0, 2.74 = 22 (mm) Vậy ta chọn sơ bộ đƣờng kính trục là 22 mm .
Kiểm nghiệm bền trục theo độ bền mỏi
Khi xác định đƣờng kính trục ở trên ta chƣa xét tới một số yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền mỏi của trục nhƣ đặc tính thay đổi chu kì ứng suất, sự tập trung ứng suất, yếu tố kích thƣớc, chất lƣợng bề mặt … Vì vậy ta cần tiến hành kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi có kể đến các yếu tố vừa nêu.
Kết cấu trục đƣợc thiết kế đảm bảo đƣợc độ an toàn tại cáo tiết diện nguy hiểm thoả mãn điều kiện sau:
SJ = 2 2 . j j j j S S S S ≥ [S]
57 Trong đó:
[S] : Hệ số an toàn cho phép. Thƣờng lấy [S] = 1,5 - 2,5
Sζj và Sηj: Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp và hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại tiết diện j .
Sζj = mj aj dj K . . 1 Sηj = mj aj dj K . . 1
Với: ζ-1, η-1: Là giới hạn mỏi và xoắn chu kì đối xứng. Có thể láy gần đúng ζ-1 = 0,436.ζb
η-1 = 0,58. ζ-1,
Vật liệu làm trục là 20CrNi3A có thấm cácbon, nên có ζb = 1000(MPa) ζ-1 = 0,436.1000 = 436 (MPa)
η-1 = 0,58. 436 = 252,88 (MPa)
ζaj, ηaj, ζmj, ηmj: Là biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tịa tiết diện thứ j.
ζaj = maxj ,ζmj = 0
Khi trục quay 2 chiều ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì đối xứng do đó: ηmj = 0 , ηaj = ηmaxj = Tj / W0j
Với Tj: Là mômen xoắn tại tiết diện j.
W0j: Là mômen chống xoắn tại tiết diện j.
ψζ , ψη: Hệ số kể đến ảnh hƣởng của các trị số ứng suất trung bình đến độ mỏi. Tra bảng 10.7 [5]; ψζ = 0,1
ψη = 0,05
Kζdj , Kηdj: Là hệ số đƣợc xác định theo công thức: Kζdj = ( Kζ/εζ + Kx -1 )/Ky
Kηdj = ( Kη/εη + Kx -1 )/Ky
Trong đó: Kx: Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt, phụ thuộc vào Phƣơng pháp gia công và độ nhẵn bề mặt.
58 Tra bảng 10.8 [5] ta có: Kx = 1,18
Ky: Hệ số tăng bền bề mặt trục, phụ thuộc vào phƣơng pháp tăng bền bề mặt, cơ tính vật liệu.
Tra bảng 10.9 [5] ta có: Ky = 1,8
Ta kiểm tra độ bền mỏi tại một số tiết diện của trục
Theo bản bản vẽ hộp số tự động, trục có khoan lỗ dầu, do đó công thức tính mômen chống uốn nhƣ sau:
W0 = ( π.ξ.d3/16)(1-d0/dj)
Nhƣng vì đƣờng kính lỗ khoan rất nhỏ so với đƣờng kính trục, nên ta có thể tính gần đúng theo công thức:
W0 = ( π.ξ.d3/16)
Với ξ = 1,265 Là mômen chống uốn. d: Đƣờng kính trục
d0: Đƣờng kính lỗ khoan.
Giá trị mômen chống uốn tại tiết diện nguy hiểm trên trục ra hộp số: Tiết diện lắp với bánh răng mặt trời S .
Bảng 2.3. Giá trị mômen chống uốn tại các tiết diện Tiết diện
Đƣờng Kính (mm) 22
W0 (mm3) 15524
Sau khi tính đƣợc các giá trị, lập thành bảng trị số hệ số an toàn:
Bảng 2.4: Bảng trị số an toàn
Tiết diện D (mm) Kζ/εζ Kη/εη ηa a Kηdj Kζdj Sη Sζ S 22 2,21 2,12 25,5 51 1,32 1,28 6,68 7,52 5
59
Chƣơng III: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH XE MÁY HYBRID 3.1. Phần mềm mô phỏng ADVISOR.
