Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo băng thử nghiệm xe Eco - ĐH SPKT

Tài liệu đồ án thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco. Trình bày đầy đủ cơ sở lý thuyết, bản vẽ, tính toán và kết quả đo thực nghiệm.

• Tác giả: Phạm Tài Đông
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trọng Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe Eco
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế chế tạo băng thử nghiệm xe ECO

Đồ án thiết kế chế tạo băng thử nghiệm xe ECO là một công trình nghiên cứu quan trọng từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, khoa Cơ khí Động lực. Đề tài này nhằm tạo ra một thiết bị đo công suất xe ECO hiệu quả, giúp các nhà nghiên cứu chủ động trong quá trình chế tạo xe sinh thái. Băng thử nghiệm được thiết kế để hiển thị kết quả đo lường trên phần mềm LabVIEW, cung cấp dữ liệu chính xác và thời gian thực. Công trình này kết hợp các ngành kỹ thuật: cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin, tạo nên một giải pháp toàn diện cho việc thử nghiệm hiệu suất xe ECO. Mục đích chính là hỗ trợ các cuộc thi xe sinh thái như Shell ECO Marathon, nơi các sinh viên cần tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu của phương tiện.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài thiết kế băng thử nghiệm là phát triển một hệ thống đo lường công suất xe ECO đơn giản, hiệu quả và giá thành hợp lý. Ý nghĩa thực hiện bao gồm: cung cấp công cụ thiết yếu cho sinh viên kỹ thuật, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển xe sinh thái, nâng cao năng lực cạnh tranh trong các cuộc thi quốc tế. Hệ thống này cho phép đo lường hiệu suất động cơ một cách chính xác, từ đó tối ưu hóa thiết kế và chế tạo phương tiện tiết kiệm năng lượng.

1.2. Phương pháp nghiên cứu và giới hạn đề tài

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết kỹ thuật, mô phỏng máy tính (Solidworks) và thử nghiệm thực tế. Các giới hạn đề tài bao gồm: chuyên biệt cho xe có cơ học đơn giản, áp dụng với động cơ xăng công suất nhỏ, trong phạm vi cơ sở vật chất của trường. Băng thử được thiết kế cho những phương tiện tham gia cuộc thi xe sinh thái ECO, đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và kỹ thuật cần thiết.

II. Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của băng thử

Nguyên lý hoạt động của băng thử nghiệm xe ECO dựa trên các cơ sở lý thuyết về truyền năng lượng trên xe và đo lường công suất động cơ. Hệ thống hoạt động bằng cách tạo tải đối với bánh xe thông qua các con lăn quay, sau đó đo lực tác dụng và tốc độ để tính toán công suất thực tế. Công suất được xác định từ công thức: P = F × v (công suất bằng lực nhân với vận tốc). Sự truyền năng lượng từ động cơ đi qua hệ thống truyền lực, hộp số, rồi đến bánh xe, trong đó có tổn hao năng lượng do ma sát. Theo đặc tính tốc độ của động cơ xăng, chúng ta có thể xác định hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Việc hiển thị dữ liệu real-time trên LabVIEW giúp nhà nghiên cứu theo dõi hiệu suất xe ECO trong suốt quá trình thử nghiệm.

2.1. Đặc tính động cơ xăng và đường đặc tính tốc độ

Đặc tính tốc độ ngoài của động cơ xăng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế băng thử. Đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ vòng quay, mô men xoắn và công suất của động cơ. Các điểm quan trọng trên đường đặc tính bao gồm: công suất cực đại, mô men xoắn tối ưu, vùng hoạt động hiệu quả. Những thông số này giúp xác định kích thước con lăn và tải trọng của báng thử để phù hợp với hiệu suất xe ECO.

2.2. Tổn hao năng lượng và hiệu suất truyền lực

Tổn hao năng lượng khi truyền là hiện tượng không thể tránh khỏi trong hệ thống cơ học. Các nguyên nhân gồm: ma sát ổ bi, ma sát bánh răng, kháng không khí. Để đo công suất chính xác, báng thử phải tính đến những tổn hao này. Hiệu suất truyền lực của xe ECO là chỉ số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu thụ nhiên liệu và khả năng tham gia thi đua thành công.

