Thí nghiệm xác định tải trọng xoắn trong HTTL thực chất là thí nghiệm đo mô men xoắn trên một trục bất kỳ trong HTTL. Trong Luận án, NCS chọn vị trí đo mô men xoắn là trục các đăng.
Sơ đồ trên hình 4.3 thể hiện nguyên lý đo xác định tải trọng xoắn trong HTTL. Thiết bị đo bao gồm cảm biến và các bộ phận tiếp nhận, khuếch đại, chuyển đổi, xử lý,
Hình 4.2 Đồ thị biến thiên mô
men trong HTTL khi đóng ly
hợp đột ngột.(Đồ thị thực nghiệm:τ = 0,1 s; tay số 1; đường nhựa; độ dốc 4%). M Mmax t (s)
Thiết bị đo mô men hiện nay thường được phân thành 2 dạng: dạng thứ nhất là các thiết bị tích hợp đã được chuẩn hóa, dạng thứ hai là các loại cảm biến đo mô men.
Khó khăn lớn nhất trong việc đo mô men trên trục quay là cảm biến được bố trí trực tiếp trên trục, nên phải có thiết bị phù hợp để lấy tín hiệu ra ngoài. Thiết bị này thường
được gọi là các bộ tiếp điện có tiếp điểm (hình 4.4a,c) hoặc không tiếp xúc (hình 4.4b). Ngoài ra, hiện nay người ta còn sử dụng các bộ thu phát không dây. Trong trường hợp này, tín hiệu từ cảm biến được nối với bộ phát sóng. Bộ phận thu được bố trí ở gần đó tiếp nhận tín hiệu và đưa vào các bộ phận khuếch đại, xử lý và hiển thị.
Hình 4.3 Nguyên lýđo xác định tải trọng xoắn trong HTTL
Hình 4.4 thể hiện một số phương pháp thu dòng từ cảm biến biến dạng của trục xoắn:
Hình 4.4 Một số phương pháp thu dòng tín hiệu của trục xoắn
Dạng 1: Thiết bị chuyên dùng, được chế tạo sẵn đểđo mô men, đã được hiệu chuẩn sẵn với giá trịđo được là Nm.
- Ưu điểm: Thiết bịđã được hiệu chuẩn sẵn với giá trịđo được là Nm.
- Nhược điểm, khó khăn:
+ Buộc phải cắt trục và chế tạo các bộ phận gá lắp. + Cần có không gian thoáng để bố trí thiết bị.
Dạng 2: Các loại cảm biến đo mô men xoắn dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau (quang học, điện từ, điện trở, điện dung, ...). Trong đó, điển hình là cảm biến đo mô men thông qua biến dạng của trục, thường được gọi là các điện trở tenzo.
Dưới tác dụng của mô men xoắn truyền qua hệ thống truyền lực thì trục đo bị biến dạng, sự biến dạng (góc xoắn, ứng suất,…) này tỷ lệ với mô men tác dụng lên trục đo. Do
đó, xác định được biến dạng của trục đo cũng chính là xác định mômen truyền qua trục đo, từđó cũng xác định được mô men xoắn trên toàn bộ HTTL.
Cảm biến tenzo hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở dưới tác dụng của biến dạng. Các điện trở tenzo được dán trực tiếp lên bề mặt vật đo, khi vật chịu biến dạng do tác động của mô men cần đo thì điện trở của nó thay đổi. Dựa trên sự thay đổi này
b) Bộ thu dòng kiểu cổ góp-chổi than
c) Bộ thu dòng không tiếp xúc kiểu biến thế
- Ưu điểm:Không đòi hỏi không gian để lắp cảm biến kích thước của cảm biến tenzo rất nhỏ).
- Nhược điểm, khó khăn:
+ Do trục quay nên việc lấy tín hiệu đo ra ngoài gặp khó khăn, thường phải sử dụng bộ tiếp điện hoặc bộ thu phát không dây (hình 4.4d).
+ Tín hiệu đo cần được xử lý bằng các mạch đo phù hợp. + Cần phải lấy chuẩn thiết bịđo.
4.2.2 Lựa chọn phương pháp và thiết bị thí nghiệm của Luận án
Dựa trên những phân tích trên đây, NCS đã lựa chọn vị trí đo mô men là trục các
đăng của ô tô. Lý do chính dẫn đến sự lựa chọn này là trục các đăng quay trong không gian thoáng nên có thể dễ dàng lắp đặt các loại cảm biến đo mô men. Hơn nữa, đây là khâu có
độ đàn hồi lớn trong HTTL nên có biến dạng lớn khi chịu tải, giúp cho việc đo mô men
được dễđàng và chính xác hơn.
