2.5.3. Động cơ điện 1 chiều [9]
Cực dương Cực âm
Tín hiệu Cực âm
Ta chọn loại động cơ một chiều (DC) cho xe thiết kế. Hiện nay, động cơ điện một chiều có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than. Loại có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than, còn động cơ điện một chiều không chổi than có rất nhiều ưu điểm nhưng giá thành rất cao. Vì vậy xét về mặt kinh tế thì ta chọn loại động cơ điện một chiều có chổi than làm nguồn động lực cho xe thì giá thành của xe sẽ giảm bên cạnh đó vẫn đảm bảo được các đặc tính kỹ thuật cần thiết cho xe thiết kế.
Theo cách kích thích từ thì động cơ điện một chiều có rất nhiều loại. Theo cách phân loại này thì có các loại động cơ điện như:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: bao gồm động cơ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay kích thích điện từ. Loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu chỉ dùng cho các loại động cơ có công suất nhỏ (cỡ vài chục W). Loại kích thích điện từ có dây quấn lấy điện từ ắc quy lưới điện một chiều và được dùng trong trường hợp điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, công suất lớn và điện áp thấp hoặc điện áp cao.
+ Động cơ điện một chiều tự kích thích: Tuỳ theo cách nối các dây quấn kích thích ta có:
- Động cơ điện một chiều kích thích song song.
- Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp.
- Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp. U It Ut Iø I Rdc Iø It U I Iø I U Rt Rt Iø I U Rdc It (a) (b) (c) (d) Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
(a)-Kích thích độc lập, (b)-Kích thích song song, (c)-Kích thích nối tiếp. (d)-Kích thích hỗn hợp.
Đối với động cơ điện một chiều kích thích độc lập mặc dù nó có ưu điểm là khả năng điều chỉnh dòng kích thích thuận lợi và kinh tế. Tuy nhiên, ta phải sử dụng thêm một nguồn kích thích phụ bên ngoài, điều này sẽ gây khó khăn trong việc bố trí và sắp xếp các chi tiết nên ta không chọn loại động cơ điện loại này.
Trong các loại động cơ điện tự kích thích do phạm vi hoạt động của xe thiết kế chủ yếu chạy ở thành phố nên động cơ điện kiểu kích thích nối tiếp là phù hợp nhất vì có tốc độ quay không tải lý tưởng lớn nên có thể tái sinh năng lượng khi động cơ ở trạng thái hãm. Không những thế động cơ điện kích từ nối tiếp còn có khả năng quá tải lớn về mômen, khi có cùng một hệ số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của động cơ điện kích từ nối tiếp lớn hơn, mặt khác dòng điện cho phép của động cơ điện loại này có thể lớn đến 2,5Iđm. Do vậy ta chọn loại động cơ điện này để lắp cho xe đang thiết kế.
Tuỳ theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc. Trong các loại đặc tính thì quan trọng nhất là đặc tính cơ: đặc tính biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (n = f(M) khi U=const).
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng của đường hyperbol bậc hai. Ta thấy rằng ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ (n) giảm rất nhanh khi mômen (M) tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0) có trị số rất lớn. Với đặc tính cơ mềm mại như vậy nên động cơ điện một chiều rất có ưu việt trong những điều kiện cần khởi hành với moment lớn hay cần tốc độ thay đổi trong một phạm vi rộng.
Hình 2.18 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện
Kết luận: Vậy loại động cơ điện được sử dụng sẽ là động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có chổi than, có công suất định mức là Nđm = 0,65(KW).
Và trên thị trường ta tìm được động cơ điện một chiều với công suất định mức là 0,65(Kw), số vòng quay định mức nđm = 530 (vòng/phút), hiệu điện thế sử dụng là 24(V), loại kích từ nối tiếp có chổi than.
Hình 2.19 Các kích thước cơ bản của động cơ điện sử dụng
Thông số kĩ thuật
Bảng 2.1 Bảng thông số kĩ thuật động cơ điện
ĐỘNG CƠ
Loại Điện, giảm tốc
Điện áp 24V
Công suất 650W
Dòng tài max 34.7A
Dòng không tải <3A
Tốc độ xe đạt được ( max ) 15 km/h Tải trọng ( max ) 500 ÷ 700 kg
Momen 1.93 N.m
Tốc độ động cơ 3200 vòng/phút Tốc độ sau giảm tốc 530 vòng/phút
2.5.4. IC điều tốc
Hình 2.20 IC điều tốc
Hình 2.22 Sơ đồ đấu dây bo điều khiển chổi than
Chức năng
IC điều tốc có chức năng vô cùng quan trọng đóng vai trò phân tích dữ tín hiệu từ chân ga để điều khiển tốc độ động cơ theo ý muốn. Đây là trung tâm xử lý tín hiệu của xe.
Yêu cầu
-Tốc độ xử lý cao, có bộ nhớ chương trình đủ lớn để lưu trữ hoạt động của xe
-Hoạt động ổn định, có độ bền và tuổi thọ cao
-Khối lượng nhỏ, gọn nhẹ phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ của chiếc xe
Thông số kỹ thuật Bảng 2.2 Bảng thông số kĩ thuật IC IC điều tốc Điện áp vào 12-60V Dòng tải 45A Công suất 1500W 2.5.5. Cần số đảo chiều
Hình 2.23 Cần số đảo chiều
Hình 2.24 Cấu tạo chi tiết cần số đảo chiều
Chức năng
Cần số đảo chiều có vai trò đổi chiều hoạt động của động cơ.
Yêu cầu
-Hình dáng dễ cầm nắm
-Khối lượng nhỏ, gọn nhẹ dễ dàng lắp đặt
-Hoạt động êm ái, nhạy bén
Thông số kỹ thuật
Cần số đảo chiều
Điện áp 12 – 110V
Dòng điện 80A
Dòng điện (max) 180A
Công suất tổn hao < 0.5W
Nhiệt độ < 70 độ
Ba vị trí hoạt động tiến, dừng, lùi
2.5.6. Chân ga
Hình 2.25 Chân ga
Hình 2.27 Cảm biến Hall
Chức năng của chân ga
Điều khiển tốc độ cho xe
Yêu cầu
-Hoạt động êm ái, linh hoạt trong quá trình sử dụng
-Khối lượng nhỏ, gọn nhẹ dễ dàng lắp đặt phù hợp với thẩm mỹ của xe
Thông số kỹ thuật
Bảng 2.4 Bảng thông số kỹ thuật chân ga
Chân ga
Kiểu Cảm biến Hall
Điện áp vào 12 – 48V
Đầu ra 0 – 5V
Góc quay 30 độ
Tuổi thọ 2000000 lần đạp
2.6. Pin Lithium-ion
2.6.1. Tổng quan về pin Lithium-ion [11]
Pin Lithium-ion hay còn gọi là pin lion, viết tắt là LIB. Đây là công nghệ pin tiên tiến có ion Lithium là thành phần chính, điều đặc biệt là loại pin này có thể sạc được.
Hình 2.28 Kích thước pin
Cấu tạo của pin Lithium-ion
Cấu tạo pin Lithium-ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.
2.6.2. Sơ đồ mạch điện nối pin Lithium-ion
Hình 2.30 Sơ đồ nối dây
2.6.3. Phân tích thiết kế lựa chọn pin Lithium-ion
a. Tính chọn pin phù hợp với xe được thiết kế [12]
Tính toán, lựa chọn số lượng, thông số chế tạo pin:
Ta có công thức tính thời gian sử dụng pin: t = → A = ≈ 279 (Ah) Trong đó: t: là thời gian sử dụng pin (giờ). t= 7 giờ
P: công suất tải (W), P = 670W A: dung lượng pin (Ah)
V: điện áp pin (v), V= 24v
Ƞ: hệ số sử dụng của pin và thay đổi theo mức xả của pin, Ƞ=0,7 Cụ thể:
ƞ = 0,8÷0,9 nếu dòng xả của pin <20% dung lượng pin ƞ = 0,7 nếu dòng xả của pin 20%÷70% dung lượng pin ƞ = 0,5÷0,6 nếu dòng xả của pin >70% dung lượng pin Tính số lượng pin dựa vào dung lượng pin:
A = K → K = ≈ 107
K: số cell pin
a: dung lượng của 1 viên pin (Ah), a = 2,6 Ah
→ Để có 1 pin điện áp 24v thì 1 cell pin phải có 7 viên pin mắc nối tiếp và 1 pin có 107 cell pin mắc song song để có dung lượng 279 Ah. Vì vậy số lượng pin để đáp ứng đủ các thông số đã chọn là 107x7=749 (viên)
b. Tính thời gian nạp đầy pin [13]
Thời gian sạc của pin được xác định theo công thức: T= = = 10,6 (giờ) Trong đó: T là thời gian sạc đầy pin (giờ)
A1: định mức ampe giờ, A1 = 279 Ah A: Dòng điện tính bằng ampe
Như chúng ta biết rằng dòng sạc phải bằng 10% đánh giá A1 của pin, vì vậy dòng sạc cho pin A= = 27.9A. Bởi vì trong quá trình sạc sẽ có một số tổn thất, cho nên có thể sử dụng 30A thay vì 27.9A cho mục đích sạc
Thực tế đã ghi nhận răng trong quá trình sạc sẽ có 15% tổn thất xảy ra trong quá trình này, khi đó A2 = 279. ≈ 42A
3.1. Thiết kế tổng thể
3.1.1. Lựa chọn hình dáng vỏ
Trên cơ sở phân tích trên hình dáng vỏ lựa chọn thiết kế cho ô tô du lịch bốn chỗ ngồi, việc phân tích hình dáng vỏ theo khí động học là điều tất yếu tuy nhiên xe thiết kế là xe có tốc độ di chuyển thấp nên ta không sử dụng tiêu chí này cho việc chọn vỏ xe. Phân tích theo mục đích sử dụng gắn liền với mục đích thực tế của đề tài. Với mục đích là tham quan du lịch, trên cơ sở phân tích thì ta chọn vỏ xe là loại vỏ hở. Chọn vỏ hở vì xe thiết kế cho mục đích là tham quan du lịch với tốc độ thấp do đó mà chọn vỏ hở sẽ đảm bảo được yếu tố về tầm quan sát cảnh quan, về độ thông thoáng và cảm giác thoải mái. Theo quan hệ giữa khung - vỏ, khung ta lựa chọn là loại khung chịu hoàn toàn tải trọng do đó mà vỏ ở đây là loại vỏ xe không chịu tải.
Với những phân tích như trên nhóm đã quyết định lựa chọn hình dáng ban đầu của xe như sau:
Hình 3.1 Hình dáng ban đầu vỏ xe
Trên cơ sở yêu cầu và mục đích sử dụng của xe thiết kế. Căn cứ trên việc phân tích và chọn ra phương án thiết kế như trên. Trên cơ sở xác định sơ bộ các kích thước của các chi tiết, cụm chi tiết cần bố trí trên khung như Accu, động cơ điện, động cơ nhiệt, số chổ ngồi... ta xác định kích thước sơ bộ của khung cùng với đó là số dầm ngang và các dầm phụ. Sau đây ta sẽ đi vào cụ thể việc phân tích và xác định kích thước cơ bản khung.
Phân tích bố trí chung
Bố trí các hệ thống, thiết bị trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết bài toán cân bằng trên xe, kết cấu và tính năng động học của xe.
Bố trí hợp lí sẽ giúp cho xe có kết cấu gọn nhẹ, độ cứng vững cao, tính động học tốt hơn, giảm được rung khi vận hành.
Bố trí các chi tiết, cụm chi tiết còn quyết định đến kích thước và hình dáng của ô tô. Với ô tô thiết kế là ô tô du lịch bốn chỗ, chủ yếu phục vụ cho khách du lịch tham quan ở thành thị, các khu du lịch, resort. Ngoài ra khi bố trí các chi tiết, cụm chi tiết cần đảm bảo tính năng động học, động lực học, tính năng dẫn hướng quay vòng của ô tô.
Phân tích bố trí các chi tiết, hệ thống trên xe:
- Ghế ngồi: Được bố trí qua việc phân tích về tính tiện lợi và thoải mái của người sử
dụng, trên cơ sở tham khảo cách bố trí của các loại ô tô trên thị trường. Bố trí ghế ta có thể chọn từ hai phương án bố trí ghế đơn và ghế đôi. Đối với ghế đơn thì có ưu điểm là tạo cảm giác thoải mái và rộng rãi cho hành khách tuy nhiên việc chế tạo ghế đơn lại tốn nhiều thời gian hơn và phức tạp hơn ghế đôi. Vì vậy nhóm quyết định sử dụng phương án thiết kế ghế đôi cho ghế trước, sau để tiết kiệm được không gian, đơn giản về công nghệ chế tạo vẫn đảm bảo những yêu cầu chung về ghế ngồi, ngoài ra nhóm còn chọn phương án 2 ghế ngược chiều nhau để tiết kiệm tối đa không gian xe nhưng vẫn mang lại được cảm giác thoải mái khi ngồi của mỗi người và tận dụng khoang trống phía dưới 2 ghế thông nhau để bố trí các chi tiết nhằm đảm bảo an toàn và thẩm mỹ, phù hợp. - Bố trí động cơ điện: phụ thuộc vào nhiều phương án bố trí, có nhiều cách bố trí, nhưng với đặc thù xe thiết kế là phục vụ du lịch, kết cấu xe gọn nhẹ, trên cơ sở ưu nhược điểm của các phương án chúng ta chọn phương án bố trí động cơ điện được bố trí đặt trên vi sai thông qua bộ truyền xích . Bố trí theo phương án này không gian gầm xe sẽ có kết cấu gọn hơn rất nhiều
- Bố trí ắc quy và bộ điều khiển: Trên không gian xe có thể bố trí ắc quy ở nhiều nơi như ở dưới ghế, ở không gian phần đầu xe. Đối với việc bố trí ở trước không gian đầu xe có ưu điểm là tận dụng được không gian phần đầu xe, tạo độ cân bằng hơn cho xe, tuy nhiên nó lại có nhiều nhược điểm như bố trí quá xa động cơ điện do đó dây dẫn sẽ
dài gây tổn hao, thứ hai là việc bố trí trước sẽ gây khó khăn hơn cho quá trình điều khiển và hoạt động của hệ thống lái. Phương án 2 có thể bố trí ở dưới ghế. Phương án này nhiều ưu điểm như tạo tính cân bằng cho xe, ắc quy gần với động cơ điện do đó dây dẫn sẽ ngắn và ít tổn hao, kết cấu rất gọn, dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng.
Bộ điều khiển đặt ngay dưới khoang ghế để tận dụng không gian và dễ dàng trong việc kiểm tra và sửa chữa.
Sau khi phân tích bố trí chung ta có bố trí tổng thể xe thiết kế như sau:
Hình 3.2 Sơ đồ bố trí chung
6- bàn đạp ga, 7- bàn đạp phanh, 8- cần số đảo chiều, 9- động cơ điện, 10- rơle xinhan, 11- IC điều tốc, 12- pin Lithium-ion, 13- bo mạch cân bằng, bảo vệ,
14- ắc quy, 15- cụm phanh, 16- bán trục, 17- đĩa phanh, 18, treo sau, 19- visai, 20- bộ tăng xích, 21- xích, 22- bộ truyền xích, 23- đèn xinhan sau, 24- đèn hậu, 25-
đèn xinhan trước, 26- đèn pha, 27- còi, 28- bộ công tắc điều khiển, 29- khoá điện
3.1.3. Xác định kích thước sơ bộ của khung
Chủ yếu là xác định chiều dài và chiều rộng của sườn và nó phụ thuộc vào số lượng và kích thước của các thành phần bố trí trên nó (sơ đồ bố trí chung).
Xác định chiều rộng W: chiều rộng của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào số lượng, chiều rộng và cách bố trí ghế.
Thông số ban đầu là xe chở 4 người, mỗi người có chiều cao trung bình 1,70m, cân nặng 70kg, ghế bố trí theo kiểu ghế đôi, ban đầu chọn chiều ngang mỗi dãy ghế là 100cm, chiều dọc mỗi dãy ghế là 30cm, chiều cao 55cm tính từ điểm thấp nhất. Cộng với việc bố trí thêm các chi tiết phụ và lắp khung, vỏ nên chọn chiều rộng cơ bản của xe là W = 101cm. ( Sơ bộ ban đầu )
Xác định chiều dài làm tương tự nó bằng tổng L1 + L + L2 = 1820mm. Trong đó:
L: Là chiều dài cơ sở, L được xác định trên cơ sở bán kính quay vòng bánh xe và độ ổn định của xe trong quá trính di chuyển. Nếu L quá lớn sẻ làm cho xe quay vòng khó, đặc biệt là đường hẹp như ở Việt Nam, độ ổn định của xe củng sẽ giảm. Ngược