Tốc độ góc ωmin của trục khuỷu là tốc độ góc nhỏ nhất mà động cơ có thể làm việc ổn định ở chế độ toàn tải. Khi tăng tốc độ góc thì mô men và công suất của động cơ tăng lên.
Mô men xoắn đạt giá trị cực đại 𝑀𝑒𝑀 ứng với tốc độ góc 𝜔𝑒𝑀 và công suất đạt giá trị cực đại 𝑃𝑒𝑃 ở tốc độ góc 𝜔 𝑒𝑀 . Các giá trị 𝑃𝑒𝑃, 𝑀𝑒𝑀 và tốc độ góc tương ứng với các
giá trị trên 𝜔 𝑒𝑀 và 𝜔 𝑒𝑃 được chỉ dẫn trong các đặc tính kỹ thuật của động cơ. Động cơ chủ yếu làm việc trong vùng 𝜔 𝑒𝑀 - 𝜔 𝑒𝑃
24
Hình 4.1 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế tốc độ
Khi tăng tốc độ góc của trục khuỷu lớn hơn giá trị 𝜔𝑃 thì công suất sẽ giảm
do hỗn hợp khí nạp kém và do tăng tổn thất ma sát trong động cơ. Ngoài ra khi tăng tốc độ góc làm tăng tải trọng động gây hao mòn nhanh các chi tiết của động cơ. Vì thế khi thiết kế ô tô du lịch thì tốc độ góc của trục khuỷu động cơ tương ứng với tốc độ cực đại của ô tô trên đường nhựa tốt nằm ngang không vượt quá 10- 20% so với tốc độ góc 𝜔 𝑒𝑃.
Công suất của động cơ Pe với hai thành phần: Mô men xoắn Me (Nm).
Tốc độ góc 𝜔e (rad/s).
Giữa chúng có quan hệ giữa công suất, mô men xoắn, tốc độ góc như sau: Pe = Me . ωe (4.1)
Đặc tính ngoài là mối quan hệ giữa công suất Pe , mô men xoắn Me và tốc độ góc ωe khi cung cấp nhiên liệu tối đa Pe( ωe), Me (ωe),
𝛼 = 100%
25
Hình 4.2 Đường đặc tính ngoài của động cơ xăng có hạn chế tốc độ 4.1.2. Một số điểm quan trọng trên đường đặc tính:
Chế độ công suất cực đại 𝑃𝑒𝑃 ( Pemax ) tương ứng với 𝑀𝑒𝑃 và 𝜔𝑒𝑃
𝑃𝑒𝑃= 𝑀𝑒𝑃. 𝜔𝑒𝑃 [3] (4.2)
Chế độ mô men xoắn cực đại 𝑀𝑒𝑀 (Memax) tương ứng với 𝑃𝑒𝑀 và 𝜔𝑒𝑀
𝑃𝑒𝑀= 𝑀𝑒𝑀. 𝜔𝑒𝑀 (4.3)
Hệ số thích ứng của động cơ theo mô men xoắn là tỷ số giữa mô men xoắn cực đại và mô men xoắn ứng với chế độ công suất cực đại.
K = 𝑀𝑒 𝑀
𝑀𝑒𝑃 (4.4)
- Động cơ xăng K = 1,1 ÷ 1,2.
- Động cơ diesel K = 1,1 ÷ 1,15.
Chú ý: Tiêu chuẩn thử động cơ để nhận được đường đặc tính ngoài ở mỗi nước khác nhau, vì vậy cùng một động cơ nhưng thử ở những nước khác nhau sẽ cho ta những giá trị công suất khác nhau.
26
4.2. Sự truyền năng lượng trên xe.
Quá trình truyền năng lượng từ động cơ đến mặt đường thông qua hệ thống truyền lực và hệ thống chuyển động sẽ làm thay đổi vận tốc (vận tốc góc hoặc vận tốc tịnh tiến) và mô men (hoặc lực). Một phần năng lượng truyền đi sẽ tiêu hao ở hệ thống truyền lực do sự tích lũy năng lượng ở dạng động năng (do các chi tiết có khối lượng) và thế năng (do tính đàn hồi sinh ra) và một phần năng lượng nữa bị tiêu hao do có sự xuất hiện của sự trượt. Bây giờ chúng ta xét đến quá trình truyền năng lượng trên xe trong trường hợp xe chuyển động ổn định và chưa xét đến trượt.
4.2.1. Sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực.
Ở ô tô năng lượng được truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thông qua hệ thống truyền lực. Quá trình truyền và biến đổi năng lượng được đặc trưng bởi các thành phần của công suất đầu vào Pe và công suất đầu ra ở bánh xe Pk, nghĩa là bởi vận tốc góc và mô men tương ứng:
𝑃𝑒 = 𝑀𝑒. 𝜔𝑒 ; 𝑃𝑘 = 𝑀𝑘. 𝜔𝑘 [1] (4.5)
Các mối quan hệ giữa các thông số Me, Mk, 𝜔𝑒, 𝜔𝑏 được gọi là các đặc tính truyền động.
Ở đây:
Pk: công suất truyền đến các bánh xe chủ động (W). 𝜔𝑘 : vận tốc góc của bánh xe chủ động (rad/s).
Mk: mô men của các bánh xe chủ động (Nm).
Mặt khác, để thể hiện các mối quan hệ chức năng ở truyền động, chúng ta sử dụng các khái niệm sau:
27
𝑖𝑡 =𝜔𝑒 𝜔𝑘 =𝑛𝑒
𝑛𝑏 (4.6) Trong đó:
it: tỷ số truyền của hệ thống truyền lực thường dùng ở truyền động có cấp. ne: số vòng quay của động cơ (vòng/phút).
nb: số vòng quay của bánh xe (vòng/phút).
Theo kết cấu của hệ thống truyền lực thì tỷ số truyền it còn được tính theo công thức sau: 𝑖𝑡 = 𝑖ℎ. 𝑖𝑙. 𝑖𝑜 (4.7)
Ở đây:
ih: tỷ số truyền của hộp số.
il: tỷ số truyền của hai ly hợp.
io: tỷ số truyền của bộ truyền xích (truyền lực cuối cùng). + Tỷ số truyền mô men:
𝑖𝑡 =𝑀𝑘
𝑀𝑒 [1] (4.8) + Hiệu suất của truyền động (với giả thiết hệ là bậc không):
𝜂 =𝑃𝑘
𝑃𝑒 =𝑀𝑘.𝜔𝑘
𝑀𝑒.𝜔𝑒 [1] (4.9) Ở trường hợp đang xét 𝜂 chính là hiệu suất của hệ thống truyền lực.
Xét về mặt kết cấu của hệ thống truyền lực thì hiệu suất 𝜂 còn được tính như sau:
𝜂 = 𝜂𝑙𝜂ℎ𝜂𝑥 [1] (4.10) Ở đây:
28
𝜂: hiệu suất của hộp số.
𝜂𝑥: hiệu suất của bộ truyền xích (truyền lực cuối cùng).
4.2.2. Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống chuyển động.
Hệ thống chuyển động là cụm truyền động giữa bánh xe với mặt đường. Ở trường hợp này chúng được coi là cụm biến đổi bậc không nghĩa là ta không để ý đến khối lượng và biến dạng của nó.
Công suất của bánh xe chủ động được thể hiện qua Mk và 𝜔𝑘. Nhờ có Mk tại bánh xe chủ động và nhờ sự tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên đã phát sinh phản lực Fk từ mặt đường tác dụng lên bánh xe hướng theo chiều chuyển động của xe. Phản lực này chính là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động. Như vậy hệ thống chuyển động đã biến đổi chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến của xe. Tức là biến đổi mô men Mk và vận tốc góc 𝜔𝑘 trên trục bánh xe thành lực kéo của bánh xe và vận tốc tịnh tiến V.
Quan hệ giữa các thông số vừa nêu được thể hiện:
𝐹𝑘 =𝑀𝑘 𝑟𝑏 =𝑀𝑒.𝑖𝑡𝜂 𝑟𝑏 =𝑀𝑒𝑖ℎ𝑖𝑙𝑖𝑜𝜂 𝑟𝑏 (4.11) 𝑉 = 𝑟𝑙. 𝜔𝑘 [1] (4.12) Ở đây:
rb: bán kính tính toán (bán kính làm việc trung bình) của bánh xe (m). V: vận tốc tịnh tiến (m/s).
rl: bán kính lăn của bánh xe (m).
Trong thực tế có thể coi rb = const, còn rl ≠ const vì rl phụ thuộc vào nhiều yếu tố ví dụ: tải trọng, vận tốc… cho nên hệ thống chuyển động biến đổi lực với một tỉ lệ không đổi, nhưng sự truyền vận tốc không phải là ổn định. Khi xe chuyển động ở đường tốt và với vận tốc lớn
29
thì có thể xem rl = rb. Trên đường xấu và với vận tốc nhỏ thì rl ≠rb lúc này chúng ta phải cân nhắc đến sự trượt giữa bánh xe với mặt đường.
4.2.3. Sự tổn hao năng lượng khi truyền năng lượng trên xe
Khi truyền năng lượng từ động cơ đến khung xe sẽ có một phần năng lượng biến đổi thành nhiệt năng không thể thu hồi được. Giá trị này cần phải biết khi tính toán thiết kế bởi hai lý do sau:
- Nhằm xác định công suất sử dụng dùng để truyền động ô tô ứng với công suất đã cho của động cơ. Hoặc ngược lại để xác định công suất yêu cầu của động cơ ứng với yêu cầu năng lượng của xe đã cho.
- Nhằm xác định các yêu cầu làm mát đảm bảo cho hệ thống làm việc bình thường.
Các tổn thất được biểu thị về mặt định lượng bởi công suất tổn hao 𝑃𝛾 hay mô men tổn hao 𝑀𝛾 . Tuy vậy người ta thường biểu thị bằng các hệ số không thứ nguyên là hiệu suất 𝜂 hoặc hệ số tổn hao 𝛾.
Mối quan hệ giữa các đại lượng:
𝑃𝛾 = 𝑃𝑒 − 𝑃𝑘 [1] (4.13) 𝑀 𝛾 =𝑃 𝛾 𝜔𝑒 [1] (4.14) 𝛾 = 𝑃𝛾 𝑃𝑒 =𝑀𝛾 𝑀𝑒 [1] (4.15) 𝛾 =𝑃𝛾 P𝑒=𝑃𝑒−𝑃𝑘 𝑃𝑒 = 1 −𝑃𝑘 𝑃𝑒 = 1 − 𝜂 [1] (4.16) 𝜂 = 1 − 𝛾 [1]
Công việc tính toán tổn hao dựa trên cơ sở kinh nghiệm và định hướng bởi vậy nó luôn là gần đúng. Muốn xác định chính xác chỉ có thể bằng con đường thực nghiệm. Khi tính tổn hao ta tiến hành riêng cho từng bộ phận. Tổng tổn hao được xác định theo nguyên tắc các tổ hợp mắc nối tiếp nhau. Cần lưu ý rằng ở truyền động cơ khí chỉ có tổn hao về mô men mà không có tổn hao về vận tốc. Tổn hao ở truyền động cơ khí không những phụ thuộc vào kết cấu, ma
30
sát giữa các bề mặt của các chi tiết, sơ đồ động học mà còn phụ thuộc vào mô men truyền, vận tốc, độ nhớt và nhiệt độ của dầu bôi trơn…
4.3. Nguyên lý đo công suất.
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý đo công suất
Công suất của xe được đo trực tiếp qua việc đặt bánh xe làm quay một khối lượng nặng (gọi tắt là Rulo) có moment quán tính cho phép cộng với sự gia tốc khi làm quay nó,ta sẽ tính ra được công suất.
Theo định luật II Newton, Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.[4]
4.3.1. Đối với một chuyển động thẳng.
Trong cơ học cổ điển, khối lượng có giá trị không đổi, bất kể chuyển động của vật. Do đó, phương trình định luật II Newton trở thành:
31
𝐹⃗ = 𝑚. 𝑎⃗ (4.17) Với : 𝐹⃗ : vecto lực (vật (trong SI, lực đo bằng đơn vị N)
m là khối lượng của vật (trong SI, khối lượng đo bằng đơn vị kg) 𝑎⃗ là gia tốc của vật (trong SI, gia tốc đo bằng đơn vị m/s2).
Như vậy trong cơ học cổ điển, tổng ngoại lực bằng tích của khối lượng và gia tốc. Ta có khái niệm động lượng là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự truyền tương tác giữa vật đó với các vật khác. Khi động lượng không phải hằng số tức là tồn tại một lực bên ngoài tác dụng vào (bánh xe tác dụng vào rulo làm quay chuyển động) thì độ lớn và hướng của lực sẽ được tính toán dựa vào sự gia tốc.
Ta hiểu đơn giản công suất là tốc độ tức thời mà tại đó công được thực hiện (hoặc năng lượng sản sinh ra). Nếu ta đo được lực cần thiết để di chuyển đối tượng, khoảng cách di chuyển và khoảng thời gian cần thiết để di chuyển khoảng cách đó, thì ta hoàn toàn có thể tính toán công suất trung bình được áp dụng trong suốt chuyển động đó và trong khoảng thời gian đó.Một số công thức biểu diễn cho suy luận trên:
A = F.s (4.18)
Trong đó: A : công thực hiện (J) F: lực tác động (N)
s: quãng đường dịch chuyển được (m)
P = F.v (4.19) Trong đó: P: công suất phát sinh(W)
F: lực tác động (N)
v: vận tốc dịch chuyển (m/s)
4.3.2. Đối với chuyển động quay.
Nhiều các khái niệm trong chuyển động tịnh tiến có thể được mở rộng để áp dụng cho chuyển động quay. Chính vì thế đối với chuyển động quay trong định luật II Newton có
dạng: 𝑀 = 𝐼.𝑑𝜔
𝑑𝑡 = 𝐼. 𝜖 (4.20) Trong đó: M là mô men lực (N.m)
32
I là mô men quán tính đối với trục quay của vật (kg.m2) 𝜖: gia tốc góc (rad/s2)
Mô men quán tính là một đại lượng vật lý (với đơn vị đo trong SI là kilôgam mét vuông kg.m2) đặc trưng cho mức quán tính của các vật thể trong chuyển động quay, tương tự như khối lượng trong chuyển động thẳng.
Mô men quán tính I của một chất điểm có khối lượng là m, cách trục quay một khoảng là r, được xác định bằng công thức như sau:
𝐼 = 𝑚𝑟2 (4.21)
Với I: mô men quán tính (kg.m2) m: khối lượng vật thể (kg) r: bán kính vật thể (m)
Vậy khi công được thực hiện để tăng động năng của vật thể quay, hay nói cách khác là tính toán động năng của Rulo di chuyển với tốc độ quay và thời điểm quán tính ban đầu của nó ta sẽ cho ra được công suất. Dựa vào các tính chất vật lí cơ bản được nêu ở trên, ta có thể có hai phương pháp để đo công suất:
Phương pháp thứ nhất:
Cho xe tăng tốc tới khi cho tốc độ quán tính nhanh nhất có thể, đo gia tốc góc tại các điểm liên tục. Mỗi lần Rulo quay se tạo ra các xung điện, các xung sẽ kích hoạt ghi lại khoảng thời gian liên tục giữa các xung. Sau đó gia tốc trung bình được tính cho từng cặp giá trị xung liền kề bằng cách đo chênh lệch vận tốc góc trung bình liền kề với chênh lệch thời gian tương ứng. Đối với mỗi giá trị gia tốc trung bình, ta sẽ tính được mô men trung bình trong khoảng thời gian tương ứng bằng cách nhân gia tốc trung bình với mô men quán tính của Rulo.
𝜖 =𝜔2−𝜔1
𝑡2−𝑡1 (4.22) Trong đó:
𝜖: gia tốc góc (rad/s2)
𝜔2, 𝜔1: tốc độ góc tại 2 điểm liên tục (rad/s) 𝑡2, 𝑡1: khoảng thời gian 2 điểm liên tục(s)
33
Với M = I . 𝝐 (4.23)
Trong đó:
M là mô men lực (N.m)
I là mô men quán tính đối với trục quay của vật (kg.m2) 𝜖: gia tốc góc (rad/s2)
P = M . 𝜔2
P: công suất xe (W) M: mô men xoắn (N.m)
𝜔2: tốc độ góc tại thời điểm hiện tại (rad/s) [2]
Phương pháp thứ hai:
Khái niệm động năng được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của nó.
Chính vì thế ta có thể phát biểu: độ biến thiên động năng của một chất điểm trong một quãng đường nào đó có giá trị bằng công của ngoại lực tác dụng lên chất điểm sinh ra trong quãng đường đó. [4]
Trong chuyển động quay: 𝑊đ =𝐼.
2𝜔2 (4.24)
Với 𝑊đ: động năng sinh ra (J)
I: mô men quán tính của vật thể (kg/m2) 𝜔: tốc độ góc (rad/s)
Trong một khoảng thời gian hữu hạn, vận tốc biến thiên từ 𝜔1 đến 𝜔2,ta có công thực hiện được:
𝐴 = 𝑊đ2− 𝑊đ1 =𝐼.𝜔22
2 −𝐼.𝜔12
2 (4.25)
Giả thiết trong khoảng thời gian ∆𝑡, một lực sinh công 𝐴 (bánh xe tác động lên Rulo) ,công suất lúc này ta viết dưới dạng:
𝑃 = 𝐴
∆𝑡 (4.26)
P: công suất xe (W)
A: công thực hiện được (J).
34
4.4. Tính toán ước lượng sơ bộ để thiết kế con lăn Rulo.
Dựa vào công thức sơ bộ bên dưới để chọn vật liệu và để ước lược kích thước.
• Mô men quán tính J = khối lượng x (bán kính R²/2) kg/m² ( dành cho trụ tròn đặc)
• Mô men quán tính J = khối lượng x (bán kính trong² + bán kính ngoài² / 2) kg/m² ( dành cho trụ tròn rỗng )
• Vận tốc góc 𝜔 = (số vòng / 60) x 2 x 3.14 rad/giây
• Động lượng W = mô men quán tính J x (𝜔 ² / 2) Jun
• Công A = (mô men quán tính J x (vận tốc góc sau 𝜔 ² / 2)) – (mô men quán tính J x (vận tốc góc trước 𝜔 ² / 2)) Jun
• Công suất kW = Delta Erot / thời gian xe chuyển động / 1000
• Mô men xoắn Nm = (công suất Kw x 9549.305) / vòng động cơ
• Công suất HP = Kw * 1.3410 & mô men xoắn ft/lbs = Nm * 0.7376 [2]
Với nguyên lý đo công suất như trên, vậy khi đặt xe lên băng thử để thử nghiệm, ta phải ước lượng sao cho xe chạy trên băng thử phải mô phỏng gần sát với xe chạy trên mặt đường. Nghĩa là khi xe giảm tốc thả trớn thì bánh xe sẽ không chịu tác động từ quán tính của Rulo và sẽ cho ra kết quả thực tế hơn.
Vậy để xe và Rulo tương tác phù hợp với nhau, ta sẽ dựa vào mô men quán tính để thiết kế con lăn Rulo.
Khi xe đặt lên Rulo,ta coi như khối lượng (xe cộng với người lái ) khoảng 100 (kg) sẽ tác động lực hoàn toàn lên Rulo, ta chọn bán kính Rulo sẽ là khoảng 100 (mm), ta sẽ tính được mô men quán tính cần tìm:
I= mr2 = 100. 0,12 = 1 (kg.m2).Từ đó ta sẽ suy ra khối lượng để thiết kế Rulo phù hợp cho băng thử.
35
CHƯƠNG 5: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ PHẦN MỀM LABVIEW 5.1. Linh kiện điện tử.
5.1.1. Cảm biến tiềm cận.
Cảm biến được sử dụng là cảm biến tiềm cận
Cấu tạo:
Hình 5.1 Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX (loại NPN)
Chân Black tín hiệu NPN,khi cảm biến ở trạng thái không có kim loại cắt mặt thì đầu vào của cảm biến ở mức điện áp 12V, khi phát hiện kim loại thì chân Black gửi tín hiệu với mức điện áp 0V.
Bằng việc xác định đo chu kỳ xung từ cảm biến thông qua mạch điều khiển ta sẽ tính ra được tốc độ vòng quay của Rulo, từ đó suy ra nhiều thông số khác.