Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái, hệ thống điều khiển động cơ DC Brushless và nạp điện ắc quy từ máy phát cho ô tô Hybrid kiểu nối tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ    NGUYỄN HỮU TIẾN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI, HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BRUSHL

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

  

NGUYỄN HỮU TIẾN

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NHA TRANG 07/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

  

NGUYỄN HỮU TIẾN

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG LÁI,

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BRUSHLESS DC

VÀ NẠP ĐIỆN ACQUY TỪ MÁY PHÁT Ô TÔ

HYBRID KIỂU NỐI TIẾP

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHẬN

NHA TRANG 07/2013

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HỮU TIẾN

Lớp : 51CKCD

Chuyên ngành : Công nghệ kĩ thuật cơ điện tử

Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái, hệ thống điều khiển động cơ brushless

DC và nạp điện acquy từ máy phát ô tô Hybrid kiểu nối tiếp

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD, 01 hệ thống lái ô tô Hybrid, 01 bộ điều khiển động cơ brushless DC

NHẬN XÉT

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2013

Cán bộ hướng dẫn ( ký và ghi rõ họ tên )

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh : NGUYỄN HỮU TIẾN

Lớp : 51CKCD

Chuyên ngành : Công nghệ kĩ thuật cơ điện tử

Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống lái, hệ thống điều khiển động cơ brushless

DC và nạp điện acquy từ máy phát ô tô Hybrid kiểu nối tiếp

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD, 01 hệ thống lái ô tô Hybrid, 01 bộ điều khiển động cơ brushless DC

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ PHẢN BIỆN ( Ký ghi rõ họ tên ) _ Nha Trang, ngày tháng năm 2013 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ( Ký ghi rõ họ tên )

Điểm phản biện

Điểm chung

MỤC LỤC

MỤC LỤC 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC HÌNH 9

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ VÀ ĐỘNG CƠ BRUSHLESS DC 14

1.1 Giới thiệu chung 15

1.1.1 Ôtô hybrid (ôtô lai) 15

1.2 Hệ thống lái trên xe ô tô 18

1.2.1 Vành tay lái 19

1.2.2 Trục lái 19

1.2.3 Cơ cấu trượt, nghiêng tay lái điều khiển điện 20

1.2.4 Cơ cấu lái 21

1.2.5 Cơ cấu dẫn động lái 21

1.3 Động cơ brushless DC 22

1.3.1 Khái niệm, đặc điểm 22

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ Brushless DC Mortor 23

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 28

2.1 Phương pháp nghiên cứu 29

2.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.2.1 Thiết kế hệ thống lái cho xe 29

2.2.2.Tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe .36

2.2.3 Tính toán và chọn động cơ điện 59

2.2.4 Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ 63

2.2.5 Hệ thống nạp điện acquy từ máy phát 81

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 92

3.1 SẢN PHẨM THỰC TẾ 93

3.2 CHẠY THỬ VÀ KIỂM TRA ĐỘ ỔN ĐỊNH 96

3.2.1 Kiểm tra trươc khi đưa vào hoạt động 96

3.2.2 Mô hình ô tô lúc hoạt động 98

4.1 KẾT LUẬN 101

4.1.1 Kết quả đạt được 101

4.1.2 Kết quả chưa đạt được 101

4.2 ĐỀ XUÁT 101

4.2.1 Đề xuất phần cứng 101

4.2.2 Đề xuất phần mềm 101

4.2.3 Đề xuất cả hệ thống 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 103

1 Chương trình điều khiển BLDC 103

2 Chương trình nạp điện acquy 109

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2- 1: Quan hệ giữa α và β theo lý thuyết 46

Bảng 2-2: Quan hệ giữa α và β theo thực tế 47

Bảng 2.3: Cấu hình các chân của cổng 69

Bảng 2.4: Bảng chọn chế độ hoạt động của Timer 71

Bảng 2.5: Chế độ so sánh không PWM 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hệ thống lai nối tiếp .16

Hình 1 2 Hệ thống lai song song .17

Hình 1 3 Hệ thống lai hỗn hợp .17

Hình 1-4 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái 18

Hình 1-5 Cách bố trí trục lái trên xe 18

Hình 1-6 Vành tay lái 19

Hình 1-7 Trục lái 20

Hình 1-8 Cơ cấu nghiêng, trượt tay lái 21

Hình 1-9 Bố trí đòn dẫn động lái 22

Hình 1.10 Sức phản điện động dạng hình thang 23

Hình 1.11 Mặt cắt bằng của một BLDC 23

Hình 1.12 Stator động cơ BLDC 24

Hình 1.13 Rotor động cơ BLDC 24

Hình 1.14 Động cơ brushless có cảm biến Hall 24

Hình 1.15 Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường 25

Hình 1.16 Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường 25

Hình 1.17 Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ 26

Hình 1.18 Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC 26

Hình 1.19 Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC 27

Hình 2-1 Cơ cấu lái bánh răng- thanh răng 30

Hình 2-2 Cơ cấu lái trục vít con lăn 32

Hình 2-3 Cơ cấu lái trục vít chốt quay 33

Hình 2-4 Cơ cấu lái trục vít - cung răng 34

Hình 2-5 Sơ đồ dẫn động lái 35

Hình 2-6 Dẫn động lái 3 khâu 35

Hình 2-7 Dẫn động lái 6 khâu .36

Hình 2-8 Sơ đồ tính toán mômen cản quay vòng do tác dụng của lực cản lăn 39

Hình 2-9 Sơ đồ xác định mômen cản quay gây ra do lực ngang 39

Hình2-10 Sơ đồ quay vòng của ôtô 41

Hình 2-11 Sơ đồ quay vòng của ôtô 43

Hình 2-12 Sơ đồ dẫn động lái khi xe đi thẳng 43

Hình 2-13 Sơ đồ dẫn động khi xe quay vòng 44

Hình 2-14 Đồ thị đặc tính động học hình thang lái 48

Hình 2-15 Sơ đồ phân bố lực phanh 55

Hình 2-16 Sơ đồ tính toán 60

Hình 2.17.Cấu trúc bộ nhớ của AVR 64

Hình 2.18 Thanh ghi 8 bit 64

Hình 2.19 Register file 65

Hình 2.20 Cấu trúc bên trong của AVR 67

Hình 2.21 Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 68

Hình 2.22 Thanh ghi DDRA 68

Hình 2.23 Thanh ghi PORTA 68

Hình 2.24 Thanh ghi PINA 69

Hình 2.25 Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 70

Hình 2.26 Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 70

Hình 2.27 Thanh ghi TCCR0 71

Hình 2.28 Thanh ghi TCNT0 72

Hình 2.29 Thanh ghi 0CR0 72

Hình 2.30 Thanh ghi mặt nạ ngắt 72

Hình 2.31 Thanh ghi cờ ngắt 72

Hình 2.32 Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 73

Hình 2.33 Sơ đồ chân của ATMEGA 32 74

Hình 2.34 Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 75

Hình 2.35 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 75

Hình 2.36 Sơ đồ mạch in khối nguồn 76

Hình 2.37 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và các header kết nối 77

Hình 2.38 Sơ đồ khối kết nối cảm biến hall và biến trở 77

Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ brushless dc 78

Hình 2.40 Sơ đồ mạch in khối điều khiển động cơ 79

Hình 2.41 Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều động cơ 79

Hình 2.42 Sơ đồ mạch in khối đảo chiều động 80

Hình 2.43 Sơ đồ giải thuật điều khiển BLDC 81

Hình 2.44 Sơ đồ khối hệ thống nạp điện 81

Hình 2.45 Máy phát điện 82

Hình 2.46 Các chi tiết của roto 82

Hình 2.47 Stato của máy phát 83

Hình 2.48 Sơ đồ nguyên lí sinh điện 83

Hình 2.49 Sơ đồ nguyên lí dòng điện xoay chiều 3 pha 84

Hình 2.50 Sơ đồ chuyển đổi điện 84

Hình 2.51 Điốt cầu 10A 85

Hình 2.52 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 85

Hình 2.53 Sơ đồ mạch in khối nguồn 86

Hình 2.54 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và các header kết nối 86

Hình 2.55 Sơ đồ nguyên lý khối LCD 87

Hình 2.56 Sơ đồ nguyên lý khối đọc ADC 88

Hình 2.57 Sơ đồ nguyên lý khối điều chế xung PWM 89

Hình 2.58 Sơ đồ mạch in toàn mạch 90

Hình 2.59 Sơ đồ giải thuật nạp điện acquy 91

Hình 3.1 Mô hình hoàn thiện 93

Hình 3.2 Hệ thống lái nhìn từ trước 93

Hình 3.3 Bộ điều khiển đảo chiều BLDC 94

Hình 3.4 Mạch công suất điều khiển BLDC 94

Hình 3.5 Bộ điều khiển nạp điện acquy 95

Hình 3.6 khớp các đăng 95

Hình 3.7 Kiểm tra ắc quy 96

Hình 3.8 Kiểm tra bộ điều khiển 97

Hình 3.9 Kiểm tra hệ thống điện 97

Hình 3.10 Kiểm tra động cơ 98

LỜI NÓI ĐẦU

Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ô tô nói chung đã từ lâu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là

ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ được nâng cao, các loại nhiên liệu khí sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô tô, nhiên liệu khí hydro cho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành

Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trường Các yếu

tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng của hệ thống vận chuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thay thế khác để đạt cùng mức độ giảm khí thải độc hại

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ô tô lai là một việc vô cùng cấp thiết, để giảm mức độ ô nhiễm môi trường ngày càng lớn trên thế giới hiện nay

Đề tài ‘‘Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống lái, hệ thống điều khiển động cơ brushless DC và nạp điện acquy từ máy phát cho ô tô hybrid nối tiếp ’’ là một đề

tài nhằm mục đích đặt nền tảng cho việc thiết kế và sản xuất một kiểu ô tô mang nhãn hiệu Việt Nam phù hợp với điều kiện giao thông trong nước, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng năng lượng cao và mức độ phát ô nhiễm thấp, góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Đề tài này có ý nghĩa trong công cuộc đổi mới và sáng tạo để thiết kế hoàn chỉnh

và chế tạo một ô tô sinh thái tại Việt Nam với mục tiêu hướng tới là:

- Nâng cao điều kiện sống của người dân

- Tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường trong giao thông vận tải

- Tạo ra mặt hàng công nghiệp đặc thù mang lợi thế cạnh tranh lớn

Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về đề tài với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong nhà trường và các bạn trong lớp,

em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với thời gian đúng quy định Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Th.S Vũ Thăng Long và các thầy trong bộ môn

Cơ – điện tử đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án để

em hoàn thành được đồ án này Em xin cảm ơn tập thể các bạn lớp 51CKCD đã đóng góp những ý kiến quý báu cho đồ án được hoàn thiện hơn

Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn, thiếu kinh nghiệm thực tế, đồ án thiết kế này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến phê bình của các thầy cô giáo để em hoàn thiện thêm kiến thức của mình Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG LÁI Ô TÔ

VÀ ĐỘNG CƠ BRUSHLESS DC

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Ôtô hybrid (ôtô lai)

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 Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Toyota, Honda, đã tung ra thị trường những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lượng chất thải gây ô nhiểm môi trường được gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car) Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô

tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car)

Tuỳ theo sự phối hợp giữa động cơ nhiệt và động cơ điện mà có ba dạng hệ thống kết nối sau đây được sử dụng

Kiểu lai nối tiếp: Động cơ điện truyền lực đến bánh xe, công việc duy nhất của

động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ăc quy hoặc cung cấp cho động cơ điện Kiểu lai này được mô tả như ở hình 1- 1

Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để sạc bình ắc quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện

Động cơ điện ở đây có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi

xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh

Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên

giảm được ô nhiễm môi trường, động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối

ưu, phù hợp với các loại ôtô Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy Sơ đồ này có thể không cần hộp số

Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như:

Kích thước và dung tích ắc quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc quy nên dễ bị quá tải

Hình 1.1 Hệ thống lai nối tiếp

Kiểu lai song song: Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song

Cả động cơ nhiệt và mô tơ điện cùng truyền lực tới trục bánh xe với mức độ tuỳ theo các điều kiện hoạt động khác nhau Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền mômen chính còn môtơ điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc

Ở hệ thống lai này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc quy Kiểu lai này được mô tả như ở hình 1- 2

Bánh răng giảm tốc Máy phát điện Động cơ nhiệt

Dòng cơ năng Dòng điện năng

Bộ chuyển đổi điện

Ắc quy

Môtơ điện

Bánh xe chủ động

Hình 1 2 Hệ thống lai song song

Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức

độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc quy nhỏ

và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp

Nhược điểm: Động cơ điện ( máy điện) cũng như bộ phận điều khiển mô tơ điện có kết

cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao

Kiểu lai hỗn hợp :

Hình 1 3 Hệ thống lai hỗn hợp

Động cơ nhiệt

Bánh răng giảm tốc

Bộ phân chia

chủ động Môtơ điện

Bộ chuyển đổi điện

Ắc quy Dòng cơ năng

Dòng điện năng

Bánh răng giảm tốc

Động cơ nhiệt

Cơ cấu truyền động

Bộ chuyển đổi điện

Môtơ điện

Ắc quy Dòng cơ năng

Dòng điện năng

Bánh xe chủ động

Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các lợi ích được sinh ra Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động Tuy nhiên xe có thể chạy êm dịu chỉ với một mình động cơ điện Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid Kiểu lai này được mô tả như ở hình 1 - 3

1.2 Hệ thống lái trên xe ô tô

Hệ thống lái trên ô tô ngày nay rất đa dạng và phong phú về nguyên lí cũng như kết cấu, tuy nhiên về cơ bản chúng có 4 bộ phận chính sau đây : vành lái, cơ cấu lái, trục lái, dẫn động lái

Hình 1-4 Sơ đồ kết cấu hệ thống lái

1.2.1 Vành tay lái

Vành tay lái (Volant) là bộ phận đặt trên buồng lái có nhiệm vụ tiếp nhận mô men quay của người lái và truyền cho trục lái Vành tay lái có cấu tạo tương đối giống nhau trên các loại xe ô tô, nó bao gồm một vành hình tròn lõi bằng thép bên ngoài được bọc bằng vật liệu nhựa hoạc da, được lắp ghép với trục lái bằng then hoa, ren và đai ốc Bên trong vành lái thông thường có bố trí ba nan hoa Ngoài chức năng chính như trên vành tay lái còn là nơi bố trí một số bộ phận bắt buộc phải có khác của ô tô như công tắc còi, công tắc signal, túi khí bảo vệ người lái khi xẩy ra sự cố như tai nạn…v…v…

Mặc dù trên hầu hết các hệ thống lái ngày nay đều được trang bị bộ trợ lực lái nhưng vành lái cũng cần phải đủ vững chắc để có thể truyền được mô men yêu cầu lớn nhất kể cả khi bộ trợ lực bị hư hỏng Ngoài ra vành lái cũng cân phải đảm bảo tính thẩm mỹ

Hình 1-6 Vành tay lái 1.2.2 Trục lái

Trục lái bao gồm trục lái chính làm nhiệm vụ truyền mô men quay từ vành lái đến hộp số lái và ống đỡ trục lái để cố định trục lái vào thân xe Đầu trên của trục lái chính được làm thon

và sẻ răng cưa và vành lái được siết chặt vào trục lái bằng đai ốc Đầu dưới của trục lái chính nối với cơ cấu lái bằng khớp nối mềm hoặc khớp các đăng để giảm thiểu việc truyền chấn động

từ mặt đường lên vành tay lái Ngoài chức năng truyền mô men quay từ vành lái xuống hộp số lái trục lái còn là nơi lắp đặt nhiều bộ phận khác của ô tô như: Cần điều khiển hệ thống đèn, cần điều khiển hệ thống gạt nước, cơ cấu nghiêng tay lái, cơ cấu hấp thụ va đập, cơ cấu khoá tay lái,

cơ cấu trượt tay lái… Các cơ cấu này giúp cho người điều khiển thoải mái khi di chuyển ra vào ghế lái và có thể điều chỉnh vị trí tay lái cho phù hợp với khổ người

Trục lái cần phải đảm bảo đủ cứng để truyền mô men điều khiển nhưng lại phải đảm bảo giảm rung động trong hệ thống lái, không gây rung, ồn trong buồng điều khiển cơ cấu điều khiển hệ thống lái cần có kết cấu gọn, bố trí hợp lí, đồng thời có khả năng đàn hồi tốt theo phương dọc xe để hạn chế tổn thương có thể xẩy ra khi gặp tai nạn Hiện nay kết cấu trục lái rất đa dạng, đa số các xe sử dụng loại trục gẫy được cấu tạo từ các trục có các khớp các đăng nối trục

Hình 1-7 Trục lái

1.2.3 Cơ cấu trượt, nghiêng tay lái điều khiển điện

Cơ cấu điều khiển điện cho phép trượt và nghiêng tay lái Cơ cấu này cho phép người lái lựa chọn vị trí vành lái để thích hợp với vị trí ngồi của người lái xe Điều này rất quan trọng vì trong quá trình lái xe thời gian dài người lái sẽ rất mệt mỏi, một

cơ cấu lái tạo cho người lái sự thoải mái sẽ làm giảm bớt sự mệt mỏi và làm giảm nguy cơ xảy ra tai nạn trên đường

Hình 1-8 Cơ cấu nghiêng, trượt tay lái 1.2.4 Cơ cấu lái

Cơ cấu lái có chức năng biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động thẳng dẫn đến các đòn kéo dẫn hướng

Cơ cấu lái sử dụng trên các xe ô tô hiện nay rất đa dạng tuy nhiên để đảm bảo thực hiện tốt được chức năng trên thì chúng phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

+Tỉ số truyền của cơ cấu lái phải đảm bảo phù hợp với từng loại ô tô

+Có kết cấu đơn giản, tuổi thị cao và giá thành thấp, dễ dàng tháo lắp và điều chỉnh +Hiệu suất truyền động thuận và nghịch sai lệch không lớn

+Độ rơ của cơ cấu lái phải nhỏ

1.2.5 Cơ cấu dẫn động lái

Cơ cấu dẫn động lái có chức năng truyền chuyển động điều khiển từ hộp cơ cấu lái đến hai ngõng quay của hai bánh xe Bảo đảm mối quan hệ cần thiết về góc quay của các bánh xe dẫn hướng có động học đúng khi thực hiện quay vòng Mối quan hệ cần thiết về góc quay của các bánh xe dẫn hướng được đảm bảo bằng kết cấu của hình thang lái

Hình 1-9 Bố trí đòn dẫn động lái

1.3 Động cơ brushless DC

1.3.1 Khái niệm, đặc điểm

- Động cơ Brushless DC (BLDC) đang được sử dụng ngày càng nhiều.Vì những

ưu điểm nổi bật của động cơ BLDC, tỉ số: trọng lượng/kích thước tốt, có hiệu quả gia tốc cao, đòi hỏi ít hoặc không có bảo trì và tạo ra ít tiếng ồn hơn các động cơ brushed

DC phổ biến

- Động cơ BLDC là “động cơ một chiều không chổi than” nhưng nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều

- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức

là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu

- Dựa vào dạng sóng của sức phản điện động trên stator ta có thể chia thành 2

+ Động cơ (sóng) hình sin

+ Động cơ (sóng) hình thang

- Động cơ BLDC loại động cơ sóng hình thang, những động cơ khác là động cơ sóng hình sin (PM – Permanent magnet Motor) Chính sức phản điện động có dạng hình thang này là yếu để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), v.v

Hình 1.10 Sức phản điện động dạng hình thang 1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ Brushless DC Mortor

Cấu tạo :

Động cơ BLDC hiện nay có hai loại:

- Động cơ BLDC không có sensor (Hall sensor) gọi là sensorless BLDC

- Động cơ BLDC có sensor (Hall sensor) gọi là “sensor BLDC”

a Cấu tạo động cơ sensorless BLDC:

Hình 1.11 Mặt cắt bằng của một BLDC

- Stator: bao gồm các lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau)

và dây quấn.Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều

3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang

Hình 1.12 Stator động cơ BLDC

- Rotor: Gồm các cặp nam châm gắn cách đều nhau

Hình 1.13 Rotor động cơ BLDC

b Cấu tạo động cơ sensor BLDC:

- Cấu tạo của sensor BLDC cũng giống như sensorless đã trình bày ở trên nhưng phần stator có thêm 3 sensor (Hall sensor)

- Nguyên lý của Hall sensor :

+ Hall sensor dùng để xác định vị trí các cuộn dây trong động cơ

+ Và được tính theo công thức VH = B.I

Hall sensor có 2 loại là analog và digital thì trong BLDC thường dùng digital sensor

Hình 1.15 Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường

Hình 1.16 Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường

Nguyên lý đảo pha các cuộn dây của BLDC

Hình 1.17 Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ

c Điều khiển động cơ BLDC

- Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC là đảo pha ở 3 đầu dây động cơ theo 6 trạng thái đảo pha đã nêu ở trên thì sẽ điều khiển được động cơ Ta dùng PWM mode (Pulse Width Measurement mode) để điều khiển tốc độ của động cơ BLDC

- Sự khác nhau giữa điều khiển có Hall sensor và không có Hall sensor là phương pháp xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây trên stator.

của từ trường trên rotor so với các pha của cuộn dây trên stator

Hình 1.19 Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG

NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết phân tích các yếu tố chuyển động của ô tô hybrid, các yếu

tố gồm có: lực cản chuyển động, tải trọng, vận tốc, gia tốc, tính ổn định …từ đó xác định kích thước và kết cấu của hệ thống lái ô tô hybrid và vị trí đặt nguồn động lực cho phù hợp Tính toán các lý thuyết về ô-tô

Phương pháp kế thừa là nghiên cứu và chế tạo hệ thống lái ô tô hybrid dựa trên những hệ thống lái đã có sẵn trong thực tế

Phương pháp thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện ô tô hybrid Phần cơ khí phải hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linh hoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng, mạch điều khiển phải hoạt động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí Hệ thống lái phải hoạt động ổn định, nhẹ nhàng

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Thiết kế hệ thống lái cho xe

2.2.1.1.Yêu cầu khi thiết kế hệ thống lái

Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô hoặc giữ cho ôtô chuyển động đúng hướng nào đó Vì vậy khi thiết kế cần đảm bảo những yêu cầu

sau :

- Đảm bảo tính năng vận hành cao của ôtô có nghĩa là khả năng quay vòng nhanh

và ngặt trong một thời gian rất ngắn trên một diện tích rất bé

- Lực tác động lên vành lái nhẹ, vành lái nằm ở vị trí tiện lợi đối với người lái

- Đảm bảo được động học quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt lết khi quay vòng

- Hệ thống trợ lực phải chính xác, tính chất tuỳ động đảm bảo phối hợp chặt chẽ giữa sự tác động của hệ thống lái và sự quay vòng của bánh xe dẫn hướng

- Đảm bảo quan hệ tuyến tính giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng

- Cơ cấu lái phải được đặt ở phần được treo để kết cấu hệ thống treo trước không ảnh hưởng đến động học cơ cấu lái

- Hệ thống lái phải bố trí sao cho thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

2.2.1.2 Phân tích chọn hệ thống lái

Phương án 1: Loại bánh răng - thanh răng:

Kết cấu cơ cấu lái loại này như trên hình Bánh răng có thể có răng thẳng hay nghiêng Thanh răng trượt trong các ống dẫn hướng Để đảm bảo ăn khớp không khe

hở, thanh răng được ép đến bánh răng bằng lò xo (hình 2.1)

Tỷ số truyền cơ cấu lái : iccl =

Dvl : Đường kính của vành lái

Dvl : Đường kính vòng chia của bánh răng

Hình 2-1 Cơ cấu lái bánh răng- thanh răng

- Không sử dụng được với hệ thống treo trước loại phụ thuộc;

- Nhạy cảm với va đập do ma sát nhỏ (hiệu suất nghịch lớn)

Phương án 2: Cơ cấu lái trục vít - con lăn:

Trên hình trình bày cơ cấu lái loại trục vít con lăn Cơ cấu lái gồm trục vít bô-it 1 ăn khớp với con lăn 2 (có ba ren) đặt trên các ổ bi kim của trục 3 của đòn quay đứng Số lượng ren của loại cơ cấu lái trục vít con lăn có thể là một, hai hoặc ba tuỳ theo lực truyền qua cơ cấu lái

glô-Tỷ số truyền cơ cấu lái trục vít con lăn xác định tại vị trí trung gian xác định theo công thức:

1

2

.

2

z t

z1- số đường ren của truc vít

Tỷ số truyền của cơ cấu lái ic sẽ tăng lên từ vị trí giữa đến vị trí rìa khoảng 57% nhưng sự tăng này không đáng kể coi như tỷ số truyền của loại trục vít con lăn là không thay đổi Hiệu suất thuận th= 0,65; hiệu suất nghịch ng= 0,5

Cơ cấu lái này thường được sử dụng trên xe có tải trọng trung bình

Ưu điểm:

- Nhờ trục vít có dạng glô-bô-it cho nên tuy chiều dài trục vít không lớn nhưng

sự tiếp xúc các răng ăn khớp được lâu hơn và trên diện rộng hơn, nghĩa là giảm được

áp suất riêng và tăng độ chống mài mòn

Hình 2-2 Cơ cấu lái trục vít con lăn

Tải trọng tác dụng lên chi tiết tiếp xúc được phân tán tùy theo cỡ ôtô mà làm con lăn có hai đến bốn vòng ren

- Mất mát do ma sát ít hơn nhờ thay được ma sát trượt bằng ma sát lăn

- Có khả năng điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa các bánh răng

Phương án 3: Cơ cấu lái trục vít chốt quay

Cơ cấu lái loại này gồm hai loại:

+ Cơ cấu lái trục vít và một chốt quay

+ Cơ cấu lái trục vít và hai chốt quay

Để tăng hiệu suất của cơ cấu lái và giảm độ mòn của trục vít và chốt quay thì chốt được đặt trong ổ bi

Nếu bước của trục vít không đổi thì tỷ số truyền được xác định theo công thức:



 2. . 2 cos

t r

Ưu điểm:

Cơ cấu lái loại trục vít chốt quay có thể thay đổi tỷ số truyền theo yêu cầu cho trước Tùy theo điều kiện cho trước khi chế tạo trục vít ta có thể có loại cơ cấu lái chốt quay với tỷ số truyền không đổi, tăng hoặc giảm khi quay vành lái ra khỏi vị trí trung gian Khi gắn chặt chốt hay ngỗng vào đòn quay giữa ngỗng và trục vít hay đòn quay

và trục vít phát sinh ma sát trượt

Hình 2-3 Cơ cấu lái trục vít chốt quay

Nhược điểm:

Tuy nhiên loại cơ cấu lái trục vít đòn quay với một chốt quay ngày càng ít được

sử dụng vì áp suất riêng giữa chốt và trục vít lớn, chốt mòn nhanh, bản thân chốt có

độ chịu mài mòn kém, đồng thời chế tạo phức tạp

Phương án 4: Cơ cấu lái trục vít - cung răng

Tỷ số truyền của cơ cấu lái trục vít cung răng được xác định theo công thức:

Hình 2-4 Cơ cấu lái trục vít - cung răng

Ưu điểm:

Cơ cấu lái trục vít cung răng có ưu điểm là giảm được trọng lượng và kích thước

so với loại trục vít bánh răng Do ăn khớp trên toàn bộ chiều dài của cung răng nên áp suất trên răng bé, giảm được ứng suất tiếp xúc và hao mòn

* Dẫn động lái có đòn ngang của hình thang lái loại liền: như dẫn động lái bốn

khâu (Hình thang lái Đantô), dẫn động lái ba khâu…

Dẫn động lái có đòn ngang của hình thang lái loại liền đơn giản dễ chế tạo đảm bảo được động học và động lực học quay vòng các bánh xe Nhưng cơ cấu này chỉ dùng trên xe có hệ thống treo phụ thuộc (lắp với dầm cầu dẫn hướng) Do đó chỉ được

áp dụng cho các xe tải và những xe có hệ thống treo phụ thuộc, còn trên xe du lịch ngày nay có hệ thống treo độc lập thì không đảm bảo động học

Hình 2-6 Dẫn động lái 3 khâu

* Dẫn động lái có đòn ngang của hình thang lái loại cắt: như dẫn động lái sáu khâu …

Dẫn động lái sáu khâu được lắp đặt hầu hết trên các xe du lịch có hệ thống treo độc lập lắp trên cầu dẫn hướng Ưu điểm của dẫn động lái sáu khâu là dễ lắp đặt cơ cấu lái, giảm được không gian làm việc, bố trí trợ lưc lái thuận tiện ngay trên dẫn động lái Hiện nay dẫn động lái sáu khâu được dùng rất thông dụng trên các loại xe du lịch như : Toyota, Nisan, Mercedes, Pregio…

Đặc điểm của dẫn động lái sáu khâu là có thêm thanh nối nên ngăn ngừa được ảnh hưởng sự dịch chuyển của bánh xe dẫn hướng này lên bánh xe dẫn hướng khác

Hình 2-7 Dẫn động lái 6 khâu

2.2.2.Tính toán thiết kế hệ thống lái cho xe

2.2.2.1 Xác định các thông số cơ bản của hệ thống lái

r F

M

M M

M

Trong đó:

Mr (Mđq) - Mômen trên trục ra (hay trên đòn quay đứng);

Mv (Mvl) - Mômen trên trục vào (hay trên trục vô lăng)

Để đơn giản ta coi iF= ic =13,5

Tỷ số truyền của dẫn động lái nói chung thay đổi, do sự thay đổi cánh tay đòn của các thanh đòn Ngoài ra do sự bất đối xứng của dẫn động, tỷ số truyền còn có thể khác nhau khi xe quay trái hoặc phải

c) Hiệu suất

- Hiệu suất thuận (th): tính theo chiều truyền lực từ trên trục lái xuống th 1

- Hiệu suất nghịch (ngh ): là hiệu suất tính theo chiều truyền lực từ bánh xe lên;

ngh = 1, vì gần bằng hiệu suất thuận

2.2.2.2 Xác định mômen cản quay vòng M cq

Mômen cản quay vòng có giá trị lớn nhất khi quay vòng ô tô tại chỗ Mô men cản quay vòng trong trường hợp này bao gồm: mômen sinh ra do lực cản lăn M1,

Mcq = M1 + M2 + M3 [2.4] Trong đó:

Gbx- Trọng lượng tác dụng lên một bánh xe dẫn hướng; Gbx = 0,5G1 [2.6]

G1 - Trọng lượng phân bố lên cầu trước, G1= 179 (KG)

f - Hệ số cản lăn Khi tính toán có thể lấy f = 0,015÷0,018; Chọn f = 0,015

a - Cánh tay đòn Do không có số liệu thực nghiệm có thể xác định a theo công thức gần đúng:

Trong đó:

rbx - bán kính làm việc của bánh xe, thừa nhận rbx=0,96r0

r0- bán kính tự do của bánh xe dẫn hướng,r0=0,2[m]=> rbx=0,96.0,2=0,192 [m]

2

1

B B

Thế vào (2.8) ta được:

2

75 , 0 1 ,

) 5 1 1 ( 192 175 180

) (

m mm

r l

Hình 2-8 Sơ đồ tính toán mômen cản quay vòng do tác dụng của lực cản lăn

Hình 2-9 Sơ đồ xác định mômen cản quay gây ra do lực ngang

41

x  , ở đây lk- chiều dài vết tiếp xúc

khá nhỏ so với các mômen thành phần khác) hoặc tính đến bằng một hệ số nào đó

Như vậy, nếu cho rằng trên cầu trước có hai bánh xe dẫn hướng và quy dẫn mômen cản quay của chúng về trục của đòn quay đứng thì ta được mômen cản quay tổng:

dd dd

M o n bx

dd dd

M

i

K r a

f G i

K M M M

) (

dđ - Hiệu suất của dẫn động lái, dđ = 1

idd - Tỷ truyền của dẫn động lái, idd = 1

Khi tính toán có thể lấy KM3 = 1,07÷1,15 Chọn KM3=1,1

1 1

1 , 1 ).

6 , 24 2 , 2 (

qm in

)2

Trong đó:

Rmin : Bán kính quay vòng nhỏ nhất ở tâm đối xứng dọc của ô tô: