 Hình 3.2 Quá trình đo tĩnh stationary test 14 Hình 3.3 Đồ thị lực kéo cực đại tay số 16 Hình 3.4 Đồ thị tiêu hao nhiên liệu đo phương pháp dynamic test 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 hãng Dynojet 21 Hình 3.8 Băng thử hãng Mustang Dynamometer Nexion Dynamometer 21 Hình 4.1 Đường đặc tính ngồi động xăng không hạn chế tốc độ 24 Hình 4.2 Đường đặc tính ngồi động 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 lắp đặt khung thử 36 Hình 5.3 Cận cảnh Arduino Uno 38 Hình 5.1 Cửa số Getting Started LabVIEW 43 Hình 5.2 Cửa sổ Project Explorer 46 Hình 6.1 Sơ đồ khối thiết kế băng thử 47 xiii Hình 6.2 Loại 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 tốn đo công suất xe 59 Hình 6.10 Giao diện người dùng LabVIEW 61 Hình 6.11 Chương trình đo cơng suất phần mềm LabVIEW 61 Hình 7.1 Bản vẽ 2D lăn ( Rulo ) 62 Hình 7.2 Bản vẽ 2D khung gá đỡ xe ECO 63 Hình 7.3 Mô 3D băng thử phần mềm solidworks 64 Hình 7.4 Ảnh chụp thực tế toàn 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 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 thực nghiệm đo công suất hai phương pháp 74 xiv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các thông số cho phép Bảng 7.1 Số liệu tương ứng tốc độ xe công suất theo phương pháp 67 Bảng 7.2 Số liệu tương ứng tốc độ xe công suất theo phương pháp hai 69 xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề Là sinh viên trường, hiểu khó khăn khâu nghiên cứu thiết kế xe ECO ( thi lái xe sinh thái, tiết kiệm nhiên liệu Honda thi Shell ECOmarathon) nhóm thấy mặt hạn chế xe ECO, chưa biết rõ thơng số kỹ thuật động ( mô men xoắn cực đại, công suất cực đại ) phát số vòng quay tương ứng Để biết cơng suất xác xe có hướng nghiên cứu cách xác phù hợp với thi Vì lý nhóm chúng em định chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO” để làm đề tài tốt nghiệp với mong muốn cung cấp thơng tin xác động truyền động, tạo hệ thống thơng tin xác động cơ, để điều chỉnh thông số phù hợp với yêu cầu đặt thi Cung cấp biểu đồ xác cơng suất kéo động phát ra, từ cho phép đánh giá, kiểm định tình trạng kỹ thuật hệ thống truyền lực động xe ECO 1.2 Lý chọn đề tài Muốn góp phần tạo thiết bị để kiểm tra xác cơng suất kéo xe ECO, giúp nhóm tham gia thi xe sinh thái chủ động khâu nghiên cứu xe ECO tiết kiệm nhiên liệu, góp phần cho thi Shell ECO-marathon trường ta thành công tốt đẹp Với vấn đề trên, đề tài tốt nghiệp nhóm em tập trung giải vấn đề đặt Đề tài mong muốn hỗ trợ đội thi thi Shell ECO-marathon để theo dõi thông số cần thiết xe Và cuối để thi xe sinh thái trường ta dành thắng lợi lần thi đến 1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài, thiết kế tạo thiết bị đo vẽ biểu đồ công suất, mô men xoắn cực đại ứng với số vòng tua máy xe ECO, cung cấp cho người người dùng, thông số đo được, tính tốn hiển thị máy tính sử dụng hệ điều hành Windows nhờ CHƯƠNG 7: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM 7.1 Thi công 7.1.1 Vẽ thiết kế vẽ 2D 7.1.1.1 Con lăn Rulo Hình 7.1 Bản vẽ 2D lăn ( Rulo ) 62 7.1.1.2 Khung giá đỡ xe ECO Hình 7.2 Bản vẽ 2D khung gá đỡ xe ECO 63 7.1.2 Mơ thiết kế 3D solidworks Hình 7.3 Mô 3D băng thử phần mềm solidworks 64 7.1.3 Hình ảnh thực tế tồn băng thử Hình 7.4 Ảnh chụp thực tế tồn băng thử 7.2 Kết đo thực nghiệm Trong nội dung mục trình bày kết nối thiết bị lên băng thử, bước tiến hành thí nghiệm, kết đo đem so sánh với kết thực tế  Mục đích nội dung thử nghiệm:  Xác định