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)
- Cả hai động cơ đốt trong và động cơ điện cùng truyền năng lượng để xe chạy: chế độ này được sử dụng khi xe tăng tốc hoặc leo dốc, khi xe tăng tốc đến tốc độ mà công suất của động cơ đốt trong vượt quá dải tối ưu thì động cơ điện làm việc để bổ xung năng lượng thêm cho xe chạy. Lúc này cả ba ly hợp C1, C2, C3 đều đóng. Công suất của động cơ đốt trong và động cơ điện lần lượt được truyền qua hộp số CVT và bộ truyền động đai, cả hai nguồn công suất này sẽ được qua trục kết hợp mô men và xuống bánh xe. Năng lượng ra của bánh xe sẽ là:
T3ω3= T1ω1 + T2ω2 (2.15)
- Ắc quy thu năng lượng từ phanh tái sinh: trong quá trình phanh năng lượng được thu hồi và lưu lại ắc quy để tái sử dụng thông qua động cơ điện. Ở chế độ này năng lượng từ bánh xe sẽ được truyền qua hộp giảm tốc, qua bộ truyền động đai làm quay động cơ điện, động cơ điện sẽ đóng vai trò như một máy phát nạp điện cho ắc quy. Năng lượng ra của bánh xe sẽ là :
T2ω2 = T3ω3 (2.16)
- Ắc quy thu năng lượng từ động cơ đốt trong: chế độ mà động cơ đốt trong nạp năng lượng cho ắc quy khi xe dừng lại ( không có năng lượng đi tới tải) hoặc khi ắc quy cần được nạp điện. Khi xe dừng, động cơ đốt trong nạp điện cho ắc quy và không có năng lượng đi tới bánh xe thì hai ly hợp C1, C2 đóng, C3 mở, lúc này năng lượng từ động cơ đốt trong qua hộp số CVT, tới bộ truyền động đai làm quay động cơ điện nạp điện cho ắc quy:
41
- Động cơ đốt trong truyền năng lượng tới tải và ắc quy đồng thời: Khi ắc quy cần được nạp điện, xe vẫn đang chạy, động cơ đốt trong sẽ phải đồng thời cung cấp năng lượng cho tải và nạp điện cho ắc quy, các ly hợp C1, C2, C3 đều được đóng :
T1ω1 = T2ω2 + T3ω3. (2.18)
2.4.1 Chọn hệ thống truyền lực theo xe tham khảo
Ta chọn hệ thống truyền lực gồm hộp số CVT và một hộp giảm tốc 2 cấp:
a. Hộp số CVT
Tự động thay đổi tỷ số truyền bằng sự thay đổi đường kính lớn hơn hay nhỏ hơn tại vị trí tiếp xúc với dây đai của puly phù hợp với tốc độ động cơ. Tham khảo của xe Click, tỷ số truyền của hộp số CVT: 2.53:1 - 0.84:1.
Hình 2.13 Hộp số CVT
Các thành phần chính của hộp số CVT:
Puly chủ động: được lắp với trục ra của động cơ đốt trong bao gồm má puly
cố định, ống lót, má puly động, bi văng ly tâm và đĩa vênh. Bi văng ly tâm nằm giữa đĩa vênh và má puly động. Hoạt động ra vào của bi văng thông qua lực ly tâm khi trục động cơ quay, khi bi văng hoạt động thì má puly động sẽ trượt dọc theo chiều
42
dọc trục khuỷu làm thay đổi khoảng cách giữa mặt puly chủ động và má puly động, kết quả là đường kính puly chủ động tại vị trí tiếp xúc với dây đai thay đổi.
Puly bị động: được gắn trên trục truyền của hộp giảm tốc cuối, bao gồm má
puly cố định, má puly động và lò xo. Má puly động khi nhận được lực kéo của dây đai và do độ dài của dây đai không đổi nó sẽ di động dọc theo trục truyền và làm thay đổi khoảng cách giữa má động và má cố định của puly, kết quả là đường kính của puly tại vị trí làm việc của dây đai sẽ thay đổi.
Ly hợp ly tâm: được lắp cùng với má động của puly động, bao gồm guốc văng, lò xo hồi vị và nồi ly hợp. Khi tốc độ quay của má puly động tăng kéo theo lực ly tâm tăng, do đó guốc văng ly hợp văng ra bám vào nồi ly hợp gắn với trục truyền. Trục truyền truyền mô men cho bánh sau nhờ bộ giảm tốc cuối cùng.
43
Hình 2.15 Ly hợp ly tâm nối
b. Hộp giảm tốc
Chọn theo xe tham khảo, tỷ số truyền của hộp giảm tốc 2 cấp như sau:
i0=
*
= 9.579
Khi đó, ta được tỷ số truyền lớn nhất và nhỏ nhất:
imax=2.53*i0= 2.53*9.579= 24.234
imin=0.84*i0= 0.84*9.579= 8.046 Do đó, ta có tỷ số truyền của xe trong dải tỷ số sau:
imin ≤ i ≤ imax 8.046 ≤ i ≤ 24.234
44
2.4.2 Kiểm nghiệm các tỷ số truyền
a. Tỉ số truyền lớn nhất (imax) ở ch độ khởi động và vận tốc thấp
Hình 2.16 Động cơ chạy ở tốc độ thấp
Tỉ số truyền ở chế độ khởi động và vận tốc thấp bắt buộc phải thắng được lực cản tổng cộng lớn nhất của đường và lực kéo này phải thỏa mãn điều kiện bám:
Pkmax Pcan max Pkmax P imax (2.19) imax Ðĩa vênh Má puly cố định Ly hợp điện từ Trục động cơ điện
Dây đai V Má Puly cố định
ly hợp ly tâm Má puly động
45
Trong đó:
+ Gb =m2k*G2 : trọng lượng bám
m2k : Hệ số phân bố lại tải trọng m2k = 1.1 1.3 Chọn: m2k = 1.1 Gb= 1.1*1250= 1375 (N) + Memax= 9.46 (Nm) + max= f + tg = 0.018 + tg170 =0.323 Do đó: imax 23.24 imax 27.70 Thỏa mãn điều kiện imax khi chọn theo xe tham khảo.
b. Tỷ số truyền ở ch độ vận tốc lớn nhất (imin)
Ðĩa vênh
Má puly cố định
Ly hợp điện từ Trục động cơ điện
Dây đai V Má Puly cố định
ly hợp ly tâm Má puly động
46
Hình 2.17 Động cơ chạy ở tốc độ cao imin = 0.377
= 0.377 = 8.061 (2.20)
Tỷ số truyền imin sai lệch không đáng kể so với imin đã chọn theo xe tham khảo. Do đó tỷ số imin đã chọn theo xe tham khảo thỏa mãn điều kiện.
2.4.3 Tỷ số truyền đai im của động cơ điện
Ta có tỷ số truyền của bộ giảm tốc là: i0= 9.596
Ta chọn tỷ số truyền giữa động cơ điện tới bộ kết hợp mô men sao cho hai nguồn động lực có dải có dải tốc độ như sau, do đó :
im= = = = 0.803
47
CHƢƠNG 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 3.1. Cấu hình và mục tiêu thiết kế của xe
Hình 3.1 Cấu hình hệ thống truyền lực xe hybrid song song dùng bộ k t nối mô men
Hệ thống điều khiển của hệ truyền lực bao gồm bộ điều khiển xe, bộ điều khiển động cơ để kiểm soát công suất động cơ, bộ điều khiển động cơ điện, một bộ điều khiển phanh cơ khí và ly hợp.
Bộ điều khiển chiếc xe là bộ điều khiển cấp độ cao nhất, nó nhận được lệnh hoạt động từ trình điều khiển thông qua gia tốc và bàn đạp phanh, và các cảm biến vận hành khác của chiếc xe bao gồm tốc độ xe, tốc độ động cơ, vị trí bướm ga, trạng thái sạc của pin... Bằng cách xử lý tất cả các tín hiệu nhận được, trên cơ sở thuật toán điều khiển gắn vào hệ thống truyền lực, bộ điều khiển chiếc xe tạo ra các lệnh điều khiển và gửi lệnh cho các bộ điều khiển thành phần tương ứng. Các bộ điều khiển thành phần kiểm soát các thành phần tương ứng để thực hiện lệnh từ bộ điều khiển xe. Trong thiết kế hệ thống truyền lực, các yếu tố quan trọng là công suất của
48
động cơ đốt trong, động cơ điện, hộp số, pin và dung lượng của nó, quan trọng hơn