Để thực hiện thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục các đăng ô tô, NCS đã tiến hành khảo sát các thiết bị đo mô men hiện có tại các cơ sởđạo tạo và nghiên cứu trong nước. Kết quả cho thấy, hiện có 2 thiết bị chuyên dùng đo mô men đang được sử dụng, đó là: thiết bị T4A của hãng HBM (Đức) và thiết bị T10F (hãng HBM). Dưới đây là đặc điểm, các tính năng kỹ thuật và các thông số cơ bản của 2 thiết bị trên.
Thiết bị T4A của hãng HBM (Đức) có khả năng đo mô men xoắn lớn nhất là 1kNm, số vòng quay lớn nhất của trục là 4000 vòng/phút (hình 4.5).
Hình 4.5 Thiết bịđo mô men xoắn T4A của hãng HBM (Đức)
Thiết bịđược kết nối trực tiếp với bộ thu nhận dữ liệu, bộ thu nhận dữ liệu được kết nối với máy tính có cài đặt phần mềm xử lý tín hiệu.
- Ưu điểm: Thiết bị nhỏ gọn, các phép đo và chuyển đổi tín hiệu được tích hợp thực
hiện ngay trong cảm biến.
- Nhược điểm, khó khăn:
+ Thiết bị phải được lắp đặt nối tiếp trong hệ thống cần đo. Do vậy, khi tiến hành đo mô men xoắn trên trục các đăng ô tô thì phải thay đổi kết cấu của nó (phải cắt trục các đăng và gia công các khớp nối), đồng thời phải bố trí thiết bị cũng như các dây tín hiệu để có thể chuyển động quay cùng hệ thống cần đo. Ngoài ra còn phải đảm bảo độ đồng tâm và cân bằng động tốt.
+ Khả năng đo mô men xoắn lớn nhất là 1kNm, không đáp ứng được yêu cầu đo mô men xoắn trên trục các đăng của ô tô tải là đối tượng nghiên cứu của luận án. Ô tô tải 3 tấn LIFAN 3070G1 có mô men xoắn cực đại của động cơ là 290 Nm. Với tỉ số truyền của hộp số ở tay số 1 là 7.31, mô men lớn nhất trên trục các đăng sẽ là 2,34 kNm (lớn hơn nhiều so với khả năng đo của thiết bị).
Thiết bị đo mô men xoắn T10F của hãng HBM (Hình 4.6) có mô men xoắn cực đại là 10 kNm, vận tốc quay lớn nhất là 15.000 v/p.
a) Hình ảnh
b) Sơđồ nguyên lý
Hình 4.6 Bộ thiết bịđo mô men xoắn T10F (hãng HBM, Đức)
Nửa trên stator Roto lắp đặt nối tiếp trong HTTL sau đuôi hộp số
Nửa dưới stator
Cáp nối tín hiệu Adapter Phần mềm
xử lý số liệu
Bộ thu nhận dữ
Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo T10F được mô tả trên hình 4.6. T10F là thiết bị đo mô men xoắn (có thể tích hợp thêm bộ đo tốc độ) truyền qua trục. Thiết bị này gồm 2 phần chính là Rotor và Stator. Rotor bao gồm thân đo và bích điều chỉnh. Về bản chất, thiết bị này đo mô men dựa trên nguyên lý đo biến dạng. Nhưng điểm khác biệt ở đây là các cảm biến đo biến dạng được thiết kế tích hợp vào thân đo. Mạch cầu dùng để lấy tín hiệu điện được tích hợp trong bích điều chỉnh. Tín hiệu điện áp này sau đó được khuếch đại. Trên thân đo bố trí các cuộn dây cảm ứng, nhờ các cuộn dây này, tín hiệu điện áp được biến thành tín hiệu từ trường, sau đó được thu bởi một ăng ten. Ăng ten này được định vị trên thân của Stator. Tín hiệu từ trường thu được từ ăng ten được gửi tới mạch đo trong phần Stator, ở đó tín hiệu được hiệu chuẩn để tạo thành tín hiệu đại lượng vật lý thực. Nếu lựa chọn thêm cảm biến tốc độ thì trên phần Rotor sẽ có thêm đĩa chia rãnh để lấy tín hiệu tốc độ, tương ứng với nó là cảm biến tốc độ được cố định trên Stator. Trên Stator còn có các giắc cắm, gồm giắc cắm cung cấp nguồn điện 18-30V cho thiết bị, giắc tín hiệu mô men và giắc tín hiệu vận tốc góc.
Khi ứng dụng bộ thiết bị đo T10F để đo mô men xoắn trên trục các đăng thì bộ thiết bị sẽ được lắp nối tiếp trongHTTL. Trục vào được nối với đầu ra hộp số, trục ra nối với trục các đăng.
- Thiết bị T10F có một sốưu điểm sau:
+ Đo được mô men xoắn và lực với giá trị lớn;
+ Các phép đo và chuyển đổi tín hiệu được tích hợp thực hiện ngay trong thiết bị, do đó kết quả đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo trục đo của hệ thống truyền lực. Đây là ưu điểm nổi trội so với dùng phương pháp dán tenzo.
