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) đã biết (Hình 4.9).
b) Sơđồ gây tải trục các đăng
Hình 4.9 Sơđồ hiệu chuẩn thiết bịđo mô men xoắn trên trục các đăng
Sơ đồ gá lắp trục các đăng cùng với thiết bị đo được mô tả trên hình 4.9. Trục được kẹp chặt một đầu (hình 4.9a). Đầu còn lại của trục các đăng được gắn chặt với một tay đòn dài 1m. Để gây tải NCS dùng các vật nặng treo lên đuôi của tay đòn như mô tả trên hình 4.9b. Như vậy, với vật nặng có khối lượng m kg thì mô men xoắn trục sẽ là mg (Nm) và tương ứng với nó là giá trị đo được hiển thị trên màn hình máy tính.
Luận án đã chế tạo thiết bị đồ gá để hiệu chuẩn giá trị đo mô men trên trục các đăng như hình 4.10.
Hình 4.10 Hình ảnh thí nghiệm hiệu chuẩn giá trịđo mô men xoắn trên trục các đăng
Trục được kẹp chặt một đầu, đầu còn lại của trục các đăng được gắn chặt với một tay đòn có đường kính 0,05m, dài 1m, có khối lượng là 15,1 kg. Để gây tải NCS dùng các
l = 1m
Trục các đăng Tay đòn Quả cân
Cánh tay đòn và đầu đo lực Bộ thu tín hiệu không dây Bộ phát tín hiệu không dây nối với điện trở tenzo dán trên trục các đăng Bộ khuếch đại tín hiệu kết nối với máy tính
trung nằm ở giữa cánh tay đòn. Như vậy, với vật nặng có khối lượng m kg thì mô men xoắn trục sẽ là (mg + 75,5) Nm và tương ứng với nó là giá trịđo được hiển thị trên màn hình máy tính.
Để chuẩn tải NCS đã tiến hành 3 lần treo tải với các quả nặng 50kg, 100kg và 150kg (tương ứng với các mô men xoắn trục là Mt1 = 566 Nm; Mt2 = 1056 Nm; Mt3 = 1547 Nm). Như vậy, mỗi lần treo tải trục bị xoắn bởi mô men Mt và ta xác định được một kết quảđo hiển thị trên máy tính là Ud. Kết quảđo được thể hiện trong bảng 4.2.
Bảng 4.2 Kết quả lấy chuẩn thiết bịđo mô men
Lần đo Khối lượng treo (kg) Mô men (Nm) Điện áp đo (mV) 1 50 566 11,3 2 100 1056 19,2 3 150 1547 28,6
Từ các kết quả trên ta vẽđồ thị hiệu chuẩn thiết bịđo như trên hình 4.10.
Hình 4.11 Đồ thị chuẩn tải xác định quan hệ giữa tín hiệu điện áp đo được ở cầu điện trở và mô men xoắn trên trục các đăng
Từ các kết quả thu được ta xác định được hệ số hiệu chuẩn thiết bị là Kct = 54 (Nm/mV)
Bộ thu phát không dây
Trong thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục các đăng, NCS đã sử dụng bộ thu phát không dây KMT RTSE600.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 5 10 15 20 25 30 M ô m en chu ẩ n t ả i Giá trị tín hiệu đo (mV)
a) Bộ phát tín hiệu b) Bộ thu, khuếch đại tín hiệu và máy tính Hình 4.12 Bộ thiết bị thu phát tín hiệu không dây
Thiết bị gồm có máy phát và máy thu với bán kính phủ sóng là 10m. Máy phát cùng với nguồn nuôi 12 V được ghép chặt lên trục các đăng bằng các bu long và luôn quay cùng với trục (hình 4.12a).
Cụm thu của bộ thu phát không dây (hình 4.12b) được nuôi bằng điện xoay chiều 220V được nối với bộ khuếch đại và chuyển đổi A/D DMC Plus (CHLB Đức). Bộ chuyển
đổi DMC được kết nối trực tiếp với máy tính.
Hình 4.13 Bố trí các bộ phận của bộ thu phát không dây
Hình ảnh bộ thiết bị thu phát không dây KMT RTSE600 cùng với thiết bị khuếch
đại xử lý tín hiệu sử dụng trong thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục các đăng được thể
hiện trên hình 4.13, trong đó ăng ten thu được bố trí bên sườn phía dưới khung xe và được nối với máy thu của bộ thu phát không dây. Thiết bị thu này được kết nối với các thiết bị
khoảng cách giữa nó với ăng ten phát (nằm trên bộ phát gắn trên trục các đăng), đảm bảo
điều kiện truyền tín hiệu tốt nhất.
Như vậy, với phương pháp đo này, ta có thể dán trực tiếp tenzo vào trục các đăng trên HTTL ô tô, mạch cầu tenzo được đấu nối với bộ phát tín hiệu. Với bộ thu phát không dây ta có thể thu nhận tín hiệu đo trong khoảng cách xa và giải quyết được vấn đề nhận tín hiệu từ cảm biến gắn trên trục trong khi trục vẫn quay. Sau đó, tín hiệu thu được chuyển tới thiết bị khuyếch đại rồi gửi về máy tính thông qua cổng COM.
Thiết bị thu thập, khuếch đại, xử lý, hiển thị thông tin đo lường DMC Plus
Để tiếp nhận và khuếch đại tín hiệu thu được từ thiết bị đo mô men trên trục các
đăng, NCS đã sử dụng thiết bị DMC Plus (hình 4.14). Đây là thiết bị khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi A/D kết nối với máy tính do hãng HBM (CHLB Đức) sản xuất.
Hình 4.14 Bộ khuếch đại tín hiệu DMC Plus kết nối với máy tính
Thiết bị có cấp chính xác cao, có 6 mô đun khuếch đại và chuyển đổi A/D theo kiểu kênh đúp, có thể đo đồng thời 12 kênh. Các mô đun khuếch đại và chuyển đổi A/D gồm: DV01, DV10, DV30, DV35, DV55, DZ65 để có thể đo đồng thời hầu hết các loại các loại cảm biến thông dụng loại cầu điện trở, điện cảm, xung, cặp nhiệt và các cảm biến tín hiệu dòng, áp khác.
Khi đo, DMC Plus được nối ghép với máy tính bằng cổng RS 232 và được điều khiển bằng các phần mềm chuyên dụng.
Đểđiều khiển đo lường bằng DMC Plus và xử lý số liệu có thể dùng các phần mềm
DMC Labplus, Catman. Trong các thí nghiệm của Luận án, NCS đã sử dụng phần mềm
Catman. Catman là phần mềm đểđiều khiển đo lường các thiết bị của hãng HBM và xử lý
Cảm biến đo vận tốc góc
Để đo vận tốc góc các phần chủđộng và bị động của ly hợp, NCS đã sử dụng các cảm biến quang OMRON E3F-DS10C4. Cảm biến vận tốc (hình 4.15) hoạt động dựa trên nguyên lýđến xung. Trên bề mặt chi tiết cần đo vận tốc góc có dán tấm phản quang. Cảm biến được lắp sát với chi tiết quay, tại vị trí có dán tấm phản quang. Khi đo, cảm biến phát ra tia hồng ngoại nên mỗi khi tấm phản quang đi qua cảm biến, tia hồng ngoại phản xạ lại và được cảm biến ghi nhận dưới dạng một xung điện. Số xung đếm được trong một phút tương ứng với số vòng quay thực hiện được trong một phút. Các thông số cơ bản của cảm biến được cho trong bảng 4.3.
Hình 4.15 Cảm biến quang OMRON E3F-DS10C4 Bảng 4.3 Các thông số cơ bản của cảm biến OMRON E3F-DS10C4
Khoảng cách phát hiện 100mm
Vật thể phát hiện tiêu chuẩn Giấy trắng 100 x 100mm
Đặc tính trễ Tối đa 20% khoảng cách phát hiện Nguồn phát sáng (bước sóng) LED hồng ngoại(860nm)
Điện áp nguồn cấp 12VDC - 24VDC Công suất tiêu thụ Tối đa 25mA
Ngõ ra điều khiển Ngõ ra transistor colector hở, tối đa 100mA, điện áp dư
tối đa 1V ở 100mA Thời gian đáp ứng Tối đa 2,5ms
Mức độ chịu rung 10 - 55Hz, biên độ rung 1,5mm hoặc 300m/s2 trong 1 giờ theo x, y,z
Mức độ phá huỷ Mức độ phá hủy 500m/s2 cho 3 lần ở mỗi hướng x,y,z Cấp bảo vệ IP66
Trong thí nghiệm NCS sử dụng 02 cảm biến: một cảm biến lắp ở cạnh bánh đà
động cơđểđo vận tốc phần chủđộng của ly hợp, cảm biến thứ hai được lắp ở trục ra của hộp số với nhiệm vụ ghi nhận vận tốc phần bịđộng (được tính thông qua tỷ số truyền). Các
a) Sơđồ bố trí chung b) Cảm biến vòng quay bánh đà
c) Cảm biến vòng quay trục thứ cấp hộp số
Hình 4.16 Bố trí lắp đặt các cảm biến vận tốc gócOMRON E3F-DS10C4
Tín hiệu ra của cảm biến được đưa vào bộ chuyển đổi và khuếch đại nối với máy tính. Kết quả đo được hiển thị trực tiếp trên màn hình và được lưu trữ trong các files dữ
liệu.
Cảm biến lực bàn đạp ly hợp
Hình 4.17 Cảm biến đo lực LBX-100L lắp trên bàn đạp ly hợp
Để đo lực tác dụng lên bàn đạp ly hợp, NCS sử dụng cảm biến đo lực LBX-100L của hãng Kubota (Nhật Bản) (hình 4.17). Cảm biến được đặt ngay trên bàn đạp ly hợp nhờ
bộ gá tự tạo và được nối với bộ chuyển đổi và khuếch đại DMC Plus ghép nối máy tính. Tín hiệu ra của cảm biến được chuẩn hóa dưới dạng lực (N).
Bảng 4.4 Các thông số của cảm biến đo lực Kubota LBX-100L (Nhật Bản)
Loại cảm biến Cầu đo điện trở tenzo
Giới hạn đo 980Nm
Độ nhạy 2mV/V