Đồ án nghiên cứu công nghệ hybrid trên ô tô

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HYBRID

Khái quát công nghệ hybrid trong xe hơi

Xe hybrid là dòng xe sử dụng tổ hợp hai nguồn động lực, thường là sự kết hợp giữa động cơ đốt trong (xăng, diesel, khí hóa lỏng…) với mô-tơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc quy cao áp Mục đích chính là dùng mô-tơ điện hỗ trợ hoặc thay thế động cơ đốt trong (ĐCĐT) để kéo xe ở những thời điểm mà ĐCĐT làm việc không hiệu quả (suất tiêu hao nhiên liệu cao, phát thải lớn, gia tốc kém) như quá trình khởi động, gia tốc và tăng tốc Hay nói cách khác là giúp cho ĐCĐT luôn làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó.

Như trên hình 1.2 ta có thể thấy ĐCĐT làm việc tối ưu trong một vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600v/ph tới 3400v/ph với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 (g/kWh) Còn như thể hiện trên hình 1.1 có thể thấy rằng đặc tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình 1.3 Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số.

Hình 1.1: Đặc tính lực kéo-tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng [6] ĐỒ ÁN TỐT

Bộ môn: Động cơ đốt trong

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội www.izibook.info

Hình 1.2: Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của một động cơ xăng [6]

Hình 1.3: Đặc tính lực kéo-tốc độ với hộp số tự động của một xe [6]

Còn với mô-tơ điện, đặc tính được thể hiện trên hình 1.4 Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính lý tưởng Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0 Khi tăng tới tốc độ cơ sở của nó, điện áp tăng theo trong khi dòng không đổi Khi tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản thì điện áp không đổi còn dòng thì yếu đi Kết quả này cho công suất đầu ra không đổi trong khi mô- men giảm theo đường hyperbol theo tốc độ.

Do đó một hệ dẫn động đơn cấp hay hai cấp có thể sử dụng để thỏa mãn lực kéo yêu cầu của xe. ĐỒ ÁN TỐT

Bộ môn: Động cơ đốt trong

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Hình 1.4: Đặc tính của một mô-tơ điện [6]

Hình 1.5: Lực kéo của xe có động cơ xăng với hộp số 4 cấp và mô-tơ điện với hệ dẫn động 1 cấp [6]

Hình 1.5 cho thấy sự so sánh cụ thể của một mô-tơ điện và một ĐCĐT Để có đặc tính sát với lý tưởng thì ĐCĐT cần hộp số 4 cấp còn mô-tơ điện chỉ cần hộp số 1 cấp Ngoài vai trò giúp cho ĐCĐT có thể hoạt động ở vùng tối ưu mô- tơ điện trong xe hybrid có một vai trò quan trọng thứ hai là nó có thể thu hồi lại năng lượng (động năng) cho xe để nạp lại vào ắc quy trong quá trình xe giảm tốc hay phanh, chức năng “phanh tái sinh”.

Khi kết hợp hai nguồn động lực như vậy kết quả đầu ra sẽ cho đặc tính như thể hiện trên hình 1.6:

Hình 1.6: Đặc tính lực kéo, cản – tốc độ của xe trên đường dốc [6]

1.1.2 Xu hướng phát triển của xe hybrid

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra loại ôtô mà mức phát thải và ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể.

Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường và là một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường , làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi người nói chung. Ôtô sạch không gây ô nhiễm là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô dùng động cơ lai (hybrid) Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao.

Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô hạn chế tối đa việc gây ô nhiễm môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu tối thiểu hay còn gọi là ôtô “sinh thái” mà vẫn sử dụng ĐCĐT, loại động cơ chưa thể thay thế trong nhiều năm tới.

Hình 1.7: Mô hình một xe hybrid

Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ôtô này. Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời mặt trời cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, chưa dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid (nhiệt - điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô “sạch”, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe về môi trường đô thị và nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch.

Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng Chứ không thể sử dụng ôtô hybrid thay hẳn các loại ôtô khác vì khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau và tính công nghệ còn nhiều hạn chế, trong đó cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho mô-tơ điện, vì nếu dùng loại ắc quy thông thường thì số lượng bình rất nhiều, kích thước và khối lượng rất lớn.

Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này chúng em chỉ tìm hiểu nghiên cứu dòng ôtô hybrid (nhiệt-điện) kết hợp giữa ĐCĐT và mô-tơ điện là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay.

Tìm hiều một số dạng dẫn động hybrid

1.2.1 Hệ thống hybrid nối tiếp

Hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp (Series hybrid electric drive train) là hệ thống dẫn động cho xe hybrid trong đó xe chỉ được kéo bởi mô-tơ điện Mô-tơ điện này được cung cấp năng lượng từ hai nguồn là: Ắc quy và máy phát điện được dẫn động bởi ĐCĐT Hệ thống dẫn động nối tiếp đơn giản nhất như hình

Hình 1.8: Sơ đồ một hệ dẫn động hybrid nối tiếp

Bánh xe được kéo bởi một mô tơ điện Mô-tơ điện lấy năng lượng từ nguồn ắcqui hoặc máy phát được dẫn động bởi ĐCĐT Cụm ĐCĐT/máy phát (ĐCĐT/MP) có nhiệm vụ giúp ắc quy bổ sung năng lượng cho mô-tơ kéo khi công suất tải yêu cầu lớn hoặc nạp cho ắc quy khi công suất tải yêu cầu nhỏ và dung lượng ắc quy thấp.

Bộ điều khiển mô-tơ để điều khiển mô-tơ kéo sinh ra năng lượng phù hợp với yêu cầu của xe.

Sự hoạt động của xe (gia tốc, khả năng leo dốc, tốc độ lớn nhất) được quyết định hoàn toàn bởi kích thước và đặc tính của mô-tơ kéo dẫn động Với sơ đồ kết nối như vậy thì đặc tính của xe hybrid có dạng như ví dụ của một mô-tơ điện thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.9: Đặc tính tốc độ - mômen và công suất – mômen của một mô-tơ điện [6]

Trong hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp, cụm ĐCĐT/MP là phần cơ khí được tách rời với trục bánh xe Tốc độ và mô-men của ĐCĐT không phụ thuộc vào tốc độ và mômen kéo yêu cầu của xe, nó có thể được điều khiển ở bất kì điểm làm việc nào trên vùng tốc độ - mômen của nó Thông thường động cơ đốt trong sẽ được điều khiển ở vùng làm việc tối ưu của nó, ở vùng mà nhiên liệu tiêu thụ và khí thải phát ra của động cơ là nhỏ nhất, thể hiện trong hình 1.4 Lí do tách rời phần cơ khí của ĐCĐT với trục bánh xe nhằm để ĐCĐT có thể làm việc ở vùng tối ưu và đặc tính của ĐCĐT được thay bằng đặc tính của mô-tơ điện. Tuy nhiên, nó phụ thuộc nhiều vào các chế độ làm việc của động cơ và điều khiển chiến lược của hệ dẫn động.

Hình 1.10: Đặc tính ĐCĐT và các vùng hoạt động [6] a/ Chế độ kéo hỗn hợp

Khi cần yêu cầu một công suất lớn (khi lái xe đạp sâu chân ga) lúc này năng lượng của cả cụm ĐCĐT/MP và nguồn năng lượng từ ắc quy cùng cấp năng lượng cho mô-tơ điện hoạt động Trong trường hợp này, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển để làm việc ở vùng tối ưu của nó Nguồn năng lượng từ ắc quy cung cấp công suất thêm để đáp ứng công suất kéo yêu cầu Dạng hoạt động này có thể được biểu diễn như sau:

P yc = P đcđt/mp + P aq(PPS) (1.1) Ở đó, P yc là công suất yêu cầu bởi người lái (đạp chân ga)

P đcđt/mp là công suất của cụm ĐCĐT/MP

P aq là công suất nguồn ắc quy. b/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của ắc quy cung cấp cho mô-tơ điện.

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Trong trường hợp này, chỉ có nguồn ắc quy cung cấp công suất của nó để đáp ứng với công suất yêu cầu, thường là trong giai đoạn khởi động và gia tốc từ khởi động tới khi xe đạt tới tốc độ cơ bản.

P yc = P aq (1.2) c/ Chế độ chỉ có nguồn năng lượng của cụm ĐCĐT/MPcung cấp cho mô-tơ điện.

Trong trường hợp này, chỉ có cụm ĐCĐT/MP cung cấp công suất của nó để đáp ứng công suất yêu cầu, giai đoạn xe chạy ở tốc độ ổn định, chế độ lái bình thường Năng lượng điện được kết nối trực tiếp từ cụm ĐCĐT/MP tới mô-tơ kéo.

P yc = P đcđt/mp (1.3) d/ Chế độ ắc quy nạp năng lượng cho ắc quy từ cụm ĐCĐT/MP

Khi năng lượng của ắc quy giảm xuống dưới một mức qui định nào đó thì ắc quy phải được nạp Ắc quy có thể được nạp từ máy phát hay quá trình phanh tái sinh (regenerative braking) Thường thì máy phát nạp khi phanh tái sinh nạp không đủ Trong trường hợp này, công suất của động cơ đốt trong được chia làm hai phần: một để kéo xe, phần còn lại để dẫn động máy phát nạp điện cho ắc quy.

Dạng hoạt động này chỉ có hiệu quả khi năng lượng của cụm ĐCĐT/MP sinh ra lớn hơn công suất tải yêu cầu. e/ Chế độ phanh tái sinh

Khi xe phanh, mô-tơ kéo có chức năng như một máy phát điện, biến đổi phần động năng của xe thành năng lượng điện để nạp cho ắc quy.

Như trình bày trong hình1.8 , bộ điều khiển xe điều khiển hoạt động của mỗi bộ phận thùy theo công suất kéo yêu cầu từ người lái, tín hiệu phản hồi từ mỗi bộ phận, và điều khiển chiến lược cài đặt trước của hệ thống dẫn động Những bộ phận được điều khiển để phù hợp với công suất yêu cầu của người lái xe, hoạt động của mỗi bộ phận với hiệu suất tối ưu, thu lại năng lượng phanh càng nhiều càng tốt, duy trì trạng thái nạp cho ắc quy.

1.2.1.3 Các chiến lược điều khiển. Đây là quy tắc điều khiển được cài đặt trước trong bộ điều khiển xe, nó ra lệnh hoạt động cho mỗi bộ phận Bộ điều khiển xe nhận những lệnh hoạt động từ lái xe và tín hiệu phản hồi từ hệ thống dẫn động (HTDĐ) cùng tất cả các bộ phận sau đó đưa ra các quyết định để sử dụng dạng hoạt động phù hợp Tất nhiên, đặc tính của HTDĐ phụ thuộc chủ yếu chất lượng điều khiển, trong đó điều khiển chiến lược giữ vai trò quyết định.

Trong thực tế, đó là một dải của bộ chiến lược điều khiển mà có thể được sử dụng trong những chiếc xe với các yêu cầu nhiệm vụ khác nhau Ở đây chỉ xét đến hai kiểu chiến lược điều khiển đặc trưng của động cơ: Trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy và điều khiển đóng ngắt động cơ đốt trong.

Hình 1.11: Các điểm làm việc trong hoạt động của xe hybrid nối tiếp

P yc – Công suất yêu cầu.

P aq – Công suất ắc quy.

P đc/mp – Công suất cụm động cơ/máy phát.

B – Dạng chỉ có ĐCĐT kéo hoặc dạng nạp ắc quy.

P n-aq – Công suất nạp cho ắc quy.

P ph,ts – Công suất phanh tái sinh.

P ph,ck – Công suất phanh cơ khí

D – Dạng phanh tái sinh. a) Chiến lược điều khiển trạng thái nạp lớn nhất cho ắc quy.

Mục đích của điều khiển là thỏa mãn công suất yêu cầu được yêu cầu bởi lái xe đồng thời duy trì trạng thái nạp cho ắc quy ở một mức cao nhất Chiến lược điều khiển này được tính toán để phù hợp thiết kế cho các xe hoạt động chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng của ắc quy Một trạng thái nạp ở mức độ cao sẽ đảm bảo sự hoạt động cao của xe ở mọi thời điểm Chiến lược điều khiển tình trạng nạp lớn nhất cho ắc quy được mô tả như hình 1.11

Các điểm A, B, C, D thể hiện công suất yêu cầu mà điều khiển chiến lược yêu cầu trong chế độ kéo hay phanh Điểm A cho thấy yêu cầu công suất kéo lớn hơn công suất mà cụm ĐCĐT/MP sinh ra Trong trường hợp này, nguồn năng lượng của ắc quy phải đưa ra năng lượng của nó bù đắp cho năng lượng thiếu hụt của ĐCĐT/MP Điểm B cho thấy năng lượng được yêu cầu nhỏ hơn năng lượng ĐCĐT/MP sinh ra khi nó làm việc trong vùng làm việc tối ưu của nó Trong trường hợp này, hai dạng năng lượng được sử dụng phụ thuộc vào chế độ nạp ắc quy Nếu như độ sụt năng lượng của ắc quy thấp hơn mức của nó thì ắc quy được nạp tức là ĐCĐT vừa kéo xe vừa nạp Mặt khác nếu ắcqui đã được nạp đầy thì động cơ chỉ kéo máy phát và được điều chỉnh để công sất sinh ra bằng công suất yêu cầu còn ắc quy làm việc ở chế độ chờ Điểm C mô tả công suất phanh cần theo yêu cầu từ người lái lớn hơn công suất phanh mà mô-tơ điện sinh ra (năng lượng phanh tái sinh lớn nhất) Trong trường hợp này, dạng phanh hỗn hợp được sử dụng và mô-tơ điện sinh ra năng lượng phanh lớn nhất của nó và phanh cơ khí bù đắp phần công suất cần thiết còn lại Điểm D mô tả công suất phanh cần thiết nhỏ hơn công suất phanh lớn nhất mà mô-tơ điện sinh ra, trong trường hợp này chỉ có phanh tái sinh làm việc Sơ đồ điều khiển logic minh họa ở hình 1.12. b) Chiến lược điều khiển đóng - ngắt ĐCĐT.

Chiến lược điều khiển ở chế độ nạp lớn nhất của ắc quy chú trọng đến trạng thái nạp cho ắc quy ở mức cao Tuy nhiên, trong một vài điều kiện lái như thời gian kéo dài với tải trọng thấp như khi lái xe trên đường cao tốc Tốc độ vòng quay lớn, ổn định thì ắc quy có thể dễ dàng được nạp đầy và cụm ĐCĐT/MP buộc phải làm việc với một năng lượng sinh ra nhỏ hơn trong điều kiện làm việc tối ưu của nó Hơn nữa, hiệu suất của hệ dẫn động bị giảm Trong trường hợp này, ĐCĐT được đóng-ngắt hoặc điều khiển nhiệt phải phù hợp.Chiến lược điều khiển này được minh họa ở hình 1.13

Hình1.12: Sơ đồ điều khiển logic hoạt động của xe hybrid nối tiếp

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO

Các dạng kết nối công suất trong công nghệ hybrid

2.1.1 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mômen

Hình 2.1:Sơ đồ một thiết bị kết nối mô-men

Một thiết bị kết nối mô-men như sơ đồ hình 2.1 gồm có 3 cổng và có 2 bậc tự do Cổng 1 là đầu vào đơn hướng, cổng 2 và 3 là cổng ra hoặc vào 2 chiều, nhưng cả 2 không cùng là cổng vào một lúc Cổng 1 kết nối trực tiếp với ĐCĐT hoặc thông qua 1 hộp số cơ khí Cổng 2 kết nối trực tiếp với trục của mô-tơ điện hoặc qua 1 hộp số cơ khí Cổng 3 kết nối với bánh xe chủ động qua liên kết cơ khí.

Nếu bỏ qua tổn thất và giả sử cổng 2 đang là cổng vào thì năng lượng ra bánh xe là:

T 3 ω 3 = T 1 ω 1+ T 2 ω 2 (2.1) Mô-men kết nối có thể được biểu diễn:

T 3 = k 1 T 1 +k 2 T 2 (2.2) Với k1 và k2 là tham số cấu trúc của bộ kết nối mô-men

Vận tốc góc ω1 ,ω2 và ω3 quan hệ với nhau: ω 3 = ω 1 /k 1 = ω 2 /k 2 (2.3)

Thiết bị kết nối mô-men có rất nhiều dạng khác nhau, hình 2.2 cho thấy một số thiết bị cơ bản như: truyền động bánh răng, đai hay sử dụng trực tiếp mô- tơ điện Mỗi thiết bị sẽ cho một thông số về k1 và k2 khác nhau. ĐỒ ÁN TỐT

Bộ môn: Động cơ đốt trong

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội www.izibook.info

Hình 2.2:Một số thiết bị kết nối mô-men

Do tính đa dạng của bộ kết nối mô-men nên hệ thống truyền lực hybrid song song có nhiều cấu hình khác nhau Dựa trên bộ kết nối mô-men được dùng ,cấu hình 1 hay 2 trục sẽ được sử dụng Trong mỗi cấu hình, hộp số có thể được đặt tại các vị trí khác nhau dẫn đến đặc tính kéo khác nhau.

