Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH KHÍ
4.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm và mô hình thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm là thiết bị có nhiệm vụ đo lực cản khí động Cd của ô tô mô hình bao gồm các thành phần sau:
- Ống khí động.
- Quạt gió . - Biến tần .
- Cảm biến đo vận tốc gió.
- Cảm biến đo lực.
4.1.1 Ống khí động
Ống khí động được phân thành hai loại theo kết cấu gồm buồng đo kín và buồng đo hở.
Buồng đo kín thì khi toàn bộ dòng lưu chất đi ra khỏi buồng hút sẽ đi qua buồng đo, vật thể thí nghiệm được đặt giữa buồng đo. Buồng đo kín có ưu điểm là chất lượng dòng lưu chất vẫn được đảm bảo ở khoảng cách xa từ buồng hút nên giá trị lực đo sẽ chính xác và do tiết diện vị trí đo nhỏ nên yêu cầu công suất của quạt hút thấp hơn.
Nhược điểm của buồng đo này là kích thước cản chính diện của vật mẫu bị hạn chế do ảnh hưởng của vách ngăn hai bên của buồng đo.
Buồng đo hở thì buồng hút hoạt động như một ống phun lưu chất và vật thể thí nghiệm đượcđặt ngập trong lưu chất được phun ra. Ưu điểm của loại buồng đo hở là có thể thí nghiệm với các vật mẫu có kích thước lớn do không ảnh hưởng vách ngăn của buồng đo. Nhược điểm của buồng đo hở là dòng lưu chất được phun ra bị tiêu tán với không khí trong buồng đo nên chiều dài buồng đo phải ngắn lại làm tính ổn định của dòng lưu chất không tốt và yêu cầu về quạt gió, ống phụ khói phải có công suất lớn.[6]
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 65
Ống khí động: Là ống khí động dạng hầm hở, buồng đo kín và bao gồm các thành phần cơ bản sau:
Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo ống khí động thí nghiệm - 1. Buồng nắn dòng .
- 2. Buồng hút.
- 3. Buồng đo.
- 4. Ống khuếch tán.
- 5. Quạt gió.
Buồng nắn dòng: Đây là khu vực đầu tiên không khí đi qua ống khí động. Buồng nắn dòng có tác dụng loại bỏ ảnh hưởng của các luồng gió bên ngoài,nắn thẳng dòng khí đi qua ống khí động để làm giảm các nhiễu động đan xen nhau của dòng khí tốc độ cao.
Các nhiễu động này làm giảm sự chính xác khi mô phỏng dòng chảy qua vật thể khi qua buồng đo.
Buồng hút: Khu vực thứ hai dòng khí đi qua ống khí động là buồng hút. Buồng hút có nhiệm vụ hút một lưu lượng lớn không khí với vận tốc thấp bên ngoài và tăng tốc độ dòng khí lên cao và hướng nó vào buồng đo.
Buồng đo: Sau khi đi qua buồng nắn dòng và buồng hút, dòng khí đã được nắn thẳng, đồng dạng và có vận tốc mong muốn sẽ đi vào buồng đo, nơi đặt mô hình thí nghiệm và thiết bị mô phỏng dòng chảy. Các cảm biến lực để xác định lực cản, lực nâng khí động sẽ được gắn vào mô hình để xác định các ảnh hưởng dòng khí tác động lên nó.
Ống khuếch tán: Sau khi ra khỏi buồng đo, dòng khí sẽ đi qua ống khuếch tán.
Nhiệm vụ của ống khuếch tán là giảm tốc độ của dòng khí trước khi đi vào quạt gió để thoát ra ngoài hoặc tuần hoàn trở lại.
Quạt gió: Là quạt hướng trục, có công suất 2,2 kW. Quạt gió có nhiệm vụ cung
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 66
cấp năng lượng cho dòng khí để đi qua ống khí động để đạt được tốc độ lớn nhất tại buồng đo là >25 m/s.
Ngoài các thành phần trên còn có biến tần để điều khiển tốc độ quay của quạt gió, cảm biến đo gió để đo vận tốc gió trong buồn đo và cảm biến đo lực để đo lực khí động tác dụng lên vật thí nghiệm.
4.1.2 Biến tần T-VERTER N2- SERIES.
Nhiệm vụ của biến tần:Vì quạt gió của ống khí động được sử dụng được dẫn động bởi động cơ điện ba pha không đồng bộ. Do đó, biến tần được sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ, từ đó thay đổi vận tốc gió đi qua ống khí động. Đây là một thiết bị không thể thiếu đối với ống khí động vì một trong những yêu cầu đối với ống khí động là điều khiển được vận tốc dòng không khí đi qua vật thể thí nghiệm.
