Nguyên lý đo tốc độ quay

6. Điểm: (Bằng chữ: )

2.4. Nguyên lý hoạt động

2.4.3. Nguyên lý đo tốc độ quay

Trong một băng thử công suất, người ta thường dùng cảm biến tốc độ loại điện từ để đo tốc độ quay của bánh xe, của bộ tạo tải, của động cơ. Cảm biến tốc độ loại điện từ bao gồm: một nam châm được bao kín bằng một cuộn dây và các vịng cảm biến. Nam châm và cuộn dây được đặt cách các vòng cảm biến một khoảng xác định. Khi răng của vịng cảm biến khơng nằm đối diện cực từ, thì từ thơng đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở khơng khí lớn lên có từ trở cao. Khi một răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở khơng khí giảm dần khiến từ thơng tăng nhanh. Như vậy, nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Khi răng vòng cảm biến đối diện cuộn dây từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng khơng. Khi răng của vịng cảm biến di chuyển ra khỏi cực từ, khe hở khơng khí tăng dần làm từ thơng giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại. Việc luân chuyển của bánh xe sẽ thay đổi khe hở dẫn đến làm thay đổi từ trường. Những thay đổi của từ trường tạo ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây. Các tần số tín hiệu thay đổi như tốc độ bánh xe tăng hoặc giảm.

23

Hình 2. 16 Cảm biến tốc độ

1. Nam châm vĩnh cửu; 2. Cuộn dây; 3. Từ trường; 4. Vòng cảm biến; 5. Khe hở khơng khí; 6. Cáp kết nối

Encoder cũng là một loại cảm biến tốc độ quay, đưa ra thơng tin về góc quay dưới dạng số mà khơng cần bộ ADC (Analog to digital converter). Cấu tạo của encoder gồm: Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục động cơ; một đèn led làm nguồn phát sáng và một mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng; mạch khuếch đại tín hiệu.

Trên đĩa có các lỗ người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay chỗ có đèn led sẽ chiếu xuyên qua cịn phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một mắt thu, cứ mỗi lần mắt thu nhận được tín hiệu từ đèn led thì encoder trả về một xung. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt. Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vng và các tín hiệu xung vng này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm trịn đó. Đối với encoder thường gặp thì nó có 2 tín hiệu ra lệch pha nhau 90o. Dựa vào hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ.

24

2.4.4. Nguyên lý mơ phỏng lực cản đường và moment qn tính

Để mơ phỏng lực cản đường và moment quán tính, bộ điều khiển sẽ điều khiển lực cản tạo ra bởi bộ tạo tải sao cho lực kéo, tốc độ, gia tốc của xe tương tự như xe chạy trên đường thực.

Trên bộ tạo tải: Fxe – Fcản dyno = mdyno.a

Tương ứng trên đường thực: Fxe – Fcản đường = mxe.a

Với: Fcản đường = F0 + F1.V + F2.V2 (xem phần 2.4.6 – Nguyên lý đo lực cản đường

trên đường thực).

Để mô phỏng đúng tốc độ, gia tốc, lực kéo của xe khi chạy trên đường, bộ điều khiển sẽ điều khiển bộ tạo tải tạo ra lực cản theo phương trình:

Fcản dyno = F0 + F1.V + F2.V2 + (mxe – mdyno).a

 Fcản dyno = F0 + F1.V + F2.V2 + melectrical.a

Với: melectrical - Khối lượng quán tính cần bù để đạt được tốc độ và gia tốc như chạy trên đường thực.

2.4.5. Nguyên lý xác định tổn hao

Tổn hao của băng thử bao gồm: tổn hao ổ bi rotor, ma sát giữa bề mặt rotor, bề mặt rulo với khơng khí, tổn hao ở các khớp nối, tổn hao của hệ thống truyền động khi băng thử vận hành. Trong quá trình tốn thiết kế, các hệ số tổn hao η được chọn là các giá trị trung bình ứng với từng chi tiết cơ khí và chỉ có ý nghĩa trong q trình thiết kế. Giá trị tổn hao tổng cộng thực tế của băng thử sẽ được tìm ra sau khi băng thử đã chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh.

Phương pháp xác định tổn hao của băng thử từ thực nghiệm:

 Tổn hao của băng thử được xác định bằng một hàm bậc 3 theo tốc độ: Fth = FL0 + FL1V + FL2V2 + FL3V3

Trong đó:

Fth: lực tổn hao trên băng thử V: vận tốc thử nghiệm

FL0: Thành phần tổn hao không phụ thuộc tốc độ (N)

FL1: Hệ số tổn hao phụ thuộc bậc nhất theo tốc độ (N/(km/h)) FL2: Hệ số tổn hao phụ thuộc bậc hai theo tốc độ (N/(km/h)2) FL3: Hệ số tổn hao phụ thuộc bậc ba theo tốc độ (N/(km/h)3)

 Truớc khi tiến hành xác định các hệ số tổn hao, nên tiến hành làm nóng băng thử để tổn hao ma sát của ổ bi rotor trong bộ tạo tải ổn định.

 Tiến hành đo tổn hao bằng cách điều khiển bộ tạo tải tăng tốc đến từng giá trị tốc độ 5,15, 20, 25…80 km/h. Sau đó bộ tạo tải được giảm tốc đến khi dừng hẳn. Ở từng giá trị tốc độ không đổi, lực kéo mà bộ tạo tải cần duy trì tốc độ sẽ được đo bằng Loadcell, đây chính là tổn hao của bộ tạo tải ở tốc độ tương ứng. Sau quá trình này, ta

25 sẽ được một bộ số (Lực tổn hao – Tốc độ). Từ bộ số này chương trình điều khiển sẽ tìm ra các hệ số tổn hao bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất.

 Tổn hao ở những giá trị tốc độ trung gian sẽ được tính theo phương trình tổn hao với những hệ số vừa tìm được.

 Với các hệ số tổn hao đã tìm được, chương trình điều khiển sẽ tính tổn hao tại tốc độ hiện tại của xe, từ đó tính ra lực cản của bộ tạo tải hay lực kéo của xe.

2.4.6. Nguyên lý xác định đường lực cản đường theo thực nghiệm

Lực cản trên đường gồm có lực cản lăn, lực cản gió, lực cản qn tính, lực cản dốc. Phương trình lực cản có dạng Fcản đường = F0 + F1V + F2V2 là một hàm bậc 2 theo tốc độ. Trong q trình tính tốn thiết kế bộ tạo tải ta đã sử dụng các hệ số lực cản theo lý thuyết và vẽ được gần đúng đường lực cản theo lý thuyết (tức là xác định được bộ số F0, F1,F2 theo lý thuyết). Tuy nhiên, chế độ mơ phỏng lực cản đường và moment qn tính của băng thử cần bộ số F0, F1, F2 theo thực nghiệm. Bộ 3 hệ số này được đo bằng phương pháp cho xe chạy trên đường thực.

Phương pháp xác định 3 hệ số F0, F1,F2 trên đường thực (còn gọi là phương pháp Coastdown):

 Xác định khối lượng xe thật chính xác. Dùng một đoạn đường thẳng, độ dốc bằng 0, vận tốc gió bằng 0.

 Cho xe chạy và tăng dần vận tốc đến khoảng 100 ÷ 120 km/h, sau đó cho xe ngắt cơn, cho về số 0 để hệ thống truyền lực khơng ảnh hưởng tới q trình giảm tốc của xe. Khi đó: Fxe = 0 (lực kéo bằng 0), xe được thả trơi theo qn tính. Xe chạy chậm dần với gia tốc a và trong q trình đó xe chỉ chịu lực cản đường: - Fcản đường = mxe.a.

 Trên xe có một thiết bị đặc biệt có khả năng xác định vận tốc xe theo từng thời điểm nhất định. Sau khi xe được thả trôi đến khi dừng hẳn, ta sẽ có 1 bộ số liệu (vận tốc theo thời gian) và xây dựng được đồ thị vận tốc theo thời gian f = v(t) như hình 2.18.

26

 Chia đồ thị v(t) thành những đoạn nhỏ A1A2, B1B2, C1C2,…

 Xét đoạn A1A2 : vận tốc từ A1 đến A2 xem như giảm đều và gia tốc trên đoạn A1A2 không đổi  Fcản đường = const trên đoạn A1A2. Công của lực cản đường bằng biến thiên động năng của xe: Fcản đường.S = 0.5mxe(VA1² - VA2²)

Trong đó:

 Gia tốc của xe trong đoạn A1A2 là a = (VA1 - VA2)/(tA2 – tA1) = const

 Giá trị vận tốc VA1,VA2 và khối lượng xe m đã biết.

 Quãng đường S khi xe giảm tốc từ VA1 đến VA2 được xác định theo công thức S = 0.5(VA1² - VA2²)/a

 Do đó lực cản đường trên đoạn A1A2 ta hồn tồn xác định được  Có 1 cặp số liệu (Lực cản đường – Vận tốc tại A) với Vận tốc tại A = (VA1 + VA2)/2.

 Thực hiện tương tự với các đoạn B1B2, C1C2 sẽ có một bộ số liệu (Lực cản đường – vận tốc)

 Mặt khác: Fcản đường = F0 + F1.V + F2.V2. Theo như phần trên ta đã có một bộ số liệu (Lực cản đường – vận tốc), dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất ta tìm ra được các hệ số F0, F1, F2 trên đường thực.

Trong đó:

mxe - Khối lượng thực của xe kể cả tải (kg)

F0 - Thành phần lực cản không phụ thuộc tốc độ (N)

F1 - Hệ số lực cản phụ thuộc bậc nhất theo tốc độ (N/(km/h)) F2 - Hệ số lực cản phụ thuộc bậc hai theo tốc độ (N/(km/h)2) V - Vận tốc của xe (km/h)

27

Chương 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ TẠO TẢI

3.1. Chọn phương án bộ tạo tải 3.1.1 Bộ tạo tải ma sát (cơ khí) 3.1.1 Bộ tạo tải ma sát (cơ khí) a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Phanh ma sát (cơ khí) có các loại phanh guốc, phanh đĩa, phanh dải. Cấu tạo của phanh cơ khí bao gồm những má phanh được gắn liền với cánh tay đòn của cân như hình 3.1. Trên trục quay nối với trục rulo được gắn vật liệu chịu mòn đề má phanh tỳ vào đó. Má phanh được siết vào trục quay nhờ việc siết đai ốc số 6. Moment ma sát sinh ra giữa má phanh và trục quay có xu hướng kéo cho phanh quay cùng chiều của trục. Nhưng một moment ngược chiều cùng độ lớn hãm sự quay của tang trống và tạo ra sự cân bằng. Moment ngược đó chính là moment cản cân bằng với moment cần đo có độ lớn là: M = G.L

Trong đó:

G là trọng lượng tác dụng lên cân L là chiều dài của cánh tay địn

Hình 3. 1 Phanh cơ khí

1. Tang trống, 2. Cánh tay địn, 3. Đối trọng, 4. Giá, 5. Quả cân. 6. Đai ốc điều chỉnh

Vì rằng tồn bộ năng lượng cơ học trong phanh ma sát được biến đổi thành năng lượng nhiệt do ma sát, cho nên công suất phanh được phụ thuộc vào phương thức làm mát phanh. Trong đại đa số các trường hợp nước được sử dụng là chất làm mát, đồng thời cũng như một chất bôi trơn.

b. Đặc tính của phanh cơ khí

Quan hệ của moment phanh và số vòng quay của phanh (khi lực phanh giữ không đổi) là một đường nằm ngang. Để khảo sát khả năng sử dụng của phanh, chúng ta khảo sát đặc tính của phanh cùng đặc tính của động cơ. Ở một giá trị lực xiết bulông nhất

28 định, đường đặc tính của phanh cắt đặc tính của động cơ tại 2 điểm A* và B*. Nghĩa là, cùng một moment phanh sẽ có hai điểm làm việc của động cơ: A*(nA*,M*) và B*(nB*,M*).

Hình 3. 2 Đặc tính moment phanh cơ khí

Ở tốc độ thấp, điểm làm việc là A*, điểm làm việc này là khơng ổn định. Vì, nếu một lý do nào đó tốc độ động cơ lớn hơn nA*, thì moment động cơ lớn hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ tiếp tục tăng và nếu tốc độ động cơ nhỏ hơn nA*, thì moment động cơ sẽ nhỏ hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ tiếp tục giảm, dẫn đến tình trạng tắt máy.

Ở tốc độ lớn hơn nB*, điểm làm việc là B*, điểm làm việc này là ổn định. Vì khi tốc độ động cơ lớn hơn nB*, thì moment động cơ nhỏ hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ giảm xuống. Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn nB*, thì moment động cơ lớn hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ tăng lên. Như vậy, điểm làm việc ổn định là điểm B*.

Chúng ta thấy rằng nếu dùng phanh cơ khí chỉ cho phép xác định được đường đặc tính của động cơ trong nhánh từ Mmax đến MB *.

c. Ưu, nhược điểm và ứng dụng

Ưu điểm:

 Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp.

 Dùng tốt trong trường hợp thử nghiệm động cơ công suất nhỏ. Nhược điểm:

 Việc điều khiển phải thực hiện thủ cơng gây khó khăn cho q trình thí nghiệm.

 Các chi tiết dễ bị mài mòn, hư hỏng.

29 Ứng dụng: Loại phanh ma sát ngày nay ít dùng, có một số trường hợp dùng kết hợp với phanh thủy lực để mở rộng phạm vi sử dụng phanh thủy lực vì nó có ưu điểm là có thể đo được moment ở số vịng quay rất nhỏ.

3.1.2 Phanh thử dạng thủy lực

a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 3. 3 Cấu tạo phanh thủy lực

Phanh thủy lực bao gồm vỏ phanh có thể gọi là stator lắp trên hai gối tựa để có thể lắc lư được và trục nối với rotor. Trục của rotor được nối với trục của rulo. Chất lỏng được sử dụng là nước trong một bể chứa và được đưa vào không gian trong rotor qua đường dẫn trên vỏ phanh nhờ một máy bơm. Khi rotor quay, ma sát giữa nước với rotor và lực ly tâm làm cho nước quay theo, tạo ra một áo nước trong vỏ phanh. Ma sát giữa nước với vỏ phanh làm cho stator có xu hướng quay theo. Như vậy nước đã truyền moment từ rotor sang stator và tác dụng lên bộ phận đo lực (cảm biến đo lực- loadcell). Stator được giữ lại bởi một moment ở vị trí cân bằng. Lúc này trong các lớp nước có hiện tượng trượt và tạo nên sự xoáy của nước. Ma sát giữa các lớp nước được biến thành nhiệt và được nước thải mang theo ra ngoài. Lượng nước thải này được dẫn qua két làm mát và quay trở lại bể chứa.

Moment phanh có thể đo được của phanh thủy lực phụ thuộc vào hình dáng kết cấu của mặt trong vỏ và của rotor cũng như đường kính của phanh. Moment này thay đổi rất lớn, đặc biệt phụ thuộc vào hình dáng kết cấu của rotor và stator.

Tải của băng thử khi hoạt động phụ thuộc vào thể tích nước trong phanh thủy lực, thể tích này được điều chỉnh thơng qua việc điều chỉnh lưu lượng đường nước vào và ra của phanh bằng van tiết lưu. Một bơm ly tâm hút nước từ bể chứa đi vào phanh thủy lực, trên đường ống đi vào phanh bố trí một đường nước hồi về bể, cả hai đường ống này đều được bố trí van tiết lưu. Đường nước ra khỏi phanh đi về bể cũng được trang bị một van tiết lưu. Lưu lượng đường nước vào được điều chỉnh bởi van tiết lưu trên cả đường

30 nước vào phanh và đường hồi về bể chứa. Khi phanh đã đạt trạng thái mong muốn, cần điều chỉnh lưu lượng đường nước vào và ra khỏi phanh bằng nhau để duy trì lượng nước trong phanh ổn định.

Phanh thủy lực có nhiều dạng khác nhau. Theo kết cấu người ta chia ra làm ba loại: dạng đĩa, dạng chốt và dạng cánh.

 Phanh thủy lực dạng đĩa

Rotor có dạng đĩa phẳng. Khi rotor quay do lực ma sát giữa đĩa rotor với nước và lực ly tâm mà hình thành dịng nước xốy giữa rotor và stator. Nhờ ma sát giữa nước và stator mà moment động cơ được truyền cho stator làm stator có xu hướng muốn xoay quanh ổ đỡ của nó. Stator được giữ cân bằng nhờ cơ cấu cân lực. Vòng nước càng dày thì lực ma sát giữa nước và phanh càng lớn. Để tăng hiệu quả phanh, người ta có thể làm rotor nhiều đĩa hoặc khoan các lỗ trên bề mặt đĩa.

Hình 3. 4 Cấu tạo phanh thủy lực dạng đĩa

1.Stator, 2. Ổ bi stator, 3. Ổ bi rotor, 4. Mặt bích, 5. Băng, 6. Van điều chỉnh, 7. Khớp nối, 8. Rotor.

 Phanh thuỷ lực dạng chốt

Rotor được chế tạo ở dạng hình trụ. Trên đó có gắn vào ba hàng chốt 3 cạnh. Mặt hông của stator cũng gắn xen kẽ các chốt ba cạnh. Giữa các hàng chốt trên rotor và stator có khe hở nhất định để tạo khoang nước và tránh va chạm kẹt. Khi cho trục 6 quay làm