Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BỘ THU HỒI NĂNG LƯỢNGTỪ HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ RESEARCH ON DESIGNING AND SIMULATION DYNAMIC OF BRAKING RECOVERY ENERGY ASSEMBLY IN AUTOMOTIVE Dương Tuấn Tùng1a, Đỗ Văn Dũng2b, Nguyễn Trường Thịnh3c, Huỳnh Hữu Phúc4d 1, 2, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Công ty VMEP Việt Nam a b tungdt@hcmute.edu.vn; dodzung@hcmute.edu.vn; c thinhnt@hcmute.edu.vn; d huuphuc0606@yahoo.com; TÓM TẮT Hiện nay, ô tô nguồn lượng động từ hệ thống phanh chưa thu hồi để tái sử dụng cách hiệu Năng lượng bị biến thành nhiệt ma sát má phanh trống/đĩa phanh Trên dòng xe hybrid, nguồn lượng tận dụng phần để biến thành điện nạp lại cho ắc quy phục vụ trình tăng tốc xe Đối với xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống (chỉ sử dụng động đốt trong) nguồn lượng chưa nghiên cứu tận dụng cách triệt để Bài báo phân tích, đề xuất phương án thu hồi tích trữ lượng tái tạo phanh sử dụng cho xe ô tô có hệ thống truyền lực kiểu truyền thống Dựa phương án đề xuất, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Solidworks MCS ADAMS/Car để thiết kế, mô động lực học hệ thống, tính toán lượng lượng tái tạo sinh trình xe phanh giảm tốc Kết mô sở cho nghiên cứu thực nghiệm, cải tiến phương pháp điều khiển để đạt hiệu thu hồi lượng cách tốt Từ khoá: hệ thống phanh tái tạo lượng, tích trữ động thu hồi, tự động phân tích động lực học hệ thống khí, hệ thống truyền lực ABSTRACT Currently, the kinetic energy from braking system has yet to be recovered for reuse effectively It is transformed into heat by friction between brake pads and drum/disc brakes On the Hybrid Electric Vehicle (HEV), this energy source has been used to convert into electricity to recharge for high voltage battery of the vehicle In the conventional vehicles (using only the internal combustion engine), this power source has not been studied and utilized fully This paper analyzed, proposed plan of recovery and store the kinetic energy in braking system of the conventional vehicle Based on the design proposal, the authors have used SolidWorks and MCS ADAMS/Car softwares to design 3D mechanical model, simulate dynamic of system and calculate the amount of renewable energy generated during braking or deceleration The simulation results will be the fundamental for experiment researches, improve the control algorithms to achieve high efficiency of recovery energy Keyword: Regenerative Braking System (RBS), Kinetic Energy Recovery Storage (KERS), Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems (ADAMS), powertrain system GIỚI THIỆU CHUNG Như biết vấn đề nhiên liệu ô nhiễm môi trường thách thức hãng sản xuất ô tô Năng lượng truyền thống (năng lượng hóa thạch) ngày cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày gia tăng vấn đề mang tính toàn cầu Một giải pháp để giảm thiểu vấn đề nêu hãng xe đưa chế 332 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tạo dòng xe hybrid Một xe sử dụng hai nguồn động lượng (một động đốt thiết bị tích trữ lượng để sử dụng cho động điện) gọi hệ thống hybrid [1] Một yếu tố giúp dòng xe tiết kiệm nhiên liệu tận dụng lượng tái tạo xe giảm tốc phanh thông qua hệ thống phanh tái sinh lượng (Regenerative Brake System: RBS) Để hiểu rõ điều ta lấy ví dụ sau: Một xe ô tô có khối lượng thân 300kg di chuyển với vận tốc 72km/h Ta sử dụng hệ thống phanh thông thường để giảm tốc xe xuống 32km/h giá trị lượng tiêu tốn tính theo công thức E k = ½ mV2 47,8 kJ Trong E k động xe; m khối lượng xe V tốc độ xe Do lượng thu hồi tích trữ để sử dụng lại cho việc tăng tốc xe thay làm tiêu tán thành nhiệt tiếng ồn cấu phanh Giả sử ta thu hồi lại cần 25% lượng (tức 25 % 47,8 kJ = 11,95 kJ) Năng lượng đủ để gia tốc xe lên tốc độ từ đến 32 km/h [2] Như vậy, lượng động phanh ô tô lớn Nó tỷ lệ thuận với khối lượng xe bình phương vận tốc thời điểm bắt đầu xảy trình phanh Tuy nhiên, việc thu hồi tích trữ nguồn lượng nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu Theo nghiên cứu gần lượng tái tạo, biến đổi tích trữ dạng như: ắc quy điện cao áp, siêu tụ, tích thủy lực/khí nén, bánh đà lò xo đàn hồi [1] Với hệ thống tích trữ lượng phanh dạng điện cao áp cần phải sử dụng ắc quy với dung lượng lớn, biến đổi điện áp cao phức tạp thường ứng dụng cho dòng xe điện xe lai điện với giá thành cao Với kiểu hệ thống tích trữ lượng phanh dạng thủy lực đa phần ứng dụng xe tải trọng lớn Trong phương án tích trữ lượng bánh đà phương thích hợp áp dụng cho dòng xe tải trọng nhỏ xe du lịch truyền thống [1] Dựa tảng nghiên cứu trước, tác giả đề phương án tích trữ lượng sử dụng kết hợp bánh đà máy phát điện áp dụng cho xe du lịch truyền thống với sơ đồ thử nghiệm nghiên cứu sau: Hình Mô hình thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo lượng Nguyên lý hoạt động hệ thống: Khi xe hoạt động đường chế độ tăng tốc lực kéo chủ động truyền tới bánh hành tinh quay không tải Khi xe phanh giảm tốc (xuống dốc dài), cấu phanh bánh hành tinh kích hoạt hãm bánh bao làm cho lực truyền tới hệ thống làm cho bánh đà quay Động xe lúc tích trữ vào bánh đà để dẫn động máy phát phát điện nạp lại cho ắc quy 333 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 2.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán lực công suất phanh cần thiết Để có sở tính toán thiết kế thông số thu hồi lượng phanh, trước tiên ta phân tích động lực học công suất phanh cần thiết xe phanh hặc giảm tốc Giả sử xe phanh với vận tốc V(t) có lực tác dụng lên xe sau hình vẽ [4] Hình2 Các lực tác dụng lên xe phanh F = (Ff + Fr + R f + R r + Fa + mg sin θ) = m a (1) Trong đó: m khối lượng xe [kg]; g gia tốc trọng trường[m/s2]; θ góc dốc [độ]; mg.sinθ trọng lực theo phương thẳng đứng; a gia tốc [m/s2] R f ,R r : lực cản lăn bánh xe trước, sau [N]; R f + R r = µmg cos θ Trong µ hệ số cản lăn có giá trị khoảng 0.02 đến 0.04 tuỳ theo tình trạng mặt đường [4] Fa = 0.5ρ A CD (V + Vwind )2 (2) Trong đó: F a lực cản gió [N];ρ mật độ không khí (kg/m3); C d hệ số cản gió; V vận tốc xe [m/s]; V wind vận tốc gió chống lại di chuyển xe [m/s] F f , F r : lực phanh tác dụng lên cầu trước, cầu sau [N]; Khi xe bắt đầu trình phanh giảm tốc lực làm cho xe chuyển động lực quán tính thời điểm trừ lực cản gió, lực cản lăn… Lúc mô men đặt vào bánh xe chủ động [5]: J d Tω (t) = R ω �R r + ρACD (V(t) + V)2 + �Rω2 + m� dt V(t)� (3) Pb (t) = (Ff + Fr )V(t) (4) Pf (t) = Ff V(t); Pr (t) = Fr V(t) (5) ω Công suất phanh thời điểm tính theo công thức [4]: Trong đó: P b (t) công suất phanh yêu cầu [W]; V(t) vận tốc xe tạo thời điểm t [m/s] Công suất phanh bánh xe trước, sau [4]: 334 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Đối với xe thiết kế có hệ thống phanh tái tạo lượng để đảm bảo an toàn xe phải sử dụng đến hệ thống phanh khí bánh xe chủ động Vì thế, F r tính theo công thức (7) [4]: Fr = Fr_tái sinh + Fr_cơ thí (6) Công suất phanh tái sinh cầu sau chủ động PR (t) = (ma − mg sin θ − Ff − Fr−mech − µmg cos θ − Fa )V(t) (7) Giả sử xe phanh với vận tốc đầu U vận tốc cuối V Do đó, biến đổi động tính theo công thức (8) [4]: ∆E = EU − EV = m(U − V ) (8) Trong đó: ΔE giảm động [J]; E U , E V động thời điểm U V Năng lượng động xe trình phanh lớn Tuy nhiên, việc thu hồi lượng nhiều hay tùy thuộc vào kỹ thuật điều khiển phương pháp biến đổi tích trữ lượng Trong nghiên cứu nghiên cứu, thiết kế mô thu hồi lượng lắp xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống Điều kiện thực mô xe tăng tốc đến tốc độ định (khoảng 65 km/h, tương ứng với tốc độ thực tế đường) sau thực trình phanh theo giai đoạn Trong khoảng thời gian đầu trình phanh có hệ thống phanh tái tạo lượng hoạt động sau hệ thống phanh khí hoạt động xe dừng hẳn 2.2 Thiết kế cụm chi tiết hệ thống phanh tái tạo lượng Dựa mô hình thử nghiệm đề xuất, nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm Solidwoks để xây dựng mô hình 3D chi tiết hệ thống hình Hình Mô hình thết kế Solidworks Theo mô hình thiết kế, phanh lượng tích trữ vào bánh đà dạng tính theo công thức: Ef = Jf *ω2 Trong đó: ω vận tốc góc bánh đà [rad/s]; J f mô men quán tính bánh đà [kgm2] Theo công thức ta thấy lượng tích trữ bánh đà tỉ lệ với mô men quán tính bình phương vận tốc góc Mô men quán tính bánh đà tính sau: R2 Jf = 2πβ � W(r)r dr R1 335 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong đó: β mật độ khối lượng vật liệu; W(r) độ dày bánh đà; R bán kính bánh đà Do khối lượng bánh đà tính theo công thức: R2 Mf = 2πβ � W(r)rdr R1 Dựa sở tính toán nhóm nghiên cứu thiết kế phận hệ thống phanh tái tạo lượng với thông số bảng 1: Bảng Các thông thu hồi lượng Thông số kích thước Số Tên chi tiết lượng Số Bước Đường kính M (mm) D (mm) Z Bánh bao trước 65 2.5 162,5 Bánh mặt trời trước 27 2.5 67,5 Bánh hành tinh trước 19 2.5 47,5 Bánh bao sau 73 2.5 182,5 Bánh mặt trời sau 39 2.5 97,5 Bánh hành tinh sau 17 2.5 42,5 Bánh dứa (bộ truyền lực chính) 13 52 Bánh vành chậu (bộ truyền lực chính) 43 172 Bánh chủ động lắp trục đăng 73 2.5 182,5 Bánh chủ động lắp BRHT 62 2.5 155 Bánh đà Đường kính 255mm; khối lượng 4043,63 gram 2.3 Mô động lực học hệ thống Sau thiết kế cụm chi tiết hệ thống, mô hình chạy mô thử va chạm phần mềm Solidworks sau chuyển sang ADAMS/View ADAMS/Car để mô động lực học xe Các thông số sử dụng cho việc mô hình hóa mô hệ thống dựa thông số xe TOYOTA Fortuner trình bày bảng Bảng Các thông số mô Các thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài sở L 2750 mm Chiều rộng sở B 1540 mm Khối lượng xe m 1950 kg Bán kính bánh xe Rω 0,33 m Hệ số cản không khí Cd 0.3 - Diện tích cản diện A 2,15 m2 Lực cản lăn Fr 133 N Mật độ không khí 30 C ρ 1,25 kg/m3 Mô men quán tính khối lượng bánh đà Jf 0,04 kgm2 336 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Điều kiện thực mô phanh: Động hoạt động chế độ ổn định Đầu vào bao gồm thông số động lực học xe thông số từ mặt đường tác dụng lên bánh xe (các thông số mặt đường thiết lập ADAMS/Car theo tiêu chuẩn ISO) Đầu bao gồm thông số vận tốc, gia tốc, lượng tích trữ vào bánh đà mô men phanh bánh xe Các chế độ điều khiển thiết lập ADAMS/Control Ban đầu cho xe hoạt động ổn định tốc độ 63 km/h, tín hiệu giảm tốc từ bàn đạp ga thu hồi lượng kích hoạt, động xe tích trữ vào bánh đà làm quay máy phát điện để nạp lại cho ắc quy Lực phanh hệ thống phanh tái tạo lượng tùy thuộc vào việc điều chỉnh dòng sạc (trong nghiên cứu mô chưa tính toán tới chuyển hóa lượng tổn hao từ việc chuyển hóa từ sang điện năng) Sau khoảng thời gian giây có thêm tác động hệ thống phanh khí tác dụng lên xe dừng hẳn để đảm bảo an toàn Hình4 Sơ đồ khối thông số mô hệ thống phanh tái tạo lượng Hình Mô hình mô ADAMS 337 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết mô phân tích kết quả: Hình Đồ thị biểu diễn thay đổi vận tốc gia tốc góc bánh xe theo thời gian Như ta thấy đồ thị hình 6, tốc độ góc bánh xe giảm nhẹ giây lực phanh từ thu hồi lượng sinh làm cho xe giảm tốc Từ giây thứ trở tác động hệ thống phanh khí nên tốc độ bánh xe giảm nhanh Hình Đồ thị biểu diễn thay đổi vận tốc, gia tốc góc lượng bánh đà theo thời gian Ngược lại với tốc độ bánh xe, bánh đà kết nối với trục đăng thông qua bánh hành tinh kép với tỉ số truyền tăng giây tốc độ bánh đà tăng lên nhanh Đến hệ thống phanh khí hoạt động bánh đà quay theo quán tính với tốc độ giảm dần theo thời gian Năng lượng tích trữ vào bánh đà tỷ lệ với bình phương tốc độ biểu diễn đường màu xanh hình Hình Đồ thị biểu diễn mô men phanh cầu trước cầu sau 338 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong giai đoạn đầu trình phanh, mô men phanh bánh xe tăng chậm hệ thống phanh khí chưa hoạt động Càng cuối trình phanh mô men phanh bánh xe tăng nhanh hệ thống phanh khí hoạt động Lúc lực phanh phải phân bố theo quy luật phân bố tải trọng Thông qua phân tích xử lý số liệu mô thu thập từ phần mềm ADAMS/Car Kết cụ thể mô tả bảng Bảng Bảng kết mô Tốc độ bánh xe Tốc độ xe Tốc độ bánh đà STT Độ/giây v/ph 3000 500 2950 Năng lượng tích trữ vào bánh đà (J) Mô men phanh bánh xe cầu trước (N.m) Mô men phanh bánh xe cầu sau (N.m) Độ/giây v/ph 17,29 62,24 37500 6250 5000 5,00 3,30 492 17,00 61,20 75000 12500 31500 10,00 5,50 2850 475 16,42 59,13 115000 19167 75000 14,50 8,50 2700 450 15,56 56,02 125000 20833 156215 35,00 20,25 2300 383 13,26 47,72 115000 19167 80000 44,50 26,50 1900 317 10,95 39,42 96000 16000 67000 53,50 32,50 1820 303 10,49 37,76 75000 12500 58000 60,00 35,00 1350 225 7,78 28,01 55000 9167 45000 67,50 39,50 900 150 5,19 18,67 37500 6250 25000 73,50 41,45 10 500 83 2,88 10,37 27000 4500 12500 77,50 45,50 11 150 25 0,86 3,11 5000 833 3560 80,00 48,00 12 0 0 0 82,00 50,00 m/s km/h Theo bảng số liệu kết mô lượng động thu lớn tốc độ quay bánh đà lớn Trong nghiên cứu mô tốc độ bánh đà đạt tới 20.000 vòng/phút Tuy nhiên thực tế để đạt tốc độ cần phải cải tiến kết cấu khí đặc biệt ổ bi (Ổ bi từ buồng chân không đề xuất sử dụng để giảm ma sát làm tăng thời gian quay tự bánh đà) KẾT LUẬN Bài báo phân tích sở lý thuyết thiết kế cụm chi tiết tổng thành hệ thống phanh tái tạo lượng Đã sử Solidworks thiết kế mô hình 3D chi tiết lắp ráp hệ thống Liên kết Solidworks MSC ADAMS/Car để mô động lực học hệ thống Kết mô sở cho nghiên cứu sâu thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo lượng Hướng phát triển phân tích tính toán tới tổn hao trình chuyển hóa từ thành điện nạp lại cho ắc quy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.J.Clegg (1996) A Review of Regenenrative Brake System Institute of Transport Studies, University of Leeds 339 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [2] A.Pourmovahed, International Journal of Vehicular Design, 1991, 12(4), 1136-1144 [3] Anirudh Pochiraju, Design principles of a flywheel regenerative braking system (F - RBS) for formula SAE type race car and system testing on a virtual test rig modelled on MSC ADAMS, Mechanical Engineering and the Graduate Faculty of the University Of Kansas [4] Piranavan Suntharalingam, Kinetic Energy Recovery and Power Management for Hybrid Electric Vehicles, PhD thesis Cranfield University, 2011 [5] Koos van Berkel, Optimal Regenerative Braking with a push-belt CVT: an Experimental Study, Eindhoven University of Technology, The Netherlands THÔNG TIN TÁC GIẢ Dương Tuấn Tùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tungdt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0914805623 Đỗ Văn Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM dodzung@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903644706 Nguyễn Trường Thịnh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM thinhnt@hcmute.edu.vn; Điện thoại: 0903675673 Huỳnh Hữu Phúc, Công ty VMEP Việt Nam; huuphuc0606@yahoo.com; Điện thoại: 0985330603 340 ... hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PHANH TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 2.1 Cơ sở lý thuyết để tính toán lực công suất phanh cần thiết Để có sở... gram 2.3 Mô động lực học hệ thống Sau thiết kế cụm chi tiết hệ thống, mô hình chạy mô thử va chạm phần mềm Solidworks sau chuyển sang ADAMS/View ADAMS/Car để mô động lực học xe Các thông số sử... sử Solidworks thiết kế mô hình 3D chi tiết lắp ráp hệ thống Liên kết Solidworks MSC ADAMS/Car để mô động lực học hệ thống Kết mô sở cho nghiên cứu sâu thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo lượng