đường đặc tính cơng suất kéo xe mơ men  So sánh đánh giá kết so với thông số xe  Thiết bị đối tượng thí nghiệm  Thiết bị thí nghiệm: Băng thử chế tạo  Đối tượng thí nghiệm: Xe tiết kiệm nhiên liệu 65 7.2.1 Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm Giắc USB nối với máy tính Giắc cảm biến Hộp điều khiển xử lí … Cảm biến gắn khung Màn hình hiển thị số liệu Hình 7.5 Sơ đồ 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 Bước 1: Đặt xe lên băng thử, cho hai bánh trước lên hai gá đỡ cố định thân xe Kết nối thiết bị đo khởi động chương trình đo 66 Bước 2: Khởi động hâm nóng động cho chạy hoạt động ổn định Bước 3: Cho bướm ga mở tới tốc độ xe đạt khoảng 50km/h (vì xe tiết kiệm nhiên liệu thiết kế với công suất tối ưu phù hợp cho hoạt động xe nên ta đo dải đo thấp an toàn) Bước 4: Khi xe đạt tới cơng suất tối đa thả từ từ bướm ga bướm ga đóng hồn toàn tắt máy Bước 5: Xuất đồ thị cơng suất xe vừa đo Xử lí số liệu Điều chỉnh cấu xe tiếp tục thử nghiệm đo để tìm cơng suất tối ưu 7.2.3 Kết thử nghiệm băng thử Kết thực nghiệm xe tiết kiệm nhiên liệu với góc mở bướm ga lên khoảng 50km/h Ta sử dụng hai cách đo nêu mục để thử nghiệm 7.2.3.1 Sử dụng phương pháp thứ thử nghiệm Phương pháp ta tính gia tốc góc hai điểm liền kề, sau tính mơ men quay nhân với vận tốc góc thời điểm để tính cơng suất Ta bảng số liệu: Bảng 7.1 Số liệu tương ứng tốc độ xe công suất theo phương pháp ωxe (vòng/phút) ∆t(s) P(kW) 11.96 51308 0.115 13.15 46708 0.1375 14.25 43044 0.165 14.83 41364 0.1775 15.23 40216 0.1825 67 16.22 37788 0.2125 16.75 36612 0.2275 17.12 35848 0.2325 19.58 31340 0.31 20.07 30612 0.3275 21.5 28560 0.3775 21.71 28260 0.385 22.85 26876 0.43 24.12 25448 0.475 24.29 25256 0.4825 24.9 24644 0.505 25.35 24216 0.525 25.47 24084 0.5325 26.05 23548 0.555 26.5 23160 0.575 26.62 23072 0.585 27.23 22548 0.6075 27.6 22236 0.615 28.63 21432 0.6725 68 29.69 20672 0.72 30.67 20024 0.765 31.62 19420 0.815 32.56 18852 0.88 33.21 18476 0.9075 33.42 18372 0.9175 34.24 17928 0.9575 35.06 17520 1.015 35.79 17152 1.055 36.53 16800 1.0975 37.27 16476 1.14 38.01 16152 1.1825 38.74 15852 1.2475 39.4 15580 1.28 40.14 15296 1.325 40.79 15056 1.3725 42.14 14572 1.455 42.72 14368 1.505 44.03 13948 1.59 69 45.25 13568 1.68 46.48 13208 1.77 47.63 12896 1.8625 1.8 Công suất P (kW) 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 Tốc độ xe (vịng/phút) Hình 7.7 Đồ thị thực nghiệm cơng suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương pháp 7.2.3.2 Sử dụng phương pháp thứ hai Phương pháp tính cơng thực khoảng thời gian, suy công suất Bảng 7.2 Số liệu tương ứng tốc độ xe công suất theo phương pháp hai ωxe (vòng/phút) ∆t(s) 12.28 P(kW) 50025 0.1175 70 13.44 45700 0.1425 14.27 43041 0.165 14.87 41300 0.1775 15.28 40191 0.1875 16.26 37784 0.215 16.83 36500 0.2275 17.06 36000 0.235 19.6 31339 0.315 20.06 30620 0.33 21.54 28519 0.375 21.69 28320 0.385 22.86 26876 0.4275 24.19 25400 0.4775 24.33 25244 0.4875 24.89 24677 0.5075 24.92 24654 0.515 25.48 24111 0.535 25.98 23650 0.555 26.2 23444 0.5675 71 26.71 23001 0.5875 27.35 22458 0.61 27.77 22123 0.6275 27.92 21999 0.66 28.95 21222 0.7025 30.71 20001 0.775 31.47 19520 0.815 32.47 18920 0.8725 33.49 18345 0.91 33.58 18296 0.9225 34.22 17954 0.9625 35.02 17543 1.01 35.9 17111 1.0575 36.48 16842 1.0975 37.24 16496 1.145 37.92 16200 1.1925 38.4 15999 1.2325 39.08 15720 1.265 40.02 15352 1.3225 72 40.86 15036 1.3775 41.76 14711 1.4475 43.07 14262 1.5225 44.02 13954 1.5975 44.66 13756 1.665 46.19 13300 1.7675 48.13 12764 1.8875 48.5 12666 1.95 2.5 Công suất P (kW) 1.5 0.5 0 10 20 30 40 50 60 Tốc độ xe(vịng/phút) Hình 7.8 Đồ thị thực nghiệm cơng suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương pháp hai 73 So sánh hai đồ thị đưa kết 7.2.3.3 2.5 Công suất P(kW) Phương pháp thứ 1.5 Series1 Series2 Phương pháp thứ 0.5 0 10 20 30 40 50 60 Tốc độ xe(vịng/phút) Hình 7.9 Đồ thị so sánh kết thực nghiệm đo công suất hai phương pháp Từ đồ thị ta thấy đường biễu diễn công suất hai phương pháp đo gần giống nên ta xác định hai phương pháp tính có mối quan hệ với  Kết luận: Từ bảng liệu cho ta thấy công suất tối đa bướm ga mở với tốc độ xe khoảng 50 km/s Pmax= 1,9 kW Lưu ý công suất công suất xe (bánh xe tác động lên Rulo) chưa phải cơng suất động Cơng suất động cao thông số tổn hao công suất từ động truyền tới bánh xe hệ thống truyền lực, ma sát bánh xe với Rulo,… 74 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 8.1 Kết luận: Sau tháng nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp, cố gắng nhóm với hướng dẫn tận tình GVHD ThS.Nguyễn Trọng Thức, nhóm thực hồn thành đưa sản phẩm cuối thử nghiệm thành công điều kiện thực tế Đề tài mang lại cho chúng em trải nghiệm mới, kiến thức mà trình tự tìm hiểu, tự nghiên cứu có Đây tiền đề quan trọng để thành viên nhóm tích lũy kiến thức mới, kĩ chuẩn bị hành trang bước vào doanh nghiệp Kết tạo sản phẩm thiết bị đo công suất xe ECO hiển thị công suất mô men xoắn số vịng quay xe lên máy tính 8.2 Đề nghị: Để băng thử đáp ứng tốt với nhu cầu thực tiện nâng cao tính hoạt động băng thử xin đề xuất số hướng phát triển đề tài:  Nâng cấp băng thử để đo cơng suất xe bánh, xe gắng máy  Nghiên cứu thiết bị vừa đo cơng suất động vừa đo công suất kéo xe từ tính cơng suất tổn hao hệ thống truyền lực xe  Thay tạo tải thay đổi tự động điều chỉnh tải theo giá trị vận tốc xe đặt trước  Mở rộng thêm số thử nghiệm hệ thống khác xe hai bánh thử phanh, thử đèn, kiểm tra hệ thống treo xe… Để băng thử ứng dụng cho việc kiểm định hoàn thiện xe 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết ôtô máy kéo, nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 1998 [2] DTEC, Inertia Dynamometer Design (DIY Dyno) [3] Nguyễn Văn Mạnh, nghiên cứu thiết kế băng thử công suất kéo xe hai bánh, năm 2013 [4] Wikipedia.com [5].https://forums.ni.com/t5/LabVIEW-Vietnam/Gi%C3%A1o-tr%C3%ACnh-quotL%E1%BA%ADp-tr%C3%ACnh-LabVIEW-c%C4%83n-b%E1%BA%A3n-quot/gpmp/3379778 [6].http://ktmt.github.io/blog/2013/05/21/co-ban-ve-arduino-platform-for-physicalcomputing/ [7] Nguyễn Sĩ Dũng, Sức bền vật liệu, nhà xuất trường đại học Công nghiệp TP HCM, năm 2006 [8] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Ẫm, Thiết kế chi tiết máy, nhà xuất Giáo Dục, năm 1999 76 ... hiểu thơng số kỹ thuật số xe ECO sau thi, từ tính tốn thiết kế chọn chi tiết cho băng thử Thiết kế chế tạo băng thử từ tính tốn thiết kế ban đầu Thực nghiệm đánh giá mức độ đáp ứng thiết kế điều... cấp băng thử xe hai bánh gồm nhiều chủng loại thiết bị nhập ngoại Hiện băng thử công suất kéo xe hai bánh nước ta chế tạo thành công trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Đại học Bách khoa TP HCM Băng. .. thấy xe có cơng suất động kW chiều dài xe 2,7 m nên băng thử thiết kế đo cơng suất kéo xe có cơng suất động kW chiều dài xe 2,7 m Thiết kế kỹ thuật cho cụm băng thử, tính tốn kỹ thuật chi tiết băng