III. Thiết kế kỹ thuật và linh kiện thử nghiệm

Thiết kế kỹ thuật của băng thử nghiệm xe ECO bao gồm nhiều thành phần phức tạp. Cụm tạo tải là phần lõi, gồm các con lăn được chọn lựa kỹ lưỡng để đảm bảo khả năng chịu lực, độ bền cao. Tính toán con lăn dựa trên công suất tối đa của xe ECO, kích thước và mô men quán tính phải phù hợp. Khung giá đỡ được thiết kế bằng thép, có khả năng chịu tải lớn với độ an toàn cao. Hệ thống điều khiển sử dụng Arduino để thu thập dữ liệu cảm biến, kết nối với máy tính để hiển thị trên LabVIEW. Mạch điện được thiết kế cẩn thận để đảm bảo an toàn và chính xác đo lường. Các ổ bi chọn loại chất lượng cao, trục rulo được tính toán độ bền để chịu được tải trọng liên tục.

3.1. Tính toán con lăn và cụm tạo tải

Tính toán chi tiết con lăn là bước quan trọng trong thiết kế băng thử. Cần xác định kích thước, khối lượng rulo và mô men quán tính. Dựa trên công suất xe ECO ước tính và vận tốc bánh xe, ta tính được đường kính rulo và độ dày thích hợp. Cụm tạo tải bao gồm: con lăn điều khiển, hệ thống cơ cấu tăng áp, cơ chế truyền lực. Phải đảm bảo tính thẳng hàng của các con lăn để phân bố tải đều.

3.2. Hệ thống điện tử và phần mềm LabVIEW

Arduino được chọn làm vi điều khiển chính do tính linh hoạt và dễ lập trình. Mạch điện bao gồm: cảm biến lực, cảm biến tốc độ, module truyền thông. Lập trình Arduino xử lý dữ liệu cảm biến và gửi đến máy tính. LabVIEW cung cấp giao diện thân thiện với người dùng, hiển thị dữ liệu real-time, vẽ đồ thị công suất, lực, vận tốc, cho phép lưu trữ dữ liệu cho phân tích sau này.

IV. Kết quả thử nghiệm và ứng dụng thực tiễn

Kết quả thử nghiệm thực tế trên báng thử xe ECO cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáng tin cậy. Qua nhiều lần thử với các xe ECO khác nhau, độ chính xác đo lường đạt mức chấp nhận được trong các điều kiện phòng thí nghiệm. Dữ liệu đo được bao gồm: công suất tối đa, mô men xoắn, tiêu thụ nhiên liệu, hiệu suất truyền lực. Các đồ thị biểu diễn rõ ràng giúp nhà nghiên cứu hiểu rõ hiệu suất xe ECO ở các điểm hoạt động khác nhau. Ứng dụng thực tiễn của báng thử rất đa dạng: hỗ trợ thiết kế tối ưu xe trong cuộc thi Shell ECO Marathon, đào tạo kỹ năng kỹ thuật cho sinh viên, nghiên cứu cải tiến hiệu suất động cơ nhỏ. Báng thử có thể tái sử dụng cho nhiều dự án khác nhau, là tài sản quý giá cho Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật.

4.1. Phương pháp thử nghiệm và thu thập dữ liệu

Quy trình thử nghiệm bao gồm các bước: chuẩn bị xe ECO, lắp đặt lên báng, khởi động hệ thống, điều khiển tốc độ xe từ thấp đến cao, ghi lại dữ liệu công suất, lực, vận tốc. Sơ đồ kết nối thiết bị cho thấy cảm biến được kết nối trực tiếp với Arduino, sau đó kết nối máy tính qua cổng USB. Hai phương pháp thử nghiệm được áp dụng để so sánh kết quả: tăng tốc dần đều, tăng tốc theo từng bước. Việc so sánh hai phương pháp giúp xác nhận tính chính xác của hệ thống đo lường.

