(Đề tài NCKH) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE LAI SKC006781 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE LAI MÃ SỐ: T2019-23TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS Huỳnh Quốc Việt Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO XE LAI MÃ SỐ: T2019-23TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS Huỳnh Quốc Việt Thành viên tham gia: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt ThS Lê Khánh Tân Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH I DANH MỤC CÁC BẢNG .II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU III THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .V Chương ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Đối tượng nghiên cứu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu .1 Tình hình nghiên cứu nước Những vấn đề tồn Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1 Lý thuyết khung chịu tải .4 2.1.1 Vai trò khung chịu tải 2.1.2 Các kiểu thiết kế khung phổ biến: 2.2 Giải pháp nghiên cứu 2.3 Tính tốn thiết kế xe lai 2.3.1 Chọn thông số kỹ thuật xe 2.3.2 Thiết kế công suất định mức motor .7 2.3.3 Thiết kế công suất định mức động xăng máy phát 10 2.3.4 Thiết kế PPS 12 Chương TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUNG XE 14 3.1 Yêu cầu cấu hình xe 14 3.2 Thiết kế khung chịu tải 14 3.2.1 Chọn khung sườn chịu tải cho xe hybrid 14 3.2.2 Chọn vật liệu chế tạo khung 15 3.2.3 Hình dạng tổng thể xe 17 3.2.4 Phân bố tải trọng xe 19 3.3 Tính tốn độ bền khung chịu tải 21 3.3.1 Thiết lập thơng số tính tốn bền cho khung xe 21 3.3.2 Tính tốn lực đặt lên khung chịu tải 22 3.3.3 Kết tính tốn module Simulation 22 3.4 Thi công khung xe lai 29 3.4.1 Thi công khung chịu lực hệ thống treo trước treo sau 29 3.4.2 Thi công khung chịu lực hệ thống treo trước treo sau 29 3.4.3 Thi công hệ thống lái, phanh 29 3.4.4 Lắp động máy phát 30 3.4.5 Thi công khung vỏ 30 3.5 Kiểm tra động lực xe 31 3.5.1 Tính tốn kiểm tra động điện 31 3.5.2 Kiểm tra đáp ứng nguồn điện 33 Chương MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM 35 4.1 Thiết lập thông số xe mô 35 4.1.1 Simulated Test Specifications (Thông số kỹ thuật mô phỏng) 35 4.1.2 Procedure (Các thủ tục) 42 4.2 Kiểm tra khả đáp ứng xe theo chu trình ECE15 44 4.3 Kiểm tra khả tăng tốc xe 46 4.4 So sánh tốc độ xe thay đổi tải trọng 47 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 51 5.1 Kết luận 51 5.2 Đề nghị 51 5.3 Hướng phát triển đề tài 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Khung gầm Body-on-frame Hình 2 Kiểu khung liền thân Unibody Hình Khung gầm Body-on-frame Hình Đặc tính tốc độ mô-men motor điện Hình Cơng suất tải 600 kg hành khách ô tô tốc độ khơng đổi 10 Hình Động cơ/máy phát hoạt động 10 Hình Hình khung chịu tải hệ thống treo xe 15 Hình Khung chịu lực 16 Hình 3 Mơ hình xe nhìn từ mặt bên 18 Hình Mơ hình xe nhìn từ phía trước, sau xe 18 Hình Mơ hình xe nhìn từ 19 Hình Sơ đồ phân bố tải trọng lên hai cầu xe 20 Hình Khơng có vị trí có hệ sớ an tồn nhỏ 1.5 25 Hình Vị trí có ứng suất lớn khung chịu tải 28 Hình Vị trí có độ chuyển vị lớn khung chịu tải .28 Hình 10 Khơng có vị trí có hệ sớ an tồn nhỏ 1,5 .28 Hình 11 Chế tạo khung sườn chịu lực 29 Hình 12 Chế tạo khung chịu lực hệ thống treo trước, treo sau 29 Hình 13 Thi cơng hệ thớng lái, hệ thống phanh 30 Hình 14 Lắp động máy phát 30 Hình 15 Sơn lắp sàn cho xe 31 Hình 16 Đồ thị thể biên dạng lực kéo - tớc độ động điện 32 Hình 17 Thông số acquy 33 Hình Màn hình cài đặt thơng sớ kích thước xe sau điều chỉnh .35 Hình Màn hình thiết lập thơng sớ khí động học 36 Hình Màn hình thiết lập thông số Animator Data 37 Hình 4 Màn hình thiết lập thơng sớ cho hệ thống 37 Hình Màn hình cài đặt thơng sớ moment động 38 Hình Màn hình cài đặt moment xoắn ly hợp 38 Hình Màn hình cài đặt hộp sớ cho xe 39 Hình Màn hình cài đặt vi sai cầu sau 39 Hình Màn hình thiết lập thơng sớ hệ thớng đan hồi trước 40 Hình 10 Màn hình thiế lập thông số cho lốp xe 41 Hình 11 Màn hình cài đặt cho hệ thống đàn hồi trước 41 Hình 12 Màn hình giao diện Procedure 42 Hình 13 Màn hình nạp liệu cho chu trình ECE15 43 Hình 14 Màn hình nạp liệu cho yêu cầu tăng tớc 43 Hình 15 Bảng nạp liệu thời gian, quãng đường cho chu trình ECE15 44 Hình 16 Bảng nạp liệu thời gian, qng đường cho chu trình tăng tớc 44 Hình 17 Ảnh xuất video mơ chu trình ECE15 45 Hình 18 Đồ thị tốc độ yêu cầu tốc độ xe mơ theo chu trình ECE15 45 I Hình 19 Ảnh xuất video mơ chu trình tăng tớc 46 Hình 20 Đồ thị tốc độ yêu cầu tốc độ xe mơ 47 Hình 21 Màn hình thiết lập thơng sớ cho xe Xe Full Tai 48 Hình 22 Màn hình lựa chọn xe để so sánh 48 Hình 23 Đồ thị so sánh hai xe 49 Hình 24 Ảnh xuất từ video mô so sánh hai xe 49 Hình 25 Màn hình kết hợp mô video đồ thị 49 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các thông số xe môi trường …………………………………6 Bảng Thành phần hóa học thép CT3 (%) 16 Bảng Số lượng chiều dài thép 16 Bảng 3 Kích thước khối lượng chi tiết xe 19 Bảng Bảng thông số lưới số chi tiết chi tiết chia tự động Solidworks 21 Bảng Các lực đặt lên khung chịu tải 22 Bảng Cấu hình vật liệu chi tiết thép CT3 SolidWorks 22 Bảng Kết tính ứng suất khung chịu tải hệ thống treo trước 23 Bảng Kết tính chuyển vị khung chịu tải hệ thống treo trước 23 Bảng Kết tính biến dạng khung chịu tải hệ thống treo trước 24 Bảng 10 Kết tính độ an tồn khung chịu tải hệ thống treo trước 24 Bảng 11 Kết tính tốn ứng suất khung chịu tải hệ thống treo sau .25 Bảng 12 Kết tính tốn chuyển vị khung chịu tải hệ thống treo sau .26 Bảng 13 Kết tính toán biến dạng khung chịu tải hệ thống treo sau .26 Bảng 14 Kết tính tốn độ an toàn khung chịu tải hệ thống treo sau 27 Bảng 15 Bảng thông số động điện 31 II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Các đơn vị dùng nghiên cứu Bảng đơn vị hệ đo lường quốc tế SI Đại lượng Chiều dài Khới lượng Thời gian Cường độ dịng điện Nhiệt độ Các đơn vị dẫn xuất Đại lượng Lực Công suất Hiệu điện Danh mục viết tắt kí hiệu EREV: Extended Range Electric Vehicle SUV: Xe đa dụng SOC: Trạng thái nạp bình ắc qui PPS: Ắc qui cao áp a: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục trước (mm) Af: Diện tích mặt cắt ngang xe (m ) b: Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục sau (mm) CD: Hệ số cản không khí fr: Hệ sớ ma sát lăn g: Gia tốc trọng trường (m/s ) G: Trọng lượng xe (N) Ga: Trọng lượng ắc qui (N) Gdc: Trọng lượng động (N) Gk: Trọng lượng khung xe (N) Gl: Trọng lượng hệ thống lái (N) III Gnt: Trọng lượng ghế hành khách trước (N) Gns: Trọng lượng ghế hành khách sau (N) Gs: Trọng lượng trục bánh xe sau (N) Gtt: Trọng lượng trục bánh xe trước (N) k: Độ cứng lò xo (N/m) L: Chiều dài sở xe (mm) m: Khối lượng (kg) M: Trọng lượng xe toàn tải (kg) ta: Thời gian tăng tốc từ đến Vf (s) Vb: Vận tốc sở motor (km/h) Vf : Vận tốc ći q trình tăng tớc (km/h) Z1: Phản lực từ mặt đường tác dụng cầu trước (N) Z2: Phản lực từ mặt đường tác dụng cầu sau (N) δ: Hệ số ma sát motor ρa: Mật độ không khí 1,206 (kg/m ) IV THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai Mã số: T2019-23TĐ Chủ nhiệm: Huỳnh Q́c Việt Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phớ Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai dùng lượng kết hợp xăng điện Ứng dụng giải thuật điều khiển trình quản lý lượng để cải thiện tính hiệu suất làm việc xe Từ kết thực nghiệm xe chế tạo thực, chọn chiến thuật điều khiển cho xe lai Tính sáng tạo: Đề tài sử dụng công cụ tính tốn, thiết kế chương trình Solidworks, Carsim matlab để thiết kế khung, tính bền, mơ kiểm nghiệm đặc tính xe lý thuyết Thực chế tạo xe lai chỗ xăng - điện vận hành thử nghiệm so sánh với lý thuyết mô Kết nghiên cứu: Đã xây dựng mơ hình tính tốn thành phần cấu thành xe lai xăng điện theo yêu cầu Đã thiết kế, tính tốn bền cho khung xe lai bằng phần mềm Solidworks Chế tạo thành công xe lai chỗ ngồi kết hợp xăng - điện Thông tin chi tiết sản phẩm: Sản phẩm khoa học: 01 Bài báo đăng tạp chí q́c tế: Quoc-Viet Huynh, Ly Vinh Dat*, KhanhTan Le, An Intelligent Regenerative Braking Strategy for Power-split Hybrid Electric Vehicle, Transportation Engineering Technology – Part IV in International Journal of Mechanical Engineering and Applications in Vol 8, Issue Number 1-0, February 2020 Sản phẩm khoa học: + 01 Bản thuyết minh nội dung đề tài + 01 Xe lai chỗ xăng điện 6.Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: V Hình 10 Màn hình thiế lập thơng số cho lốp xe  Rear Suspension (Hệ thống đàn hồi sau)  Solid axle Chọn E-Class, SUV - Rear Bước 3: Chọn E-Class thiết lập thông số hình bên dưới:  Hình 11 Màn hình cài đặt cho hệ thống đàn hồi trước Springs, Dambers, and Compliance 41 Chọn E-Class, SUV - Rear 4.1.2 Procedure (Các thủ tục) ChọnNo dataset selected, hình làm việc xuất hiện: Hình 12 Màn hình giao diện Procedure Màn hình cho phép cài đặt điều kiện điều khiển (lái, phanh, ga, …), điều kiện đường liệu khác mà bạn sử dụng cho q trình mơ Nó cung cấp tất thông tin sử dụng để thiết lập đường chạy cho xe Bao gồm mục Driver Controls (Các trình điều khiển), Additional Data (Dữ liệu bổ sung), Start and Stop Conditions (Các điều kiện khởi động dừng lại), Plot Definitions (Các đồ thị cần thể hiện), Miscellaneous (Đa dạng) Trong phần này, quan tâm đến hai mục, cụ thể là: Driver Controls Plot Difinitions  Driver Controls Chọn Target speed vs time/station để thiết lập thông số cho chu trình thử ECE15 42 Hình 13 Màn hình nạp liệu cho chu trình ECE15 Chọn Target speed vs.station để thiết lập thông số cho yêu cầu kiểm tra q trình tăng tớc Hình 14 Màn hình nạp liệu cho u cầu tăng tớc  Plot Difinitions Chọn Longgitudinal Accel, Requested 43 Tương tự vậy, chọn Speed Control: Power Requested Speed Limit, Target, and Actual Speed Control: Longitudinal Accel.Requested: Yêu cầu tăng tốc theo chiều dọc - Speed Control: Power Requested: Yêu cầu công suất tế Speed Limit, Target, and Actual: Tốc độ giới hạn, Mong muốn Thực *Thiết lập thời gian chạy mơ cho chu trình ECE 15 chu trình tăng tốc: Thiết lập thời gian cho hai chu trình theo thơng sớ sau: Hình 15 Bảng nạp liệu thời gian, quãng đường cho chu trình ECE15 Hình 16 Bảng nạp liệu thời gian, qng đường cho chu trình tăng tớc 4.2 Kiểm tra khả đáp ứng xe theo chu trình ECE15 Sau nạp liệu thời gian, quãng đường cho chu trình ECE15, ta tiến hành bước sau: Bước 1: Chọn Run Math Model để gán tất thiết lập liệu chuẩn bị cho việc chạy mô Bước 2: Chọn Video để xem mơ video 44 Hình 17 Ảnh xuất video mơ chu trình ECE15 Sau xem mô video nhấn nút để trở Bước 3: Chọn Plot để xuất đồ thị Hình 18 Đồ thị tốc độ yêu cầu tốc độ xe mơ theo chu trình ECE15 Đường màu đỏ: biểu diễn vận tốc xe yêu cầu chu trình ECE15 (km/h) Đường màu xanh: biểu diễn vận tớc mơ hình xe đạt chu trình (km/h) Cả hai đường màu đỏ màu xanh gần trùng khớp nhau, điều chứng tỏ mơ hình xe đáp ứng vận tốc xe mong muốn theo chu trình chạy thử nghiệm thành phớ ECE15 cách xác Từ chứng tỏ hệ thớng động lực học mơ hình đáp ứng yêu cầu đặt 45 4.3 Kiểm tra khả tăng tốc xe Sau nạp liệu thời gian, qng đường cho chu trình tăng tớc, ta tiến hành bước sau: Bước 1: Chọn Run Math Model để gán tất thiết lập liệu chuẩn bị cho việc chạy mô Bước 2: Chọn Video để xem mơ video Hình 19 Ảnh xuất video mô chu trình tăng tớc Sau xem mơ video nhấn núi để trở Bước 3: Chọn Plot để xuất đồ thị 46 Hình 20 Đồ thị tớc độ yêu cầu tốc độ xe mô Đường màu đỏ vận tớc xe u cầu q trình tăng tốc (km/h) Đường màu xanh vận tốc mô hình xe đạt (km/h) Theo kết mơ 30s thử nghiệm, đường màu đỏ màu xanh trùng Điều chứng tỏ xe đáp ứng 90% yêu cầu vận tốc so với lí thuyết tính tốn khả tăng tớc 4.4 So sánh tốc độ xe thay đổi tải trọng Bước 1: Tạo xe khác có liệu xe Xe Hybrid 2019 thiết lập trước Bước 2: Thay đổi tải trọng phần thiết lập thơng sớ kích thước xe Sprung mass: 600kg 47 Hình 21 Màn hình thiết lập thơng sớ cho xe Xe Full Tai Bước 3: Chọn Overlay videos and plots with other run Bước 4: Chọn mũi tên mụcNo dataset selected *More Examples (Extra License Options) Xe Hybrid 2019 Hình 22 Màn hình lựa chọn xe để so sánh Bước 5: Chọn Video + Plot Kết mơ phỏng: 48 Hình 23 Đồ thị so sánh hai xe Hình 24 Ảnh xuất từ video mơ so sánh hai xe Hình 25 Màn hình kết hợp mơ video đồ thị 49 Đường màu đỏ vận tốc xe yêu cầu q trình tăng tớc xe Xe Full Tai (km/h) Đường màu xanh dương vận tớc mơ hình xe Xe Full Tai đạt (km/h) Đường màu xanh vận tốc xe yêu cầu trình tăng tớc xe Xe Tai (km/h) Đường màu xám dương vận tớc mơ hình xe Xe Tai đạt (km/h) Từ kết đồ thị ta thấy đường màu xanh dương bị lệch so với đường máu xám Điều chứng tỏ xe đạt tải trọng lớn có vận tốc thấp xe lúc người lái với kết tính tốn thử nghiệm thực tế 50 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Sau q trình tính tốn, thiết kế thi công kết đạt sản phẩm xe lai chỗ ngồi Đồng thời nhóm nghiên cứu kết hợp chuyên ngành khác để nâng cao hiệu ứng dụng thiết kế, cải tiến xe lai giai đoạn khoa học công nghệ phát triển Xu phát triển ô tô hướng đến cơng nghệ xanh, Vì vậy, nghiên cứu giúp nhóm nghiên cứu có trải nghiệm việc thiết kế, chế tạo xe lai dùng nghiên cứu giảng dạy Trên sở đó, phát triển ứng dụng xe lai cho khu du lịch, nghỉ dưỡng Đặc biệt, với xe lai vấn đề phối hợp động đớt mơ tơ điện chìa khóa việc điều khiển, chế tạo xe lai thành cơng giúp nhóm nghiên cứu có thiết bị việc thực nghiệm, kiểm tra điều khiển phát triển cho xe lai Chiếc xe lai chỗ phù hợp cho việc sử dụng nhiều nơi khu du lịch, công viên, khuôn viên trường, sân golf,… Với thiết kế gọn nhẹ đáp ứng yêu cầu lực động, xe dể dàng vượt qua địa với tải trọng khác Các kết đạt đề tài:  Đã xây dựng mô hình tính tốn thành phần cấu thành xe lai theo u cầu  Đã thiết kế, tính tốn bền cho khung xe lai bằng phần mềm Solidworks  Chế tạo thành công xe lai chỗ ngồi kết hợp xăng - điện 5.2 Đề nghị Sau kết q trình nghiên cứu, tính tốn thi cơng xe lai nhóm nghiên cứu có vài đề xuất sau: Thi công tiếp tục xe lai phần thân vỏ để có xe hồn thiện đẹp Lắp thêm hệ thớng đèn, hình hiển thị thông số như: tốc độ, dung lượng ắc quy, quãng đường di chuyển,… 5.3 Hướng phát triển đề tài Kết hợp với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng logic mờ điều khiển tối ưu hóa hệ thống quản lý lượng xe lai” ThS Huỳnh Quốc Việt để hoàn thiện phần cứng phần mềm điều khiển xe lai 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Amir Khajepour, Saber Fallah, Avesta Goodarzi, Electric And Hybrid Vehiclestechnologies, Modeling And Control: A Mechatronic Approach, 2014 John Wiley & Sons Ltd [2] Chen, J.-S and Q.-V Huynh, Model and control power-split hybrid electric vehicle with fuzzy logic Journal of Engineering Technology and Education, 2012 [3] Guo, J.G., J.P Wang, and B.G Cao, Regenerative braking strategy for electric vehicles Proceedings of the IEEE Intelligent vehicles symposium, 2005: p 864-868 [4] Liang Chu and W Sun, Integrative control strategy of regenerative and Hydraulic braking for hybrid electric car IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009 [5] Mutoh, N and H Yahagi, Control methods suitable for electric vehicles with independently driven front and rear wheel structures Vehicle Power and Propulsion, 2005: p 665-672 [6] Mehrdad Ehsani, Y Gao, and A Emadi, Morden electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles: Fundamentals, theory, and design, 2nd ed 2010: CRC Press [7] Quoc-Viet Huynh, Ly Vinh Dat, Khanh-Tan Le, An Intelligent Regenerative Braking Strategy for Power-split Hybrid Electric Vehicle, International Journal of Mechanical Engineering and Applications, 2020; 8(1): p 27-33 [8] Simona Onori, Lorenzo Serrao, Giorgio Rizzoni, Hybrid Electric Vehicles Energy Management Strategies, 2016, Springer London Heidelberg [9] Q.-V Huynh, ứng dụng logic mờ điều khiển lượng phanh tái sinh xe lai động cơ-điện, Tạp chí Khoa học Giáo dục, 2018 [10] Q.-V Huynh, Ngoc-Tham, Ngo Thi, ứng dụng logic mờ điều khiển lực kéo xe lai kiểu hỗn hợp, 2019 [11] Trần Văn Địch – Ngơ Trí Phúc, Sổ tay thép giới, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [12] Xu, G., et al., An intelligent regenerative braking strategy for electric vehicles Energy, 2011 4: p 1461-1477 [13] Zhang, J.M., B.Y Song, and S.M Cui, Fuzzy logic approach to regenerative braking system Proceedings of the International conference on intelligent human-machine systems and cybernetics, 2009: p 451-454 [14] https://meslab.org/threads/simulation-co-so-ly-thuyet-cua-mes- solidworks-group.22801/ 52 ... metro stations, etc… VII Chương ĐẶT VẤN ĐỀ Đối tượng nghiên cứu Đề tài ? ?nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai? ?? đề tài theo hướng công nghệ chế tạo xe thực tế theo yêu cầu; Hiện nay, ngành ô tô nước... tối ưu cho xe lai, bảo đảm thành phần động cơ, mơ tơ, máy phát ắc qui vận hành vùng tới ưu Do đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai nhằm mục đích nghiên cứu phát triển mẩu xe lai nhằm thỏa... có nhiều tài liệu nghiên cứu tính tốn thơng sớ để thiết kế, chế tạo ô tô, đặc biệt ô tô lai Vì vậy, đề tài việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm CAD để thiết kế, tính tốn bền cho khung xe lai Bên