Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu tham gia các cuộc thi học thuật như Shell Eco-marathon hay Cuộc thi Lái xe sinh thái và Tiết kiệm nhiên liệu Honda (Honda EMC), các nhóm nghiên cứu sinh viên gặp nhiều trở ngại trong việc xác định chính xác các thông số kỹ thuật thực tế của động cơ (bao gồm mô-men xoắn cực đại và công suất cực đại ở các dải vòng tua máy tương ứng). Việc thiếu hụt dữ liệu đo kiểm thực nghiệm dẫn đến khó khăn trong việc điều chỉnh tỷ số truyền và tối ưu hóa hệ thống truyền động nhằm đạt hiệu suất tiêu hao nhiên liệu tối ưu theo yêu cầu của cuộc thi. Đề tài "Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO" được thực hiện nhằm cung cấp một hệ thống thiết bị đo kiểm chuyên dụng, cho phép xác định công suất kéo và đánh giá tình trạng kỹ thuật của động cơ cũng như hệ thống truyền lực trên xe sinh thái.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu về đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong.
  2. Nghiên cứu phương pháp đo công suất động cơ và đo công suất kéo của xe trên băng thử.
  3. Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí băng thử đo công suất xe ECO.
  4. Thiết kế mạch thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển Arduino và lập trình giao diện hiển thị, xử lý số liệu trên phần mềm LabVIEW.
  5. Chế tạo mô hình thực tế, tiến hành thử nghiệm và viết thuyết minh đề tài.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Băng thử nghiệm công suất dạng con lăn (rulo) và đối tượng đo là các dòng xe sinh thái (xe ECO).
  • Phạm vi kỹ thuật: Băng thử được thiết kế giới hạn cho các phương tiện có công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài tổng thể phương tiện dưới 2,7 m.
  • Không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 07 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên lý thuyết động cơ đốt trong và lý thuyết truyền lực ô tô:

  • Lý thuyết đặc tính ngoài động cơ: Xác định mối quan hệ giữa công suất có ích $P_e$, mô-men xoắn có ích $M_e$ và tốc độ góc trục khuỷu $\omega_e$ khi mở bướm ga hoàn toàn (100%), biểu diễn qua phương trình $P_e = M_e \cdot \omega_e$.
  • Lý thuyết truyền và biến đổi năng lượng trên xe: Khảo sát sự biến đổi mô-men và vận tốc góc từ động cơ qua ly hợp, hộp số, bộ truyền xích đến bánh xe chủ động qua tỷ số truyền tổng thể $i_t = i_h \cdot i_l \cdot i_x$ và hiệu suất hệ thống $\eta = \eta_l \cdot \eta_h \cdot \eta_x$; sự chuyển đổi mô-men tại bánh xe $M_k$ thành lực kéo tiếp tuyến $F_k$ tại điểm tiếp xúc với mặt đường thông qua bán kính làm việc của bánh xe $r_b$ ($M_k = F_k \cdot r_b$).
  • Nguyên lý đo công suất quán tính (Inertial Dynamometer): Dựa trên Định luật II Newton cho chuyển động quay $M = I \cdot \frac{d\omega}{dt} = I \cdot \epsilon$, trong đó công suất được xác định gián tiếp thông qua việc bánh xe chủ động làm quay một con lăn (rulo) có mô-men quán tính $I$ đã biết. Bằng việc đo gia tốc góc $\epsilon$ của rulo trong quá trình tăng tốc, hệ thống tính toán được mô-men và công suất kéo của phương tiện.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết, thiết kế cơ điện tử và kiểm nghiệm thực nghiệm:

  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Tính toán kích thước, khối lượng, mô-men quán tính của rulo, tính toán sức bền trục rulo, chọn ổ bi đỡ và kiểm tra độ bền khung giá đỡ xe.
  • Phương pháp đo tĩnh (Stationary testing) kết hợp thu thập dữ liệu xung quán tính: Cảm biến tiệm cận ghi nhận số vòng quay của con lăn, chuyển đổi thành chuỗi xung đưa về vi điều khiển để tính toán thời gian $\Delta t$, từ đó xác định vận tốc góc $\omega$ và gia tốc góc $\epsilon$.
  • Nguồn dữ liệu: Quy định kỹ thuật cuộc thi Shell Eco-marathon 2017; các thông số hình học và cơ học của vật liệu chế tạo cơ khí; tín hiệu xung điện áp từ cảm biến thực nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc kiểm tra công suất xe sinh thái, xác định mục tiêu thiết kế thiết bị đo công suất và mô-men xoắn hiển thị trên máy tính qua LabVIEW. Tác giả xác định phương pháp tiếp cận từ việc khảo sát thông số xe ECO thực tế đến thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, đồng thời giới hạn phạm vi đo cho xe có công suất dưới 3 kW và chiều dài dưới 2,7 m.

Chương 2: Cuộc thi xe sinh thái và xe ECO

Nội dung chương tổng hợp luật thi Shell Eco-marathon 2017, phân loại các dòng xe (Prototype ba bánh và UrbanConcept thực tế hơn) cùng các nguồn năng lượng (động cơ đốt trong chạy xăng, diesel, ethanol, khí hóa lỏng và động cơ điện, pin nhiên liệu hydro). Chương cung cấp bảng thông số kỹ thuật giới hạn của xe thi đấu:

Thông số Ký hiệu Giới hạn quy định
Chiều cao giới hạn trên $H_t$ $< 100\text{ cm}$
Chiều rộng giới hạn trên $B_t$ $< 130\text{ cm}$
Chiều dài giới hạn trên $L_t$ $< 350\text{ cm}$
Chiều rộng giới hạn dưới $B_d$ $> 50\text{ cm}$
Chiều dài giới hạn dưới $L_d$ $> 100\text{ cm}$
Tỉ lệ chiều cao và chiều rộng $h/b$ $< 1,25$
Trọng lượng người lái $W_t$ $> 50\text{ kg}$
Trọng lượng xe $W_x$ $< 140\text{ kg}$

Bên cạnh đó, chương phân tích các yêu cầu kỹ thuật về bán kính quay vòng ($< 8\text{ m}$), tầm nhìn tài xế ($180^\circ$), hệ thống vách ngăn chống cháy ngăn cách khoang động cơ với khoang lái, hệ thống phanh giữ được xe trên dốc 20% và yêu cầu thoát hiểm nhanh trong vòng 10 giây.

Chương 3: Tổng quan về băng thử công suất

Chương phân tích sơ đồ tổng quan và phương trình cân bằng mô-men của hệ thống thử nghiệm $M_e - M_c = \sum J \cdot \frac{d\omega}{dt}$. Phân biệt ba hình thức thử nghiệm: thử tĩnh (stationary test), thử động (dynamic test) và thử chuyển tiếp (transient test). So sánh hai phương pháp đo công suất:

  • Phương pháp quán tính (Inertia): Sử dụng gia tốc của bánh đà/rulo để tính công suất, chi phí thấp, kết cấu đơn giản nhưng có sai số cơ khí nhất định.
  • Phương pháp hấp thụ tải (Steady state): Sử dụng phanh hãm (thủy lực, dòng xoáy, phanh nước) giữ ổn định vòng tua máy, độ chính xác cao nhưng chi phí lớn và hệ thống làm mát phức tạp.

Khảo sát các dòng sản phẩm thương mại quốc tế (Dynojet 250ix, 250i, 200i; Mustang Dynamometer; Nexion Dynamometer) và tình hình nghiên cứu băng thử trong nước tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng (dùng thanh xoắn) và Đại học Bách khoa TP.HCM (dùng động cơ điện xoay chiều AC).

Chương 4: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở toán học và động lực học của động cơ xăng và hệ thống truyền động. Phân tích các điểm quan trọng trên đường đặc tính ngoài ($P_{emax}$, $M_{emax}$), quan hệ giữa tỷ số truyền, hiệu suất và tổn thất ma sát cơ khí qua công suất tổn hao $P_\gamma = P_e - P_k$. Trình bày chi tiết công thức đo công suất chuyển động quay $M = I \cdot \epsilon$ và phương pháp tính gia tốc góc trung bình $\epsilon = \frac{\omega_2 - \omega_1}{t_2 - t_1}$ dựa trên chu kỳ phát xung của con lăn.