- Một số nhược điểm, khó khăn của thiết bị:
+ Thiết bị cồng kềnh, khi lắp đặt nối tiếp phải thay đổi kết cấu của hệ thống (đòi hỏi phải cắt ngắn trục các đăng) và thiết kế bộ đồ gá chuyên dùng;
+ Việc lắp đặt thiết bị bị đòi hỏi sự đồng tâm và cân bằng động tốt để đảm bảo sự an toàn tuyệt đối trong quá trình xe thử nghiệm trên đường.
Những phân tích trên cho thấy, các thiết bị đo mô men chuyên dùng hiện có hoặc không đáp ứng hoặc gây nhiều khó khăn cho việc tiến hành thí nghiệm. Sau khi phân tích tính năng, những thuận lợi và khó khăn của những thiết bị thí nghiệm hiện có trong nước, NCS đã lựa chọn phương án đo mô men xoắn trên trục các đăng bằng điện trở tenzo. Đây
là phương án khả thi hơn cả, vì các cảm biến tenzo cùng với các loại keo dán chuyên dụng luôn sẵn có trên thị trường. Việc dán tenzo lên trục và lấy chuẩn thiết bị đo cũng không quá phức tạp và ít tốn kém. Khâu khó khăn nhất là truyền tín hiệu đo từ trục đang quay ra ngoài có thể được giải quyết nhờ bộ thu phát không dây KMT RTSE600.
4.3 Thiết bị thí nghiệm
Hình 4.7 thể hiện sơ đồ bố trí các thiết bị đo trong thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục các đăng xe ô tô tải, gồm 2 nhóm thiết bị: nhóm gắn trên trục các đăng và quay cùng với trục gồm có cầu điện trở tenzo và máy phát tín hiệu đo; nhóm cố định gồm máy thu tín hiệu đo, bộ khuếch đại tính hiệu và máy tính cùng với phần mềm xử lý tín hiệu.
Hình 4.7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục các đăng ô tô tải
1)Trục các đăng; 2) Tenzo ứng suất; 3) Bộ truyền phát tín hiệu đo; 4) Bộ thu tín hiệu đo; 5) Bộ khuếch đại tín hiệu đo và máy tính với phần mềm xử lý tín hiệu.
Các thiết bị bố trí trong thí nghiệm gồm:
Cầu điện trở tenzo
Sơ đồ dán điện trở lên trục và cầu đo được thể hiện trên hình 4.8. Các điện trở tenzo được dán trực tiếp lên mặt ngoài của trục các đăng cần đo mô men. Trước khi dán điện trở cần gia công lại bề mặt trục để đạt độ nhám yêu cầu, làm sạch bằng xăng và acétol. Thí nghiệm sử dụng 4 lá điện trở giống hệt nhau (R1, R2, R3 và R4) dán lên trục một cách đối xứng bằng keo Z70 (CHLB Đức), sao cho mỗi lá điện trở nghiêng với đường sinh của trục góc 450 (hình 4.8a, 4.8c). Các điện trở được nối với nhau tạo thành mạch cầu như
R4
R4
R1
R2
trên hình 4.8b, gọi là cầu điện trở (còn gọi là cầu đo), mạch cầu có 4 điểm nút, trong đó 2 nút được nối với nguồn nuôi (Uo) và 2 nút còn lại thực hiện chức năng truyền dẫn tín hiệu đo (U1).
a) Sơđồ bố trí các tenzo điện trở trên trục b) Mạch cầu tenzo
c) Tenzo dán trên trục các đăng thí nghiệm d) Cầu tenzo nối với bộ phát không dây Hình 4.8 Cầu điện trở tenzo trên trục các đăng thí nghiệm
Bảng 4.1 Thông sốđiện trở tenzo
Kích thước chiều dài 30mm
Kích thước chiều rộng 2mm
Giá trịđiện trở 120Ω
Hệ sốđộ nhạy 2.08±1% (Mức A)
Cầu điện trở tenzo hoạt động theo nguyên lý của mạch cầu Weatstone [50]. Cầu ở trạng thái cân bằng nếu R1R4 = R2R3, khi đó điện áp đo U1 = 0. Do NCS sử dụng 4 điện trở tenzo giống hệt nhau (R1 = R2 = R3 = R4 = R0) dán lên trục các đăng, nên cầu luôn ở trạng thái cân bằng khi trục không chịu tải (không có mô men xoắn trục).
