Thiết kế truyền động kết hợp ô tô hybrid

Truyền động kết hợp ô tô hybrid LỜI NÓI ĐẦU Sau khi học xong môn “Thiết kế truyền động kết hợp ô tô Hybrid”, chúng em được giao nhiệm vụ thiết kế ô tô hybrid theo số liệu đã cho. Đây là một nhiệm vụ chúng em cần phải hoàn thành tốt để kết thúc học phần “Thiết kế truyền động kết hợp ô tô hybrid”. Với những kiến thức đã được học trên lớp và tìm hiểu thêm trong sách vở thì yêu cầu mỗi sinh viên chúng em đều phải hoàn thành được nhiệm vụ này. Để đạt được mục tiêu đó, yêu cầu mỗi sinh viên chúng em phải tích cực tìm tòi, học hỏi, đọc thêm nhiều sách, tài liệu có liên quan, tích lũy các kiến thức để ứng dụng vào bài tập. Hiểu rõ các thông số, số liệu, biết cách xử lý các số liệu, xây dựng các đường đặc tính động cơ và hiểu rõ hơn về ô tô hybrid. Để hoàn thành được nhiệm vụ đó, không chỉ nhờ vào sự tìm tòi, học hỏi của bản thân mỗi sinh viên chúng em mà còn phải cám ơn sự giúp đỡ tận tình của giảng viên, đã tận tình chỉ bảo, giải đáp những vấn đề mà chúng em chưa hiểu. Như vậy chúng em mới có thể hoàn thành được nhiệm vụ đã được giao. Sinh viên thực hiện Lê Tiến Việt 1 Truyền động kết hợp ô tô hybrid MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………1 1. Giới thiệu về ô tô hybrid Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường(xăng, diesel…) với động cơ điện lấy năng lượng điệc từ ắc quy cao áp. Điểm đặc biệt là ắc quy được nạp điện với cơ chế nạp thông minh như khi xe phanh, xuống dốc…gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà ô tô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết. Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ô tô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giả pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khóa 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. Ô tô sử dụng hydrogen, ô tô điện… cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ô tô hybrid nhiệt điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ô tô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu. Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid nhiệt điện hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm km tương đối bằng phẳng…Chứ không thể sử dụng ô tô hybrid nhiệt điện thay hẳn các loại ô tô khác vì tính công nghệ lại còn nhiều hạn chế, mà cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho động cơ điện, vì nếu bình ắc quy thông thường thì số lượng rất nhiều. 2 Truyền động kết hợp ô tô hybrid 2. Các thông số đã cho và chọn các hệ số kinh nghiệm 2.1. Các thông số đã cho - Trọng lượng thiết kế: G = 1,8 [tấn] = 18000 [N] - Tốc độ cực đại: V max = 165 [km/h] = 45,833 [m/s] - Tỉ lệ công suất động cơ điện: 16% - Số vòng quay của động cơ điện: n N(đcđ) = 8600 [v/ph] - Số vòng quay của động cơ đốt trong: n N(đcđt) = 3700 [v/ph] 2.2. Chọn các hệ số kinh nghiệm - Hệ số cản lăn không phụ thuộc tốc độ: 32 0,011429 2800 a = = [-] - Hệ số cản lăn phụ thuộc bậc 1 tốc độ: 1 0,000357 2800 b = = [1/(m/s)] - Hệ số cản không khí: chọn K = 0,2 [N.s 2 /m 4 ] - Hiệu suất truyền lực: chọn η = 0,9 - Hệ số tốc độ: Chọn loại động cơ diesel, λ v = 1. 3. Tính tổng lực cản tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động và công suất động cơ 3.1. Tính tổng lực cản tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động - Tính diện tích cản chính diện Theo [I], ta có: F = 0,8.B o .H (3.1) Trong đó: B o – chiều rộng lớn nhất của ô tô. H – chiều cao lớn nhất của ô tô. Chọn xe thiết kế có B o = 1,84 [m], H = 1,85 [m]. Thay vào công thức (3.1), ta có: 0,8.1,84.1,85 2,7232F = = [m 2 ] - Lực cản chuyển động cơ bản ( ) 2 . .V c max max F G a b KFV= + + (3.2) Trong đó: G – trọng lượng của ô tô, [N]. a – hệ số cản lăn không phụ thuộc tốc độ, [-]. 3 Truyền động kết hợp ô tô hybrid b – hệ số cản lăn phụ thuộc bậc 1 tốc độ, [1/(m/s)]. V max – vận tốc cực đại của ô tô, [m/s]. K – hệ số cản không khí, [N.s 2 /m 4 ]. F – diện tích cản chính diện của ô tô, [m 2 ]. Thay các thông số vào công thức (3.2), ta có: F c = 18000.(0,011429 + 0,000357.45,833) + 0,2.2,7232.45,833 2 = 1644,4794 [N] 3.2. Tính công suất động cơ Công suất cản ở tốc độ V max : . 1644,4794.45,833 75371,971 c c max P F V = = = [W] Công suất tương ứng ở đầu trục khuỷu: Vmax 75371,971 83746,634 0,9 c P P η = = = [W] Công suất cực đại của động cơ tương ứng với v λ : 2 3 max . . . . V v v v P P a b c λ λ λ   = + −   (3.3) Trong đó: a, b, c – các hệ số thực nghiệm. Động cơ tính toán là động cơ diesel nên a = 0,7;b = 1,3; c = 1. Thay các số liệu vào công thức (3.3) ta có: ( ) 2 3 83746,634. 0,7.1 1,3.1 1.1 83746,634P = + − = [W] Để đảm bảo công suất của động cơ, khi tính toán ta lấy tăng thêm từ ( ) 15 20 %÷ Vậy công suất yêu cầu của động cơ bố trí trên xe là: .(1,15 1, 2) 83746,634.(1,15 1,2) đc P P = ÷ = ÷ = (96308,629 ÷ 100495,961) [W] Chọn động cơ có công suất từ (96 ÷ 100) kW. 4. Phân chia công suất 4.1. Công suất động cơ điện (16%) Công suất động cơ điện: ( ) (96308,629 100495,961).0,16 15409,381 16079,354 đcđ P = ÷ = ÷ [W] 4 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Chọn động cơ điện có công suất từ (15 ÷ 16) [kW]. Ta chọn động cơ điện có đặc tính như sau: - Công suất cực đại: P max(đcđ) = 16 [kW] = 16000 [W] - Ở tốc độ định mức : n N(đcđ) = 8600 [v/ph] ( ) [ ] ( ) . 8600.3,1416 900,592 / 30 30 đcđ đcđ N N n rad s π ω ⇒ = = = - ( ) ( ) ( ) ( ) 3,8 đcđ đcđ đc N đ cđ N B đB n k n ω ω ω = = = - Tốc độ cơ bản n B : ( ) ( ) 8600 2263,158 3,8 3,8 đ đ đB đc N c n n = = ≈ [v/ph] [ ] B( ) ( ) . 236,998 / 30 B đcđ đcđ n rad s π ω ⇒ = = - Momen cực đại: ( ) ( ) ( ) 16000 67,511 236,998 đcđ đcđ đcđ max max B P M ω = = = [N/m] - ( ) ( ) 1 1 0,2632 3,8 đcđ đc B đ B N k ω ω λ ω = = = = 4.2. Công suất động cơ đốt trong Công suất động cơ đốt trong: ( ) ( ) ( ) [ ] 96308,629 16000 100495,961 16000 80308,629 84495,961 đcđt W P = − ÷ − = ÷ Chọn động cơ điện có công suất từ (80 ÷ 84) kW Ta chọn động cơ đốt trong có đặc tính như sau: - Công suất cực đại: P max(đcđt) = 81 [kW] = 81000 [W] - Ở tốc độ định mức: n N(đcđt) = 3700 [v/ph] 5 Truyền động kết hợp ô tô hybrid ( ) ( ) . 3700.3,1416 387,464 30 30 đcđt đcđt N N n π ω ⇒ = = = [rad/s] 5. Thiết kế phần truyền lực 5.1. Tính bộ giảm tốc (đặt ở dòng công suất động cơ điện vì tốc độ định mức động cơ điện lớn hơn) Để kết hợp được 2 nguồn động lực mà không gây tác động cản trở lẫn nhau đồng thời tránh mất mát công suất, ta cần phải đồng bộ tốc độ cho bộ kết hợp.Ta có thể sử dụng bộ giảm tốc hoặc bộ tăng tốc để đưa tốc độ 1 trong 2 nguồn về bằng với tốc độ nguồn kia. Tuy nhiên, trong thiết kế xe ô tô, trừ một số trường hợp đặc biệt thì ta ưu tiên sử dụng bộ giảm tốc nhằm giảm tỉ số truyền lực chính, từ đó tăng được khoảng sáng gầm xe, cải thiện được hiệu suất và nâng cao được tuổi thọ truyền lực chính, do đó ta đặt bộ giảm tốc trên đường truyền công suất của nguồn động cơ điện. Việc thiết kế bộ đồng bộ tốc độ có thể sử dụng phương án dùng cặp bánh răng giảm tốc, giảm tốc bằng đai, hay xích… nhưng để đạt được hiệu suất cao nhất, ta chọn bộ giảm tốc kiểu hành tinh với hiệu suất ≈ 1. Tùy thuộc vào tỉ số truyền tính toán được mà ta có thể cố định bánh răng bao hoặc trung tâm. Tỉ số truyền của bộ giảm tốc ( ) ( ) 8600 2,3243 3700 đcđ đcđt N gt N n i n = = = Thiết kế bánh răng hành tinh Chọn sơ bộ số răng bánh răng hành tinh: z h = 18 Suy ra: 2 36 b a h z z z − = = (5.1) Ta có i gt = 2,3243 > 2 nên sử dụng cơ cấu hành tinh giảm tốc mạnh theo cấu trúc: 1 2,32 2 b ac a z i z = + = > (5.2) Trong đó: z a – số răng bánh răng trung tâm. 6 Truyền động kết hợp ô tô hybrid z b – số răng vành răng bao. Từ (5.1), (5.2) ta có hệ phương trình sau: 36 1 2,3243 b a b a z z z z − =    + =   Giải hệ phương trình trên ta có: 111 147 a b z z =   =  Vậy dùng 3 bánh răng hành tinh vì cả z a , z b đều chia chẵn cho 3. 5.2. Tính toán thiết kế bộ kết hợp công suất Bộ truyền kết hợp công công suất dùng để kết hợp hai nguồn công suất động cơ đốt trong và động cơ điện để truyền đến bánh xe chủ động. Cũng như trong bộ truyền giảm tốc, bộ truyền kết hợp cũng dùng bộ truyền kiểu hành tinh để đạt được hiệu suất cao nhất. Hình . Sơ đồ bộ kết hợp công suất P 1 - Nối với nguồn công suất nhỏ.;P 2 - Nối với nguồn công suất lớn. P c - Công suất ra. Hệ số kết hợp công suất: ( ) ( ) max 12 2max 16000 0,1975 81000 đcđ đcđt P K P = = = Chọn sơ bộ số răng của bánh răng hành tinh là: z h = 36 7 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Ta có: 2. 72 b a h z z z − = = (5.3) Mặt khác: 0,1975 đcđ đb cđt a z P z P = = (5.4) Từ (5.3), (5.4), ta có hệ phương trình: 72 0,1975 b a a b z z z z − =    =   Giải hệ phương trình trên ta có: 17,72 18 89,72 90 a b z z = ≈   = ≈  Chọn z a = 18 (răng); z b = 90 (răng). Vậy dùng 3 bánh răng hành tinh vì cả z a , z b đều chia hết cho 3. Khi truyền 1 trong 2 nguồn công suất bộ kết hợp vi sai sẽ chuyển sang chế độ làm việc của một cơ cấu giảm tốc hành tinh. Tỉ số truyền của nó được xác lập tùytheo nguồn công suất nào được truyền. Khi truyền nguồn công suất nhỏ hơn thì đường truyền qua bánh răng trung tâm, cần C để truyền ra ngoài đến cần chuyển động, lúc này vành răng bao phải cố định: 1 90 1 1 6 18 b kh a Z i Z = + = + = Khi truyền nguồn công suất lơn thì ngắt nguồn công suất nhỏ, cố định bánh răng trung tâm. Nguồn công suất lớn sẽ truyền qua vành răng bao, qua cần C và truyền ra ngoài đến truyền lực chính: 2 18 1 1 1,2 90 a kh b Z i Z = + = + = Khi truyền cả hai nguồn công suất, lúc đó bộ kết hợp làm việc ở chế độ truyền thẳng: 1 kh i = 8 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Việc chuyển bộ vi sai thành bộ giảm tốc hành tinh là cần thiết nhằm cho phép giảm tốc độ, tăng momen khi cần chuyển động với tốc độ thấp hơn với nguồn công suất nhỏ hơn. 5.3. Tính tỉ số truyền của truyền lực chính Hình 5. Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực Tỉ số truyền lực chính được xác định theo công thức: Đối với động cơ điện: ( ) 01 . . . N bx gt đc kh max đ i R i i V ω = (5.5) Đối với động cơ đốt trong: ( ) 02 . . . N bx h kh đcđt max i R i i V ω = (5.6) Trong đó: ( ) ( ) , N đcđ N đcđt ω ω - tốc độ góc định mức của động cơ điện và động cơ nhiệt. i gt – tỉ số truyền của bộ giảm tốc. i kh – tỉ số truyền của bộ kết hợp. Khi tính toán ứng với công suất cực đại ta kết hợp 2 nguồn công suất, do đó i kh = 1. V max – tốc độ cực đại của xe. R bx - bán kính của bánh xe. i h – tỉ số truyền của hộp số, ở tốc độ V max chọn i h = 1. 9 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Thay số liệu vào công thức (5.5), (5.6) ta có: ( ) 01 900,592 . .0,274 2,3163 . . 2,3242.45,833 N bx gt kh max đcđ i R i i V ω = = = ( ) 02 387,464.0,274 . 2,3163 . . 1.1.45,833 đcđtN bx h kh max i R i i V ω = = = 6. Xây dựng đặc tính động cơ 6.1. Đặc tính động cơ điện Đối với động cơ điện thì đường đặc tính được xác định trên nguyên tắc: - Khi tốc độ góc của động cơ: ω≤ ω B , thì ta có: M = M emax = conts; N = M emax .ω [W] M emax = N emax /ω B - Khi tốc độ góc của động cơ: ω≥ ω B thì ta có: N = N emax = conts; M = N emax /ω [N.m] Trong đó: M emax - Momen lớn nhất của động cơ [N.m] N emax - Công suất lớn nhất của động cơ [W] ω B - Tốc độ góc cơ bản của động cơ [rad/s] Theo như tính toán ở phần trên thì với động cơ điện ta có các thông số ban đầu: N emax = 16000 [W]; n N = 8600 [vòng/phút], ta có ω N = 900,592 [rad/s] và tốc độ cơ bản n B = 2263,158 [vòng/phút] = 236,998 [rad/s]. Ta có được bảng kết quả như sau : Bảng 6.1. Gía trị momen và công suất của động cơ điện theo tốc độ góc ω [rad/s] λ = ω B /ω N ω [rad/s] M[N.m] P [kW] 0.05 45.030 67.511 3040 0.10 90.059 67.511 6080 0.15 135.089 67.511 9120 0.20 180.118 67.511 12160 0.263 237.036 67.511 16000 0.30 270.178 59.220 16000 10 [...]... 7875.44 Truyền động kết hợp ô tô hybrid 0.95 1.00 36.28 38.19 1998.64 1908.65 21.89 23.04 3313.13 3163.97 14.40 15.15 5037.48 4810.69 Từ các bảng trên ta có các đồ thị sau: Hình 8.2 Đồ thị lực kéo động cơ đốt trong khi ikh =1 25 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Hình 8.3 Đồ thị lực kéo động cơ đốt trong khi ikh =1,2 Hình 8.4 Đồ thị đặc tính của biến mô thủy lực 8.3 Xây dựng đặc tính lực kéo cho khi kết hợp. .. Truyền động kết hợp ô tô hybrid 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 309.97 329.34 348.72 368.09 387.46 278.82 258.25 238.83 220.39 202.78 22.21 20.90 19.74 18.70 17.77 28 36.67 38.96 41.25 43.54 45.83 2438.69 2264.43 2101.21 1947.30 1801.30 1173.67 1282.79 1397.63 1518.20 1644.48 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Từ bảng số liệu ta có đồ thị sau: Hình 8.5 Đồ thị đặc tính lực kéo kết hợp hai nguồn công suất 29 Truyền. .. 34344.00 39457.13 44550.00 49561.88 54432.00 59099.63 63504.00 67584.38 71280.00 74530.13 77274.00 79450.88 Truyền động kết hợp ô tô hybrid 1 387.464 209.052 14 81000.00 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Từ bảng kết quả trên ta có đồ thị sau: Hình 6.2 Đồ thì đặc tính động cơ đốt trong 7 Tính hộp số cho nguồn động cơ đốt trong Theo [I], ta có: 2 Fk max = G f cosα max + G.sin α max + KFVmin 2 ⇒ Fk max = G.