Chương 5: Linh kiện điện tử và phần mềm LabVIEW

Giới thiệu các thành phần phần cứng và phần mềm trong chuỗi thu thập dữ liệu:

  • Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ LJ18A3-8-Z/BX (dạng ngõ ra NPN) dùng để nhận diện vị trí và đếm số vòng quay rulo.
  • Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno thực hiện chức năng thu thập tín hiệu xung, tính toán thời gian ngắt và truyền dữ liệu nối tiếp qua cổng COM.
  • Môi trường phần mềm LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) với cấu trúc Virtual Instrument (VI), xây dựng giao diện người dùng hiển thị đồ thị thời gian thực.

Chương 6: Tính toán thiết kế băng thử

Trình bày các bước tính toán kỹ thuật cụ thể:

  • Lựa chọn con lăn rulo: Chọn kiểu kết cấu một con lăn chịu tải chính cho bánh chủ động, tính toán kích thước, khối lượng và mô-men quán tính $I$ của rulo.
  • Tính toán sức bền cơ học: Tính toán trục rulo chịu tải uốn và xoắn, lựa chọn ổ bi đỡ trục, kiểm nghiệm độ bền khung giá đỡ bánh trước và khung bệ thử.
  • Thiết kế mạch điện và lập trình: Xây dựng sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến tiệm cận với Arduino Uno, lập trình thuật toán ngắt trên Arduino IDE và thiết kế sơ đồ khối chương trình (Block Diagram) cùng giao diện đồ họa (Front Panel) trên LabVIEW.

Chương 7: Thi công và kết quả đo thực nghiệm

Trình bày quá trình chuyển đổi từ mô hình thiết kế sang sản phẩm thực tế:

  • Xuất bản vẽ chế tạo 2D con lăn và khung gá đỡ; mô phỏng tổng thể 3D trên phần mềm SolidWorks; thi công cơ khí hoàn chỉnh băng thử.
  • Thiết lập sơ đồ kết nối thử nghiệm giữa băng thử, khối thu nhận tín hiệu Arduino và máy tính chạy LabVIEW.
  • Tiến hành đo thực nghiệm công suất xe theo hai phương pháp xử lý số liệu (phương pháp 1 và phương pháp 2), ghi nhận số liệu vận tốc và công suất tương ứng, vẽ đồ thị so sánh đặc tính công suất kéo thực nghiệm.

Chương 8: Kết luận và đề nghị

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu ban đầu và đề xuất các giải pháp hoàn thiện hệ thống đo kiểm trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống băng thử nghiệm xe ECO được thiết kế và chế tạo bao gồm ba phân hệ chính: cơ khí tạo tải quán tính, mạch điện tử thu thập tín hiệu và phần mềm đo kiểm hiển thị.

Phân hệ Thành phần cấu tạo Thông số kỹ thuật / Đặc tính
Cơ khí & Tạo tải Con lăn (Rulo quán tính) Kết cấu kim loại hình trụ, đóng vai trò tải quán tính quay
Trục và ổ bi đỡ Trục truyền động liên kết ổ bi chịu lực hướng tâm và dọc trục
Khung gá đỡ xe Kết cấu thép định hình, có giá đỡ bánh trước và vị trí đặt bánh sau lên rulo
Phần cứng điện tử Cảm biến tốc độ Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX (ngõ ra NPN) gắn trên khung băng thử
Khối xử lý trung tâm Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno (giao tiếp máy tính qua cổng USB/COM)
Phần mềm & Xử lý Phần mềm thiết kế cơ khí SolidWorks (thiết kế mô hình 3D và xuất bản vẽ 2D)
Môi trường lập trình đo LabVIEW (xây dựng giao diện Front Panel và sơ đồ khối Block Diagram)
Thuật toán tính toán Đo khoảng thời gian giữa hai xung $\Delta t = t_2 - t_1$, tính $\omega$ và $\epsilon$, xuất mô-men $M = I \cdot \epsilon$ và công suất $P = M \cdot \omega$

Quy trình vận hành thử nghiệm:

  1. Xe ECO được đưa lên băng thử, bánh trước đặt vào cơ cấu định vị, bánh sau (bánh chủ động) đặt tiếp xúc trực tiếp trên đỉnh con lăn rulo.
  2. Cố định xe bằng hệ thống dây chằng an toàn trên khung đỡ.
  3. Khởi động động cơ xe, cho xe tăng tốc làm quay con lăn rulo. Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX quét qua các điểm đánh dấu trên rulo, phát tín hiệu xung mức logic về vi điều khiển Arduino Uno.
  4. Arduino tính toán thời gian giữa các xung liên tiếp và truyền dữ liệu thô lên máy tính qua giao thức truyền thông nối tiếp.
  5. Phần mềm LabVIEW thực hiện thuật toán tính vận tốc xe, mô-men kéo và công suất kéo tức thời, đồng thời vẽ biểu đồ đặc tính công suất kéo theo vận tốc xe theo thời gian thực trên màn hình máy tính.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo kiểm thực nghiệm và giá trị khoa học của đề tài bao gồm:

  • Kết quả thực nghiệm: Đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình băng thử cơ khí và tích hợp hệ thống đo điện tử - phần mềm. Thực hiện thử nghiệm đo công suất trên xe ECO thực tế, thu thập các bảng dữ liệu số liệu tương ứng về tốc độ xe và công suất kéo theo hai phương pháp tính toán (bảng số liệu 7.1 và 7.2 trong tài liệu). Hệ thống đã xây dựng thành công đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ giữa công suất kéo và vận tốc của xe sinh thái.
  • Giải pháp và kiến nghị của tác giả: Đưa ra quy trình vận hành và kiểm tra an toàn chuẩn cho băng thử nghiệm; đề xuất phương pháp thu thập tín hiệu ngắt chính xác trên Arduino để hạn chế sai số đo thời gian giữa các xung; kiến nghị hoàn thiện kết cấu gá đặt bánh xe nhằm tăng độ ổn định khi xe vận hành ở dải tốc độ cao.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Xây dựng được cơ sở lý thuyết và phương pháp luận thiết kế băng thử công suất quán tính dành riêng cho các dòng xe tiết kiệm nhiên liệu cỡ nhỏ.
    • Cung cấp một giải pháp thiết bị đo kiểm tự chế tạo trong nước với giá thành thấp, kết cấu đơn giản, sử dụng các linh kiện phổ biến (Arduino, cảm biến NPN, phần mềm LabVIEW) thay thế cho các hệ thống ngoại nhập đắt tiền.
    • Hỗ trợ trực tiếp cho các đội tuyển sinh viên trong việc chẩn đoán, đánh giá và tinh chỉnh thông số truyền động của xe trước khi tham gia các kỳ thi quốc tế Shell Eco-marathon.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung công bố trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

  • Băng thử hoạt động theo phương pháp đo quán tính (Inertia testing), do đó chỉ đo được công suất trong quá trình xe tăng tốc đột ngột, độ chính xác chịu ảnh hưởng nhất định bởi sai số cơ khí và hiện tượng trượt giữa bánh xe với bề mặt rulo.
  • Hệ thống chỉ áp dụng cho xe có công suất dưới 3 kW và chiều dài dưới 2,7 m; chưa tích hợp bộ phận tạo tải chủ động (như phanh điện từ, phanh dòng xoáy hoặc máy phát điện AC) để tiến hành đo ở chế độ tải xác lập (Steady state) trong thời gian dài.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tích hợp thêm bộ hấp thụ tải điều khiển điện tử để mở rộng khả năng đo công suất ở dải vận tốc cố định, tối ưu hóa thuật toán lọc nhiễu tín hiệu xung trên vi điều khiển và nâng cấp giao diện phần mềm hiển thị chuyên sâu hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp tích hợp liên ngành giữa kết cấu cơ khí, vi điều khiển thu thập dữ liệu (Arduino) và phần mềm điều khiển công nghiệp (LabVIEW).
  • Các đội tuyển nghiên cứu và chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu (Shell Eco-marathon, Honda EMC): Tham khảo nguyên lý và kết cấu bệ thử để tự chế tạo thiết bị đo kiểm công suất, tối ưu hóa hệ thống truyền lực cho xe thi đấu.
  • Các phần đáng tham khảo nhất: Chương 4 (cơ sở lý thuyết tính toán động lực học và nguyên lý đo công suất quán tính), Chương 6 (phương pháp tính chọn kết cấu rulo và thiết kế sơ đồ khối đo kiểm), Chương 7 (quy trình kết nối thiết bị và xử lý số liệu thực nghiệm).

Câu hỏi thường gặp

1. Băng thử nghiệm được thiết kế giới hạn cho những đối tượng phương tiện nào?
Băng thử được thiết kế chuyên biệt cho các dòng xe sinh thái (xe ECO), đáp ứng đo công suất cho các xe có công suất động cơ dưới 3 kW và chiều dài tổng thể phương tiện dưới 2,7 m.

2. Cảm biến nào được sử dụng để thu thập tín hiệu tốc độ quay trên băng thử?
Hệ thống sử dụng cảm biến tiệm cận cảm ứng từ model LJ18A3-8-Z/BX (dạng ngõ ra NPN), được lắp đặt cố định trên khung bệ thử để đếm số xung tương ứng với vòng quay của con lăn rulo.

3. Tại sao đề tài lựa chọn phương pháp đo quán tính (Inertia testing) thay vì đo tải xác lập (Steady state)?
Phương pháp quán tính có chi phí chế tạo thấp, cấu tạo cơ khí đơn giản, không yêu cầu các bộ hãm phức tạp (phanh nước, dòng xoáy) và hệ thống giải nhiệt tốn kém, phù hợp với điều kiện chế tạo trong khuôn khổ đồ án sinh viên và phản ánh trực tiếp khả năng tăng tốc của xe.

4. Dữ liệu đo được xử lý và hiển thị lên máy tính bằng các công cụ nào?
Tín hiệu xung từ cảm biến được vi điều khiển Arduino Uno tiếp nhận và tính toán khoảng thời gian, sau đó truyền thông qua cổng nối tiếp lên máy tính chạy hệ điều hành Windows để hiển thị giao diện đồ thị công suất và mô-men bằng ứng dụng lập trình trên nền tảng LabVIEW.

5. Quy định về kích thước và an toàn của xe Prototype trong cuộc thi Shell Eco-marathon 2017 được nêu trong đồ án gồm những gì?
Xe Prototype phải tuân thủ: chiều cao $H_t < 100\text{ cm}$, chiều rộng $B_t < 130\text{ cm}$, chiều dài $L_t < 350\text{ cm}$, trọng lượng xe $W_x < 140\text{ kg}$, trọng lượng tài xế $W_t > 50\text{ kg}$, bán kính quay vòng $< 8\text{ m}$, hệ thống phanh giữ được trên dốc 20%, có vách ngăn chống cháy cách ly khoang động cơ và tài xế có khả năng thoát hiểm trong 10 giây.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo băng thử nghiệm xe ECO" của sinh viên Phạm Tài Đông và Hồ Minh Quang (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành việc nghiên cứu, tính toán và chế tạo một hệ thống băng thử công suất quán tính hoàn chỉnh. Thiết bị kết hợp giữa kết cấu con lăn cơ khí, mạch đo vi điều khiển Arduino và giao diện xử lý đồ họa LabVIEW để đo đạc và vẽ đường đặc tính công suất kéo theo tốc độ xe. Công trình có ý nghĩa thực tiễn cao, đóng góp công cụ hỗ trợ kỹ thuật trực tiếp cho công tác nghiên cứu và tối ưu hóa xe sinh thái tham gia các cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu.