KHẢO SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN B9450

- Mất cân bằng tĩnh: + Xét một đĩa tròn khối lượng M có trục quay đi qua trọng tâm đĩa và vuông góc với mặt đĩa.. - Mất cân bằng động thuần túy: Đối với vật quay có chiều dày lớn, ngay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN ĐÀO Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Niên khóa: 2006 – 2010

Tháng 7 / 2010

KHẢO SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN MÁY CÂN

BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450 

Tác giả

NGUYỂN VĂN ĐÀO

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành

Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:

Th.s Bùi Công Hạnh

Tháng 7 / 2010

Với một lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn đến:

- Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ

- Toàn thể quý Thầy, Cô đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong quá trình học tập Đặc biệt là Thầy, Cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động

- Thầy Th.s Bùi Công Hạnh, người đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài, truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm cho em thực hiện tốt đề tài này

- Tất cả các bạn đã giúp đỡ để hoàn thành đề tài

Quá trình thực hiện đề tài với sự nỗ lực hết mình nhưng không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong sự thông cảm và đóng góp của quý Thầy, Cô và các bạn Gửi lời chúc sức khỏe tới Thầy, Cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn:

Nguyễn Văn Đào

TÓM TẮT

1 Tên đề tài:

Ứng dụng điều khiển tự động trên máy cân bằng động bánh xe ô tô

2 Thời gian và địa điểm:

- Thời gian: từ tháng 4 – 2010 đến tháng 6 – 2010

- Địa điểm: Đề tài được thực hiện tại xưởng thực hành – thí nghiệm ô tô, bộ môn Công nghệ Ô tô, khoa Cơ Khí - Công Nghệ, trường Đại Học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh

3 Mục đích đề tài:

Đề tài được thực hiện với mục đích như sau:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, nguyên lý cấu tạo máy cân bằng động bánh xe ô tô

- Khảo sát ứng dụng điều khiển tự động vào các chức năng của máy cân bằng động bánh xe ô tô

- Phân tích hệ thống điện tử - tự động trên máy cân bằng động bánh xe ô tô BANLCO – 9450 của nhà sản xuất John Bean

4 Phương tiện làm việc:

- Máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean B9450

- Các phương tiện hỗ trợ: Đồng hồ VOM, máy vi tính, Oscilloscope,…

MỤC LỤC

Trang

LỜI TỰA i

CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH vii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC ĐÍCH 1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2