Khi trục các đăng chịu tải, mô men xoắn gây biến dạng trục làm các tenzo thay đổi điện trở của chúng. Khi đó giá trị của điện trởđo Ri bất kỳ trong mạch cầu được tính như sau: Ri = R0 + ΔRi (4.2) với i = 1, 2, 3, 4. 1 , (3 ) 2 , (4 ) 1 2 3 4 U0 U1 45° 45° 1 , 2 1 , 4 1 , (3 ) 2 , (4 ) 1 2 3 4 U0 U1 45° 45° 1 , 2 1 , 4
Sự thay đổi này dẫn đến mất cân bằng cầu điện trở (R1R4≠ R2R3) và làm xuất hiện điện áp đo U1≠ 0. Khi đó, điện áp đo U1 được tính như sau [50]:
À6 = À& 4¢& ∆¢8− ∆¢6+ ∆¢a− ∆¢b 1 + ∆¢8+ ∆¢6+ ∆¢a + ∆¢b 2¢& (4.3)
Do ∆¢8+ ∆¢6+ ∆¢a+ ∆¢b nhỏ hơn rất nhiều so với 2¢&, nên có thể coi: À6 ≈ À&
4¢& (∆¢8 − ∆¢6 + ∆¢a− ∆¢b) (4.4) Với cách dán điện trở như trên hình 4.8a,b, cả 4 điện trở trong cầu đo đều là tenzo. Cách dán này làm tăng độ khuếch đại của tín hiệu đo (điện áp U1), đồng thời loại trừ được ảnh hưởng của nhiệt độ tới điện áp đo. Giả sử, trong quá trình đo nhiệt độ thay đổi, khi đó giá trị thay đổi điện trở gồm 2 thành phần: thay đổi do biến dạng và hay đổi do nhiệt độ:
∆¢, = ∆¢, Ã + ∆¢, Õ (4.5) Với cách dán này, các tenzo 1 và 4 chịu cùng ứng suất, còn các tenzo 2 và 3 chịu cùng ứng suất như các điện trở trên, nhưng theo chiều ngược lại. Vì vậy, ta có:
∆¢8(Ã) = − ∆¢6(Ã) = ∆¢a(Ã) = − ∆¢b(Ã) = ∆¢(Ã) (4.6) Do các điện trở được dán gần nhau nên chúng có nhiệt độ giống nhau, vì vậy:
∆¢6 Õ = ∆¢8 Õ = ∆¢a Õ = ∆¢b Õ = ∆¢& Õ (4.7)
Thay các biểu thức trên vào công thức 4.4 ta được công thức tính điện áp U1. Nếu chỉ sử dụng một điện trở tenzo duy nhất dán lên trục (giả sử là R2), thì điện áp đo được tính như sau:
À6 ≈ À&
4¢& ∆¢ Ã + ∆¢ Õ (4.8) Do NCS sử dụng cả 4 điện trở đều là tenzo và dán lên trục như trên hình 4.8a,b, nên ta có:
À6 ≈ À&
4¢& 4. ∆¢(Ã) (4.9) Công thức 4.9 cho thấy cách dán điện trở mà NCS đã thực hiện có những đặc điểm sau:
- Việc sử dụng cả 4 vị trí trên cầu đo đều là tenzo giúp cho điện áp đo tăng lên 4 lần so với trường hợp chỉ có một điện trở tenzo (công thức 4.8).
- Sự thay đổi nhiệt độ của các điện trở trong quá trình đo không ảnh hưởng đến điện áp đo.
- Với các tenzo làm từ vật liệu kim loại, điện áp đo U1 gần như tỷ lệ thuận với biến dạng của trục, còn biến dạng này lại tỷ lệ thuận với mô men xoắn trục Mt, nên thiết bị đo có thể coi là tuyến tính [50]: U1 ≈ k.Mt. Hệ số k được xác định bằng cách lấy chuẩn.
Như vậy, với cách dán như thể hiện trên hình 4.8, các điện trở 1 và 4 chịu biến dạng cùng chiều và cùng độ lớn, còn các điện trở 2 và 3 chịu biến dạng theo chiều ngược lại. Chẳng hạn, nếu R1 và R3 chịu kéo thì R2 và R4 chịu nén. Các bố trí điện trở như trên cho phép tăng tối đa điện áp đo U1, đồng thời loại trừ được ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình đo.
Cầu điện trở được nối với máy phát của bộ thu phát không dây thông qua 4 dây dẫn (hình 4.8d).
Hiệu chuẩn giá trị đo mô men
Hiệu chuẩn giá trị đo mô men xoắn trên trục các đăng nhằm xác định quan hệ giữa tín hiệu điện áp đo được ở cầu điện trở và mô men xoắn trên trục các đăng, từ đó xác định được đúng giá trị mô men xoắn trên trục các đăng theo đơn vị đo Nm. Cầu điện trở đo mô men xoắn của trục các đăng (qua bộ thu phát không dây) được hiệu chuẩn bằng phương pháp gây xoắn trục các đăng bằng mô men Mt tạo nên bởi lực và cánh tay đòn (dài 1 mét)