Trên đây là 1 cấu hình 2 trục của hệ thống truyền lực hybrid, trong đó bộ kết nối được sử dụng là kiểu hộp giảm tốc với 2 cặp bánh răng ăn khớp ngoài.Hộp số được đặt giữa bộ kết nối mô-men và bánh xe chủ động Hộp số tăng cường mô-men của cả động cơ và mô tơ điện với cùng tỷ lệ.Cấu hình này sẽ thích hợp khi động cơ và mô-tơ điện tương đối nhỏ được sử dụng.

Hình 2.4 là cấu trúc đơn giản và gọn nhẹ nhất của bộ kết nối mô-men của kiểu hybrid song song, cấu hình 1 trục, roto của mô-tơ điện có chức năng như 1 bộ kết nối mô-men (với k1=1 và k2=1) Mô-tơ điện có thể đặt giữa động cơ và hộp số hoặc ở giữa hộp số và truyền lực cuối Trong hình trên mô-men của cả động cơ và mô-tơ điện được biến đổi bởi hộp số Tuy nhiên, động cơ va mô-tơ điện được yêu cầu có dải tốc độ như nhau.Cấu hình này được dùng với loại mô- tơ nhỏ, được gọi là hệ thống truyền lực hybrid êm dịu, trong đó chức năng của mô- tơ điện như 1 máy khởi động, 1 máy phát điện, 1 động cơ phụ và cho phanh tái sinh. Ưu điểm: kết cấu nhỏ gọn, đơn giản Đặc tính kéo của xe gần giống với đặc tính tối ưu Hiệu suất cao do ít tổn hao qua bộ truyền.

Nhược điểm: hai nguồn động lực cần có dải tốc độ như nhau do hybrid ra ĐCĐT mô-tơ

2.1.2 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ

Hình 2.5:Sơ đồ một thiết bị kết nối tốc độ.

Năng lượng được cung cấp bởi một nguồn năng lượng có được kết nối cùng nhau bằng cách cộng tốc độ của chúng Tương tự bộ kết nối mô-men, bộ ĐỒ ÁN TỐT

Bộ môn: Động cơ đốt trong

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Nội kết nối tốc độ có sơ đồ như hình 2.5 cũng gồm 3 cổng – 2 bậc tự do Cổng 1 kết nối với ĐCĐT với dòng năng lượng đơn hướng Cổng 2 và 3 có thể kết nối với mô-tơ điện hoặc truyền lực cuối, cả 2 đều với dòng năng lượng 2 chiều.

Bộ kết nối tốc độ cơ khí có thuộc tính: ω 3 = ω 1 k 1 + ω 2 k 2 (2.4)

Với k1 và k2 là hằng số kết hợp với cấu trúc và hình học được thiết kế. Trong số 3 tốc độ ,ω1 , ω2 và ω3 ,2 trong số chúng độc lập với nhau và có thể điều khiển độc lập Do sự ràng buộc của bảo toàn năng lượng, mô-men xoắn được liên kết cùng nhau bởi biểu thức:

 Bộ bánh răng hành tinh.

Một thiết bị kết nối tốc độ điển hình là hệ bánh răng hành tinh như hình 2.6 :

Hình 2.6: Hệ bánh răng hành tinh Willson

Hệ bánh răng hành tinh gồm 3 cổng đơn vị: bánh răng mặt trời, bánh răng bao và cần dẫn được đánh số 1,2,3 tương ứng trên hình.

Với i g = R 2 /R 1 = Z 2 /Z 1 ta có mối quan hệ tốc độ và mô-men như sau:

Bảng 2.1: Công thức xác định tốc độ, mô men của hệ bánh răng hành tinh

Bánh răng bao (vành răng)

 Mô-tơ có stato động.

Thiết bị khác được sử dụng như một bộ kết nối tốc độ là mô-tơ điện với stato không cố định (được gọi là transmoto).Có thể coi mô-tơ gồm có stato cố định với khung như 1 mô tơ truyền thống, và có 2 rô-to ,rô-to trong và rôto ngoài. Rô-to ngoài, rô-to trong và khoảng không khí là 3 cổng như Hình 2.7 : khí.

Hình 2.7:Mô-tơ có stato động

Năng lượng điện được biến đổi thành năng lượng cơ trong khoảng không

Tốc độ của mô-tơ, trong điều kiện thông thường, là tốc độ tương đối của rôto trong với rôto ngoài Quan hệ tốc độ có thể được biểu diễn: ω or = ω ir + ω oi ,và quan hệ mô-men: T or = T ir = T e

Tương tự thiết bị kết nối mô-men, bộ kết nối tốc độ có thể sử dụng để cấu thành hệ thống truyền lực hybrid Với 2 loại thiết bị kết nối tốc độ dùng hệ bánh răng hành tinh hay Mô-tơ có stato động, ta cũng có 2 cấu hình khác nhau như hai ví dụ dưới đây hình 2.8 và hình 2.9

Hình 2.8: Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh

Như đã phân tích về bộ kết nối tốc độ kiểu hệ bánh răng hành tinh ở trên, để thay đổi chế độ hoạt động của xe ta bố trí thêm cơ cấu khóa 1 và 2 Khi khóa 1 hoạt động, năng lượng truyền từ ĐCĐT sẽ bị ngắt, còn khi khóa 2 hoạt động bánh răng bao của hệ hành tinh đứng yên tức là năng lượng truyền từ mô-tơ điện bị ngắt Khi cả hai khóa mở, xe hoạt động chế độ hybrid, cả hai động cơ cùng truyền năng lượng tới bánh xe dẫn động.

Hình2.9: Hệ thống truyền lực hybrid sử dụng bộ kết nối tốc độ kiểu Mô-tơ có stato động.

Cũng hoàn toàn tương tự với sơ đồ hình 2.8 , trên hình 2.9 khóa 1 và ly hợp 2 được sử dụng để khóa rôto ngoài với khung và rô-to ngoài với rô-to trong,

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Nội tương ứng Trạng thái của hai ly hợp và khóa quyết định đến chế độ hoạt động của xe.

- Ưu điểm: đảm bảo tính linh hoạt về phương diện tốc độ của động cơ và mô-tơ, tránh được hiện tượng cưỡng bức tốc độ của 1 trong 2 nguồn khi tốc độ làm việc khác nhau.

- Nhược điểm: kết cấu hệ bánh băng hành tinh cồng kềnh, còn mô-tơ có stato động phức tạp yêu cầu chế tạo chính xác cao.

2.1.3 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối hỗn hợp mô-men và tốc độ

Bằng kết nối tổ hợp mô-men và tốc độ, có thể thiết lập hệ thống truyền lực hybrid mà trong đó trạng thái kết nối mô-men và kết nối tốc độ có thể được lựa chọn xen kẽ Ví dụ như sơ đồ hình 2.10 Ngoài sơ đồ hình 2.10 có rất nhiều sơ đồ sử dụng hỗn hợp kết nối mô-men và tốc độ bắng cách dùng xen kẽ các cấu hình của hai kiểu bộ kết nối.

Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống truyền lực hybrid xen kẽ mômen và tốc độ với hệ bánh răng hành tinh.

Thiết kế và tính toán hệ dẫn động xe máy hybrid

2.2.1 Lựa chọn phương án phối hợp nguồn động lực hybrid cho xe máy

Xe máy là phương tiện phổ biến ở Việt Nam hiện nay, nó là một trong những nguồn phát thải ô nhiễm độc hại chủ yếu đối với môi trường Việc tìm ra phương án cải tiến cũng như phát triển công nghệ mới cho xe máy luôn được các nhà sản xuất quan tâm Trong khuôn khổ đề tài này, xin được trình bày phương án phối hợp các nguồn động lực cho xe máy sử dụng hệ dẫn động hybrid.

Hình 2.11: Sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp cho xe máy

Dạng dẫn dẫn động hybrid được lựa chọn ở đây là dạng hỗn hợp song song- nối tiếp với bộ ghép nối bánh răng hành tinh Dạng ghép nối này có thể kết nối mô-men hoặc tốc độ của các thành phần như (động cơ, mô-tơ, máy phát), do đó các thành phần trong hệ động lực có thể được lựa chọn để hoạt động ở chế độ tối ưu của nó Bên cạnh đó, bộ bánh răng hành tinh cũng đóng vai trò như một hộp số vô cấp, do đó làm cho hệ dẫn động nhỏ gọn hơn.

Hình 2.11 trình bày sơ đồ hệ dẫn động hybrid hỗn hợp sử dụng bộ bánh răng hành tinh cho xe máy.

Hệ dẫn động trên sử dụng một ĐCĐT, một mô-tơ/máy phát điện (MG1), một mô-tơ (MG2), các thành phần này được kết nối với nhau bằng bộ bánh răng hành tinh Động cơ được nối với cầu dẫn của bộ bánh răng hành tinh qua li hợp, máy phát/mô-tơ (MG1) được nối với bánh răng mặt trời và mô-tơ kéo (MG2) được nối với vành răng thông qua bành răng trung gian, bánh răng trung gian này cũng làm nhiệm vụ truyền công suất đầu ra của bộ bánh răng hành tinh tới bộ truyền đai để kéo bánh xe.

3.1.2 Chiến lược điều khiển của xe máy hybrid

- Khi xe ở chế độ đứng yên (dừng đèn đỏ): Nếu ắc quy đã được nạp đầy thì ĐCĐT sẽ được tắt Động cơ sẽ tự động được bật để quay máy phát nếu trạng thái nạp của ắc quy dưới mức nạp đầy, như thể hiện trên hình 2.12

Hình 2.12: Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ đứng yên

- Chế độ xe khởi động: Khi xe bắt đầu khởi động ở với tải thấp, bướm ga động cơ mở nhỏ, thì chỉ có mô-tơ (MG2) làm nhiệm vụ kéo xe chuyển động, nó lấy năng lượng từ ắc quy Máy phát (MG1) quay ngược chiều và chạy không, nó không sinh ra năng lượng điện.

Hình 2.13: Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ khởi động

Hình 2.14: Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ bình thường

- Chế độ vận hành bình thường: Trong quá trình lái ở tốc độ và tải thấp

(< 35km/h), ĐCĐT chạy và sinh ra công suất Mô-tơ chạy sinh công suất kết hợp với công suất của động cơ Máy phát được chạy và quay cùng chiều với với động cơ, nó sinh ra năng lượng điện để cung cấp trực tiếp cho mô-tơ ,thể hiện trên hình 3.14

- Chế độ vận hành khi gia tốc lớn và vận tốc cao: Khi xe cần gia tốc lớn hoặc chay ở vận tốc cao, động cơ hoạt động với bướm ga mở lớn, mô-tơ nhận năng lượng từ ắc quy sinh ra công suất kết hợp với công suất của động cơ Đồng thời, mô-tơ/máy phát (MG1) cũng nhận năng lượng từ ắc quy và quay ngược chiều để cung cấp thêm công suất cho hệ, thể hiện trên hình 2.15

Hình 2.15: Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ gia tốc lớn và vận tốc cao

- Chế độ giảm tốc và phanh: Ngay khi người lái nhả tay ga, mô-tơ (MG2) được điều khiển để trở thành một máy phát Mô-tơ lúc này được kéo bởi bánh xe, nó sinh ra năng lượng điện để nạp cho ắc quy Quá trình này được gọi là phanh tái sinh Tại thời điểm xe giảm tốc, động cơ đốt dừng hoạt động và máy phát (MG1) quay ngược lại để đảm bảo tỉ số truyền, thể hiện trên hình hình 2.16

Hình 2.16: Phối hợp nguồn công suất khi xe làm việc ở chế độ giảm tốc và phanh

Khi cần phanh, lực phanh chủ yếu từ phanh tái sinh nêu trên Nếu lực phanh cần để dừng xe lớn hơn lực cung cấp từ phanh tái sinh (lực cản của mô-tơ) thì phanh cơ khí sẽ được hoạt động để bù vào.

2.2.2 Tính chọn các thành phần trong hệ dẫn động hybrid cho xe máy

Theo chiến lược điều khiển nêu trên, có thể thấy giai đoạn đầu khi xe hoạt động ở chế độ tải nhỏ thì nó hoạt động gần giống một hệ dẫn động hybrid nối tiếp Vì vậy, ta sử dụng các công thức tính toán của phần hybrid nối tiếp để tính chọn các thông số của từng thành phần trong hệ dẫn động.

Các thông số đầu vào để tính toán:

Bảng 2.2: Các thông số đầu vào khi tính toán cho xe

Khối lượng xe, Mv (kg) 200

Thời gian gia tốc bởi mô-tơ từ 0 - 45 km/h, ta (s) 8

Hệ số cản lăn, fr 0,01

Mật độ không khí, ρa (kg/m 3 ) 1,2

Hệ số cản khí động, Cd 0,2

Diện tích cản mặt trước: Af (m 2 ) 0,4

Hệ số khối lượng của xe, δ 1,02

2.2.2.1 Động cơ đốt trong. ĐCĐT dùng để mô phỏng là động cơ xe máy 4 kì, dùng chế hòa khí, dung tích xi lanh là 125cm 3 , công suất lớn nhất là 6kW, mô-men cực đại 7,28Nm tại tốc độ vòng quay 8000v/ph.

Một số đồ thị về hiệu suất và khí thải của động cơ với số liệu đo trong phòng thí nghiệm.

Engine Out CO Emissions Map (g/s) - Scooter Engine, 6kW 8

Hình 2.17: Đồ thị hiệu suất và thành phần phát thải của động cơ chọn mô phỏng.

Công suất mô-tơ để kéo xe từ 0 →45 (km/h) được tính theo công thức:

Với vận tốc cơ bản của mô-tơ là Vb ≈ 25 (km/h) = 6,94 (m/s) vận tốc Vf = 45(km/h) = 12,5 (m/s).

Vì mô-tơ được sản xuất với các công suất quy định, vì thế ta chọn mô-tơ điện xoay chiều có công suất 3kW, hiệu điện thế định mức 72V, số vòng quay tối đa 6500 (v/ph), khối lượng 8kg Đồ thị đặc tính của mô-tơ cho như hình vẽ dưới:

Motor/Inv erter Ef f iciency and Continuous Torque Capability - HEM motor/controller 25

Hình 2.18: Đồ thị đặc tính của mô-tơ chọn mô phỏng.

Công suất máy phát được tính theo công thức sau:

1 ρ C A V 2  g 1000η η  v r 2 a D f  Ở đó, V = 70 (km/h) = 19,44 (m/s) là vận tốc xe chạy ổn định trên đường cao tốc. hiệu suất hệ truyền động ηt = 0,85; hiệu suất máy phát ηt = 0,9

Chọn máy phát/mô-tơ điện xoay chiều, có công suất 1kW, số vòng quay

2.2.2.4 Tính chọn bộ ắc quy.

Sử dụng bộ ắc quy Nikel Metal Hydride (Ni-MH), ưu điểm của loại ắc quy này là có mật độ năng lượng cao, do đó làm giảm khối lượng và kích thước của bộ ắc quy. Để có một bộ ắc quy với điện áp 72V cung cấp cho mô-tơ kéo, ta dùng 10 mô-đun ghép nối tiếp với nhau Mỗi mỗi mô-đun gồm 6 cell, với điện áp một cell là 1,2 và dung lượng là 3Ah.

Dòng điện phóng cung cấp cho mô-tơ là: I 

Số giờ phóng của ắc quy theo tính toán bằng: (10.6.3)/42 ≈ 4,2(h)

Tuy nhiên trong thực tế, dung lượng phóng thực tế của ắc quy chỉ bằng70% dung lượng tính toán theo lí thuyết.

Thiết kế bộ bánh răng hành tinh cho hệ dẫn động xe máy hybrid

Với xe máy đã chọn lực mô phỏng ở trên, có hệ dẫn động hybrid như trong hình 3.1 , ta cần tính toán cụ thể bộ bánh răng hành tinh của nó.

Hình 2.19: Tính toán bộ truyền động bánh răng hành tinh

Với các thông số cổng vào T3 = 7,28 (Nm), ω3 = 8000 (v/ph) (ứng với động cơ) và T1 = 2,4 (Nm) ,ω1 = 9000 (v/ph) (ứng với máy phát)

1 R2 3 R Ở chế độ hybrid có quan hệ mô-men giữa 2 cổng vào T 3 /k 3 = T 1 /k 1 và tốc độ cổng ra ω 2 = k 3 ω 3 - k 1 ω 1

2.3.1 Tính toán các tỉ số số răng giữa các cặp bánh răng trong bộ truyền cơ sở

Tỷ số răng trong bộ truyền cơ sở: k  1

Ta thấy Z nằm trong khoảng (1,5÷4) nên thỏa mãn.

2.3.2 Tính toán thiết kế các thông số của bánh tăng

Theo quan điểm để các bánh răng có thể sử dụng qua các chu kì bảo dưỡng, đại tu, sửa chữa và tiện cho việc sản suất hàng loạt vì vậy ta chọn vật liệu chế tạo bánh răng là như nhau Tuy nhiên các bánh răng có cùng một mô-đun nên khi các bánh răng ăn khớp các bánh răng lớn sẽ chịu tải ít hơn, vì vậy mà khi bánh răng bé phải thay thế đại tu thì bánh răng lớn vẫn còn dùng được Ta chọn là thép hợp kim 40CrNi,

Bánh răng lớn: Tôi cải thiện HRC = 55 - 63

Giới hạn bền δ = 900 Mpa Giới hạn chảy δ ch = 700 Mpa

Bánh răng nhỏ: Tôi cải thiện HRC U -63

Giới hạn bền δ = 900 Mpa Giới hạn chảy δ ch = 700 Mpa Xác định ứng suất tiếp xúc – ứng suất uốn cho phép

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Trong đó: σHolim: ứng suất tiếp xúc cho phép. ΣFolim: ứng suất uốn cho phép.

SH, SF: Hệ số an toàn khi tính về tiếp xúc và uốn

Tra bảng 6.2 [5] Ta chọn SH = 1,2

KFC: Hệ số xét đến ảnh hưởng khi đặt tải.

KFC = 0,8 khi đặt tải 2 phía ( Bánh răng quay 2 chiều)

KFC = 1 Khi đặt tải 1 phía ( bánh răng quay một chiều ). σHolim #HRC, ΣFolim u0

Chọn độ rắn bánh răng nhỏ HRC1 `, bánh răng lớn HRC2 U σHolim1 #HRC1 #.60 80 , σFolim1 u0 σHolim1 #HRC2 #.55 65 , σFolim1 u0

N HO : Chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc:

N HE , N FE : Chu kì thay đổi ứng suất tương đương Khi bộ truyền chịu tải trọng tĩnh có : N HE = N FE = 60.c.n t Σ

Trong đó c, n, tΣ: Lần lượt là số lần ăn khớp của một vòng quay, số vòng quay trong một phút, tổng thời gian làm việc của bánh răng đang xét.

Thời gian sử dụng của ôtô bằng quãng đường giữa 2 kỳ đại tu chia cho vận tốc trung bình: tΣ = S v tb  200000

S: Quãng đường giữa hai kỳ đại tu S = 200000 km vtb: Vận tốc trung bình của xe vtb = 50 km

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Thay các giá trị vào công thức (3.19) ta có:

Ta có NHE1 > NHO1 do đó KHL1 =1,tương tự có KHL2 =1

Vậy [σH ]1 = σHolim1.KHL/ SH = 1380.1/1,2 50 Mpa

[σH ]2 = σHolim2.KHL/ SH = 1265.1/1,2 54 Mpa [σH ] = ([σH ]1 +[σH ]2 )/2 =( 1150 +1054)/2 02 Mpa 0 56.sin(π/

Kết luận: Qua kiểm tra các điều kiện đồng trục, điều kiện lắp ráp và điều kiện kề đều thoả mãn Như vậy ta có số răng của bộ truyền hành tinh sau:

Số răng vành răng mặt trời : ZR2= 92 (răng)

Số răng bánh răng hành tinh : ZP2= 23 (răng)

Số răng bánh răng mặt trời : ZS2= 46 (răng)

2.3.2.3 Tính lại khoảng cách trục và tỷ số truyền

Khoảng cách trục từ bánh răng mặt trời ZS đến bánh răng hành tinh ZP:

30 0 Tính lại tỷ số truyền. cos 30 0

2.3.2.3 Các thông số hình học của các bánh răng

Môđun pháp tuyến : mn = 0,5 (mm)

Số răng bánh răng mặt trời : ZR (răng)

Số răng bánh răng hành tinh : ZP = 23 (răng)

Số răng bánh răng mặt trời : ZS = 46 (răng) Đường kính vòng chia: dω = mn Z/cos β Bánh răng bao ZR: dR Bánh răng hành tinh ZP: m n Z R

= 53(mm) cos  cos30 0 m n Z P 0,5.23 dP Bánh răng mặt trời Zs:

= 26 (mm) cos 30 0 Đường kính vòng đỉnh răng Đường kính vòng đỉnh răng được tính theo công thức: da = dω ± 2.mn

Dấu ( - ) ứng với ăn khớp trong, dấu ( + ) ứng với ăn khớp ngoài.

Bánh răng bao ZR:daR = dωR - 2.mn = 53 - 2.5,5= 52 (mm)

Bánh răng hành tinh Zp:daP =dωP + 2.mn = 13+2.0,5= 14 (mm)

Bánh răng mặt trời ZS:daS = dωS + 2.mn = 26 + 2.0,5= 27 (mm) Đường kính vòng đáy răng

Công thức tổng quát: df = dω ± 2,5.mn

Dấu ( - ) ứng với ăn khớp ngoài Dấu ( + ) ứng với ăn khớp trong Bánh răng bao ZR: dfR = dωR + 2,5.mn = 53 + 2,5.0,5 = 54,25 (mm) Bánh răng hành tinh ZP2:dfP2 =dωP2 - 2,5.mn = 13-2,5.0,5= 11,75(mm) Bánh răng mặt trời ZS2:dfS2 = dωS2 - 2,5.mn = 26 - 2,5.0,5= 24,75 (mm)

Ta có công thức tổng quát tính chiều rộng vành răng: b = ψbd dω

Bánh răng mặt trời ZS: bS = ψbd dωS= 0,3.26 = 7.8 (mm) Chọn bS = 8 (mm), bR = 8 (mm), bP = 7 (mm)

2.3.2.4 Xác định mômen truyền qua bộ kết nối

Mô men phân bố lên các trục của bộ kết nối

Ta có công thức tổng quát:

M: là mômen trên trục vào ĐCĐT của bộ kết nối mômen

M = 7,28 (Nm) i : Tỷ số truyền từ động cơ đến chi tiết đang tính (động cơ mới). ηt : Hiệu suất của hệ thống truyền lực, trong trường hợp này ta lấy giá trị ηt = 0,95

Ta có, mômen truyền đến bánh răng đĩa xích ở chế độ hybrid.

2.3.2.5 Phân tích lực tác dụng trên các bánh răng

Trên hình các phản lực của khâu bị động tác dụng lên khâu chủ động là nét đứt ,của các khâu chủ động tác dụng lên khâu bị động là nét liền.

Từ hình vẽ, trên bánh răng hành tinh có các lực tác dụng ngược chiều nhau là lực hướng tâm Fr và lực dọc trục Fa Do đặc tính hình học cơ bản của cả bộ truyền Wilson là giống nhau nên các lực tác dụng trên bánh răng hành tinh là cùng độ lớn.

Do đó trên đường tâm trục của bánh răng hành tinh lực hướng tâm và lực dọc trục bị triệt tiêu.

Sơ đồ phân tích lực của bộ hành tinh Willson như hình 2.20 : i ti

Hình 2.20 Sơ đồ các lực tác dụng lên bộ truyền Wilson

Ta có công thức tổng quát:

Pi : Lực vòng tác dụng lên bánh răng thứ i

Mti: Mômen của bánh răng thứ i. di : Đường kính vòng chia thứ i.

Lực vòng tác dụng lên bộ bánh răng hành tinh trước:

Ta có công thức tổng quát:

Fri = Pi Trong đó: tg cos  α: Góc ăn khớp trên vòng tròn đường chia của bánh răng Theo TCVN với bánh răng không dịch chỉnh α = 20 0 β: Góc nghiêng của răng β = 30 0

Pi: Lực vòng tác dụng lên bánh răng thứ i

Ta có công thức tính tổng quát:

Trong đó Fai là lực dọc trục tác dụng lên bánh răng thứ i.

2.3.2.6 Kiểm tra bền các bánh răng

 Tính theo sức bền uốn Ứng suất uốn tácdụng lên bánh răng được xác định theo công thức:

 H = Kd Kms Kc Ktp Kgc.

P : Lực vòng tác dụng lên bánh răng (MN) b : Chiều rộng vành răng (m)

Y: Hệ số dạng răng Được tra theo bảng.

Kd: Hệ số tải trọng động bên ngoài Kd = 2,3

Kβ: Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ trùng khớp đối với sức bền bánh răng

Kms: Hệ số tính đến ma sát.

Với bánh răng chủ động : Kms = 1,1

Bánh răng bị động: Kms = 0,9

Kc: Hệ số tính đến độ cứng vững của trục, với các bánh răng trong bộ ruyền luôn ăn khớp thì Kc= 1

Kgc: Hệ số tính đến ứng suất tập trung ở góc lượn chân răng do phương pháp gia công gây ra Với góc lượn được mài: Kgc = 1

Ktp: Hệ số tính đến tải trọng phụ do sai số các bước răng khi gia công Ktp = 1,2 mntb: Môđun pháp tuyến ở tiết diện trung bình: mntb = 1,5.10 -3 (m)

+ Tính ứng suất uốn bánh răng mặt trời ZS

Trong trường hợp này bánh răng ZS là bánh răng chủ động

Hệ số tính đến ma sát: Kms = 1,1.

Chiều rộng làm việc của bánh răng bS = 8 mm = 8.10 -3 ( m)

Ztd =  cos 3  cos 3 30 0 = 70,8 (răng) Tra theo bảng 6.18 [5] có hệ số dạng răng Y = 3,62

Lực vòng tác dụng lên bánh răng hành tinh Z3

P3 = 280 (N) = 280.10 -6 (MN) Môđun pháp tuyến : mn = 1,5 mm =1,5.10 -3 m

Với Kβ = 1 Thay các giá trị đã tính toán ở trên vào công thức ta có:

8.10  3 3,14.1,5.10  3 3, 62.1 = 6,23MN/m 2 ) + Tính ứng suất uốn của bánh răng hành tinh ZP

Trong trường này bánh răng ZP là bánh răng bị động do đó:

Hệ số tính đến ma sát: Kms = 0,9

Chiều rộng làm việc của bánh răng bP = 7 mm = 0,007 m

Số răng tương đương:Ztd1 =  cos 3  cos 3 30 0 = 20 (răng) Tra theo bảng 6.18 [5] có Y = 4,08

Lực vòng tác dụng lên bánh răng hành tinh ZP:PP(0 (N)(0.10 -6 (MN) Môđun pháp tuyến: mn = 1,5.10 -3 (m)

Hệ số ảnh hưởng của độ trùng khớp Kβ = 1

Thay các giá trị vào công thức ta có:

Vậy σH1 và σH2 < [σH] = 387MPa = 387 MN/m 2 Các bánh răng thoả mãn điều kiện uốn.

 Kiểm nghiệm bánh răng theo sức bền tiếp xúc

Trên bộ truyền Wilson, do bánh răng hành tinh làm việc 2 chiều và có kích thước nhỏ nhất trong ba loại bánh răng, nên số lần vào khớp và ra khớp của một bánh răng hành tinh là nhiều nhất.

Ta có công thức tính ứng suất tiếp xúc: σtx = 0,418.cosβ.

Trong đó: β: Góc nghiêng của răng: β = 30 0

P: Lực vòng Như phần trước ta có P (0.10 -6 (MN)

E: Môđun đàn hồi của vật liệu, Với vật liệu là thép 40CrMn có:

R 2 : Bán kình vòng chia của bánh răng chủ động và bánh răng bị động. d  P

2 2 α: Góc ăn khớp của răng.

Theo tiêu chuẩn TCVN thì bánh răng không dịch chỉnh α = 20 0 Đối với cặp bánh răng ăn khớp ngoài thì lấy dấu “+“. Đối với cặp bánh răng ăn khớp trong thì lấy dấu “-“.

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Thay tất cả các giá trị vừa tìm được ta thay vào công thức ta có ứng suất tiếp xúc trên răng của bánh răng hành tinh: σtxP1 = 0,418.cos30 0

= 592,5(MN/m 2 ) Ứng suất tiếp xúc trên răng của bánh răng mặt trời: σtxP2 = 0,418.cos30 0

Vì vậy bánh răng ZP ,ZS thoả mãn điều kiện bền theo ứng suất tiếp xúc.

2.3.3.Tính toán thiết kế trục

MÔ PHỎNG PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC HYBRID CHO

Phần mềm mô phỏng ADVISOR

Trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ xe hơi thì mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu có vai trò quan trọng, nó giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu Trong nghiên cứu công nghệ hybrid trên ôtô thì mô phỏng giữ vai trò cốt yếu, nó giúp đưa ra một cách nhanh chóng và có hệ thống của việc nghiên cứu các thành phần khác nhau trong hệ dẫn động (như lựa chọn nhiên liệu, động cơ, ắc quy, truyền động, pin nhiên liệu…) Hiện nay, có nhiều công cụ mô phỏng dựa trên các nền tảng mô hình hóa khác nhau, tuy vậy chưa có một cái nào trong số chúng đủ mạnh để mô phỏng tất cả các tùy chọn khi thiết kế Qua nhiều năm nghiên cứu thì một công cụ mô phỏng nhanh, chính xác và linh hoạt vẫn đang trong giai đoạn phát triển Trên thế giới hiện nay, các phần mềm mô phỏng, phân tích, tính toán xe hơi đa số được sử dụng trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink và Modelica/Dymola Trong khuôn khổ đề tài này xin đề cập tới gói công cụ mô phỏng ADVISOR chạy trên nền Matlab/Simulink.

ADVISOR là viết tắt của cụm từ ADvanced VehIcle SimulatOR, được phát triển bởi Phòng thí nghiệm thu hồi năng lượng quốc tế Hoa Kỳ vào năm

1990 Nó được phát triển lần đầu tiên để đáp ứng cho Bộ năng lượng Hoa Kỳ trong việc thúc đẩy nghiên cứu xe hybrid.

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng

ADVISOR được sử dụng rộng rãi bởi các nhà sản xuất xe hơi, các trường đại học và các viện nghiên cứu trên toàn thế giới Việc mô phỏng chiếc xe và các thành phần hoạt động đã giúp các kĩ sư xác định làm cách nào để tăng tuổi thọ của các bộ phận, cải thiện hoạt động của xe, tối ưu hóa các thiết kế hệ thống xe, và giảm thời gian phát triển.

ADVISOR có thể được sử dụng để mô phỏng và phân tích thông thường hoặc nâng cao, các xe hạng nhẹ và nặng, xe lai điện và xe điện Ứng dụng này kiểm tra hiệu ứng của sự thay đổi trong các thành phần xe (như mô-tơ điện, ắc qui, bộ biến đổi xúc tác, nhiên liệu thay thế…) hoặc các thay đổi khác mà có thể tác động đến tiết kiệm nhiên liệu, sự hoạt động, hoặc sự phát thải Người sử dụng có thể thay đổi kết quả mô phỏng bởi sự chọn lựa các dạng thành phần xe, kích cỡ và các thông số.

Kết quả của quá trình mô phỏng được xuất ra dưới dạng các kết quả bằng số (lượng tiêu hao nhiên liệu, các thành phần phát thải…), các đồ thị (tình trạng nạp của ắc quy; công suất của động cơ, mô-tơ; công suất phanh; nhiệt độ các bộ phận của động cơ, nhiệt độ nước làm mát…) và các biểu đồ (vùng hoạt động của động cơ, mô-tơ; hiệu suất của các thành phần trong hệ dẫn động…).

3.1.3 Cơ sở và phương pháp mô phỏng trong ADVISOR

3.1.3.1 Cơ sở mô phỏng trong ADVISOR.

Nền tảng chính của mô hình trong ADVISOR là sơ đồ khối Simulink Mỗi hệ thống phụ của sơ đồ khối có một file Matlab (m-file) liên kết với nó, file này xác định các thông số của hệ thống phụ riêng biệt đó Người sử dụng có thể thay đổi cả mô hình bên trong khối cũng như m-file liên kết với khối để phù hợp với mô hình cần Ví dụ, người sử dụng có thể thay đổi để có một mô hình chính xác hơn của mô-tơ điện Một mô hình khác có thể thay thế mô hình hiện tại miễn là đầu vào và đầu ra là giống nhau Mặt khác, người sử dụng có thể dời nguyên vẹn mô hình và thay đổi m-file liên kết với sơ đồ khối ADVISOR cung cấp một cách linh hoạt các mô hình cho người sử dụng.

Các mô hình trong ADVISOR phù hợp với dữ liệu thực nghiệm nhận được từ quá trình thí nghiệm của các thành phần để mô phỏng một hệ thống phụ riêng biệt Trong trường hợp tổng quát, hiệu suất và giới hạn hoạt động xác định hoạt động của từng thành phần Ví dụ, mô hình ĐCĐT sử dụng một bản đồ hiệu suất được lấy qua thí nghiệm Bản đồ hiệu suất của một động cơ Geo 1.0L (43kW) như trình bày trong hình 3.1 Đường công suất lớn nhất cũng được thể hiện trên đó Động cơ không thể hoạt động trên đường giới hạn mô-men lớn nhất này.

Cơ sở dữ liệu của ADVISOR gồm rất nhiều các file thành phần ở dạng file Matlab (m-file), các file này được lưu sẵn trong các thư viện của phần mềm hoặc được người sử dụng viết thêm nhằm phục vụ cho đề tài mô phỏng của mình. Nhiều người sử dụng đã đóng góp các thành phần và dữ liệu mới cho thư viện của phần mềm này.

Dữ liệu trong các file này ở dạng ma trận hoặc vec-tơ, thông số nhập vào thường được lấy từ thí nghiệm tiến hành với các thành phần cần nghiên cứu.

Bảng sau đây là một ví dụ về thông số suất tiêu hao nhiên liệu cho một động cơ khi đo ở dải tốc động vòng quay và mô-men xác định của động cơ.

Hình 3.1: Biểu đồ hiệu suất của động cơ Geo 1.0L

Bảng 3.1: Thông số đầu vào của phần mềm về suất tiêu hao nhiên liệu của một động cơ

Cấu trúc của một mô hình mô phỏng trong ADVISOR dựa trên sơ đồ khối được lập trong Simulink, nó gồm các khối sơ đồ với các công thức và hàm tính toán được gắn trong đó Các khối này được liên kết với nhau theo mô hình của bài toán mô phỏng đặt ra Cũng như các dữ liệu đầu vào, ADVISOR cũng cung cấp sẵn một thư viện với các khối cơ bản cho một bài toàn mô phỏng trong đó.Ngoài ra, tùy thuộc yêu cầu nghiên cứu của từng bài toán mô phỏng mà người dùng có thể xây dựng các sơ đồ hoặc khối riêng Thông số cung cấp cho các công thức tính toán trong sơ đồ khối này được lấy từ các file Matlab nếu trên.

Hình 3.2: Sơ đồ khối một mô hình trong ADVISOR

3.1.3.2 Phương pháp mô phỏng trong ADVISOR.

Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng trong ADVISOR

Phương pháp mô phỏng trong phần mềm này bắt đầu từ một chu trình lái đưa ra cho xe, từ đó xác định được công suất yêu cầu của xe qua mô hình hệ dẫn động Qua đó, tìm ra có những thành phần nào cần hoạt động có liên quan, công suất yêu cầu tại các bánh xe ở từng giai đoạn thời gian được tính toán trực tiếp từ vận tốc yêu cầu của chu trình lái Công suất yêu cầu sau khi được tính toán chuyển thành tốc độ và mô-men, thì theo sơ đồ của mô hình sẽ tìm ra công suất yêu cầu tới các nguồn công suất như động cơ hoăc mô-tơ điện Với từng thành phần, công suất này sẽ được tính toán ngược trở lại qua mô hình hệ dẫn động, có xét đến tổn thất Cuối cùng, việc sử dụng nhiên liệu hay năng lượng điện được tính toán để đưa ra tốc độ có thể đáp ứng thực tế cho trình lái Một sơ đồ thể hiện phương pháp mô phỏng trong ADVISOR được trình bày như sơ đồ hình 3.3

3.1.4 Giao diện sử dụng của ADVISOR

Với một giao diện thân thiện, dễ sử dụng, phần mềm này là một công cụ hữu hiệu cho việc nghiên cứu công nghệ xe hơi nói chung và công nghệ hybrid nói riêng ADVISOR cung cấp sự truy nhập dễ dàng và cho kết quả nhanh chóng tới người sử dụng Ba cửa sổ có để người sử dụng nhập thông số và thay đổi các thành phần, từ cài đặt ban đầu cho đến kết quả cuối cùng Cửa sổ đầu tiên được sử dụng để nhập dữ liệu liên quan tới cài đặt ban đầu của xe Cửa sổ thứ hai cung cấp một vài tùy chọn cho mô phỏng Cửa sổ cuối trình bày các kết quả mô phỏng đã lựa chọn.

Cửa sổ nhập thông số đầu vào của một chiếc xe trong ADVISOR được trình bày trong hình 3.4 , hình dạng hệ dẫn động xe (ví dụ: hybrid nối tiếp, song song, xe thông thường, …) Các sơ đồ đặc tính thực hiện cho các thành phần hệ dẫn động khác nhau có thể được sử dụng từ các danh sách liên kết Thông số của một thành phần có thể được thay đổi bởi sự hiệu chỉnh các giá trị riêng biệt được hiển thị trong các khung Bất kì thông số vô hướng nào có thể được sửa đổi bằng cách sử dụng sự thay đổi danh sách biến trong phần dưới bên phải của cửa sổ. Tất cả các thông số hình dạng của xe có thể được lưu để sử dụng sau đó Sau các đặc điểm đầu vào của xe được xác lập này, tiếp theo là cài đặt mô phỏng.

Cửa sổ cài đặt mô phỏng ADVISOR được trình bày như trong hình 3.5 ,người sử dụng chỉ ra các trường hợp mà qua đó xe được mô phỏng Chọn lựa chu trình lái, kiểm tra gia tốc và thiết lập độ dốc của được cũng như một số thông số khác Ví dụ, khi một chu trình lái đơn lẻ được lựa chọn, dải tốc độ có thể được xem xét phía trên bên trái của cửa sổ và một phân tích thống kê của chu trình được hiển thị ở phần dưới bên trái Với các thông số đã thiết lập, mô phỏng được cho chạy và kết quả sẽ được đưa ra sau khi hoàn tất.

Hình 3.4: Cửa sổ chọn thông số ban đầu của mô hình xe

Hình 3.5: Cửa sổ cài đặt mô phỏng

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

Cửa sổ hiển thị kết quả mô phỏng ADVISOR được minh họa như trong hình 3.6 , cho người sử dụng xem xét các hiển thị quá trình hoạt động của xe.

Mô phỏng mô hình xe máy hybrid và xe máy với hệ dẫn động thông thường trên ADVISOR

Tiến hành mô phỏng cho cả hai dạng xe máy với hệ dẫn động thông thường và hệ dẫn động hybrid trên chu trình thử ECE-R40, minh họa trong hình

Hình 3.8: Chu trình thử ECE R40

Chu trình ECE-R40 gồm 6 chu kì giống nhau liên tiếp, mỗi chu kì có thời gian là 195(s), chi tiết vận hành trong một chu kì được trình bày theo bảng dưới đây:

Bảng 3.2: Chu trình thử ECE R40

TT vận hành Bước vận hành Pha Gia tốc

Thời gian vận hành (s) Thời gian tích lũy (s) Bước Pha

5 Giảm vận tốc, cắt li hợp

10 Giảm vận tốc, cắt li hợp

17 Giảm vận tốc, cắt li hợp

3.2.1 Chạy mô phỏng xe máy với hệ dẫn động hybrid hỗn hợp

Với các thông số của từng thành phần trong hệ dẫn động đã tính toán cho xe máy hybrid ở trên, ta thiết lập mô phỏng trên phần mềm ADVIOR.

3.2.1.1 Mô hình mô phỏng xe máy với hệ dẫn động hybrid

Hình 3.9: Sơ đồ khối của xe máy hybrid mô phỏng

Mô hình gồm các khối được liên kết với nhau theo sơ đồ của hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song-nối tiếp, bộ kết nối công suất là bộ bánh răng hành tinh, đồng thời nó cũng đóng vai trò là hộp số vô cấp (CVT).

3.2.1.2 Các thông số thiết lập mô phỏng

Bên cạnh cơ sở dữ liệu của các thành phần trong hệ mô phỏng được nhập vào các file Matlab (m-file) dưới dạng các ma trận để làm cơ sở dữ liệu cho việc mô phỏng thì người dùng có thể nhập vào hoặc thay đổi một số các thông số trực tiếp trên cửa số thiết lập mô phỏng của ADVISOR.

Các thông số đầu vào có thể thay đổi gồm:

- Khối lượng khung xe: 50kg

- Công suất động cơ đốt trong là 6kW, khối lượng 20kg

- Bộ lưu trữ năng lượng (ắc quy) loại Nikel Metal Hydride (NiMH), điện áp 77V (gồm 10 mô-đun), khối lượng bộ ắc quy là 10kg.

- Mô-tơ điện xoay chiều có công suất 3kW, hiệu suất 0,9, khối lượng 8kg.

- Máy phát/mô-tơ điện xoay chiều có công suất 1kW, hiệu suất 0,84, khối lượng 2kg.

- Hệ truyền động CVT dùng bộ bánh răng hành tinh.

- Bánh xe máy thông thường có bán kính 0,3m.

- Giả thiết khối lượng mang tải của xe là 70kg.

- Tổng khối lượng toàn bộ của xe mô phỏng khi mang tải là 162kg.

Hình 3.10: Cửa sổ thiết lập mô phỏng của phần mềm

- Lượng nhiên liệu tiêu hao tính theo đơn vị (lit/100km)

- Lượng phát thải của các thành phần HC, CO, NOx tính theo đơn vị (g/km)

- Các đồ thị vận tốc, công suất, hiệu suất, các điểm làm việc của động cơ, mô-tơ; tình trạng nạp, hiệu suất phóng-nạp của ắc quy.

 Kết quả chạy mô phỏng được hiển thị trong cửa sổ sau:

Hình 3.11: Cửa sổ hiển thị kết quả chạy mô phỏng được

 Một số đồ thị minh họa sự hoạt động của các thành phần trong hệ dẫn động hybrid cho xe máy đã mô phỏng, được xuất từ phần mềm cho thấy rõ đặc tính làm việc của từng thành phần trong hệ dẫn động.

Hình 3.12: Đồ thị các điểm làm việc của động cơ (kí hiệu: X- mô-men đầu ra trục khuỷu; ∆- điểm hoạt động thực tế)

Hình 3.13: Đồ thị các điểm làm việc của mô-tơ kéo ĐỒ ÁN TỐT

Bộ môn: Động cơ đốt trong

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội www.izibook.info a) b)

Hình 3.14: a) Hiệu suất phóng của ắc quy; b) Hiệu suất nạp của ắc quy

3.2.2 Chạy mô phỏng xe máy với hệ dẫn động thông thường.

Tiến hành mô phỏng xe máy với động cơ đốt trong của phần mô phỏng xe hybrid ở trên, dùng hộp số vô cấp và sử dụng hệ dẫn động thông thường.

Ta thu được kết quả để so sánh với xe sử dụng hệ dẫn động hybrid.

3.2.2.1 Mô hình mô phỏng xe máy với hệ dẫn động thông thường

Hình 3.15: Sơ đồ khối xe máy với hệ dẫn động thông thường ĐỒ ÁN TỐT

Bộ môn: Động cơ đốt trong

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà

3.2.2.2 Các thông số thiết lập mô phỏng

Bên cạnh dữ liệu cơ sở thiết lập trong các m-file thì tại thông số đầu vào nhập trên giao diện mô phỏng gồm:

- Khối lượng khung xe: 50kg.

- Động cơ đốt trong của phần mô phỏng xe máy hybrid nêu trên.

- Hệ truyền động hộp số vô cấp (CVT).

- Giả thiết khối lượng mang tải là 70kg.

Kết quả chạy mô phỏng cho xe máy với hệ dẫn động thông thường được trình bày trong hình 3.15 Bao gồm:

- Lượng nhiên liệu tiêu hao tính theo đơn vị (lit/100km).

- Lượng phát thải của các thành phần: HC, CO, NOx tính theo đơn vị

- Đồ thị vận tốc, công suất, hiệu suất, vùng làm việc của động cơ.

Hình 3.16: Cửa sổ kết quả mô phỏng cho xe thông thường

Hình 3.17: Đồ thị các điểm làm việc của động cơ trong xe máy thông thường.

So sánh và đánh giá kết quả mô phỏng

Bảng 3.3: Kết quả so sánh giữa xe thông thường và xe hybrid

Tiêu hao nhiên liệu (lit/100km)

Từ kết quả trên cho thấy với xe hybrid, lượng nhiên liệu tiêu thụ và các thành phần phát thải đều giảm rõ rệt so với xe thông thường, cụ thể:

- Lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm 32,35%

SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng Quốc Ngọc ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồng thời so sánh đồ thị làm việc của cùng một động cơ khi ở hệ hybrid với khi ở hệ thông thường, ta thấy động cơ trong hệ hybrid phần lớn làm việc trong vùng tối ưu hơn, khả năng leo dốc và gia tốc của xe tốt hơn.

 Kết luận: Với xe máy dử dụng hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song-nối tiếp với bộ bánh răng hành tinh đã cho kết quả hoạt động của động cơ tốt hơn, từ đó giảm đáng kể lượng tiêu thụ nhiên liệu và các thành phần khí thải độc hại.Tuy nhiên, với việc phối hợp các thành phần trong hệ dẫn động và chiến lược điều khiển đã nêu ở trên của mô hình này, thì hiệu quả chủ yếu khi xe chạy trong điều kiện đường đô thị (vận tốc thấp, thường xuyên phanh, dừng xe…).

[1] Phạm Minh Tuấn Động Cơ Đốt Trong Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006.

[2] Phạm Minh Tuấn Lý Thuyết Động Cơ Đốt Trong Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2008.

[3] Nguyễn Tất Tiến, Vũ Thị Lạt Hệ Thống Nhiên Liệu Và Tự Động Điều Chỉnh

Tốc Độ Động Cơ Đốt Trong Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 1998.

[4] Nguyễn Hữu Nam Trang Bị Điện Trên Ôtô Hiện Đại Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật, 2003.

[5] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển Tính Toán Thiết Kế Dẫn Động Cơ Khí (Tập 1, 2). Nhà Xuất Bản Giáo Dục.

[6] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E.Gay, Ali Emadi Modern electric,

Hybrid electric,and Fuel cell vehicles.

[7] Toyota hybrid system Tài liệu tham khảo của hãng Toyota.

[8] Yuliang Leon Zhou Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicles.

B Eng., University of Science & Tech Beijing, 2005.

[9] W K Yap, and V Karri Modeling and Simulation of a Hybrid Scooter. World Academy of Science, Engineering and Technology 47, 2008

[10] Keith B Wipke, Matthew R Cuddy Using an Advanced Vehicle

Simulator (ADVISOR) to Guide Hybrid Vehicle Propulsion System

Development, National Renewable Energy Laboratory.

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HYBRID 2

1.1 Khái quát công nghệ hybrid trong xe hơi 2

1.1.2 Xu hướng phát triển của xe hybrid 5

1.2 Tìm hiều một số dạng dẫn động hybrid 7

1.2.1 Hệ thống hybrid nối tiếp 7

1.2.1.3 Các chiến lược điều khiển 10

1.2.1.4.Tính toán thông số các thành phần chính 14

1.2.1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống dẫn động hybrid nối tiếp 19

1.2.2 Hệ dẫn động hybrid song song 25

1.2.2.1 Khái quát về dạng hybrid song song 25

1.2.2.2 Các chiến lược điều khiển của hệ dẫn động hybrid song song 27

1.2.2.3 Tính toán các thông số của bộ truyền động 33

1.2.3 Hệ dẫn động hybrid song song một trục 43

1.2.3.1 Năng lượng tiêu thụ trong hệ dẫn động và phanh 43

1.2.3.3 Hoạt động và chiến lược điều khiển 46

1.2.3.4 Tính toán hệ dẫn động 47

1.2.4 Hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song – nối tiếp 55

1.2.4.1 Hình dáng hệ truyền động với bộ bánh răng hành tinh 55

1.2.5 Hệ dẫn động hybrid với mô-tơ có stato động 62

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN PHỐI HỢP NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO

2.1 Các dạng kết nối công suất trong công nghệ hybrid 64

2.1.1 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mômen 64

2.1.2 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ 66

2.1.3 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối hỗn hợp mô-men và tốc độ. 70

2.2 Thiết kế và tính toán hệ dẫn động xe máy hybrid 71

2.2.1 Lựa chọn phương án phối hợp nguồn động lực hybrid cho xe máy 71