Piaggio MP3 Hybrid(hình 1.11) là xe máy sử dụng động cơ hybrid công nghệ “xanh” đang là xu hướng được các hãng ô tô lớn trên thế giới quan tâm và nghiên cứu áp dụng trên các sản phẩm ô tô, với các khoản dự án đầu tư lên đến hàng tỷ USD.
MP3 Hybrid sử dụng một động cơ 4 thì, dung tích 124cc phun xăng điện tử kết hợp với motor điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chạy song song, cho tổng công suất tối đa 15 mã lực (động cơ điện có công suất khoảng 3,5 mã lực). Mẫu xe này có 4 chế độ lái, bao gồm 2 chế độ sử dụng động cơ hybrid và 2 chế độ sử dụng động cơ điện toàn bộ và được áp dụng một số tính năng tiên tiến của ô tô, như bộ thu hồi năng lượng khi phanh và giảm tốc... Ngoài phiên bản này, MP3 Hybrid còn có thêm
FA - 801 (Hybrid 80CC - 500W)
Nút lựa chọn chế độ hoạt động
26
phiên bản 300 với công suất tối đa 25 mã lực, mức tiêu thụ nhiên liệu 2 lít/100km, lượng khí thải CO2 46g/km, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường Euro 2 .
Hình 1.11 Xe Piaggio MP3 Hybrid
Kết luận: Như vậy trên thế giới đã có một số hãng trên thế giới đã thiết kế và
chế tạo ra những chiếc xe máy Hybrid, với lượng xe máy khổng lồ ở Việt Nam và tương lai vẫn sẽ là phương tiện cá nhân chính, xu hướng sử dụng xe máy Hybbrid là tất yếu. Vì những lý do phân tích trên nên đề tài chọn nghiên cứu xe hybrid cho xe máy mà cụ thể là “Nghiên cứu, tính toán cấu hình xe máy hybrid” là một đề tài cấp thiết và có tính ứng dụng cao tại Việt Nam.
27
CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH CHỌN PHƢƠNG ÁN, CHỌN XE CƠ SỞ VÀ NGUỒN CÔNG SUẤT CHO XE MÁY HYBRID
2.1 Phân tích phƣơng án chọn hệ thống truyền lực
Hệ thống truyền lực xe máy cũng tương tự hệ thống truyền lực trên xe ô tô, là tổ hợp tất cả các cụm, cơ cấu, được liên kết với nhau từ động cơ tới bánh xe chủ động bao gồm các cơ cấu truyền, cắt, đổi chiều quay, biến đổi giá trị mô men truyền( hộp số CVT, hộp giảm tốc 2 cấp, trục kết nối mô men, các ly hợp từ, ly hợp ly tâm). Dưới đây là một số phương án bố trí hệ thống truyền lực được sử dụng trên xe máy hybrid.
2.1.1 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối mô men
Hình 2.1 Bộ k t nối mô men
Một thiết bị kết nối mô men như trên 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 động cơ đốt trong hoặc thông qua 1 hộp số cơ khí. Cổng 2 kết nối trực tiếp với trục của motor 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 là cổng vào thì năng lượng ra bánh xe là:
T3ω3= T1ω1 + T2ω2 (2.1)
Mô men kết nối có thể được biểu diễn:
T3= k1T1 + k2T2 (2.2)
28
Vận tốc góc ω1, ω2 và ω3 quan hệ với nhau:
ω3= ω1/k1= ω2/k2 (2.3)
Thiết bị kết nối mô men có nhiều dạng khác nhau. Một số thiết bị cơ bản như: truyền động bánh răng như hình 2.2, đai ( hình 2.3) hay sử dụng trực tiếp động cơ điện ( hình 2.4). Mỗi thiết bị cho thông số về k1và k2khác nhau.
Hình 2.2 Thi t bị k t nối bằng bánh răng
29
Hình 2.4 Thi t bị k t nối bằng động cơ điện
Do tính đa dạng của bộ kết nối mô men nên hệ thống truyền lực hybrid song song có nhiều kiểu cấu hình khác nhau. Dựa trên bộ kết nối mô men được dùng, cấu hình 1 trục hay 2 trục sẽ được sử dụng. Trong mồi cấu hình hộp số có thể được đặt tại các vị trí khác nhau dẫn đến đặc tính kéo khác nhau.
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 ở chế độ hybrid tốc độ trục ra phải tỷ lệ với cả tốc độ động cơ đốt trong và động cơ điện.
2.1.2 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối tốc độ
30
Năng lượng được cung cấp bởi 2 nguồn năng lượng có được kết nối cùng nhau bằng cách cộng tốc độ của chúng. Tương tự bộ kết nối mô men, bộ kết nối tốc độ có sơ đồ như hình 2.5: gồm 3 cổng, 2 bậc tự do. Cổng 1 kết nối với động cơ đốt trong với dòng năng lượng đơn hướng, cổng 2 và 3 có thể kết nối với motor điện hoặc truyền lực cuối, cả 2 đều với dòng năng lượng 2 chiều.
Bộ kết nối tốc độ cơ khí có thuộc tính:
ω3 = ω1k1 + ω2k2 (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 ω3, ω1, ω2 thì 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 với nhau bởi:
T3 = T1/k1 = T2/k2 (2.5)
Một thiết bị kết nối điển hình là hệ bánh răng hành tinh như hình 2.6
31
Hệ bánh răng hành tinh gồm ba cổng đơn vị: bánh răng mặt trời, bánh răng bao và cần dẫn được đánh số 1,2,3 như trên hình 2.6. Tốc độ của cần dẫn kết nối tới bánh xe chủ động, là sự kết hợp của tốc độ động cơ và mô tơ. Nhưng mô men của động cơ, của mô tơ điện và trên bánh xe chỉ động giữ quan hệ cố định
T3 = -(1+ig)T1 = -(1+ig)T2/ig (2.6)
Với ig = R2/R1 = Z2/Z1 ta có mối quan hệ mô men tốc độ tại bảng 2.1 như sau:
Đơn vị Tốc độ Mô men
Bánh răng mặt trời ω3 = ig ω2/(1+ig) T3 = -(1+ig)T2/ig Bánh răng bao ω3 = ω1/(1+ig) T3 = -( 1+ig)T1
Cầu dẫn ω1 = -igω2 T1 = T2/ig
Bảng 2.1: quan hệ tốc độ và mô men
Thiết bị khác được sử dụng như một bộ kết nối tốc độ là motor điện với stato không cố định ( được gọi là transmoto). Có thể coi motor gồm có stato cố định và khung như 1 motor truyền thống, và có 2 roto (trong và ngoài). Roto ngoài, roto trong và khoảng không khi là 3 cổng như hình 2.7.
32
Năng lượng điện được biến đổi thành năng lượng cơ trong khoảng không khí. Tốc độ của mô tơ trong điều kiện thông thường, là tốc độ quay tương đối của roto trong và roto ngoài, quan hệ tốc độ có thể được biểu diễn:
ωor = ωir + ωoi (2.7)
Quan hệ mô men:
Tor = Tir = Te (2.8)
Ưu điểm: đảm bảo tính linh hoạt về phương diện tốc độ của hai động cơ 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 răng hành tinh cồng kềnh, còn transmoto phức
tạp, yêu cầu chế tạo chính xác cao.
2.1.3 Hệ thống truyền lực hybrid dùng bộ kết nối hỗn hợp
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 tốc độ có thể được lựa chọn xen kẽ. Ví dụ như sơ đồ hình 2.8, ngoài sơ đồ hình 2.8 có rất nhiều sơ đồ sử dụng hỗn hợp kết nối tốc độ và mô men bằng cách dùng xen kẽ các cấu hình của hai kiểu bộ kết nối.
33
Hình 2.8 Sơ đồ k t nối hỗn hợp với hệ bánh răng hành tinh
Khi chế độ kết nối mô men được chọn , khóa 2 khóa bánh răng bao của hệ hành tinh với khung xe trong khi ly hợp 1 và 3 đóng, ly hợp 2 mở. Công suất của động cơ và mô tơ điện được cộng cùng nhau bằng cách cộng mô men của chúng thông qua bánh răng Za, Zb và ly hợp 3 tới trục bánh răng mặt trời. Trong trường hợp này, hệ bánh răng hành tinh chỉ có nhiệm vụ như 1 bộ giảm tốc. Tỷ số truyền từ bánh răng mặt trời tới cần dẫn:
ω1/ω3 =1 + ig (2.9)
Khi chế độ kết nối tốc độ được chọn là chế độ hoạt động hiện hành, ly hợp 1 và 3 đóng trong khi ly hợp 2 mở, khóa 1 và 2 giải phóng bánh răng mặt trời và bánh răng bao. Tốc độ của cần dẫn kết nối tới bánh xe chủ động, là sự kết hợp của tốc độ động cơ và mô tơ. Nhưng mô men của động cơ, của mô tơ điện và trên bánh xe chỉ động giữ quan hệ cố định với nhau:
T3 = -(1+ig)T1 = -(1+ig)T2/ig (2.10)
Với sơ đồ này thì khi xe ở tốc độ thấp, chế độ hoạt động mô men xoắn có thể thích hợp để tăng tốc cao hoặc leo dốc, khi xe ở tốc độ cao, chế độ kết hợp tốc độ sẽ
34
được sử dụng để giữ tốc độ động cơ trong khu vực tối ưu của nó. Tuy vậy kết cấu bộ truyền lực này phức tạp, kích thước lớn và đặc tính kéo cũng phức tạp hơn hai kiểu trên.
2.1.4 Chọn phƣơng án thiết kế
Qua các phân tích về đặc điểm và ưu nhược điểm của các phương án truyền động cũng như các phương án kết nối truyền lực trên xe hybrid, luận văn lựa chọn phương án: thiết kế hệ thống truyền lực của xe hybrid mắc theo sơ đồ song song và sử dụng bộ kết nối mô men kiểu đai như hình 2.3.
2.2 Công suất tính toán
Công suất động cơ cần thiết theo điều kiện chuyển động:
Nv = (2.11)
Trong đó: + NV : công suất của động cơ cần thiết để khắc phục sức cản chuyển động đạt vận tốc lớn nhất trên đường tốt
+ G : Trọng tải của xe
+ f : hệ số cản lăn của đường + vmax : tốc độ lớn nhất của xe + F : diện tích cản chính diện + K : hệ số dạng khí động học
+ ηt : hiệu suất của hệ thống truyền lực
Ta có: G= 2500N, f =0.018, K= 0.4 Ns2/m4, F= 0.4 m2, ηt= 0.84
Theo yêu cầu sử dụng vận hành của xe, động cơ điện sử dụng khi khởi hành xe, động cơ đốt trong sử dụng ở vận tốc trung bình, hai động cơ sử dụng khi cần tăng tốc tối đa hay vượt dốc.
Xác định công suất cần thiết của động cơ điện cần thiết để khắc phục sức cản và chạy đến tốc độ v= 30 km/h (8.333 m/s):
Nv =
=
35
Xác định công suất cần thiết của động cơ đốt trong chạy ở tốc độ vmax=60km/h (19.444m/s):
Nv =
=
=2440 (W)
Xác định công suất cần thiết của hai động cơ chạy ở tốc độ vmax=95km/h (26.389m/s):
Nv =
=
= 6914(W)
Để thỏa mãn điều kiện ở các chế độ vận hành của xe, ta chọn xe tham khảo phù hợp với công suất tính toán là xe Honda Click và động cơ điện một chiều không chổi than MY1020.
2.3 Các thông số cơ bản của xe tham khảo
Loại xe Honda Click
Chiều cao 1080mm Chiều rộng 680mm Chiều dài 1890mm Tự trọng 100 Kg Trọng tải 250 Kg Vmax 30.555 m/s f 0.018 α 170 Hệ số bám (ϕ) Bán kính bánh xe (rb) 245mm Dung tích xylanh 108cc
36
Tỷ số nén 9.5:1
Công suất cực đại 6.7 kW/7500rpm Mô men cực đại 9.2 Nm/5500rpm
Bảng 2.2: Thông số tham khảo xe Honda Click
Xây dựng đƣờng đặc tính ngoài của động cơ đốt trong:
Điểm có tọa độ ứng với vận tốc cực đại:
nN là số vòng quay ứng với Nemax : nN = 7500(v/ph) Số vòng quay của động cơ ứng với Vmax:
nV = 1,1.nN = 1,1.7500 = 8250(v/ph)
Điểm có số vòng quay chạy không tải của động cơ chọn n = 2000(v/ph) Nemax của động cơ được tính theo công suất thực nghiệm Leidecman, ta có:
Nemax =
( ) ( )
kW (2.12)
Đối với động cơ xăng a= b= c= 1. Do đó:
NVmax = [ ( ) ( ) ]
= [ 1.1 + - ]*6.7 = 6.56 kW Xây dựng đặc tính ngoài cho động cơ xác định theo:
+ nN = 7500(v/p) + a = 1; b = 1; c = 1 + Nemax=6.7 ( kW) + K = a + b - c
+ Ne = K*Nemax + Me =
37
Hình 2.9 Đồ thị đường đặc tính ngoài động cơ đốt trong
2.4. Các thông số cơ bản động cơ điện
Động cơ một chiều không chổi than
Bảng 2.3 Thông số động cơ điện MY1020
0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2000 4000 6000 8000 10000 N M ne (v/p) Ne (kW) Me (Nm)
Ký hiệu động cơ MY1020
Điện áp 36V DC
Công suất định mức 800 W Số vòng quay định mức 1500 v/ph Mô men định mức 2.8 N.m Dòng điện định mức 20 A Dòng điện không tải 2.2 A
38
Hình 2.10 Đồ thị đường đặc tính ngoài động điện
Qua hai đồ thị đường đặc tính ngoài của hai loại động cơ, ta có thể thấy tại chế độ khởi hành, rất phù hợp để sử dụng động cơ điện. Khi đến số vòng quay định mức là 1500 vòng/ phút động cơ điện có xu hướng ổn định. Khi xe cần đạt tốc độ cực đại hoặc khi người lái tăng tốc đột ngột thì sẽ có sự tham gia hỗ trợ của động cơ điện.
2.4 Sơ đồ hệ thống truyền lực
Xe cơ sở là Honda click, các vị trí trên xe đều được giữ nguyên. Ta sẽ bố trí động cơ điện, ắc quy,ly hợp điện từ, trục kết nối mô men, hộp giảm tốc như sơ đồ bố trí hình 2.11. Động cơ điện sẽ được đặt trong khoảng giữa bánh xe và động cơ đốt trong. Trên đầu trục ra của động cơ điện sẽ được bố trí ly hợp điện từ C2, ly hợp điện từ C2 sẽ được nối với trục sơ cấp(đã được kéo dài đầu trục) thông qua một dây đai, trục sơ cấp lúc này sẽ trở thành trục kết nối mô men giữa động cơ đốt trong và động cơ điện, trục ra của bánh xe ngoài hộp giảm tốc 2 cấp sẽ được nối dài thêm để có thể lắp ly hợp điện từ C3. Các phương án bố trí như trên đã tận dụng được tối đa kết cấu có sẵn của xe cơ sở. Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền lực như hình 2.12.
-0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 M N ne (v/p) ne (v/p) Me ( Nm) Ne (kW)
39
Hình 2.11 Sơ đồ bố trí trên xe Hybrid
Hình 2.12 là sơ đồ bố trí trên xe máy hybrid :
1 : Bánh xe 2 : hộp giảm tốc 3 : ly hợp điện từ 4: Hộp số CVT 5: Dây đai 6: Ly hợp điện từ 7: Động cơ điện 8: ắc quy 9:Động cơ đốt trong
Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống truyền lực của xe máy Hybrid
Các chế độ làm việc của xe máy Hybrid như sau:
- Động cơ đốt trong một mình truyền năng lượng để chạy xe: khi làm việc ở
chế độ này ly hợp ly tâm C1 và ly hợp điện từ C3 đóng, ly hợp điện từ C2 mở. Công suất của động cơ đốt trong sẽ truyền tới trục kết nối mô men thông qua hộp số CVT
1 2 3 4 5 6 7 8 9
40
đi xuống hộp giảm tốc và đến bánh xe. Năng lượng ra của bánh xe sẽ là ( nếu bỏ qua tổn thất qua hộp số CVT và trục kết nối mô men):
T3ω3= T1ω1 (2.13)
- Động cơ điện một mình truyền năng lượng để chạy xe: ở chế độ này ly hợp điện từ C2 và C3 sẽ đóng, ly hợp ly tâm C1 mở. Công suất của động cơ điện sẽ qua bộ truyền động đai, qua trục kết nối mô men tới hộp giảm tốc và xuống bánh xe. Nếu bỏ qua các tổn thất năng lượng ra của bánh xe sẽ là:
T3ω3 = T2ω2 (2.14)