2.1 NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG MÁY 2

2.1.1 Các trạng thái mất cân bằng của vật quay: 2

2.1.2 Cân bằng động vật quay 4

2.1.3 Nguyên tắc cân bằng động vật quay 4

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE 8

2.2.1 Lốp xe 8

2.2.2 Vành xe 9

2.2.3 Thế nào là mất cân bằng động bánh xe ô tô 10

2.2.4 Nguyên nhân gây ra mất gân bằng động ở bánh xe ô tô 11

2.2.5 Tại sao phải cân bằng cho bánh xe ô tô 11

2.3 MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE Ô TÔ 11

2.3.1 Định nghĩa: 11

2.3.2 Nguyên lý hoạt động: 11

2.4 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE ÔTÔ 12

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

3.1 BỐ TRÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 14

3.1.1 Địa điểm: 14

3.1.2 Thời gian: 14

3.2 PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 14

3.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 14

3.3.1 Phương pháp lý thuyết: 14

3.3.2 Phương pháp thực nghiệm: 14

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

4.1 MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450 20

4.1.1 Giới thiệu: 20

4.1.2 Sơ lược về cấu tạo: 22

4.2 MỘT SỐ CHI TIẾT ĐẶC BIỆT 23

4.2.1 Giá đỡ trục: 23

4.2.2 Cơ cấu chấp hành: 23

4.3 THÀNH PHẦN TÍN HIỆU 27

4.3.1 Cảm biến áp điện piezo (Piezoelectric sensor): 27

4.3.2 Encoder quang (Optical encoder): 34

4.3.3 Cảm biến nhiệt LM75 (Digital Temperature Sensor): 39

4.3.4 Cảm biến nhiệt KTY81 – 220 (Temprature silicon sensor): 41

4.3.5 Công tắc hành trình (Limit switch): 42

4.4 HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450 43

4.4.1 Giới thiệu mạch điện - điện tử 43

4.4.2 Mạch bảo vệ, cấp nguồn 220/240 VAC: 43

4.4.3 Mạch nguồn vi điều khiển, Cảm biến, nguồn cấp cho các IC: 44

4.4.4 Mạch nguồn 220 VAC - DC CAO ÁP: 44

4.4.5 Khối công suất: 46

4.4.6 Mạch xử lý – điều khiển: 47

4.4.7 Màn hình giao tiếp – hiển thị 48

4.4.8 Thước đo khoảng cách trục tới bánh xe: 51

4.5 AN TOÀN VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ MÁY 53

4.5.1 An toàn vận hành máy cân bằng động bánh xe ô tô B9450 53

4.5.2 Bảo trì máy cân bằng động bánh xe ô tô B9450 53

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 55

5.1 KẾT LUẬN 55

5.2 ĐỀ NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

LS TTL: Low power Schottky Transistor – Transistor Logic

I2C: Inter - Integrated Circuit

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Mô tả trạng thái mất cân bằng tĩnh 2

Hình 2.2: Mô tả trạng thái mất cân bằng động thuần túy 3

Hình 2.3: Thí nghiệm mất cân bằng động thuần túy 3

Hình 2.4: Chia khối lượng trên vật quay chiều dày nhỏ 5

Hình 2.5: Thí nghiệm cân bằng tĩnh 6

Hình 2.6: Vật quay có chiều dày lớn 7

Hình 2.7: Thí nghiệm cân bằng vật quay có chiều dày lớn 7

Hình 2.8: Cấu tạo lốp xe ô tô 8

Hình 2.9: Ký hiệu và các kích thước lốp xe ô tô 9

Hình 2.10: Ký hiệu và các kích thước vành 9

Hình 2.11: Sự mất cân bằng trên bánh xe ô tô 10

Hình 2.12: Một số máy cân bằng động bánh xe tháo rời bánh 12

Hình 2.13: Máy cân bằng bánh xe không tháo rời 13

Hình 3.1: Cách lắp bánh xe lên máy cân bằng 15

Hình 3.2: Đo khoảng cách từ máy tới bánh xe 16

Hình 3.3: Cấu trúc màn hình 17

Hình 3.4: Tháo nắp bảo vệ máy 18

Hình 3.5: Tháo bộ mạch điện – điện tử 19

Hình 3.6: Tháo rời mạch điện – điện tử 20

Hình 4.1: Máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean – B9450 21

Hình 4.2: Cấu tạo máy cân bằng động bánh xe ô tô B9450 22

Hình 4.3: Giá đỡ trục 23

Hình 4.4: Cấu trúc cơ cấu chấp hành 24

Hình 4.5: Vị trí cơ cấu chấp hành 24

Hình 4.6: Động cơ 25

Hình 4.7: Nguyên lý cấu tạo động cơ AC 1 pha 26

Hình 4.8: Nguyên lý đảo chiều động cơ 26

Hình 4.9: Bố trí cơ cấu phanh (phanh chân) 27

Hình 4.10: Hiệu ứng Piezo 28

Hình 4.11: Mô phỏng chuyển đổi áp điện piezo 28

Hình 4.12: Cấu trúc Cảm biến piezo 29

Hình 4.13: Các hướng tác dụng lực 30

Hình 4.14: Sự đảo cực của tinh thể theo hướng tác dụng lực 31

Hình 4.15: Mạch nguyên lý cảm biến piezo 31

Hình 4.16: Cơ cấu lực tính toán cân bằng động bánh xe 32

Hình 4.17: Vị trí đặt cảm biến piezo trên máy B9450 33

Hình 4.18: Cơ cấu cảm biến piezo trên máy 34

Hình 4.19: Encoder quang (Optical encoder) 35

Hình 4.20: Bộ đọc tín hiệu HEDR 8000 35

Hình 4.21: Mô tả tín hiệu xung 2 kênh A, B 36

Hình 4.22: Sơ đồ chân 74HC14 36

Hình 4.23: Mô tả tín hiệu vào/ra trên các kênh của 74HC14 37

Hình 4.24: Tính góc của khối lượng mất cân bằng qua encoder 37

Hình 4.25: Đò tìm vị trí mất cân bằng trên hai mặt bánh xe 38

Hình 4.26: Mạch tích hợp đầu đọc của Encoder quang 38

Hình 4.27: Mô tả cảm biến nhiệt LM75A 39

Hình 4.28: Mô tả IC 24LC32A 40

Hình 4.29: Mạch tích hợp LM75A 40

Hình 4.30: Vị trí Encoder và LM75A trên máy 41

Hình 4.31: Cảm biến nhiệt KTY81 - 220 41

Hình 4.33: Mạch điện - điện tử 43

Hình 4.34: Mạch Bảo vê, cấp nguồn 220 VAC 44

Hình 4.35: Khối nguồn 220VAC - DC CAO ÁP, khối công suất 44

Hình 4.36: Mạch cấp nguồn 220 VAC - DC cao áp và mạch công suất 45

Hình 4.37: Kết nối HCPL - 314J 46

Hình 4.38: Kết nối TPIC 2791N 46

Hình 4.39: Cấu trúc mạch xử lý – điều khiển 47

Hình 4.40: Mạch xử lý – điều khiển 48

Hình 4.41: Màn hình giao tiếp – hiển thị 49

Hình 4.42: Cấu trúc màn hình 50

Hình 4.43: Thước đo khoảng cách từ máy tới bánh xe 51

Hình 4.44: Cấu tạo nguyên lý thước đo 51

Hình 4.45: Cấu tạo thước đo 52

Hình 4.46: Biến trở xoay 52

- Một trong những yếu tố cần quan tâm đó là sự ổn định của các bánh xe khi chuyển động Đây là yếu tố có ảnh hưởng tới cả quá trình chuyển động của xe, cũng như ảnh hưởng tới các chi tiết trên xe Vì vậy việc các nhà sản xuất cho ra đời máy cân bằng bánh xe ô tô, là một công cụ có ý nghĩa rất lớn trong quy trình sản xuất ra một chiếc xe đảm bảo an toàn đạt tiêu chuẩn, cũng như quá trình bảo dưỡng và sửa chữa

- Công việc cân bằng động bánh xe bằng thủ công rất khó để xác định được khối lượng và vị trí mất cân bằng Do đó áp dụng công nghệ điện tử - tự động vào cân bằng động bánh xe cho ta một kết quả chính xác và nhanh nhất

1.2 MỤC ĐÍCH

- Được sự cho phép của ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí - Công Nghệ và được sự hướng dẫn của Thầy Th.s Bùi Công Hạnh Từ điều kiện trên cho nên tôi thực hiện đề tài: “Ứng dụng điều khiển tự động trên máy cân bằng động bánh xe ô tô”

Với mục đích như sau:

+ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, nguyên lý cấu tạo máy cân bằng động bánh xe ô tô + Khảo sát ứng dụng điều khiển tự động vào các chức năng của máy cân bằng động bánh xe ô tô

+ Phân tích hệ thống điện tử - tự động trên máy cân bằng động bánh xe ô tô B9450 của nhà sản xuất John Bean

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 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 hỗn hợp (Mất cân bằng động)

- Mất cân bằng tĩnh:

+ Xét một đĩa tròn khối lượng M có trục quay đi qua trọng tâm đĩa và vuông góc

với mặt đĩa Khi cho đĩa quay quanh trục, các phần tử trên đĩa gây ra những lực quán tính hoàn toàn cân bằng nhau, không có lực tác dụng lên trục ngoại trừ bản thân trọng lượng 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

+

m M

- Mất cân bằng động thuần túy:

Đối với vật quay có chiều dày lớn, ngay khi trọng tâm nằm trên trục quay, vẫn có thể còn 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

+ Khi vật quay với vận tốc góc ω, sinh ra một lực quán tính ly tâm là:

2 1 1 1

r m p

r m p

qt qt

+ Hai lực này tạo nên một ngẫu lực:

0

2 1

≠ +

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 được gọi là có chiều dày nhỏ khi kích thước hướng trục tương đối nhỏ so với kích thước hướng kính, sao cho có thể giả thiết khối lượng vật quay phân bố trên một mặt phẳng vông góc với trục quay

- Nguyên tắc cân bằng: Vật có chiều dày nhỏ mất cân bằng là do trọng tâm của chúng không trùng với trục quay Khi làm việc phát sinh lực quán tính ly tâm tác dụng lên trục làm vật mất cân bằng tĩnh Do đó thực chất của việc cân bằng là phân bố lại khối lượng sao cho trọng tâm của vật về trùng với tâm quay để khử lực quán tính ly tâm sinh ra khi làm việc

ƒ Chứng minh:

Xét một vật quay gồm các khối lượng m i (i = 1,2,…) có trọng tâm nằm ở các nút

vector bán kính ri

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

r m

i

i i

+ Để cân bằng cần thêm vào một khối lượng m tại bán kính r sao cho lực quán tính ly

r m

p = ), cân bằng với lực quán tính ly tâm do khối lượng m i

sinh ra

0 2

= +

= +∑ p m r ω ∑ m r ω

+ 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

r m r

m r

i

i i

+ Trong đó:

9 Tổng ∑ miri 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

9 Trường hợp vật quay có chiều dày nhỏ (cân bằng tĩnh), ta chỉ cần thêm ít nhất một đối trọng và chỉ tiến hành 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 Ứng với vị trí i, ta đặt một đối trọng m i tại nút có bán kính r, sao cho vật quay chuyển động khối lượng m i được ghi và thiết lập thành đồ thị Xem (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

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

= + +

=

− +

Mgr

m Mgr M

ms G

G ms

gr

gr

(2.16)+ Xác định được khối lượng mất cân bằng:

2 ) (mmax mmin r

MrG= − (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: ω2

r m

i

=

+ Chia lực pi 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

p p p

II i II i

I i I i

II i

I i i

) ( ) ( ) )

) ( )

Đây là cơ sở lý thuyết cho nguyên lý chế tạo máy cân bằng động bánh xe ô tô

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE

2.2.1 Lốp xe

Lốp xe là bộ phận duy nhất của xe tiếp xúc với mặt đường, qua đó nó truyền lực dẫn động từ động cơ và lực phanh từ bàn đạp phanh tới mặt đường, điều khiển và chi phối toàn bộ quá trình di chuyển của xe Ngoài ra nó còn đỡ toàn bộ trọng lượng của xe và làm giảm chấn động do các mấp mô từ mặt đường gây ra nhờ chứa không khí có áp suất cao bên trong

- Phân loại: Trên thị trường hiện nay có nhiều loại lốp nhưng nhìn chung có thể chia thành các loại như lốp có săm hoặc không có săm (săm được thay bằng một lớp cao su đặc biệt lót trong để làm kín); lốp bố tròn hay lốp bố chéo…

- Các loại lốp trên đều có cùng cấu tạo gồm : Hoa lốp, lớp đai (lớp lót 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 có nhiều kích cỡ, hình dạng khác nhau tuỳ thuộc vào từng loại xe và đặc tính sử dụng của nó Các kính cỡ, tính năng và hình dạng thường được ghi ngay trên 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:

195 là chiều rộng lốp là (mm); 60 là tỷ lệ chiều cao/chiều rộng (%); R là loại lốp bố tròn; 15 là đường kính vành lốp là (inch); 86 là khả năng chịu tải (chỉ số chịu tải tương đương với 530 kg); H là tốc độ lớn nhất cho phép (tương đương khoảng 210 km/h)

Hình 2.9: Ký hiệu và các kích thước lốp xe ô tô

Ví dụ trên vành xe bằng nhôm đúc có ghi kích thước như sau: 14 x 5 1/2 JJ 45 trong đó: 14 là đường kính vành (inch); 5 1/2(5,5) là chiều rộng vành (inch); 45 là độ lệch bánh xe (mm), JJ là hình dạng mặt bích vành (hoặc J tuỳ theo hình dạng mặt bích vành bánh xe, gờ vai của JJ cao hơn J một chút, nó giúp cho lốp ít có khả năng bị tuột ra)

2.2.3 Thế nào là mất cân bằng động bánh xe ô tô

- Là hiện tượng mà khi bánh xe quay ở tốc độ cao do các phần khối lượng không cân bằng của bánh xe sẽ gây nên lực ly tâm, sinh ra sự dao động lớn của bánh xe theo phương hướng kính Sự biến dạng ở vùng này của bánh xe sẽ thu nhỏ bán kính tại vùng khác trên chu vi, tạo nên sự biến đổi bán kính bánh xe tạo nên rung động Trên bánh xe dẫn hướng người lái cảm nhận qua vành lái (vô - lăng) Còn trên bánh xe không dẫn hướng tạo nên sự rung động lên thân xe gần giống xe chạy trên đường mấp

mô dạng sóng liên tục

- Sự mất cân bằng bánh xe là một yếu tố tổ hợp bởi: Sự không cân bằng của bánh

xe (lốp, săm (nếu có), vành), moay - ơ, tang trống hay đĩa phanh… Nhưng chịu ảnh hưởng lớn hơn cả là của cả bánh xe (trọng lượng lớn và khối lượng phân bố xa tâm hơn)

Hình 2.11: Sự mất cân bằng trên bánh xe ô tô

Có thể hình dung sự mất cân bằng bánh xe như sau: Bánh xe đặt trên trục dạng công – sôn nhờ hai ổ bi Do có sự mất cân bằng nên khi quay bánh xe quanh trục xuất hiện lực ly tâm làm cho tâm trục bị cong, mặt phẳng bánh xe bị đảo Nhưng vì sự thay đổi vị trí của phần không cân bằng theo góc quay bánh xe nên trục quay bánh xe bị ngoáy tròn, tạo nên sự rung ngang bánh xe rất lớn đồng thời dẫn đến thay đổi đường kính bánh xe theo chu kỳ quay của chúng Sự mất cân bằng dẫn tới biến dạng trục

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

- Tuy quá trình sản xuất Vành, Lốp xe bằng công nghệ đúc áp lực cao, song không tránh khỏi hiện tượng phân bố khối lượng không đều, sủi bọt xốp, hình dáng không tròn đều… của 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 là một cụm quan trọng trong ôtô Với vận tốc nhỏ ảnh hưởng của sự mất cân bằng là không đáng kể Nhưng với ô tô con chạy tốc độ cao sẽ gây nên rung động lớn, gây ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động sẽ là nguyên nhân phá hỏng chi tiết như gối đỡ, trục, ổ lăn…

- Với những tác hại như trên thì công việc cân bằng bánh xe trước khi đưa vào sử dụng, hay cân bằng bánh xe định kỳ là cực kì quan trọng, là công việc cần thiết trong quá trình lắp ráp, cũng như quá trình bảo dưỡng…

- 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

- Do đó việc cân bằng bánh xe là công đoạn quan trọng cuối cùng trong dây chuyền sản xuất một chiếc xe hoàn chỉnh, cũng như quá trình bảo dưỡng, sửa chữa định kì cho xe

2.3 MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE Ô TÔ

2.3.1 Định nghĩa:

Máy cân bằng bánh xe ô tô là một thiết bị có khả năng phát hiện được vị trí và khối lượng mất cân bằng trên bánh xe khi quay ở một tốc độ nhất định Giúp cân chỉnh lại khối lượng phân bố trên bánh xe Là thiết bị có ứng dụng tự động hóa cao, được sử dụng nhiều trong nhà máy sản xuất ô tô, các xưởng sửa chữa, bảo dưỡng ô tô…

2.3.2 Nguyên lý hoạt động:

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

tâm không đều, mô – men quán tính Lực quán tính ly tâm biến thiên theo chu kì là nguyên nhân gây ra hiện tượng rung, tác động lên các cảm biến, bộ xử lí sẽ xử lí tín hiệu cho ra kết quả cần thiết

Đối với bánh xe ô tô thì ta xét nó là một vật có chiều dày lớn Khi đó bài toán cân bằng bánh xe ô tô sẽ trở thành bài toán cân bằng vật quay chiều dày lớn Sự mất cân bằng sẽ xét trên hai mặt của bánh xe (thường lấy hai mặt chứa đường mép vành

(Rim)) Xem mục 2.1.3.2.

2.4 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE ÔTÔ

- Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng sản suất máy cân bằng bánh xe ô tô như:

Heshbon – Hàn Quốc, John Bean – Mỹ, CEEGOS - Trung Quốc,… Với những sản phẩm ứng dụng kỹ thuật cao, hiện đại và dễ dàng sử dụng cho việc cân bằng bánh xe ô

tô một cách chính xác.

- 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 những ứng dụng tự động hóa cao Song chúng ta chia ra làm hai loại chính đó là: 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

- Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 4 đến tháng 6 năm 2010

- Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên phạm vi đề tài tập trung vào nghiên cứu khảo sát nguyên lí hoạt động, nguyên lí cấu tạo, các ứng dụng tự động hóa trên máy cân bằng động bánh xe (máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean B9450)

3.2 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,

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:

¾ Bước 1: Gắn bánh xe lên trục máy

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

¾ Bước 2: Cấp nguồn cho máy, bật công tắc nguồn

¾ Bước 3: Nhập các thông số ban đầu

- Sau khi cấp nguồn, đợi cho máy chạy xong và trong tình trạng sẵn sàng hoạt động

ta nhấn nút “Stop” và tiến hành nhập các thông số đầu vào

- 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

¾ Bước 4: Đóng nắp an toàn tiến hành cân bằng:

- Máy sẽ tự động chạy cân bằng, sau khi cân bằng xong, còi sẽ báo, khi đó màn hình sẽ hiển thị giá trị mất cân bằng trên hai mặt của bánh xe (trong và ngoài)

- Trong trường hợp có sự cố xảy ra khi bánh xe quay ta nhấn nút “Stop” để dừng khẩn cấp động cơ

¾ Bước 5: Khi máy cân bằng xong đọc giá trị mất cân bằng tiến hành dò tìm 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 tìm được khi 6 đèn báo dò tìm và đèn báo vị trí mất cân bằng đều sáng, khi đó ta đạp phanh và tiến hành gắn chì với khối lượng đã xác định

- Khi tìm được vị trí điểm mất cân bằng thì đạp phanh cố định bánh và gắn chì (có kối lượng bằng khối lượng mất cân bằng trên mặt)

¾ Bước 6: Tiến hành cân bằng lại sau khi đã gắn chì, lặp lại cho tới khi giá trị mất

cân bằng bằng 0

- Màn hình điều khiển:

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…

- Tiến hành tháo nắp bảo vệ máy:

¾ Bước 1: Tháo màn hình: màn hình lắp đặt dưới dạng dán nên dùng tay giở nhẹ

lên phía trên (hướng mũi tên), sau đó rút cáp màn hình và dây nối đất của màn hình, đưa màn hình ra ngoài

¾ Bước 2: Tháo các 4 vít của nắp bảo vệ (dùng tua vít 4 chấu), giở nhẹ nắp bảo vệ

hướng lên trên, khi đó ta sẽ quan sát được toàn bộ cấu tạo bên trong của máy

Hình 3.4: Tháo nắp bảo vệ máy

- Tháo bộ mạch điện – điện tử: Sau khi tháo nắp bảo vệ máy, sẽ quan sát được hết cấu trúc bên trong của máy, trong đó có bộ mạch điện – điện tử

¾ Bước 1: tháo nắp hộp bảo vệ mạch điện – điện tử (dùng cờ lê số 8, tháo 1 bulông

nắp)

¾ Bước 2: Tháo các dây cáp động cơ, cáp công tắc hành trình, cáp màn hình, cáp

các cảm biến, cáp thước, dây nối đất của thân máy, dây cấp nguồn 220V

¾ Bước 3: Tháo 3 bulông giữ hộp bảo vệ (dùng cờ lê số 8, 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

- Tháo rã bộ mạch điện – điện tử:

¾ Bước 1: Tháo các dây cấp nguồn 220V, dây tụ động cơ, cáp mạch xử lý

¾ Bước 2: Tháo 4 vít mạch xử lý (dùng tua vít 4 chấu), ta sẽ có bo mạch xử lý

¾ Bước 3: Tháo 5 vít bo mạch chính (dùng tua vít 4 chấu), khi đó ta đã tháo ra

hoàn toàn 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 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:

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450

4.1.1 Giới thiệu:

Máy cân bằng động bánh xe ô tô B9450 Do công ty John Bean sản xuất Đây là công ty đa quốc gia chuyên sản xuất các thiết bị kiểm định, đo lường ô tô công nghệ

cao John Bean được tập đoàn Snap – on Equipment của Mỹ mua lại năm 1996 Ngày nay nó vẫn giữ được thương hiệu của mình

Máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean – B9450 lắp đặt ở xưởng thực hành – thí nghiệm ô tô, khoa Cơ Khí - Công Nghệ được sản xuất tại Trung Quốc

Hình 4.1: Máy cân bằng động bánh xe ô tô John Bean – B9450

- Chiều rộng mâm bánh xe: 13 - 20’’

- Đường kính mâm bánh xe: 8 - 25’’

- Trọng lượng máy: 104 kg

- Kích thước máy (mm):

1180 x 760x 940

4.1.2 Sơ lược về cấu tạo:

- Cũng như các loại máy cân bằng động khác, máy cân bằng động bánh xe ô tô có cấu tạo gồm các phần chính là: Thân máy, cơ cấu chấp hành, bộ mạch điện – điện tử

và thành phần tín hiệu

+ Mô tả cấu tạo của máy cân bằng động bánh xe B9450:

Hình 4.2: Cấu tạo máy cân bằng động bánh xe ô tô B9450

6: Cảm biến áp điện Piezo

7: Cảm biến nhiệt KTY81- 220

8: Encoder và cảm biến nhiệt LM75

4.2 MỘT SỐ CHI TIẾT ĐẶC BIỆT

4.2.1 Giá đỡ trục:

- Là chi tiết gắn động cơ, trục quay gắn bánh xe và các cảm biến

- Rung động do bánh xe gây ra khi quay sẽ là tín hiệu cho cảm biến piezo Do đó

nó được thiết kế sao cho hạn chế được sự truyền rung động truyền lên thân máy khi bánh xe quay, cảm biến sẽ nhận được tín hiệu cao nhất để hạn chế được sai số kỹ thuật cho giá trị mất cân bằng trên bánh xe

Hình 4.4: Cấu trúc cơ cấu chấp hành

8: Cảm biến piezo

9: Bi tạo tác động cho cảm biến piezo

10: Đai ốc siết lực cảm biến piezo

11: Bu-lông siết lực cảm biến piezo

12: Vít siết cảm biến piezo

13: Tấm giữ cảm biến piezo

- Cấu tạo động cơ không đồng bộ một pha bao gồm hai phần Stato và Roto Stato

của loại động cơ này gồm hai cuộn dây W A và W B đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo ra từ trường quay

Hình 4.6: Động cơ

+ Sơ đồ cuộn dây của động cơ:

đất, trong đó:

Dây số 1 là dây chung

Dây số 2 là dây cuộn WB

Dây số 3 là dây cuộn WA

Hình 4.7: Nguyên lý cấu tạo động cơ AC 1 pha

- Đảo chiều động cơ:

Để đảo chiều quay động cơ, ta sử dụng loại động cơ có hai cuộn dây giống nhau

WA ≈WB Sơ đồ mắc: Xem (hình 4.7):

+ Khi chạy theo chiều “thuận” cuộn W A là cuộn chạy, cuộn W B là cuộn khởi động

+ Khi chạy theo chiều “nghịch” cuộn W B là cuộn chạy, cuộn W Alà cuộn khởi động

Hình 4.8: Nguyên lý đảo chiều động cơ

4.2.2.2 Truyền động đai:

+ Để hạn chế rung động từ trục lên động cơ, hay ngược lại ta dùng hệ truyền động đai mềm (loại đai có rãnh dọc giúp đai không bị trượt khỏi tang khi chuyển động.)

+ Có tỷ số truyền i = 2,5/17

4.2.2.3 Cơ cấu phanh cơ:

+ Cơ cấu phanh chân sử dụng để cố định bánh xe khi đã xác định được vị trí mất cân bằng, giúp ta gắn đối trọng đúng vị trí, cơ cấu tác động bằng chân

+ Kết cấu bộ phanh cơ:

Hình 4.9: Bố trí cơ cấu phanh (phanh chân)

1: Trục gắn với roto động cơ

2: Hai má phanh

3: Dây phanh, lò xo

4: Bàn đạp

4.3 THÀNH PHẦN TÍN HIỆU

4.3.1 Cảm biến áp điện piezo (Piezoelectric sensor):

- Cảm biến áp điện Piezo, là loại cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện piezo (piezoelectric effect)

Hiệu ứng áp điện piezo (piezoelectric effect) là một hiện tượng được nhà khoáng vật học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiện tượng xảy ra như

sau: Người ta tìm được một vài loại vật chất có tính chất hóa học đặc biệt và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch, khi có một tác động cơ học như kéo, đè, nén làm biến đổikích thước vật chất thì phát sinh ra một điện áp (dòng điện) Ngược lại, khi có một điện áp (dòng điện) đặt vào thì vật liệu đó sẽ biến đổi kích thước (biến dạng) Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại Tính chất hóa học đó của vật chất gọi là tính áp điện (piezoelectricity)

Hình 4.10: Hiệu ứng Piezo

- Phân tử của tinh thể có cấu trúc mạng dạng hình học, có tính phân cực, một vài vật chất sử dụng gọi chung là tinh thể áp điện piezo (piezoelectric crystal) như:Chì Zirico titan Pb(ZrTi)O3 (PZT), Muối Rochelle, Thạch anh (SiO2), Ammonium- dihydrogen phosphate (ADP), Gốm bari titan, …Chúng được chế tạo qua nhiều công đoạn đặc biệt, với những điều kiện thích hợp

- Cấu tạo bộ chuyển đổi áp điện Piezo (piezoelectric transducers):

Bộ chuyển đổi áp điện Piezo hay còn gọi là cảm biến Piezo (piezo sensor),

chuyển đổi từ năng lượng cơ học sang năng lượng điện Nhìn vào sơ đồ hình 4.12:

Tinh thể áp điện piezo đặt giữa hai lớp điện cực, Khi có một lực tác động, trong tinh thể sẽ sinh ra một ứng suất và một sự biến dạng tương ứng Sự biến dạng này sẽ sinh ra một hiệu điện thế nơi bề mặt của tinh thể

Hình 4.11: Mô phỏng chuyển đổi áp điện piezo

+ Cảm biến piezo (Piezo sensor):

Hình 4.12: Cấu trúc Cảm biến piezo

+ Điện tích trên tinh thể tỷ lệ với lực tác dụng theo công thức:

/ /

Thạch Anh

“X cut”: theo chiều dài trục y 2,25x10-12 0,055

“X cut”: dọc theo bề dày - 2,04 - 0,050

“Y cut”: theo bề dày cắt 4,4 - 0,108

Muối Rochelle “X cut 45

Chì Zirico Titan (PZT) Phân cực song song 190 - 580 0,02 - 0,03