ne (vg/ph) Fk1 (N) vx1 (m/s) Fk2 (N) vx2 (m/s) Fk3 (N) vx3 (m/s) Fk4 (N) vx4 (m/s) Fk5 (N) vx5 (m/s) Fk6 (N) vx6 (m/s) Pk (W) 2500 95.66 2.36 62.09 3.64 47.59 4.75 38.09 5.94 31.76 7.12 27.83 8.12 226.10 3000 312.18 2.84 202.63 4.37 155.29 5.70 124.30 7.12 103.64 8.54 90.82 9.75 885.45 3500 509.87 3.31 330.95 5.10 253.64 6.65 203.02 8.31 169.28 9.97 148.33 11.37 1687.21 4000 688.74 3.78 447.05 5.83 342.62 7.60 274.24 9.50 228.66 11.39 200.36 13.00 2604.67 4500 848.78 4.25 550.93 6.55 422.23 8.55 337.97 10.68 281.79 12.81 246.92 14.62 3611.14 5000 989.98 4.73 642.59 7.28 492.47 9.50 394.19 11.87 328.67 14.24 288.00 16.25 4679.91 5500 1112.37 5.20 722.03 8.01 553.35 10.45 442.92 13.06 369.31 15.66 323.60 17.87 5784.28 6000 1215.92 5.67 789.24 8.74 604.86 11.40 484.16 14.25 403.69 17.09 353.72 19.50 6897.56 6500 1300.65 6.15 844.24 9.47 647.01 12.35 517.89 15.43 431.81 18.51 378.37 21.12 7993.03 7000 1366.54 6.62 887.01 10.20 679.79 13.30 544.13 16.62 453.69 19.93 397.54 22.75 9044.00 7500 1413.61 7.09 917.56 10.92 703.21 14.25 562.88 17.81 469.32 21.36 411.23 24.37 10023.7 8000 1441.86 7.56 935.90 11.65 717.26 15.20 574.12 19.00 478.70 22.78 419.45 26.00 10905.6 8500 1451.27 8.04 942.01 12.38 721.94 16.15 577.87 20.18 481.82 24.21 422.19 27.62 11662.8 9000 1441.86 8.51 935.90 13.11 717.26 17.11 574.12 21.37 478.70 25.63 419.45 29.25 12268.8 9500 1413.61 8.98 917.56 13.84 703.21 18.06 562.88 22.56 469.32 27.05 411.23 30.87 12696.7 10000 1366.54 9.45 887.01 14.57 679.79 19.01 544.13 23.74 453.69 28.48 397.54 32.50 12920.0 10500 1300.65 9.93 844.24 15.29 647.01 19.96 517.89 24.93 431.81 29.90 378.37 34.12 12911.8 11000 1215.92 10.40 789.24 16.02 604.86 20.91 484.16 26.12 403.69 31.33 353.72 35.75 12645.5 11500 1112.37 10.87 722.03 16.75 553.35 21.86 442.92 27.31 369.31 32.75 323.60 37.37 12094.4 12000 989.98 11.35 642.59 17.48 492.47 22.81 394.19 28.49 328.67 34.17 288.00 39.00 11231.7 12500 848.78 11.82 550.93 18.21 422.23 23.76 337.97 29.68 281.79 35.60 246.92 40.62 10030.9 13000 688.74 12.29 447.05 18.94 342.62 24.71 274.24 30.87 228.66 37.02 200.36 42.25 8465.18
45
Hình 3. 15 Đồ thị đặc tính kéo của động cơ xe Suzuki Raider 150cc
c. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo
Đồ thị cân bằng lực kéo là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực kéo tiếp tuyến Fk tại bánh xe chủ động và các lực cản chuyển động phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của xe, nghĩa là: Fk = f(v).
Lực kéo tiếp tuyến Fk ở bánh xe chủ động dùng để khắc phục các lực cản chuyển động. Biểu thức cân bằng giữa lực kéo tiếp tuyến Fk ở bánh xe chủ động và các lực cản được gọi là phương trình cân bằng lực kéo.
Xét trường hợp tổng quát, ta có:
k f i w j
F F F F F (9)
Ở lực Fi: dấu (+) dùng khi xe lên dốc, dấu (-) dùng khi xe xuống dốc. Ở lực Fj: dấu (+) dùng khi xe tăng tốc, dấu (-) dùng khi xe giảm tốc. Fk - Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động.
Ff - Lực cản lăn ở bánh xe Fw - Lực cản không khí Fi – Lực cản dốc
Fj – Lực quán tính của xe khi chuyển động không đều
Xét trường hợp xe chuyển động ổn định (j = 0), trên đường bằng (α = 0) suy ra phương trình cân bằng lực kéo là:
k f w
F F F (10) Khi bánh xe chuyển động trên mặt đường, sẽ có lực cản lăn tác dụng song song với mặt đường và ngược với chiều chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường. Lực cản lăn sinh ra là do có sự biến dạng của lốp với đường, do sự tạo thành vết
46 bánh xe trên đường và do ma sát ở bề mặt tiếp xúc giữa lốp xe với đường. Công thức tính lực cản lăn Ff như sau:
f
F mgf (11)
m – Tổng khối lượng của xe và một người ngồi lên, m = 109 + 65 = 174 kg g – Gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/s2
f – Hệ số cản lăn. Giá trị của hệ số lực cản lăn f phụ thuộc vào vận tốc vx (m/s) của xe; giá trị f0 được xác định ứng với từng loại mặt đường khác nhau, chọn f0 = 0.02
Khi v ≥ 22m/s hay v ≥ 80 km/h: 2 0 v f f 1+ 1500 Khi v ≤ 22m/s hay v ≤ 80 km/h: f = f0
Bên cạnh đó, một vật thể bất kỳ chuyển động trong môi trường không khí sẽ gây lên sự chuyển dịch các phần tử không khí bao quanh nó và gây lên sự ma sát giữa không khí với bề mặt của mặt phẳng đó. Khi xe chuyển động xẽ làm thay đổi áp suất không khí trên bề mặt của nó, làm suất hiện các dòng xoáy khí ở phần sau của xe và gây ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng, do đó xẽ phát sinh lực cản không khí Fw. Công thức tính lực cản không khí là: 2 2 w 1 0.625 2 x o x o F C Sv C Sv (12) Fw – Lực cản không khí
ρ - Khối lượng riêng của không khí (kg/m3), ở nhiệt độ25oC và áp suất 0,1013 MPa thì ρ =1.25 kg/m3.
vo – Vận tốc tương đối giữa xe và không khí (m/s): vo = v ± vg
v – Vận tốc của xe (m/s). vg – Vận tốc gió (m/s).
Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều.
Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều. Cx - Hệ số cản của không khí (Ns2/m4)
S – Diện tích cản gió (m2)
Theo sách “Motorcycle Dynamics” của Vittore Cossalter, giá trị của CxS có thể thay đổi từ 0.18 ÷ 0.7 m2 đối với xe máy không có phần ốp và người lái ở tư thế thẳng đứng. Đối với mô tô phân khối lớn là 0.3 ÷ 0.35 m2; đối với xe mô tô đua là 0.22 m2 hoặc thậm chí nhỏ hơn, trong khi xe máy thể thao có một phần ốp nhỏ phía trước có giá trị khoảng 0.4 ÷ 0.5 m2. Như vậy, đối với xe Raider, ta có thể chọn CxS = 0.5 m2.
Thay các thông số trên vào (10) ta được:
2 2
0.625 174 9.81 0.625 0.5
k x
F mgf C Sv f v (13) Thay các giá trị hệ số cản lăn f và vận tốc của xe vào công thức (13) sẽ thu được các giá trị lực cản lăn và lực cản gió tương ứng như bảng 3.5. Đồng thời kết hợp đồ thị đặc tính kéo với các giá trị lực cản, ta vẽ được đồ thị cân bằng lực kéo như hình 3.16.