Hình 4.2 : Biến tầnT-VERTER N2- SERIES
Nguyên lý hoạt động của biến tần: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Sau đó, điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 67
Hình 4.3 Sơ đồ khối hoạt động của biến tần.
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số tuỳ theo bộ điều khiển nghịch lưu. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại.
Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến tần còn có ưu điểm là có thể cài đặt các chương trình như tốc độ, thời gian chạy của quạt gió.
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của biến tần T-VERTER N2- SERIES.[6]
Thông số Đầu vào. Đầu ra.
Điện áp. 380-500 V 380-500 V
Số pha. 3 3
Tần số. 50 Hz 0,5 – 500 Hz
Dòng điện tối đa. 20 A 5,5 A
Nhiệt độ hoạt động tối đa. 850C.
4.1.3 Cảm biến đo vận tốc gió PCE TA-30.
Hình 4.4 Máy đo gió PCE – TA30.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 68
Nhiệm vụ của cảm biến đo vận tốc gió: Trên ống khí động được thiết kế và xây dựng, máy đo vận tốc gió có nhiệm vụ đo vận tốc gió đi qua buồng đo và xác định phân bố của trường vận tốc trên trên tiết diện của buồng đo. Từ đây tạo nên cơ sở để xác định được các lực khí động tác dụng lên vật thể.
Nguyên lý hoạt động của máy đo vận tốc gió: Cảm biến đo vận tốc gió được sử dụng cho ống khí động là loại đo kiểu cánh quạt. Làm việc dựa trên nguyên lý hoạt động của loại tuốc bin phản lực loại hướng trục.
Đầu dò cảm biến được đặt vuông góc với dòng chảy không khí. Khi dòng chảy này chảy qua các cánh gió của thiết bị, lực khí động sẽ tác động lên các gió và tạo ra một momen quay M làm quay trục của nó. Vì tuabin phản lực cũng thuộc loại máy thủy lực cánh dẫn nên phương trình cơ bản của tuabin phản lực cũng được suy ra từ phương trình cơ bản của máy thủy lực cánh dẫn.
M = Q1 (c1 cos 1R1 − c2 cos 2 R 2 ) (4-1) N = M (−)
Trong đó:
M [Nm]: Mô men quay của tuốc bin.
ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của không khí.
Q1 [m3/s]: Lưu lượng không khí chảy qua các cánh gió của thiết bị. R1, R2 [m]:
Đường kính trong và đường kính ngoài của prôfin cánh.
N [W]: Công suất tạo ra của tuabin do tác dụng của dòng khí chảy qua. ω [rad/s]:
Vận tốc góc của trục tuốc bin.
Công suất N của tuốc bin tạo ra sẽ được dùng để khắc phục cản lực cản của tuốc bin và làm tuốc bin quay với vận tốc góc ω. Các lực cản của tuốc bin phụ thuộc vào kết cấu hình học và thông số kỹ thuật của nó. Giá trị lực cản này sẽ ảnh hưởng đến độ nhạy và tính chính xác của thiết bị đo và đây là các thông số chuẩn của nhà sản xuất thiết bị.
ω = 𝜋𝑛
30 => n = 30𝜔
𝜋 (4-3) Trong đó:
n là số vòng quay của trục tuốc bin.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 69
Dùng thiết bị đo số vòng quay n thiết bị sẽ xác định được vận tốc góc ω của trục tuốc bin. Qua đó thiết bị xác định được lưu lượng gió Q1 chảy qua tuốc bin.
Cuối cùng thiết bị sẽ xác định được vận tốc gió V∞ nhờ công thức:
2 2 1
1 2 1 2 2
2 1
Q V . (R R ) V Q
(R R )
= − =
− (4-4)
Như vậy thiết bị đo gió sẽ xác định được vận tốc gió nhờ xác định được số vòng quay trên trục của một tuabin đã biết được biên dạng hình học và thông số kỹ thuật. Đây là nguyên lý làm việc của thiết bị đo gió kiểu cánh quạt.
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của máy đo vận tốc gió PCE TA-30.[6]
Thông số. Giá trị.
Khoảng đo vận tốc 1 ÷ 30 m/s
3,6 ÷ 108 km/h
Độ phân giải vận tốc. 0,01 m/s
0,1 km/h
Điện áp cung cấp [V] 9
Nhiệt độ hoạt động [0C] tại [<95% H.r] 0 ÷ 40
Khối lượng [g]. 297
4.1.4 Cảm biến đo lực CAS BCA-50L.
Nhiệm vụ của cảm biến đo lực: Nhiệm vụ của cảm biến đo lực là để đo lực khí động do dòng chảy không khí tác dụng lên vật thể thí nghiệm.
Trên ống khí động được thiết kế, lực khí động được xác định là lực cản chính diện.
Được tạo thành do lực cản ma sát và lực cản hình dạng. Lực cản chính diện có phương song song với dòng chảy, có chiều ngược với chiều của dòng chảy.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lực: Cảm biến đo lực được sử dụng trên ống khí động thiết kế là loại cảm biến màng điện trở. Đây là loại cảm biến lực hiện đại nhất với độ chính xác và ổn định rất cao.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 70
Hình 4.5 cảm biến đo lực CAS – BCA 50L.
Trên màng điện trở của cảm biến được dán 4 miếng điện trở biến dạng. Điện trở biến dạng là loại linh kiện điện tử mà điện trở của nó sẽ thay đổi khi bị biến dạng do ngoại lực bên ngoài tác động vào. Nó lợi dụng tính chất vật lý là điện trở của vật dẫn thay đổi theo chiều dài và đường kính của vật dẫn:
R = 𝛒.𝑙
𝑆 (4-5)
Trong đó:
− R [Ω]: Điện trở của dây dẫn.
− ρ: Điện trở xuất của dây dẫn.
− l [m]: Chiều dài dây dẫn.
− S [m2]: Tiết diện dây dẫn.
Khi điện trở biến dạng bị căng ra trong giới hạn đàn hồi của nó, nó trở nên hẹp hơn và dài hơn (tăng l và giảm S), giá trị điện trở của nó tăng lên. Ngược lại, khi điện trở biến dạng bị nén lại, nó sẽrộng ra và thu ngắn lại (tăng S và giảm l), điều này làm giảm giá trị điện trở của nó. Hoạt động của điện trở biến dạng được minh họa ở hình dưới:
Hình 4.6 Hoạt động của màng điện trở biến dạng
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 71
A: Trạng thái nghỉ của màng điện trở.
B: Khi màng điện trở bị kéo, điện trở nó tăng lên.
C: Khi màng điện trở bị nén, điện trở nó giảm xuống.
Ở hình 3.6 ta thấy, trên màng điện trở sẽ được dán 4 miếng điện trở biến dạng thẳng hàng với nhau. Với cách sắp xếp như vậy thì khi có lực tác dụng lên cảm biến sẽ có 2 điện trở chịu kéo (điện trở tăng lên) là Rb, Rcvà 2 điện trở chịu nén (điện trở giảm xuống) là Ra và Rd. 4 điện trở được mắc theo mạch cầu Wheastone.
Ở trạng thái tĩnh không có lực tác dụng, các điện trở biến dạng ở trạng thái nghỉ, giá trị điện trở tĩnh của chúng giữ cho mạch cầu Wheastone cân bằng. Điện áp ra Vout = 0V.
Khi có lực tác dụng lên màng, nó làm màng bị biến dạng, các điện trở bị biến dạng theo làm cho điện trở của chúng thay đổi. Điều này làm mất cân bằng trên mạch cầu Wheastone, sự mất cân bằng của mạch cầu tạo nên một giá trị điện áp ra Vout > 0 được xác định bằng công thức:
b d
out cc
a b c d
R R
V V
R R R R
= + − + (4-6) Như vậy, bằng việc xác định được điện áp ra Vout ta sẽ xác định được lực tác dụng lên cảm biến. Mạch điều khiển thu nhận tín hiệu điện áp Vout này, so sánh với bảng giá trị chuẩn và xuất tín hiệu ra là giá trị lực tác dụng lên cảm biến.
Hình 4.1: cấu tạo của lực kế kiểu màng điện trở.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 72
Trong đó:
Ra, Rd: Điện trở biến dạng (chịu nén).
Rb, Rc: Điện trở biến dạng (chịu kéo).
Vog: Điện áp ra (tín hiệu).
Vcc: Điện áp nguồn
Bảng 4.3 Thông số kĩ thuật của đầu ra cảm biến đo lực[6]
Thông số. Giá trị.
Tải trọng tối đa [kG]. 5
Điện áp ngưỡng ra tối đa [2mV]. 2
Nhiệt độ hoạt động [0C]. -20 ÷ +70
Độ phân giải. <1/3000
Khoảng chia [mV]. 0,00067
Điện áp kích thích [V]. 10
Điện trở ngõ vào [Ω]. 400±20
Điện trở ngõ ra [Ω]. 350±3,5