Báo cáo Thiết kế chế độ stop/start trên xe Yamaha Nouvo LX (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết kế chế độ stop/start trên xe Yamaha Nouvo LX (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ ĐỘ STOP / START TRÊN XE YAMAHA NOUVO LX MÃ SỐ: T2013-54 SKC0 0 5 3 6 1 Tp. Hồ Chí Minh, 20133 3
2. Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài và đơn vị phối hợp chính : STT Tên thành viên Đơn vị công tác Nhiệm vụ 1 Thái Huy Phát Khoa CKĐ Chủ nhiệm đề tài 1
3. MỤC LỤC Danh mục bảng biểu – hình ảnh 3 CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP 4 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 4 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 5 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về xe máy Yamaha Nouvo LX 6 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bốn kì 7 2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống khởi động 8 2.4 Các cảm biến trên xe. 10 CHƢƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CÁC LOẠI CÃM BIẾN 11 3.1 Giới thiệu một số cảm biến 11 Cảm biến Hall 11 Cảm biến quang 13 Cảm biến khoảng cách Sharp GP2D12 14 CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 15 4.1 Thiết kế bộ phận cơ khí 15 4.2 Thiết kế mạch điều khiển, mạch hiển thị 16 4.3 Lập trình cho thiết bị 18 4.4 Thử nghiệm cho thiết bị 19 4.5 Code cho chƣơng trình 20 4.6 Thử nghiệm thực tế 26 CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ. 28 Tài liệu tham khảo 32 2
4. Danh mục bảng biểu – hình ảnh : BANGDULIEU : Bảng dữ liệu số liệu cho chương trình xử lý của vi điều khiển. Hình 1: Hình dáng xe Nouvo LX Hình 2: Cấu tạo động cơ đốt trong Hình 3: Sơ đồ hoạt động các kì. Hình 4: Các loại hệ thống khởi động trên xe máy. Hình 5: Cảm biến quang Hình 6: Cảm biến khoảng cách Sharp GP2D12 Hình 7: Đồ thị mối quan hệ giữa điện áp va khoảng cách trên cảm biến Hình 8: Cảm biến khoảng cách được lắp đặt trên xe Hình 9: Lắp đặt trên xe Hình 10: Mạch điện thực tế Hình 11:Sản phẩm hoàn thiện 3
5. Chƣơng 1: Mở Đầu 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc Ngoài nước : Các hãng ô tô đang ứng dụng công nghệ máy phát khởi động tích hợp trên xe, nhằm ứng dụng việc tạm dừng động cơ khi xe chưa chuyển động để giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường và thân thiện với thiên nhiên, tiết kiệm năng lượng sử dụng. Trong nước : Các hãng xe máy dầ bắt đầu ứng dụng công nghệ tạm dừng hoạt động của động cơ để giúp giảm thiểu ô nhiểm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Một trong các hãng đi đầu trong công nghệ này là hãng xe máy Honda với các dòng xe PCX, Air Blade 2013, Click I 1.2 Tính cấp thiết của đề tài. Ngày nay, nguồn tài nguyên thiên nhiên được khai thác và sử dụng ngày càng cạn dần, đặc biệt nhiên liệu sử dụng trong lĩnh vực giao thông. Bên cạnh đó, môi trường chúng ta đang ở mức độ ô nhiễm nghiêm trọng, trong đó có khí thải của ô tô, xe máy. Đặc biệt là ở nước ta tình trạng ô nhiễm do khí thải xe máy chiếm tỉ lệ cao. Để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm này, đề tài “Thiết kế chế độ Stop / Start trên xe Yamaha Nouvo LX” sẽ góp phần làm giảm thiểu tình trạng ô nhiễm do khí thải thải ra môi trường khi xe chưa chuyển động 1.3 Mục tiêu nghiên cứu. Nghiên cứu, thiết kế hộp điện tử điều khiển trung tâm, thu thập dữ liệu từ các cảm biến của xe, từ đó xử lý và ngắt sự hoạt động của động cơ tạm thời, và tự điều khiển chế độ khởi động lại cho động cơ khi người điều khiển tác động lên tay ga .Đề tài được xác định với các mục tiêu cụ thể như sau: Nghiên cứu tổng quan về dòng xe máy Yamaha. Thiết kế được mạch điện tử điều khiển. Thiết kế phần cơ khí lắp trên xe. Thiết kế bộ phận cảm biến chuyển đổi ( nếu có ). Lập trình cho mạch điện. 4
6. Tập tài với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cách thiết kế, thi công cũng như hướng dẫn sử dụng thiết bị một cách rõ ràng. 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Các loại cảm biến liên quan có thể sử dụng được trong đề tài. Xe máy Yamaha Nouvo LX. 1.5 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu về lý thuyết các loại cảm biến, phương pháp thu thập tín hiệu từ bằng cảm biến. Nghiên cứu về kỹ thuật thiết kế mạch, kỹ thuật lập trình Nghiên cứu về phương pháp thiết lập, hiệu chỉnh, thử nghiệm thiết bị trên xe máy. 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu. Phương pháp tham khảo tài liệu. Phương pháp quan sát. Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm trên một xe ô tô cụ thể. Phương pháp tổng kết kinh nghiệm. 5
7. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Tổng quan về xe máy Yamaha Nouvo LX. Động cơ 135 phân phối, làm mát bằng dung dịch. Xi lanh nhôm siêu bền, công nghệ DiASil. Lốp không săm (vỏ không ruột ). Đạt tiêu chuẩn khí thải EURO 2, thân thiện với môi trường. Khối lượng tĩnh: 111kg 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bốn kì. Trong kì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu được "nạp" vào cylinder trong lúc piston chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD). Trong kì thứ hai (nén – hai van đều đóng), piston nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong cylinder khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kì thứ hai (piston ở tại ĐCT), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa gọi là bougie (bu-gi), trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy. Trong kì thứ ba (sinh công – các van vẫn tiếp tục được đóng), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển bằng thanh truyền (còn gọi là tay biên) đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay. 6
8. Trong thì thứ tư (xả - van nạp đóng, van xả mở) piston chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí từ trong cylinder qua ống xả (thường gọi là ống bô) thải ra môi trường. Nguyên tắc hoạt động của động cơ Otto Chuyển động của piston ở kì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kì thứ ba (thì sinh công). Một động cơ bốn kì vì thế có góc đánh lửa là 720 độ tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay 2 vòng thì mới có một lần đánh lửa. Có thêm nhiều cylinder thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn. Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuỷu phải được quay từ bên ngoài bằng một thiết bị khởi động như dây (ở máy cưa, ca nô), cần khởi động (ở xe máy), tay quay khởi động (ở ô tô cổ, xe cải tiến) hay một động cơ điện nhỏ (ở xe máy và ô tô hiện đại. Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được gắn với trục khuỷu, quay có giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu cylinder của động cơ. Thời gian trục khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ kì xả sang kì nạp. 7
9. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào cylinder tốt hơn và tăng áp suất đốt 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống khởi động. Hệ thống khởi động dùng trên xe máy: 2.2.1 Cấu tạo và phân loại các dạng hệ thống khởi động trên xe máy. Từ khi xuất hiện ô tô xe máy đến nay, được trang bị và áp dụng các công nghệ tiên tiến đến nay, hệ thống khởi động trên xe máy thay đổi rất nhiều. 2.2.2 Hệ thống khởi động dùng cần khởi động. Ở loại này, để làm quay trục khuỷu khởi động động cơ bằng cách cung cấp cơ năng cấp cho cần khởi động, cần khởi động qua các khớp một chiều, bánh răng làm quay trục khuỷu. Hầu hết các loại xe máy phổ biến trên thị trường Việt Nam đều được trang bị loại này. Thông thường các dòng xe máy sử dụng loại khởi động bằng cần đạp khởi động thường được trang bị thêm hệ thống khởi động bằng mô tơ điện (phần này sẽ được đề cập ở phần sau).  Hoạt động : Trục kết nối với cần khởi động được ăn khớp qua bánh răng trung gian va khớp một chiều, giúp ngắt sự truyền chuyển động lên cần khởi động khi động cơ đã hoạt động. Lò xo hồi vị làm cho cần khởi động luôn ở vị trí sẵn sàng ( vị trí người sử dụng dễ thao tác nhất ). Hình : Hệ thống khởi động bằng cần khởi động trên xe Honda Future Neo. 8
10.  Ƣu – nhƣợc điểm : Ưu điểm của loại này là thiết kế đơn giản, không phức tạp, giá thành thấp. Nhược điểm gây khó khăn cho người sử dụng, một số người có sức khỏe không tốt. 2.2.3 Hệ thống khởi động dùng động cơ điện 1 chiều.  Cấu tạo: Hệ thống bao gồm một mô tơ điện một chiều, các bánh răng truyền động, các khớp một chiều (bi đề), relay đề và hệ thống điện điều khiển. 10
11.  Mô tơ điện một chiều: Mô tơ điện một chiều sử dụng trên hệ thống là loại mô tơ có chổi than. Công suất động cơ tương đối cao. Các dây quấn bên trong lõi roto có kích thước từ Ф 0.7mm – Ф 0.8mm. Số lượng vòng: 12 – 15 vòng. Khi hoạt động, mô tơ thường bị mòn chổi than, cổ góp, nên định kì kiểm tra và thay thế.  Bánh răng truyền động: Công dụng: Dùng để tăng moment kéo của mô tơ đề. 11
12. Hệ thống bánh răng đƣợc trang bị trên một số xe gồm :  Hệ thống bánh răng không ngập hoàn toàn trong carte nhớt: Ở loại này bao gồm toàn bộ các bánh răng trong hệ thống được lắp đặt thành một cụm rời bên ngoài. Loại này có ƣu điểm: Dễ tháo lắp, kết cấu gọn. Dễ thay thế khi bị hư hỏng. Thời gian sửa chữa nhanh. Nhƣợc điểm: Khởi động động cơ có tiếng ồn. Bánh răng bị mòn theo thời gian sử dụng. Một số xe sử dụng bánh răng ăn khớp như trên ô tô khi đề, bánh răng nghiêng theo lực ngang sẽ phóng ra và ăn khớp với bánh răng kéo trục khuỷu động cơ. Loại này khi hoạt động sinh ra tiếng ồn khá lớn, các dòng xe máy sử dụng loại này bao gồm : Honda Air Blade, Honda SCR, Honda Lead  Hệ thống bánh răng đƣợc bôi trơn ngập hoàn toàn trong carte nhớt : Loại này các chi tiết như bánh răng, ly hợp một chiều được thiết kế nằm bên trong động cơ, sử dụng nhớt động cơ để bôi trơn cho hệ thống. Các dòng xe như Yamaha Nouvo LX, Yamaha Nouvo SX, Honda SH thường sử dụng loại này. Ƣu điểm: Khắc phục được tiếng ồn khi hoạt động. Do toàn bộ bánh răng, cụm ly hợp nằm trong carte nhớt, nên tuổi thọ cao, thời gian bảo dưỡng lâu hơn. Nhƣợc điểm: Khó khăn trong khâu bảo dưỡng, sửa chữa. Thời gian thay thế lâu hơn so với loại không ngập trong carte nhớt. Vẫn sử dụng mô tơ đề có chổi than nên dễ bị mòn chổi than, cổ góp. Hầu hết sử dụng ly hợp một chiều, nên có trường hợp khi tắt máy, ngay lúc piston lên gần đến điểm chết trên trong kì nén, do lực nén lớn nên piston bị quay ngược 12
13. trở lại, ở trường hợp này, trục khuỷu kéo ngược trục khởi động và làm quay mô tơ đề, làm phát ra tiếng ồn khó chịu.  Khớp bi một chiều ( bi đề ) Chức năng: Dùng để liên kết với trục khuỷu động cơ khi khởi động. Khi khởi động, số vòng quay của trục khuỷu nhỏ hơn số vòng quay của trục khởi động, thì khớp bi một chiều này hoạt động, nó giúp truyền moment từ trục khởi động đến trục khuỷu của động cơ. Khi động cơ đã hoạt động, thì vòng quay của trục khuỷu lớn hơn số vòng quay của trục khởi động, lúc này trục khởi động quay trơn trên trục khuỷu, đồng thời trục khởi động không bị kéo ngược trở lại. 13
14. Hình kết cấu ly hợp một chiều trong hệ thống khởi động.  Relay đề và hệ thống điện điều khiển Chức năng làm công tắc chính đóng mạch điện điều khiển mô tơ đề. Relay đề Nút đề Hoạt động: Khi bật công tắc máy IG, dòng diện cấp đến relay và đợi sẵn ở một tiếp điểm của nút nhấn, lúc này tiếp điểm chính của relay chưa đóng, chưa có dòng điện qua mô tơ đề. Khi nhấn nút đề, dòng điện từ bình accu, qua cầu chì chính, qua công tắc IG, qua cuộn dây relay đề, qua nút nhấn đề và về mass. Lúc này cuộn dây relay có dòng điện qua, làm hút tiếp điểm và làm đóng tiếp điểm chính, dòng điện qua mô tơ đề và làm quay mô tơ đề, thông qua các bánh răng giảm tốc, ly hợp một chiều và làm cho động cơ khởi động. 2.2.4 Hệ thống khởi động tích hợp máy phát  Cấu tạo: Gồm các cuộn dây được quấn (thông thường gồm có 18 cuộn), các cuộn được quấn theo kiểu hình sao, được đặt trong stato của máy phát, phần roto là bánh đà ( hay gọi là vô-lăng) được gắn các tấm nam châm vĩnh cữu có lực từ lớn. Cảm biến Hall gồm 3 phần tử, các phần tử này sẽ gửi tín hiệu vị trí vô-lăng về hộp ECU, để ECU điều khiển lần lượt các cuộn dây. 14
15.  Nguyên lí làm việc: 2.2.4.1 Chế độ máy khởi động: Khi khởi động động cơ, nguồn năng lượng từ accu đưa đến các cuộn dây stato do hộp ECU điều khiển thông qua các tín hiệu gửi về từ các cảm biến Hall. Các cảm biến này được đặt lệch nhau 20º , ngoài ra còn cảm biến hall thứ 4 để xác định thời điểm đánh lửa cho động cơ. Tại từng thời điểm, cảm biến Hall V, U, W lần lượt có điện áp cao, từ đó theo chương trình điều khiển, ECU cấp dòng điện lần lượt vào từng cuộn dây V, U, W. Do 3 cuộn dây V, U ,W mắc hình sao, nên lần lượt tạo ra từ trường xoay, từ trường này tương tác với nam châm của vô-lăng tạo nên lực từ kéo vô-lăng quay theo chiều khởi động động cơ. Khi số vòng quay của trục khuỷu vượt hơn số vòng quay định mức, ECU ngắt điều khiển không cho dòng điện qua các cuộn dây. 15
16. Nguyên lý hoạt động của một động cơ điện không chổi than: Ở trường hợp này, động cơ một chiều không chổi than có cấu tạo đơn giản nhất, gồm 3 cuộn dây A, B, C được đặt trên stato của động cơ và lệch nhau 1 góc là 120º, và được nối hình sao. Các cảm biến vị trí roto ở đây sử dụng cảm biến Hall A, Hall B, Hall C. Khi cảm biến Hall A có tín hiệu, làm cho transitor TA dẫn, dòng điện qua cuộn dây A , làm xuất hiện từ trường xung quanh cuộn dây A. Tương tác giửa từ trường trong cuộn dây A và nam châm gắn trên roto làm xuất hiện lực FA , lực này làm cho roto quay. Khi roto quay được một góc khoảng 30º, cảm biến Hall B có tín hiệu, làm cho transitor TB dẫn, dòng điện qua cuộn dây B , làm xuất hiện từ trường xung quanh cuộn dây B. Trong khi đó cuộn dây TA vẫn còn, nên tổng hợp hai lực FA và FB , hợp lực FAB sẽ kéo roto quay cùng chiều với chiều quay cũ. Như thế lần lượt cảm biến Hall B, cảm biến Hall C có tín hiệu, lực tổng hợp sẽ kéo roto quay cùng chiều trước đó. Đây là cách điều khiển đối với một động cơ không chổi than gồm 3 cuộn dây đơn giản nhất. Sơ đồ điều khiển một động cơ không chổi than có cấu tạo đơn giản. 17
17. 2.2.4.2 Chế độ máy phát điện: Khi tốc độ động cơ lớn hơn số quay chuẩn ( thường lớn hơn 800 vòng/phút), lúcnày các cuộn dây quấn trong stato trở thành các cuộn cảm ứng từ, dòng điện cảm ứng trong mỗi cuộn dây sẽ được hình thành và lệch pha nhau một góc 120º. Nguồn điện xoay chiều 3 pha này sẽ đưa vào bộ tiết chế 3 pha, để chỉnh lưu thành dòng điện một chiều cung cấp lại cho hệ thống điện xe và nạp lại cho bình accu. ở chế độ này, dòng truyền năng lượng từ trục khuỷu qua vô-lăng đến các cuộn dây điện trong stato. Ƣu điểm: Giảm tiếng ồn đến mức tối thiểu, hệ thống khỏi động làm việc trong điều kiện không bị ma sát, nên tuổi thọ rất cao. Liên kết được nhiều hệ thống tiện nghi khác trên xe ( như hệ thống Stand By, hệ thống xe Hybrid ) Điện áp đầu ra cao, nguồn ổn định. Tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ khởi động. Nhƣợc điểm: Thiết kế phức tạp, khó sử dụng. Mất nhiều thời gian tháo lắp chi tiết. Các cảm biến Hall nếu có trục trặc về nhiệt độ, khả năng hư hỏng sẽ tăng. Giá thành cao, thường được trang bị cho các dòng xe tay ga. 18
18. Chƣơng 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CÁC LOẠI CẢM BIẾN 3.1 Giới thiệu một số cảm biến đo khoảng cách Cảm biến Hall: Cấu tạo: gồm phần tử Hall cảm ứng từ, các đầu ra tín hiệu tỉ lệ với cường độ từ trường tác dụng lên phần tử Hall. Hiệu ứng Hall Một số đặc tính của cảm biến Hall: Dòng điện ngõ ra : 3 mA Điện trở ngõ ra : 2k2 Ohm Điện trở thay đổi theo nhiệt độ : 0,8%/ºC Điện áp đầu ra : 5V Độ nhạy : 0,6V/G 19
19. Tuyến tính hóa đường đặc tuyến của cảm biến Hall Effect Quan hệ giữa từ trường (input) và điện áp (output) 20
20. S K L 0 0 2 1 5 4