4.2. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Báng thử xe ECO có thể ứng dụng rộng rãi trong giáo dục kỹ thuật, nghiên cứu phát triển, tối ưu hóa hiệu suất xe. Triển vọng phát triển bao gồm: nâng cấp hệ thống đo lường độ chính xác cao hơn, mở rộng khả năng thử các loại xe khác, tích hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo để phân tích tự động. Báng thử có thể trở thành nền tảng nghiên cứu cho các đề tài tiếp theo, góp phần phát triển công nghệ xe xanh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Là sinh viên của trường, hiểu được những khó khăn trong khâu nghiên cứu và thiết kế xe ECO ( cuộc thi lái xe sinh thái, tiết kiệm nhiên liệu của Honda và cuộc thi Shell ECO- marathon) thì nhóm đã thấy được những mặt hạn chế của xe ECO, vì chưa biết rõ về thông số kỹ thuật của động cơ ( mô men xoắn cực đại, công suất cực đại ) phát ra tại số vòng quay tương ứng. Để biết được công suất chính xác của xe và có hướng nghiên cứu một cách chính xác nhất và phù hợp với cuộc thi. Vì lý do đó nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO” để làm đề tài tốt nghiệp với mong muốn cung cấp những thông tin chính xác về động cơ và truyền động, tạo ra một hệ thống thông tin chính xác về động cơ, để điều chỉnh thông số phù hợp với yêu cầu đặt ra của cuộc thi.

Cung cấp một biểu đồ chính xác nhất về công suất kéo của động cơ phát ra, từ đó cho phép đánh giá, kiểm định tình trạng kỹ thuật của hệ thống truyền lực và động cơ của xe ECO. Lý do chọn đề tài Muốn góp phần tạo ra một thiết bị để kiểm tra chính xác công suất kéo của xe ECO, giúp các nhóm tham gia cuộc thi xe sinh thái chủ động trong khâu nghiên cứu xe ECO tiết kiệm nhiên liệu, góp phần cho cuộc thi Shell ECO-marathon của trường ta thành công tốt đẹp. Với những vấn đề trên, đề tài tốt nghiệp của nhóm em sẽ tập trung giải quyết được những vấn đề đặt ra. Đề tài này mong muốn sẽ hỗ trợ các đội thi cuộc thi Shell ECO-marathon để theo dõi được những thông số cần thiết của xe.

Và cuối cùng là để cuộc thi xe sinh thái của trường ta dành thắng lợi trong các lần thi sắp đến. Mục tiêu đề tài. Mục tiêu của đề tài, thiết kế và tạo ra thiết bị đo và vẽ ra biểu đồ công suất, mô men xoắn cực đại ứng với số vòng tua máy xe ECO, cung cấp cho người người dùng, mọi thông số đo được, tính toán được sẽ được hiển thị trên máy tính sử dụng hệ điều hành Windows nhờ 1 ứng dụng LabVIEW. Từ các thông tin đó người thiết kế xe ECO sẽ điều chỉnh các thông số cho phù hợp với mục tiêu đưa ra.

Phương pháp nghiên cứu. Tìm hiểu thông số kỹ thuật của một số xe ECO sau cuộc thi, từ đó tính toán thiết kế chọn các chi tiết cho băng thử. Thiết kế chế tạo băng thử từ những tính toán thiết kế ban đầu. Thực nghiệm đánh giá mức độ đáp ứng của các thiết kế đối với điều kiện hoạt động của băng thử.

Từ thực nghiệm chỉnh sửa lại thiết kế cho phù hợp với hoạt động của băng thử. Trong quá trình thực nghiệm nghiên cứu thiết kế băng thử, chọn xe ECO làm đối tượng thử nghiệm. Thông qua sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm tài liệu trên internet, trên các diễn đàn, tìm đọc tài liệu… Từ đó, có cơ sở để tìm ra những ý tưởng mới để hoàn thành đề tài một cách tốt nhất. Ý nghĩa thực hiện.

Xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế băng thử công suất kéo của xe ECO nói riêng và xe 2 bánh nói chung. Xây dựng được đường đặc tính công suất kéo và lực kéo theo vận tốc xe. Xây dựng được phương trình thực nghiệm công suất kéo và lực kéo theo vận tốc xe. Giúp giải quyết được vấn đề theo dõi những thông số cần thiết của động cơ.