47
Bảng 3. 5 Lực cản và công suất cản khi chuyển động
Vận tốc xe vx (m/s) Lực cản lăn Ff (N) Lực cản gió Fw (N) Tổng lực cản Ff + Fw (N) Công suất cản Pf + Pw (W) Tốc độ xe (vg/ph) 0 34.14 0.00 34.14 0.00 0.00 5 34.14 7.81 41.95 209.76 178.92 10 34.14 31.25 65.39 653.89 357.83 15 34.14 70.31 104.45 1566.77 536.75 20 34.14 125.00 159.14 3182.78 715.67 25 48.36 195.31 243.68 6091.90 894.58 30 54.62 281.25 335.87 10076.16 1073.50 35 62.02 382.81 444.83 15569.10 1252.42 40 70.55 500.00 570.55 22822.14 1431.33 45 80.23 632.81 713.04 32086.74 1610.25 Hình 3. 16 Đồ thị cân bằng lực kéo
d. Xây dựng đồ thị cân bằng công suất
Đồ thị cân bằng công suất của ôtô là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa công suất phát ra của động cơ Pk và các công suất cản Pc trong quá trình xe chuyển động phụ thuộc với tốc độ chuyển động hoặc số vòng quay của trục khuỷu động cơ ne.
Xét trường hợp xe chuyển động ổn định (j = 0), trên đường bằng (α = 0), ta có phương trình cân bằng công suất:
w w
k c f k x f x
P P P P F v F F v (14) Trong đó:
48 vx – Vận tốc chuyển động của xe ở từng tay số
Pk – Công suất kéo của động cơ
Pc – Công suất cản trong quá trình xe chuyển động Pf - Công suất tiêu hao để khắc phục lực cản lăn
Pw - Công suất tiêu hao để khắc phục lực cản không khí
Dựa vào công thức (14) ta tính được các giá trị công suất kéo ở từng tay số (bảng 3.4) và công suất cản tương ứng với từng tốc độ của xe (bảng 3.5), từ đó vẽ được đồ thị cân bằng công suất (hình 3.17).
Hình 3. 17 Đồ thị cân bằng công suất
Ứng với các vận tốc khác nhau thì tung độ nằm giữa đường cong (Pf + Pw) và đường cong Pk là công suất dự trữ, được gọi là công suất dư Pd dùng để leo dốc, tăng tốc. Tại điểm A: Pd = 0, xe không còn khả năng tăng tốc, leo dốc. Chiếu điểm A xuống trục hòanh, ta được tốc độ cực đại vmax của xe ở loại đường đã chọn là 32.7 m/s.
3.2.2 Lựa chọn phương án máy phát
Ta phải chọn máy phát có khả năng phát điện (tạo ra công suất cản) lớn hơn hoặc bằng lực cản đường ứng với từng vận tốc quay của động cơ. Tức là:
Pmp ≥ Pkmax (15) Mặt khác, công suất kéo cực đại Pkmax của động cơ là 12.92 kW, do đó ta chọn máy phát MAC R 132.170 có công suất cực đại là 13.2 kW và các thông số như ở bảng 3.6 để kiểm nghiệm.
Bảng 3. 6 Thông số máy phát MAR R 132.170
49 Tốc độ cực đại 5000 vg/ph
Tốc độ định mức 2570 vg/ph Tốc độ tối đa máy phát
đạt công suất cực đại
3890 vg/ph
Moment cực đại 49 Nm Tần số 87 Hz Điện áp 230 V Cường độ dòng điện 25.6 A Khối lượng 59 kg
Bảng 3. 7 Đặc tính ngoài của máy phát
Tốc độ máy phát nmp (vg/ph)
Moment máy phát Mmp (Nm)
Công suất máy phát Pmp (Kw) 0 49 0 2570 49 13.2 3000 42 13.2 3500 36 13.2 3980 31.7 13.2 4200 28 12.3 4400 25 11.5 4600 22.8 11 4800 20.5 10.3 5000 18.5 9.7
50
Hình 3. 18 Hình chiếu của máy phát MAC R 132.170
Dựa vào bảng số liệu 3.7, ta vẽ được đồ thị đặc tính ngoài của máy phát như hình 3.19
Hình 3. 19 Đồ thị đặc tính ngoài của máy phát
Để so sánh vùng công suất hoạt động của máy phát với công suất của động cơ ở các tay số, ta cần tính tốc độ quay của bánh xe nbx thông qua vận tốc xe vx đã có bằng công thức: 60 2 x bx b v n r (16)
Thay các giá trị vx vào công thức (16), ta tìm được các giá trị tốc độ quay của bánh xe ở từng tay số được thể hiện trong bảng 3.8.
Xét trường hợp tốc độ quay của máy phát nmp bằng tốc độ quay của bánh xe nbx. Ta thấy, ở tay số 1, động cơ đạt công suất kéo cực đại Pk1max = 12920 W tại tốc độ 338.31
51 vg/ph ứng với công suất của máy phát gần 2000 W. Ở tay số 6, động cơ đạt công suất kéo cực đại Pk6max = 12920 W tại tốc độ 1170 vg/ph ứng với công suất của máy phát gần 5500 W. Mặt khác, máy phát bắt đầu đạt công suất cực đại tại tốc độ 2570 vg/ph và đạt công suất cực đại cuối cùng tại tốc độ 3980 vg/ph. Có thể thấy, trong trường hợp truyền thẳng moment từ bánh xe đến máy phát thì máy phát chỉ đo được vùng công suất rất nhỏ của xe (tối đa là 5500 W). Do đó, không thể truyền moment trực tiếp từ bánh xe tới máy phát, thay vào đó ta cần một hệ thống truyền động có tỷ số truyền i. Để tìm được i, chúng ta cần khảo sát các trường hợp sau:
Trường hợp 1: Tay số 1 đạt công suất cực đại Pkmax = 12920 W tại số vòng quay np1max = 338.31 vg/ph. Mặt khác, máy phát bắt đầu đạt công suất cực đại số vòng quay nm1 = 2570 vg/ph. Để máy phát đo được công suất kéo cực đại của động cơ Pkmax, băng thử cần dùng một hệ thống truyền động tăng tốc. Suy ra tỷ số truyền từ bánh xe đến máy phát là: 1max 1 1 338.31 0.131 2570 p m n i n (17)
Với tỷ số truyền i1 = 0.131, máy phát chỉ đo được vùng công suất của động cơ từ 0 đến 650 vg/ph (vùng công suất nằm trong đường màu xanh đậm – Pmp1) ; cụ thể là máy phát đo được vùng công suất cực đại của động cơ từ tốc độ 330 vg/ph đến 530 vg/ph nhưng không đo được vùng công suất từ tốc độ 650 vg/ph trở đi.
Hình 3. 20 Đồ thị công suất kéo, công suất cản, công suất máy phát theo tốc độ quay với tỷ số truyền i1 = 0.131
Trường hợp 2: Tay số 6 đạt công suất cực đại Pkmax = 12920 W tại số vòng quay np6max = 1162.65 vg/ph. Mặt khác, điểm cuối máy phát đạt công suất cực đại số vòng quay nm2 = 3980 vg/ph. Để máy phát đo được công suất kéo cực đại của động cơ
52 Pkmax, băng thử cần dùng một hệ thống truyền động tăng tốc. Suy ra tỷ số truyền từ bánh xe đến máy phát là: 6 max 3 2 1162.95 0.292 3980 p m n i n (18)
Với tỷ số truyền i3 = 0.292, máy phát chỉ đo được vùng công suất của động cơ từ 0 đến 1460 vg/ph (vùng công suất nằm trong đường màu đỏ đậm – Pmp2); cụ thể là máy phát đo được vùng công suất cực đại của động cơ từ tốc độ 750 vg/ph đến 1170 vg/ph ứng với công suất cực đại của các tay số 4, 5, 6, nhưng không đo được vùng công suất của tay số 1, 2, 3 nằm ngoài đường màu đỏ đậm.
Hình 3. 21 Đồ thị công suất kéo, công suất cản, công suất máy phát theo tốc độ quay với tỷ số truyền i3 = 0.292
Như ta thấy, không có tỷ số truyền cố định nào truyền từ bánh xe đến máy phát để máy phát có thể đo được tất cả các giá trị công suất của xe ở các tay số. Phương án tốt nhất là sử dụng một hệ thống truyền động có nhiều cấp số truyền (hệ thống truyền động bánh răng hoặc hệ thống truyền động bằng xích). Tuy nhiên, ta sẽ chọn một giá trị tỷ số truyền i bất kỳ trong khoảng từ 0.131 đến 0.292 để kiểm nghiệm khả năng máy phát đo được vùng công suất hay tốc độ mà xe thường hoạt động nhất.
3.3. Chọn bán kính rulo, tính toán và kiểm nghiệm các tỷ số truyền của hệ thống truyền động. truyền động.
3.3.1. Chọn bán kính rulo và tính tỷ số truyền từ rulo đến máy phát
Ở phần 3.2, ta đã tìm được tỷ số truyền i của hệ thống truyền động từ bánh xe đến máy phát, và i được tính theo công thức:
a tl tl b R i i i i r (19)
53 Trong đó:
i – tỷ số truyền từ bánh xe tới máy phát (i = 0.131 ÷ 0.292) ia – tỷ số truyền từ bánh xe đến rulo
itl – tỷ số truyền từ rulo đến máy phát R – bán kính của rulo
rb - bán kính bánh xe
Chọn bán kính rulo R = 0.23 (m), tỷ số truyền từ bánh xe đến máy phát i = 0.292, suy ra tỷ số truyền từ rulo đến máy phát itl = 0.33. Hệ thống truyền động từ rulo đến máy phát ta có thể dùng bộ truyền xích hoặc bộ truyền bánh răng.
3.3.2. Kiểm nghiệm đặc tính của máy phát ứng với các tỷ số truyền khác nhau
Ta có, tốc độ quay của máy phát nmp ứng với tỷ số truyền i được tính theo công thức:
30. ir x mp b v n (19)
Ta chọn 3 giá trị i trong khoảng (0.131 ÷ 0.292) để kiểm nghiệm, gồm i1 = 0.131; i2
= 0.26; i3 = 0.292.
Tiếp theo, ta cần tìm các giá trị moment của máy phát tương ứng với tốc độ quay của máy phát bằng cách dùng phương pháp nội suy trong Matlab, cụ thể là nội suy từ các giá trị tốc độ máy phát nmp và các giá trị moment của máy phát Mmp ở bảng 3.7.
Trong đồ thị cân bằng lực kéo của động cơ, ứng với các vận tốc khác nhau thì tung độ nằm giữa đường cong (Ff + Fw) và đường cong Fk là lực kéo dư Fd dùng để leo dốc, tăng tốc. Mặt khác, máy phát tạo ra lực cản tương đương với lực cản khi xe chuyển động trên đường, mà lực cản do máy phát tạo ra được truyền tới rulo thông qua hệ thống truyền động. Do đó, lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo được tính theo công thức:
. mp rulo M F i R (20)
Frulo – Lực cản cực đại do máy phát tạo ra tại rulo (N) Mmp – Moment của máy phát (Nm)
i – Tỷ số truyền từ bánh xe đến máy phát R – Bán kính rulo (m)
Suy ra lực cản cực đại do máy phát tạo ra bằng tổng lực cản khi xe chuyển động. Xét trường hợp xe chuyển động đều:
w 2 cos 0.625 sin . rulo c f i mp x x F F F F F M mgf C Sv mg i R (21)
α – góc dốc của mặt đường. Xét góc α nhỏ, ta có cosα ≈ 1, sinα ≈ α.
Đưa các thông số trên và lần lượt các giá trị i1, i2, i3 vào Matlab, ta tìm được các bảng