ψ max... bảng kết quả trên ta xây dựng được đồ thị như sau: 20 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Hình 8.1 Đồ thị lực kéo của động cơ điện 8.2 Khi chỉ truyền nguồn công suất động cơ đốt trong Khi truyền nguồn công suất động cơ đốt trong, đường truyền momen lúc này là: + Động cơ đốt trong  ihs  ikh  i0  bánh xe chủ động Khi đó: Fk = M T ih ikh i 0 ηt Rbx ωbx = (8.3) ωT Rbx ih ikh i0 (8.4) Mà MT = MB.Kbm Khi động. .. truyền nguồn công suất động cơ điện Khi chỉ truyền nguồn công suất điện, đường truyền momen lúc này sẽ là: - Động cơ điện  igt  ikh  i0  bánh xe chủ động 19 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Khi đó: Fk = V= M moto igt i0 Rbx ω2 R bx ikh i0 ηt (8.1) (8.2) Với ikh = 1   ikh =  Z ikh = iac = b + 1 > 2  Za  Thay các giá trị vào công thức ta có bảng kết quả như sau: Bảng 8.1 Gía trị lực kéo của động. .. với động cơ xăng, ta chọn a = 0,7; b = 1,3 và c = 1 ωe và ωN lần lượt là tốc độ góc của động cơ và tốc độ định ứng với công suất cực đại Công suất động cơ được xác định bằng Ne = Me.ωe Đối với xe Hybrid, để dễ dàng trong việc điều khiển và cũng để mang lại hiệu suất kết hợp tối đa (đường đặc tính gần với lý tưởng nhất, 12 Truyền động kết hợp ô tô hybrid giống đặc tính momen động cơ điện), phía sau động. .. đặc tính lực kéo kết hợp hai nguồn công suất 29 Truyền động kết hợp ô tô hybrid TÀI LIỆU THAM KHẢO [I] NGUYỄN HỮU CẨN, DƯ QUỐC THỊNH, PHẠM MINH THÁI, NGUYỄN VĂN TÀI, LÊ THỊ VÀNG (1998), Lý thuyết tô và máy kéo, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [II] Lê Văn Tụy (2007), Hướng dẫn thiết kế ô tô, Giáo trình mạng nội bộ Khoa Cơ Khí Giao Thông – Trường Đại Học Bách Khoa, Đà Nẵng 30 ... hai nguồn công suất - Chỉ có một bộ giá trị duy nhất chính là tổng của cả hai nguồn theo cùng một dãy tốc độ đồng bộ 26 Truyền động kết hợp ô tô hybrid - Momen đầu ra ở trục tuabin MT [N.m]: MT = M B ω e max η T ωi (8.9) Với ηT là hiệu suất của tuabin Chọn ηT = 0,97 - Hiệu suất phụ của động cơ ηp : ηp = Pmax 83746, 634 = = 0,86 Pđcđ + Pđcđt 16000 + 81000 (8.10) - Lực kéo kết hợp cả hai nguồn công suất... ( 1,5 ) + 1 = 3, 28 Chọn n = 4 Vậy hộp số thiết kế có 4 cấp số truyền Theo [I], khi phân phối tỉ số truyền theo số cấp điều hòa thì ta có hằng số điều hòa được tính như sau: 16 Truyền động kết hợp ô tô hybrid 1 1  1   − ÷  ÷= a  in i1   n − 1  (7.8) Khi xe chạy ở tỉ số truyền in = 1, ta có: 1  1  1 a= − ÷ = 0, 2011 ÷   1 2,52   4 − 1  Từ công thức (7.8), ta có: ik = ⇒ i2 = i1 a ... 16000 Truyền động kết hợp ô tô hybrid Từ bảng số liệu trên ta có đồ thị sau: Hình 6.1 Đồ thị đặc tính của động cơ điện 6.2 Đặc tính động cơ đốt trong Moment động cơ đốt trong được xác định bằng công thức thực nghiệm S.R.Lây-Đéc-man :  ω N M e = e max  a + b  e ωN   ωN  2   ωe   ÷− c  ÷÷   ωN  ÷  (6.1) Trong đó: Me - Moment động cơ, [N.m] Nemax - Công suất cực đại của động cơ, [kW] . Truyền động kết hợp ô tô hybrid LỜI NÓI ĐẦU Sau khi học xong môn Thiết kế truyền động kết hợp ô tô Hybrid , chúng em được giao nhiệm vụ thiết kế ô tô hybrid theo số liệu. Việt 1 Truyền động kết hợp ô tô hybrid MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………1 1. Giới thiệu về ô tô hybrid Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động. toán thiết kế bộ kết hợp công suất Bộ truyền kết hợp công công suất dùng để kết hợp hai nguồn công suất động cơ đốt trong và động cơ điện để truyền đến bánh xe chủ động. Cũng như trong bộ truyền