Con lăn còn được gọi là rulo dành cho bệ thử xe có 2 dạng: một rulo và hai rulo.
a. Một rulo
Hình 6.2 Loại một con lăn Bánh xe dẫn động Cảm biến đo số vòng quay Rulo Bánh đà tạo tải (Rulo) ( Rulo ) Hiển thị các thông số cần đo
48
Đặc điểm
Chỉ có một rulo kết nối với bánh xe chủ động. Ưu điểm của loại này là phù hợp với việc mô phỏng lực cản đường vì cụm tạo tải điểu khiển trực tiếp rulo do đó có thay đổi lực cản linh hoạt. Tuy nhiên rulo loại này khó khăn trong việc neo giữ bánh sau, neo giữ xe gây mất thời gian.
b. Hai rulo
Hình 6.3 Loại sử dụng hai rulo Đặc điểm
Hai rulo được kết nối với nhau bằng bộ truyền xích. Ưu điểm của loại này là khi bánh xe chủ động của xe máy lọt vào khoảng giữa hai rulo vì việc neo giữ xe thực hiện dễ dàng giúp tiết kiệm thời gian. Rulo loại này phù hợp cho việc đo đạt ở vận tốc cố định. Trong trường hợp mô phỏng lực cản đường thì kết cấu hai rulo không phù hợp vì bộ truyền xích bị co giãn liên tục gây mất ổn định mô men quán tính đối với khối rulo, do đó khó kiểm soát lực cản dyno.
Do băng thử công suất xác định lực kéo xe nên băng thử phù hợp với việc sử dụng hai rulo.
6.1.1.2. Chọn kết cấu con lăn
49
Kết cấu rulo gồm phần: phần vành đỡ và phần vỏ kết nối với nhau bằng phương pháp hàn. Phần vỏ rulo tiếp xúc trực tiếp với bánh xe còn phần vành đỡ được kết nối với trục rulo. Phần vỏ rulo có hình vành khăn, dày 53.8 (mm). Phần vànhđỡ rulo có công dụng để đỡ phần vỏ của rulo trên trục rulo và giúp tăng mô men quán tính, nó có dạng hình trụ tròn đặc dày 18.3 mm. Vành đỡ rulo được hàn với vỏ và trục của rulo. Trục rulo có dạng hình trụ đường kính 40~42mm.
Hình 6.4 Kích thước rulo
6.1.1.3. Tính toán kích thước, khối lượng rulo và mô men quán tính của rulo. a. Tính toán kích thước, khối lượng rulo. a. Tính toán kích thước, khối lượng rulo.
Thể tích vỏ rulo: Vv = 𝜋
4(𝐷𝑛2− 𝐷𝑡2).L = 𝜋
4( 0,2192 -0,1972 ).0,2515 =1,758.10-3 m3 Khối lượng phần vỏ rulo:
mv = Vv.D = 1.758.10-3.7850 = 13,800 kg
Thể tích phần vành đỡ của rulo: Vđ = 𝜋
4𝐷2L = 𝜋
50
Khối lượng phần vành đỡ của rulo:
mđ = Vđ.D = 2,1956.10-3 .7850 = 17,235 kg Thể tích trục rulo: + Với trục 42mm, V1= 𝜋 4𝐷2L= 𝜋 40,0422.0,3498 = 4,846.10 - 4 m3 + Với trục 40mm, V2= 𝜋 4𝐷2L= 𝜋 40,0402.0,214 = 2,689.10 - 4 m3 Vtr = V1+ V2 = 4,846.10 - 4 + 2,689.10 - 4 = 7,535.10 – 4 m3 Khối lượng trục của rulo:
mtr = Vtr.D = 7,535.10 – 4.7850 = 5.915 kg Khối lượng của rulo:
M = mv + 2mđ + mtr = 54,623 kg
c. Tính mô men quán tính của rulo.
Môn men quán tính đối với vỏ Rulo. Jv = (𝐷𝑛 2 2 −𝐷𝑡2 2)𝑚𝑣 2 = (0,2192 2 +0,19772 2 )13,8 2 = 0,3 kg.m2 Môn men quán tính đối với vành đỡ Rulo.
Jđ = 𝑚.𝑅 2
2 = 17,235.0,1965 2
2 = 0,333 kg.m2 Môn men quán tính đối với vành đỡ Rulo.
J1 = 𝑚.𝑅 2 2 = 3,844.0.042 2 2 = 3,39.10-3 kg.m2 ,J2 = 𝑚.𝑅 2 2 = 2,111.0,040 2 2 = 1.6888.10- 3 kg.m2 Jtr = J1 + J2 = 3,39.10-3 + 1.6888.10- 3 = 5,0788.10-3 kg.m2
Mô men quán tính của rulo.
J = Jv +2Jđ + Jtr = 0,31 + 2.0,333 + 5,0788.10-3 = 1.001 kg.m2
6.2. Thiết kế bố trí chung bộ tạo tải. 6.2.1. Tính toán cụm tạo tải.
6.2.1.1. Tính toán trục rulo.
Chọn kết cấu trục có dạng hình trụ tròn. Trục được đỡ trên hai ổ bi. Nên ta tính toán bền cho trục.
51
Lực và mô men tác dụng lên trục:
+ Trọng lượng của rulo: ta có khối lượng của rulo là 54.6 kg, trong tính toán chọn kết cấu trục rulo chọn khối lượng là 60 kg.
+ Trọng lượng của xe đặt tại bánh xe sau. Ta có khối lượng bản thân của xe khoảng 50 kg, khối lượng người ngồi trên xe 1 người khoảng 60 kg nên trong tính toán bền trục ta chọn khối lượng đặt tại bánh sau là 110 kg.
+ Mô men truyền từ xe qua rulo.
Khối lượng tổng là: 60 + 60 + 50 = 170 kg
Ta chọn khối lượng tổng là 180 kg để dễ trong quá trình tính toán.
Theo thực nghiệm tốc độ tối đa xe ECO là Vmax= 60 km/h (16.7 m/s ), bán kính bánh xe là rxe = 0.241 m, 𝜔 = 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑟 = 16,7 0.2413 = 69,2 rad/s 𝑠𝑢𝑦 𝑟𝑎, 𝑠ố 𝑣ò𝑛𝑔 𝑞𝑢𝑎𝑦 𝑏á𝑛ℎ 𝑥𝑒 𝑙à 𝑛𝑥𝑒 = 𝜔 2𝜋. 60 = 660 vòng / phút Tỷ số truyền từ bánh xe đến rulo là i = 𝑟𝑟𝑢𝑙𝑜 𝑟𝑥𝑒 =0,1095 0,2413= 0,45
Suy ra số vòng quay của rulo là nrulo = nxe/i = 660/0.45 = 1452 vòng/ phút 𝜔 =1452.2𝜋
60 = 152,4 rad/s
Ta chọn công suất cực đại của băng thử là 4 kW ,tốc độ thử nghiệm cực đại là 70 km/h, vận tốc góc cực đại là 𝜔𝑚𝑎𝑥 = 160 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Mô men cực đại màrulo nhận là: Mmax = 𝑃𝑚𝑎𝑥
𝜔𝑚𝑎𝑥 = 4000
160 = 25 Nm
Khi tính toán bền trục ta chọn mô men tác động tăng lên 50 % để đảm bảo tính năng hoạt động và độ bền của trục. Ta chọn mô men tính toán là:
52
Trong tính toán kiểm nghiệm trục ta coi như hiệu suất truyền động là 100% nghĩa là mô men truyền tới rulo được tính tương ứng theo mô men truyền cực đại nhận từ bánh xe.
Phản lực tại gối đỡ. N = 1800 N
Chọn vật liệu làm trục là thép C45:
[τ]: ứng suất xoắn cho phép, [τ] = 0,5[σ] với ứng suất uốn cho phép [σ] phụ thuộc vào vật liệu và nguyên nhân gây ứng suất tập trung. Chọn [σ] = 70 (MPa) và [τ] = 35 (MPa). Đường kính sơ bộ của trục:
Dsb = √ 𝑀𝑥 0,2[𝜏] 2 = √ 37.5 0,2.35000000 2 = 23.10-3 m = 40 mm
Mô men tương đương
Mtd = √𝑀𝑢2+ 0,75. (𝑀𝑥
2 )2 =√45,12+ 0,75 (173.2
2 )2= 87,5 Nm
Đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm: [7]
D ≥ √𝑀𝑡𝑑 0,1[𝜏] 2 = √ 87,5 0,1.7000000 2 = 0,023 m = 23 mm
53
Hình 6.5 Biểu đồ lực tác dụng lên trục rulo 6.2.1.2. Tính toán ổ bi.
Lực tác dụng tại gối tựa:
Lực hướng tâm: R = 1800 (N).
Lực dọc trục: FA = 0.
Số vòng quay tính toán: n = 1500 (vòng/phút).
Tuổi thọ các ổ bi: Lh = 2000 (giờ) suy ra tuổi thọ ổ (tính theo triệu vòng): Ltr = 60.n.Lh
106 =60.1500.2000
106 = 180 ( triệu vòng ) Đường kính trong của ổ bi là 35 mm.
Tải trọng tác dụng lên ổ bi :
54
Trong đó:
Tra bảng 11.2 sách cơ sở thiết kế máy của tác giả Nguyễn Hữu Lộc ta có:
Hệ số tính đến ảnh hưởng đặc tính tải trọng tới tuổi thọ Kσ = 1
Hệ số tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới tuổi thọ Kt = 1
Hệ số tính đến vòng nào quay V= 1.
Ltr: tuổi thọ ổ tính bằng triệu vòng Ltr = 180.
m: hệ số mũ đường cong mỏi, với ổ bi lấy m = 10.
Tra bảng 11.3 sách Cơ sở thiết kế máy – Nguyễn Hữu Lộc ta có các hệ số trên:
FA / C0 = 0.
FA / VR = 0 <e.
X: hệ số tải trọng hướng tâm X = 1.
Y: hệ số tải trọng dọc trục Y = 0. Hệ số tải trọng động Kđ = 2,5. Ta có: Q = (1,1.1100 + 0.0)2,5.1 = 2750 N C = 2750.10√180 = 4622,3 N Chọn ổ bi đỡ chặn tại 2 gối: Ổ 46207 cỡ nhẹ. d = 35 mm. D = 72 mm. B = 17 mm. [C] = 24 kN. CO = 16,6 kN. r = 2 mm. r1 = 1 mm.
55 Dw = 11,11 mm. Z = 9. Số vòng quay cho phép 8000 vòng/phút. Khối lượng 0,27 kg. Hình 6.6 Kính thước ổ đỡ 6.3. Tính toán bền khung
Khung bệ gá đỡ Rulo, được làm bằng thép hộp chữ nhật 6× 4 làm giầm ngang để đặt trục lên rulo lên, còn chân làm bằng thép hộp 8 × 4, loại thép sử dụng là C45. Do khung bệ có cùng loại vật liệu nên nếu chi tiết trên khung chịu lực tác động nhiều mà đảm bảo điều kiện làm việc thì các chi tiết còn lại cũng đảm bảo điều kiện làm việc.
Khung băng thử phần trước chịu tải xe ECO, được làm bằng thép V dày 3mm được hàn lại với nhau chắc chắn như hình chụp trên.
6.3.1. Tính sức bền khung giá đỡ xe trước.
Tải trọng xe ECO 50 kg, người lái thi 60 kg, tổng khối lượng khung chịu tải là 110 kg. Để tính bền tốt ta chọn tổng tải trọng là 150 kg.
56
Xe ECO có trọng tâm đặt tại giữa xe và chuyển động với 3 bánh. Nên ta có
P1 = P2 = P3 = P
3 =1500
3 = 500 N tác dụng xuống 3 bánh xe. Xét tại bánh trước phải:
Gỡ bỏ liên kết giữa thanh và khung đỡ thay liên kết bằng ba gối đỡ cố định khi đó ta có lực tác dụng lên thanh gồm khối lượng của xe và ba phản lực liên kết của thanh.
Khối lượng tác dụng lên điểm xét là 50 kg = 500 N. Ta có phương trình mô men tại:
∑M1 = - 500.20 + Y2.40 = 0 Y2 = 250 N
Y1 + Y2 – P1 = 0
Y1 = P1-Y2 = 500 - 250 = 250 N
57
Ứng suất pháp tác dụng lên thanh:
σz =Mx Jx . y Thanh kết cấu có thông số nên ta có:
Jx của sắt V 40x3x2 là 3 cm4
Suy ra
σz =Mx
Jx . y =50.100
3 . 2 = 3,3 kN / cm2
Ứng suất cho phép của thép C45 là 500÷600 N/mm2 = 50÷60 kN/cm2. Vậy kết cấu đã chọn đảm bảo điều kiện bền.
Bánh trước trái được tính tương tự vì cùng chịu P2 = 500 N và khoảng cách tương tự bánh trước phải. Nên ta không tính lại, vì tương tự nhau.
58
6.4. Thiết kế mạch điện, lập trình trên Arduino và hiện thị trên LabVIEW 6.4.1. Thiết kế mạch điện.
59
6.4.2. Lập trình trên Arduino.
60
Khi bắt đầu chạy thí nghiệm, Rulo quay làm cho cảm biến tiệm cận phát hiện tín hiệu nhờ 4 miếng sắt lồi được gắn trên bề mặt Rulo. Cảm biến gửi tín hiệu về mạch xử lí để tính ra
khoảng chu kỳ giữa các xung tức là : T = 1
fT (6.1)
Trong đó T: chu kỳ giữa 2 xung liên tiếp (s) fT: tần số xung (Hz)
Do trên Rulo có bốn xung trên một vòng quay chu kỳ giữa 2 xung liên tiếp có đơn vị đo là μs. Từ đó suy ra tốc độ quay của Rulo được tính trong mạch xử lí:
nR =60.106
4.T =15000000
T (vòng/phút). Chuyển sang tốc độ góc ω2 = nR
9.549 (rad/s) Từ đó dựa vào các biểu thức để tính toán đưa ra công suất của xe.
A = I .ω22
2 − I .ω12
2 (J) (6.2) P = A
t (W) (6.3) Trong đó : P: công suất xe (W)
A: công thực hiện được (J) I: moment quán tính rulo ω1, ω2: tốc độ góc của rulo.
61
6.4.3. Hiển thị trên LabVIEW 6.4.3.1. Giao diện người dùng. 6.4.3.1. Giao diện người dùng.
Hình 6.10 Giao diện người dùng của LabVIEW 6.4.3.2. Chương trình
62
CHƯƠNG 7: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM 7.1. Thi công
7.1.1. Vẽ thiết kế trên bản vẽ 2D. 7.1.1.1. Con lăn Rulo.
63
7.1.1.2. Khung giá đỡ xe ECO.
64
7.1.2. Mô phỏng thiết kế 3D trên solidworks.
65
7.1.3. Hình ảnh thực tế toàn bộ băng thử.
Hình 7.4 Ảnh chụp thực tế toàn bộ băng thử. 7.2. Kết quả đo thực nghiệm.
Trong nội dung mục này sẽ trình bày kết nối thiết bị lên băng thử, các bước tiến hành thí nghiệm, kết quả đo đem so sánh với kết quả thực tế.
Mục đích và nội dung thử nghiệm:
Xác định đường đặc tính công suất kéo của xe và mô men. So sánh đánh giá kết quả so với thông số của xe.
Thiết bị và đối tượng thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm: Băng thử chế tạo.
66
7.2.1. Sơ đồ kết nối thiết bị thử nghiệm.
….
Hình 7.5 Sơ đồ
Hình 7.5. Sơ đồ kết nối thiết bị 7.2.2. Các bước tiến hành thử nghiệm.
Hình 7.6 Hình ảnh thực tế thí nghiệm
Bước 1: Đặt xe lên băng thử, cho hai bánh trước lên hai gá đỡ cố định thân xe. Kết nối các thiết bị đo và khởi động chương trình đo.
Giắc USB nối với
máy tính Giắc cảm biến
Màn hình hiển thị số liệu
Hộp điều khiển xử lí
67
Bước 2: Khởi động hâm nóng động cơ cho chạy hoạt động ổn định
Bước 3: Cho bướm ga mở tới khi tốc độ xe đạt khoảng 50km/h (vì là xe tiết kiệm nhiên liệu được thiết kế với một công suất tối ưu phù hợp cho hoạt động của xe nên ta chỉ đo ở một dải đo thấp an toàn)
Bước 4: Khi xe đạt tới công suất tối đa thì thả từ từ bướm ga cho tới khi bướm ga đóng hoàn toàn rồi tắt máy.
Bước 5: Xuất ra đồ thị công suất của xe vừa đo. Xử lí các số liệu.
Điều chỉnh cơ cấu của xe rồi tiếp tục thử nghiệm đo để tìm ra công suất tối ưu.
7.2.3. Kết quả thử nghiệm trên băng thử.
Kết quả dưới đây được thực nghiệm trên xe tiết kiệm nhiên liệu với góc mở bướm ga lên khoảng 50km/h. Ta sẽ sử dụng hai cách đo nêu ở mục trên để thử nghiệm.
7.2.3.1. Sử dụng phương pháp thứ nhất thử nghiệm
Phương pháp này ta sẽ tính gia tốc góc giữa hai điểm liền kề, sau đó tính ra mô men quay rồi nhân với vận tốc góc tại thời điểm hiện tại để tính ra công suất.
Ta được bảng số liệu:
Bảng 7.1 Số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất theo phương pháp một.
ωxe(vòng/phút) ∆t(s) P(kW) 11.96 51308 0.115 13.15 46708 0.1375 14.25 43044 0.165 14.83 41364 0.1775 15.23 40216 0.1825
68 16.22 37788 0.2125 16.75 36612 0.2275 17.12 35848 0.2325 19.58 31340 0.31 20.07 30612 0.3275 21.5 28560 0.3775 21.71 28260 0.385 22.85 26876 0.43 24.12 25448 0.475 24.29 25256 0.4825 24.9 24644 0.505 25.35 24216 0.525 25.47 24084 0.5325 26.05 23548 0.555 26.5 23160 0.575 26.62 23072 0.585 27.23 22548 0.6075 27.6 22236 0.615 28.63 21432 0.6725
69 29.69 20672 0.72 30.67 20024 0.765 31.62 19420 0.815 32.56 18852 0.88 33.21 18476 0.9075 33.42 18372 0.9175 34.24 17928 0.9575 35.06 17520 1.015 35.79 17152 1.055 36.53 16800 1.0975 37.27 16476 1.14 38.01 16152 1.1825 38.74 15852 1.2475 39.4 15580 1.28 40.14 15296 1.325 40.79 15056 1.3725 42.14 14572 1.455 42.72 14368 1.505 44.03 13948 1.59
70
45.25 13568 1.68
46.48 13208 1.77
47.63 12896 1.8625
Hình 7.7 Đồ thị thực nghiệm công suất xe tiết kiệm nhiên liệu theo tốc độ xe theo phương
pháp một.
7.2.3.2. Sử dụng phương pháp thứ hai.
Phương pháp này sẽ tính công thực hiện được trong một khoảng thời gian, suy ra công suất.
Bảng 7.2 Số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất theo phương pháp hai.
ωxe(vòng/phút) ∆t(s) P(kW) 12.28 50025 0.1175 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 10 20 30 40 50 60 Cô n g su ất P (kW) Tốc độ xe (vòng/phút)
71 13.44 45700 0.1425 14.27 43041 0.165 14.87 41300 0.1775 15.28 40191 0.1875 16.26 37784 0.215 16.83 36500 0.2275 17.06 36000 0.235 19.6 31339 0.315 20.06 30620 0.33 21.54 28519 0.375 21.69 28320 0.385 22.86 26876 0.4275 24.19 25400 0.4775 24.33 25244 0.4875 24.89 24677 0.5075 24.92 24654 0.515 25.48 24111 0.535 25.98 23650 0.555 26.2 23444 0.5675
72 26.71 23001 0.5875 27.35 22458 0.61 27.77 22123 0.6275 27.92 21999 0.66 28.95 21222 0.7025