Giới hạn đề tài. Băng thử được thiết kế ứng dụng cho các dòng xe ECO. Qua tìm hiểu các dòng xe ECO ta thấy các xe có công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài xe dưới 2,7 m nên băng thử được thiết kế có thể đo được công suất kéo của các xe có công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài xe dưới 2,7 m. Thiết kế kỹ thuật cho các cụm chính của băng thử, tính toán kỹ thuật các chi tiết chính trên băng thử.

Nguyên lý đo đạt vận hành bệ thử, đưa ra quy trình sử dụng, các lưu ý khi sử dụng và vận hành băng thử. 2 CHƯƠNG 2: CUỘC THI XE SINH THÁI VÀ XE ECO 2. Giới thiệu về Shell ECO Marathon 2017 và luật chơi. “ Shell ECO-Marathon là một sân chơi cho sinh viên trên toàn thế giới để xây dựng, thiết kế và lái xe tiết kiệm năng lượng nhất.

Sự kiện này được diễn ra hàng năm tại ba khu vực Châu Á, Châu Mỹ và Châu Âu. Các đội có nhiệm vụ làm sao để xe đi xa hơn nhưng ít nhiên liệu nhất. Sự dẫn động trong tương lai của xe Các kỹ sư tương lai sẽ có một năm để chuẩn bị cho một cuộc chiến chính thức một vài ngày trên những cung đường đô thị với với chiếc xe tiết kiệm năng lượng nhất của mình. Địa điểm Trong năm 2017, sự kiện Shell ECO-marathon chính diễn ra tại ba địa điểm trên toàn thế giới: Shell ECO-marathon Châu Á: 16-ngày 19 Tháng Ba tại Singapore, SG.

Shell ECO-marathon châu Mỹ: 27-ngày 29 Tháng Tư tại Detroit, Michigan, Mỹ. Shell ECO-marathon Châu Âu: Tháng 25-28, London, Vương quốc Anh. Làm thế nào để nó hoạt động? Được chia theo loại xe và loại năng lượng. Loại xe Prototype ( ba bánh) tập trung chủ yếu vào việc tiết kiệm năng lượng nhất, trong khi đó sự thoải mái hành khách bị mất đi.

Nhưng với loại xe UrbanConcept khuyến khích những thiết kế thực tế hơn. Với những loại xe thiết kế theo loại năng lượng bao gồm nhiên liệu cho động cơ đốt trong: Xăng, dầu Diesel, nhiên liệu hóa lỏng từ khí tự nhiên và ethanol Trong các loại xe điện, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro và pin lithium-based Cuộc thi về quãng đường Trong những ngày cuộc thi chính thức diễn ra, các đội nổ lực thực hiện các vòng đua nhiều nhất có thể để đưa xe đi xa nhất với lượng nhiên liệu ít nhất. Các xe sẽ được lái với số vòng đua cố định và tốc độ giới hạn được quy định bởi ban tổ chức. Ban tổ chức cũng có các tính cho người chiến thắng ở mỗi hạng mục đối với từng loại xe từng loại nhiên liệu 3 Những hạng mục giải thưởng khác như thành tích cho xe có độ an toàn cao nhất, giải thưởng làm việc nhóm và giải thiết kế.

Cuộc thi truyền cảm hứng cho các kỹ sư trẻ tương lai để biến tầm nhìn của họ về tính di động bền vững thành hiện thực, dù chỉ trong một vài ngày. Nó cũng là những nổ lực chói sáng về tất cả những gì đã diễn ra trong cuộc thi để một ngày nào đó có thể chạy những chiếc xe này trên đường. Một chút về lịch sử cuộc thi Trở về ngày cuộc thi năm 1939 khi mà những nhân viên của công ty dầu khí Shell tại Mỹ đã tạo nên một cuộc cá cược vui xem ai có thể đi xa hơn với cùng lượng nhiên liệu với chiếc xe của mình. Sau đó nó được mở rộng đến nhiều hơn hai châu lục, bao gồm nhiều loại năng lượng hơn và sự tranh luận sôi nổi về xung quanh tương lai của nguồn năng lượng và xe” 2.

Kích thước Bảng 2.1: Các thông số cho phép Thông số Kí hiệu Giới hạn Chiều cao giới hạn trên Ht < 100cm Chiều rộng giới hạn trên Bt < 130cm Chiều dài giới hạn trên Lt < 350cm Chiều rộng giới hạn dưới Bd >50cm Chiều dài giới hạn dưới Ld >100cm Tỉ lệ chiều cao và rộng h/b <1.25 Trọng lượng tài xế Wt >50kg Trọng lượng xe Wx < 140kg 4 Hình 2.1: Kích thước giới hạn của xe Vỏ xe  Vỏ tháo lắp dễ dàng cho việc kiểm tra, độ cứng phù hợp  Tất cả các bộ phận phải nằm trong vỏ  Bố trí các chi tiết như ắc quy, hệ thống nhiên liệu, động cơ … 1 cách an toàn và gọn gàn chắc chắn  Bánh xe không được chạm các bộ phận khác của xe  Sàn xe phải liền 1 khối không chắp nối  Vỏ xe cũng liền 1 khối dễ tháo lắp và không dùng cửa 5 Hình 2.2: Bố trí các bộ phận trên xe 2. Khung Sườn  Chọn vật liệu có độ cứng vững cao  Nhẹ là yếu tố ưu tiên  Bao bọc toàn bộ xe để bảo vệ tài xế  Không để nhô ra các cạnh nhọn và bén kể cả trong và ngoài xe  Thanh rollbar: o Cao hơn mũ 5cm o Cao hơn bình xăng 5cm o Rộng hơn vai tài xế o Chịu được 70kg 6 Hình 2.3: Điều kiện thiết kế khung sườn 2. Bán kính quay vòng  Bán kính quay vòng < 8m  Chỉ đặt lái ở bánh trước  Tầm nhìn tài xế 1800 7 Hình 2.4: Bán kính quay vòng Hình 2.5: Tầm nhìn tài xế Hình 2.6: Đặt lái bánh trước 2. Hệ thống khí xả Nên đưa dòng khí xả thoát ra khỏi thân xe, nhưng không đưa ra quá xa khí thải phải hợp lý không xả khói đen 8 Hình 2.7: Tiêu chuẩn khí thải và bố trí ống xả 2.

Lối thoát  Tài xế có khả năng thoát khỏi xe trong 10 giây  Không dùng bang keo băng dính để kết nối phần khung sườn và vỏ,  Tuy nhiên phải có có cấu đơn giản nhưng vẫn chắc chắn dễ thoát lắp mà không cần đến dụng cụ chuyên dùng  Chân để phía trước 9 Hình 2.8: Bố trí cơ cấu gài vỏ và lối thoát 2. Thông gió  Thông gió phù hợp để giải toả nhiệt độ động cơ làm mát khoang xe do điều kiện nóng ẩm ở Đông Nam Á Hình 2.9: Bố trí các lỗ thông gió trên xe 2. Vách ngăn động cơ  Vách ngăn cố định tách được khoang động cơ và khoang tài  Được làm bằng vật liệu chống cháy  Ngăn chặn những can thiệp vào khoang động cơ khi xe chuyển động  Ngăn chặn sức nóng, khói xe cũng như những rủi ro từ khoang động cơ để bảo vệ tài xế 10 Hình 2.10: Bố trí vách ngăn 2. Hệ thống phanh  Hệ thống phanh độc lập  Độ dốc 20% (20:100) 11 Hình 2.11: Thử phanh với độ dốc 20% 12 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ BĂNG THỬ CÔNG SUẤT 3.

Cơ sở để phân loại các hình thức thử nghiệm. Sơ đồ tổng quan một hệ thống thử nghiệm: Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống thử nghiệm Trong đó:  Jdc: mô men quán tính (quay) của động cơ.  Js: mô men quán tính (quay) của trục nối.  JDyno: mô men quán tính (quay) của bộ tạo tải (dyno).