3.1.1. Giới thiệu ADVISOR.
Trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ xe hơi thì mô phỏng là một phƣơng pháp nghiên cứu có vai trò quan trọng, nó giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu. Trong nghiên cứu công nghệ hybrid trên ôtô thì mô phỏng giữ vai trò cốt yếu, nó giúp đƣa ra một cách nhanh chóng và có hệ thống của việc nghiên cứu các thành
phần khác nhau trong hệ dẫn động (nhƣ lựa chọn nhiên liệu, động cơ, ắc quy, truyền động, pin nhiên liệu…). Hiện nay, có nhiều công cụ mô phỏng dựa trên các nền tảng mô hình hóa khác nhau, tuy vậy chƣa có một cái nào trong số chúng đủ mạnh để mô phỏng tất cả các tùy chọn khi thiết kế. Qua nhiều năm nghiên cứu thì một công cụ mô phỏng nhanh, chính xác và linh hoạt vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Trên thế giới hiện nay, các phần mềm mô phỏng, phân tích, tính toán xe hơi đa số đƣợc sử dụng trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink và Modelica/Dymola. Trong khuôn khổ đề tài này xin đề cập tới gói công cụ mô phỏng ADVISOR chạy trên nền Matlab/Simulink.
ADVISOR là viết tắt của cụm từ ADvanced VehIcle SimulatOR, đƣợc phát triển bởi Phòng thí nghiệm thu hồi năng lƣợng quốc tế Hoa Kỳ vào năm 1990. Nó đƣợc phát triển lần đầu tiên để đáp ứng cho Bộ năng lƣợng Hoa Kỳ trong việc thúc đẩy nghiên cứu xe hybrid.
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng.
ADVISOR đƣợc sử dụng rộng rãi bởi các nhà sản xuất xe hơi, các trƣờng đại học và các viện nghiên cứu trên toàn thế giới. Việc mô phỏng chiếc xe và các thành phần hoạt động đã giúp các kĩ sƣ xác định làm cách nào để tăng tuổi thọ của các bộ
60
phận, cải thiện hoạt động của xe, tối ƣu hóa các thiết kế hệ thống xe, và giảm thời gian phát triển.
ADVISOR có thể đƣợc sử dụng để mô phỏng và phân tích thông thƣờng hoặc nâng cao, các xe hạng nhẹ và nặng, xe lai điện và xe điện... Ứng dụng này kiểm tra hiệu ứng của sự thay đổi trong các thành phần xe (nhƣ mô-tơ điện, ắc qui, bộ biến đổi xúc tác, nhiên liệu thay thế…) hoặc các thay đổi khác mà có thể tác động đến tiết kiệm nhiên liệu, sự hoạt động, hoặc sự phát thải. Ngƣời sử dụng có thể thay đổi kết quả mô phỏng bởi sự chọn lựa các dạng thành phần xe, kích cỡ và các thông số.
Kết quả của quá trình mô phỏng đƣợc xuất ra dƣới dạng các kết quả bằng số (lƣợng tiêu hao nhiên liệu, các thành phần phát thải…), các đồ thị (tình trạng nạp của ắc quy; công suất của động cơ, mô-tơ; công suất phanh; nhiệt độ các bộ phận của động cơ, nhiệt độ nƣớc làm mát…) và các biểu đồ (vùng hoạt động của động cơ, mô-tơ; hiệu suất của các thành phần trong hệ dẫn động…).
3.1.3. ơ sở và ph ơng pháp mô phỏng trong ADVISOR.
3.1.3.1. ơ sở mô phỏng trong ADVISOR.
Nền tảng chính của mô hình trong ADVISOR là sơ đồ khối Simulink. Mỗi hệ thống phụ của sơ đồ khối có một file Matlab (m-file) liên kết với nó, file này xác định các thông số của hệ thống phụ riêng biệt đó. Ngƣời sử dụng có thể thay đổi cả mô hình bên trong khối cũng nhƣ m-file liên kết với khối để phù hợp với mô hình cần. Ví dụ, ngƣời sử dụng có thể thay đổi để có một mô hình chính xác hơn của mô- tơ điện. Một mô hình khác có thể thay thế mô hình hiện tại miễn là đầu vào và đầu ra là giống nhau. Mặt khác, ngƣời sử dụng có thể dời nguyên vẹn mô hình và thay đổi m-file liên kết với sơ đồ khối. ADVISOR cung cấp một cách linh hoạt các mô hình cho ngƣời sử dụng.
Các mô hình trong ADVISOR phù hợp với dữ liệu thực nghiệm nhận đƣợc từ quá trình thí nghiệm của các thành phần để mô phỏng một hệ thống phụ riêng biệt. Trong trƣờng hợp tổng quát, hiệu suất và giới hạn hoạt động xác định hoạt động của từng thành phần. Ví dụ, mô hình ĐCĐT sử dụng một bản đồ hiệu suất
61
đƣợc lấy qua thí nghiệm. Bản đồ hiệu suất của một động cơ Geo 1.0L (43kW) nhƣ trình bày trong hình 3.1. Đƣờng công suất lớn nhất cũng đƣợc thể hiện trên đó. Động cơ không thể hoạt động trên đƣờng giới hạn mô-men lớn nhất này.
Cơ sở dữ liệu của ADVISOR gồm rất nhiều các file thành phần ở dạng file Matlab (m-file), các file này đƣợc lƣu sẵn trong các thƣ viện của phần mềm hoặc đƣợc ngƣời sử dụng viết thêm nhằm phục vụ cho đề tài mô phỏng của mình. Nhiều ngƣời sử dụng đã đóng góp các thành phần và dữ liệu mới cho thƣ viện của phần mềm này.
Dữ liệu trong các file này ở dạng ma trận hoặc vec-tơ, thông số nhập vào thƣờng đƣợc lấy từ thí nghiệm tiến hành với các thành phần cần nghiên cứu. Bảng sau đây là một ví dụ về thông số suất tiêu hao nhiên liệu cho một động cơ khi đo ở dải tốc động vòng quay và mô-men xác định của động cơ.
62
Bảng 3.1: Thông số đầu vào của phần mềm về suất tiêu hao nhiên liệu của một động cơ (g/kWh). 6.8 13.6 20.4 27.2 33.8 40.6 47.4 54.2 61 67.8 74.6 81.4 104.5 635.7 635.7 541.4 447.2 352.9 332.2 311.4 322.4 333.5 333.5 333.5 333.5 149.2 678.4 500.1 443.8 387.4 331.1 301.8 297 283.4 269.8 358 358 358 220.9 463.4 463.4 407.6 350.1 294.3 280.8 267.3 253.9 269.8 303.2 336.7 336.7 292.5 699.1 567.9 500.3 432.7 301.4 283.9 266.3 248.7 258.8 268.8 271.9 317.9 364.1 592.9 592.9 494.6 393.4 295.1 279.4 263.6 247.9 255.2 262.5 295 322.6 435.7 667.9 524.8 381.6 351.9 322.2 304.9 287.5 270.8 290.8 310.9 330.9 330.9 507.4 630.6 630.6 522.5 411.1 303 304.4 305.8 304.2 314.5 324.8 327.7 327.7 552.2 698.4 500.5 428.6 392.7 356.8 337.9 328.4 319 328.8 338.6 333.7 333.7 596.9 751.1 637.8 521.1 407.8 393.1 378.4 363.3 348.2 318.8 340.2 340.2 340.2 (rad/s) Nm
Cấu trúc của một mô hình mô phỏng trong ADVISOR dựa trên sơ đồ khối đƣợc lập trong Simulink, nó gồm các khối sơ đồ với các công thức và hàm tính toán đƣợc gắn trong đó. Các khối này đƣợc liên kết với nhau theo mô hình của bài toán mô phỏng đặt ra. Cũng nhƣ các dữ liệu đầu vào, ADVISOR cũng cung cấp sẵn một thƣ viện với các khối cơ bản cho một bài toàn mô phỏng trong đó. Ngoài ra, tùy thuộc yêu cầu nghiên cứu của từng bài toán mô phỏng mà ngƣời dùng có thể xây dựng các sơ đồ hoặc khối riêng. Thông số cung cấp cho các công thức tính toán trong sơ đồ khối này đƣợc lấy từ các file Matlab nếu trên.
