ab a
d = , trong đó asb là khoảng cách sơ bộ của bộ truyền đai, và có giá trị asb = 1,2.200 = 240 (mm). Chiều dài đai lsb được xác định theo biểu thức [30]:
2 2 1 1 2 ( ) 2 0,5 ( ) 4. sb sb sb d d l a d d a − = + + +
Sau khi thay các giá trị có được vào biểu thức trên, chiều dài sơ bộ của đai sẽ là
lsb = 961 (mm). Sau đó tiếp tục lựa chọn theo tiêu chuẩn ta có lsb = 1000 (mm). Xác định số đai z:
Số đai được tính theo công thức (4.16) [30]: 1
1 . [ ]. . d o u z P k z P C C C C =
Trong đó: z là số dây đai sử dụng trong bộ truyền (z < 7); P1 là công suất bánh đai chủ động (P1= 6,4405 kW);
Sau khi tra các Bảng 4.7, 4.16, 4.17 và 4.20 trong tài liệu [30] ta có: Hệ số tải động kđ = 1,25; Công suất cho phép P0 = 5,3 kW; Hệ số ảnh hưởng của góc ôm Cα = 0,94; Hệ số ảnh hưởng của chiều dài đai Cl = 0,9; Hệ số ảnh hưởng của tỉ số truyền
Cu = 1,12; Hệ số ảnh hưởng của sự phân bố không đều tải trọng trên các dây đai Cz = 0,95. Thay các giá trị trên vào biểu thức tính số đai ta được z = 3.
Kiểm nghiệm độ bền và điều kiện làm việc của bộ truyền đai. Để kiểm nghiệm bền và tính toán các thông số truyền động của bộ truyền đai NCS sử dụng modul
90
Power Tranmission tích hợp trong phần mềm Autodesk Inventor 2020. Các thông số thiết kế (design) đã tính chọn ở trên được nhập vào giao diện Design của phần mềm, như thể hiện trên hình PL 3.1.
Hình PL 3.3 mô tả các kết quả tính toán và kiểm nghiệm độ bền của bộ truyền đai với các thông số đã tính chọn. Các kết quả này chỉ ra rằng với các thông số đã tính chọn bộ truyền đai đảm bảo điều kiện độ bền và điều kiện làm việc. Các kết quả tính toán, thiết kế và tối ưu hóa bộ truyền đai được tổng kết trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5 Thông số bộ truyền đai giữa ĐCĐT và trục chính
Kí
hiệu Diễn giải Giá trị Đơn vị
d1 Đường kính bánh đai chủ động 100 mm
d2 Đường kính bánh đai bị động 200 mm
B Chiều rộng bánh đai 40 mm
l Chiều dài đai 1000 mm
z Số đai 3 đai
a Khoảng cách trục 260 mm
Góc ôm 158 độ
Fv1
Lực căng ban đầu trên bánh đai chủ
động 661 N
Fr1 Lực tác dụng lên trục bánh đai chủ động 662 N
Fv2 Lực căng ban đầu trên bánh đai bị động 661 N
Fr2 Lực tác dụng lên trục bánh đai bị động 662 N
3.3.3 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai truyền động giữa ĐCĐ và trục chính chính
Tương tự cách tính như trên mục 3.1.3.2, bộ truyền đai nối giữa ĐCĐ và trục chính với các thông số về công suất và tốc độ quay của bánh đai chủ động Pđcđ = 3 (kW); nđcđ = 3000 (v/ph). Trên cơ sở tính chọn theo các công thức và tính toán được trình bày như mục (3.1.3.2), NCS chọn đai thang theo tiêu chuẩn DIN 2215 kích thước tiết diện V13 x 950, thể hiện trên hình PL 3.2. Các kết quả kiểm nghiệm độ bền và thông số tính toán của bộ truyền được NCS trình bày trong hình PL 3.3 trong phụ lục và Bảng 3.6.
91
Bảng 3.6 Thông số bộ truyền đai nối giữa ĐCĐ và trục chính
Kí hiệu Diễn giải Giá trị Đơn vị
d1 Đường kính bánh đai chủ động 120 mm
d2 Đường kính bánh đai bị động 120 mm
B Chiều rộng bánh đai 50 mm
l Chiều dài đai 980 mm
z Số đai 3 đai
a Khoảng cách trục 300 mm
Góc ôm 180 độ
Fv1 Lực căng ban đầu trên Puly 1 512 N
Fr1 Lực tác dụng lên trục ĐCĐT 512 N
Fv2 Lực căng ban đầu trên Puly 2 512 N
Fr2 Lực tác dụng lên trục chính 512 N
3.3.4 Tính toán, thiết kế trục chính
Chọn vật liệu, khai báo vị trí lắp ổ lăn và các tải trọng tác dụng lên trục chính
NCS chọn vật liệu chế tạo trục là thép CT45 với giới hạn chảy Sy = 300 MPa,
modul đàn hồi E = 206.103(N/mm2), mô đun đàn hồi trượt G = 8.104 (N/mm2), hệ số biến dạng ngang Poisson μ = 0,3.
Sau khi chọn vật liệu chế tạo trục chính ta cần khai báo vị trí lắp các ổ lăn và đặt các tải trọng đã biết tác dụng lên trục chính. Hình PL 3.4 mô tả vị trí lắp đặt các ổ lăn trên trục chính.
Các hình PL 3.5 và 3.6 thể hiện các tải trọng đã biết tác động lên trục chính gồm lực do bộ truyền đai. Và lực do các bộ truyền và các chi tiết máy khác cũng được thực hiện tương tự, do đó có sơ đồ đặt lực được thể hiện trên hình PL 3.7 trong phụ lục.
Sau khi khai báo vị trí lắp các ổ lăn và các tải trọng đã biết tác dụng lên trục, chương trình sẽ tính lực tác dụng của các ổ lăn tác dụng lên trục chính đồng thời đề xuất biểu đồ đường kính lý tưởng của trục, như thể hiện trên hình PL 3.8 trong phụ lục. Với đường kính này trục chính làm việc đảm bảo độ bền đồng thời có đường kính nhỏ nhất. Từ biểu đồ đường kính lý tưởng, có thể chọn đường kính trục chính d = 25 (mm) cho hệ động lực.
Ngoài việc kiểm nghiệm độ bền của trục chính, xuất biểu đồ đường kính lý tưởng, phần mềm còn đưa ra các biểu đồ nội lực và ứng suất, như thể hiện trên hình PL 3.9 và các kết quả cho thấy trục đảm bảo đủ bền theo yêu cầu.
92
3.3.5 Thiết kế hệ thống điều khiển nguồn động lực xe hybrid
Trong phần này, NCS sẽ triển khai các nội dung theo trình tự sau:
Nghiên cứu, xây dựng phương án điều khiển để phối kết hợp các nguồn động lực gồm ĐCĐT, ĐCĐ, máy phát và các phụ tải khác được phối hợp theo kiểu hỗn hợp.
Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển các thiết bị của hệ động lực.
Thiết kế mạch điều khiển ĐCĐT, mạch nạp ắc quy, mạch điều khiển trung tâm mô hình [10, 13, 50,51,56,57].
3.3.5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và chức năng làm việc của các khối điều khiển
Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra, như thể hiện trên Hình 3.14. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển và gửi tới bộ xử lí trung tâm. Bộ xử lí trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành.
93
3.3.5.2 Khối đo thông số đầu vào a) Bộ xử lí trung tâm – ECU
Đây chính là bộ não của hệ thống điều khiển điện tử, ECU chứa các thuật toán điều khiển lập trình được viết và cài đặt sẵn trong bộ nhớ thường là EFROM của ECU như trên Hình 3.15, một mạch điều khiển trung tâm thực tế được mô tả trên Hình 3.16 Trong quá trình làm việc, ECU sẽ tiến hành thu thập các thông số đầu vào (input), tính toán chuyển đổi và phân tích các giá trị này. Tùy thuộc vào bộ giá trị các thông
Hình 3.15 Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển trung tâm
94
số này mà ECU sẽ quyết định lựa chọn chương trình thích hợp và chuyển đổi thành các xung tín hiệu điều khiển ở đầu ra (output) cho các mạch điều khiển ĐCĐ, ĐCĐT, mạch nạp và cuộn dây điện từ khóa mở máy phát.
Để đảm bảo khả năng điều khiển của hệ thống, ta lựa chọn phương án xây dựng bộ xử lí trung tâm bằng vi điều khiển. Các vi điều khiển được lựa chọn thích hợp cho các thiết kế nhỏ, với các thành phần thêm vào tối thiểu nhằm thực hiện các hoạt động hướng điều khiển. Một vi điều khiển là một mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ. Ngoài CPU, các bộ vi điều khiển còn chứa bên trong chúng các bộ nhớ RAM, ROM, mạch giao tiếp nối tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời gian và các mạch điều khiển ngắt. Tất cả đều hiện diện bên trong một vi mạch. Một đặc trưng quan trọng của bộ vi điều khiển là hệ thống ngắt được thiết kế bên trong chip. Vì vậy, trong các thiết kế hướng điều khiển các bộ vi điều khiển đáp ứng với các tác động bên ngoài theo thời gian thực.
b) Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Bàn đạp ga thể hiện mong muốn của người sử dụng về mức phát công suất của hệ động lực. Cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện phù hợp đưa đến chân ECU. Tùy thuộc vào chương trình điều khiển, ECU sẽ căn cứ vào mức độ điện áp hồi về từ cảm biến mà điều khiển mức độ phát công suất phù hợp với yêu cầu người điều khiển
c) Cảm biến tốc độ
Cảm biến này có nhiệm vụ gửi xung tín hiệu về ECU khi mô hình làm việc, trên cơ sở tín hiệu xung gửi về, ECU sẽ tính toán giá trị của tốc độ quay theo góc quay thực tế. Và tốc độ n là giá trị tham chiếu quan trọng trong quá trình điều khiển toàn hệ động lực. Đối với ĐCĐT, ECU căn cứ vào giá trị này để quyết định thay đổi lượng cấp nhiên liệu đảm bảo cho động cơ làm việc trong vùng có hiệu suất có lợi nhất.
d) Cảm biến vị trí bàn đạp phanh
Cảm biến này có nhiệm vụ gửi xung tín hiệu về ECU khi hoạt động phanh hãm xảy ra. Khi nhận được xung tín hiệu này, ECU sẽ lập tức ngắt động cơ nhiệt, chuyển chế độ làm việc của động cơ điện từ chế độ động cơ sang chế độ máy phát, sử dụng năng lượng này để nạp năng lượng cho ắc quy.
95
3.3.6.3 Khối đầu ra
a) Mạch điều khiển ĐCĐT
Mạch này có nhiệm vụ nhận thông tin điều khiển từ ECU, vận hành ĐCĐT theo yêu cầu của ECU, sơ đồ thiết kế mạch được thể hiện trên Hình 3.17. Mạch điều khiển ĐCĐT sẽ đảm nhận các chức năng sau:
Khởi động ĐCĐT: Khi nhận được tín hiệu cho phép làm việc, mạch điều khiển sẽ kiểm tra tình trạng của động cơ, nếu động cơ chưa làm việc, chức năng khởi động sẽ kích hoạt động cơ làm việc. Chức năng này sẽ điều khiển một rơle cho phép đóng ngắt động cơ đề của ĐCĐT.
Hình 3.17 Sơ đồ mạch điều khiển ĐCĐT
96
Dừng ĐCĐT: Chức năng này tương tự như khóa điện trên các ô tô thông thường, mạch sẽ điều khiển đóng mở một công tắc điện. Công tắc sẽ cấp điện cho IC đánh lửa khi ĐCĐT làm việc. Khi có tín hiệu dừng ĐCĐT, mạch điều khiển sẽ ngắt công tắc điện.
Điều khiển bướm ga: Chức năng này có nhiệm vụ điều khiển thay đổi vị trí bướm ga theo yêu cầu về mức phát công suất của ECU. Cơ cấu chấp hành của chức năng này là một động cơ điện được kết nối với bướm ga động cơ. Trong chức năng này mạch điều khiển sẽ làm việc theo hai thông số cơ bản là yêu cầu mức tải từ ECU và tốc độ hồi về của ĐCĐT. Khi vận hành trong vùng tải nhỏ và vừa, mạch điều khiển sẽ căn cứ vào tốc độ động cơ phản hồi về từ cảm biến tốc độ để điều khiển bướm ga nhằm đảm bảo động cơ làm việc trong vùng có suất tiêu hao nhiên liệu là thấp nhất.
b) Mạch điều khiển nạp ắc quy
Mạch này có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ ECU và kiểm soát quá trình nạp ắc-quy của xe. Mạch điều khiển nạp sẽ tự điều chỉnh dòng nạp, kiểm tra dung lượng của ắc-quy và ngừng nạp khi ắc-quy đầy. Để đảm bảo điện áp nạp, mạch điều khiển được cấp điện áp từ máy phát 12 V và chuyển đổi lên điện áp lớn hơn 48 V thông qua bộ Invertor. Trên Hình 3.19 là sơ đồ thiết kế mạch điều khiển nạp ắc quy.
97
3.3.6 Hiệu suất xe hybrid
Hình 3.21 Sơ đồ tính toán trường hợp phối hợp hai nguồn động lực
Ta sử dụng loại lốp 155/70R14. Bề rộng mặt lốp tiếp xúc với mặt đường 155 mm.
98
Tỉ lệ chiều cao thành lốp với bề rộng lốp 70% Chiều cao thành lốp: 0,70.155 = 108,5 mm
R = Radial, kiểu mành lốp tỏa tròn hình tia mặt trời Đường kính lazang: 14 inch ~ 355,6 mm
Đường kính lốp: 355,6+108,5.2= 572,6 mm
Vận tốc lớn nhất của xe đạt được trong trường hợp này là 80 (km/h) = 22,22 (m/s). 22, 22 2 . .n 12, 415 0, 57 2 . 2.3,14. 2 bx bx v r v n r = = = = (v/s) = 745 (v/ph)
Tốc độ trên trục khi đó là 3278 (v/ph) = 343,2 (rad/s). Ở Chương 2 ta đã lựa chọn nguyên lí phối hợp công suất theo kiểu vi sai tốc độ, vậy nên ta có các công thức sau: { 𝑀𝑡 = 𝑘1𝑀Đ𝐶Đ + 𝑘2𝑀Đ𝐶Đ𝑇 (1) 𝜔𝑡 =𝜔Đ𝐶Đ 𝑘1 = 𝜔Đ𝐶Đ𝑇 𝑘2 (2)
Với đó k1 và k2 là các hằng số ảnh hưởng bởi thiết kế thực tế. Ở đây k1=1, k2=2.
Từ đó ta tính được ÐCÐ =t =343, 2 (rad/s), ÐCÐT =2t =686, 4(rad/s)
Mặt khác, theo thiết kế đã chọn có tỷ lệ HF (tỷ lệ chia công suất) là 0,35 nên ta tính được công suất ĐCĐ và ĐCĐT lần lượt là 3,018 (kW) và 5,725 (kW).
Công suất trên các trục quay được xác định bởi: P = M, từ (2) tính được mô men trên các trục lần lượt là 𝑀Ð𝐶Ð𝑇 = 8,79 (Nm) và 𝑀Ð𝐶Ð = 8,34(Nm)
Phần công suất tổn thất khi truyền từ trục tới bánh xe là: 𝑃𝑡− 𝑃𝑡𝜂𝑡 = 8,743 − 8,743.0,93 (t là hiệu suất chung của các chi tiết cơ khí)
99
3.4. Tính toán mô phỏng hệ động lực xe hybrid trên phần mềm AVL–Cruise AVL–Cruise
3.4.1 Mô hình tổng chung của xe truyền thống và xe hybrid
Trong phần này, NCS tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng xe sử dụng ĐCĐT truyền thống với bộ truyền CVT và mô hình xe hybrid với hệ phối hợp công suất theo vi sai tốc độ. Hai mô hình mô phỏng được mô tả trong Hình 3.21 và Hình 3.22 như sau:
➢ Xe truyền thống sử dụng ĐCĐT nguyên bản có các phần tử liên kết như thể hiện
trên Hình 3.21
Hình 3.22 Bố trí chi tiết trong mô phỏng xe truyền thống
Xe (1), ĐCĐT (2), Ly hợp CVT (3), Truyền lực cuối cùng (4), Bánh xe phía trước bên phải (5, 6), Bánh xe phía sau (7, 8), Hệ thống phanh (9, 10,11,12), Bộ vi sai (13), Buồng lái
100
➢ Xe hybrid các phần tử được liện kết như thể hiện trên Hình 3.22
Hình 3.23 Mô phỏng xe hybrid dùng bộ đồng tốc kết hợp CVT
Xe (1), ĐCĐT (2), Ly hợp CVT (3), Bộ phối hợp (4), Bánh xe phía trước bên phải (5, 6), Bánh xe phía sau (7, 8), Hệ thống phanh (9,10,11,12), ĐCĐ (13), Máy phát (14), Bộ vi sai
(15), Buồng lái (17), ASC (18), Ắc quy (19), Matlab (20), Màn hình (21).
3.4.2 Thông số đầu vào xe hybrid và xe truyền thống
a) Thông số xe
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật xe
TT Tên Xe truyền thống Xe hybrid Đơn
vị
1 Thể tích bình xăng 0,05 0,05 m3
2 Chiều dài xe từ móc đến trục trước 3000 3000 mm
3 Chiều dài cơ sở 2340 2340 mm
4 Khoảng cách đến trọng tâm không
tải/nửa tải/toàn tải 1020/1020/1020 1020/1020/1020 mm
5 Chiều cao đến trọng tâm không
tải/nửa tải/toàn tải 569/569/569 569/569/569 mm
6 Chiều cao của móc không tải/nửa
tải/toàn tải 400/400/400 400/400/400 mm
7 Áp suất lốp trước 2 2 bar
8 Áp suất lốp sau 2,2 2,2 bar
101
10 Trọng lượng toàn tải 800 860 kg
11 Diện tích mặt trước 1,746 1,746 m2
12 Hệ số kéo 0,3 0,3
b) Nguồn động lực ĐCĐT
Bảng 3.8 Thông số ĐCĐT nhập vào mô hình mô phỏng
TT Tên Xe truyền thống Xe hybrid Đơn
vị
1 Thể tích ĐCĐT 154,8 154,8 cm3
2 Số lượng xi lanh 1 1
3 Số kỳ 4 4
4 Vận tốc không tải/tối đa 1750/7500 1750/7500 v/ph
5 Mô men quán tính 0,1 0,1 kg*m2
6 Thời gian phản hồi 0,1 0,1 s
7 Nhiệt trị thấp của xăng 43500 43500 kJ/kg
8 Khối lượng riêng của nhiên liệu 0,749 0,749 kg/l
c) Nguồn động lực ĐCĐ
Bảng 3.9 Thông số ĐCĐ nhập vào mô hình mô phỏng
TT Tên Giá trị Đơn vị
1 Loại máy PSM -
2 Đường đặc tính Motor -