63
nh 3 2: Sơ đồ khối một mô hình trong ADVISOR.
3.1.3.2. Ph ơng pháp mô phỏng trong ADVISOR.
nh 3 3: Sơ đồ mô phỏng trong ADVISOR
Phƣơng pháp mô phỏng trong phần mềm này bắt đầu từ một chu trình lái đƣa ra cho xe, từ đó xác định đƣợc công suất yêu cầu của xe qua mô hình hệ dẫn động. Qua đó, tìm ra có những thành phần nào cần hoạt động có liên quan, công suất yêu cầu tại các bánh xe ở từng giai đoạn thời gian đƣợc tính toán trực tiếp từ vận tốc yêu
64
cầu của chu trình lái. Công suất yêu cầu sau khi đƣợc tính toán chuyển thành tốc độ và mô-men, thì theo sơ đồ của mô hình sẽ tìm ra công suất yêu cầu tới các nguồn công suất nhƣ động cơ hoăc mô-tơ điện. Với từng thành phần, công suất này sẽ đƣợc tính toán ngƣợc trở lại qua mô hình hệ dẫn động, có xét đến tổn thất. Cuối cùng, việc sử dụng nhiên liệu hay năng lƣợng điện đƣợc tính toán để đƣa ra tốc độ có thể đáp ứng thực tế cho trình lái. Một sơ đồ thể hiện phƣơng pháp mô phỏng trong ADVISOR đƣợc trình bày nhƣ sơ đồ hình 3.3.
3.1.4. Giao diện sử dụng của ADVISOR
Với một giao diện thân thiện, dễ sử dụng, phần mềm này là một công cụ hữu hiệu cho việc nghiên cứu công nghệ xe hơi nói chung và công nghệ hybrid nói riêng. ADVISOR cung cấp sự truy nhập dễ dàng và cho kết quả nhanh chóng tới ngƣời sử dụng. Ba cửa sổ có để ngƣời sử dụng nhập thông số và thay đổi các thành phần, từ cài đặt ban đầu cho đến kết quả cuối cùng. Cửa sổ đầu tiên đƣợc sử dụng để nhập dữ liệu liên quan tới cài đặt ban đầu của xe. Cửa sổ thứ hai cung cấp một vài tùy chọn cho mô phỏng. Cửa sổ cuối trình bày các kết quả mô phỏng đã lựa chọn.
Cửa sổ nhập thông số đầu vào của một chiếc xe trong ADVISOR đƣợc trình bày trong hình 3.4, hình dạng hệ dẫn động xe (ví dụ: hybrid nối tiếp, song song, xe thông thƣờng, …). Các sơ đồ đặc tính thực hiện cho các thành phần hệ dẫn động khác nhau có thể đƣợc sử dụng từ các danh sách liên kết. Thông số của một thành phần có thể đƣợc thay đổi bởi sự hiệu chỉnh các giá trị riêng biệt đƣợc hiển thị trong các khung. Bất kì thông số vô hƣớng nào có thể đƣợc sửa đổi bằng cách sử dụng sự thay đổi danh sách biến trong phần dƣới bên phải của cửa sổ. Tất cả các thông số hình dạng của xe có thể đƣợc lƣu để sử dụng sau đó. Sau các đặc điểm đầu vào của xe đƣợc xác lập này, tiếp theo là cài đặt mô phỏng.
Cửa sổ cài đặt mô phỏng ADVISOR đƣợc trình bày nhƣ trong hình 3.5, ngƣời sử dụng chỉ ra các trƣờng hợp mà qua đó xe đƣợc mô phỏng. Chọn lựa chu trình lái, kiểm tra gia tốc và thiết lập độ dốc của đƣợc cũng nhƣ một số thông số khác. Ví dụ, khi một chu trình lái đơn lẻ đƣợc lựa chọn, dải tốc độ có thể đƣợc xem
65
xét phía trên bên trái của cửa sổ và một phân tích thống kê của chu trình đƣợc hiển thị ở phần dƣới bên trái. Với các thông số đã thiết lập, mô phỏng đƣợc cho chạy và kết quả sẽ đƣợc đƣa ra sau khi hoàn tất.
Hình 3.4: Cửa sổ chọn thông số b n đầu của mô hình xe.
`
66
Cửa sổ hiển thị kết quả mô phỏng ADVISOR đƣợc minh họa nhƣ trong
hình 3.6, cho ngƣời sử dụng xem xét các hiển thị quá trình hoạt động của xe. Phần bên trái cửa sổ trình bày các đồ thị thể hiện các thông số phụ thuộc thời gian, nhƣ: tốc độ động cơ, mô-men động cơ, điện áp ắc qui… Bên phải cửa sổ là các kết quả tóm tắt nhƣ khả năng tiết kiệm nhiên liệu và hàm lƣợng các thành phần khí thải.
Hình 3.6: Cửa sổ trình bày kết quả mô phỏng.
Ngoài ra, phần mềm này còn cung cấp một giao diện trực quan, mô phỏng sự hoạt động của xe trong chu trình thử đã chọn lựa. Với sự hiển thị liên tục (hình ảnh động) quá trình làm việc của các thành phần trong hệ dẫn động (động cơ, mô-tơ…) qua các đồ thị phía bên phải cửa sổ, thể hiện trong hình 3.7.
67
Hình 3.7: Giao diện trực quan mô phỏng quá trình hoạt động của xe.
3.2. Mô phỏng mô hình xe máy hybrid và xe máy với hệ d n động thông thƣờng trên ADVISOR.
Tiến hành mô phỏng cho cả hai dạng xe máy với hệ dẫn động thông thƣờng và hệ dẫn động hybrid trên chu trình thử ECE-R40, minh họa trong hình 3.8.
Hình 3.8: Chu trình thử ECE R40.
Chu trình ECE-R40 gồm 6 chu kì giống nhau liên tiếp, mỗi chu kì có thời gian là 195(s), chi tiết vận hành trong một chu kì đƣợc trình bày theo bảng dƣới đây:
68 Bảng 3.2: Chu trình thử ECE R40 TT vận hành Bƣớc vận hành Pha Gia tốc (m/s2) Vận tốc (km/h) Thời gian vận hành (s) Thời gian tích lũy (s) Bƣớc Pha
1 Chạy không tải 1 - - 11 11 11
2 Tăng vận tốc 2 1,04 0-15 4 4 15
3 Vận tốc không đổi 3 - 15 8 8 23
4 Giảm vận tốc 4 -0,69 15-10 2 5 25
5 Giảm vận tốc, cắt li hợp 4 -0,92 10-0 3 5 28
6 Chạy không tải 5 - - 21 21 49
7 Tăng vận tốc 6 0,74 0-32 12 12 61
8 Vận tốc không đổi 7 - 32 24 24 85
9 Giảm vận tốc 8 -0,75 32-10 8 11 93
10 Giảm vận tốc, cắt li hợp 8 -0,92 10-0 3 11 96
11 Chạy không tải 9 - - 21 21 117
12 Tăng vận tốc 10 0,52 0-50 26 26 143 13 Vận tốc không đổi 11 - 50 12 12 155 14 Giảm vận tốc 12 -0,52 50-35 8 8 163