Trong quá trình xe hoạt động, việc đóng ngắt các kết nối và phối hợp hai nguồn động lực diễn ra liên tục. Trong đó, việc phối hợp nguồn động lực ĐCĐT với ĐCĐ được coi là phức tạp nhất, quyết định hiệu suất và hiệu quả của cả hệ động lực. Do vậy trong quá trình tính toán thiết kế hệ phối hợp nguồn động lực cần phải tính toán đưa ra kết cấu bộ phối hợp công suất ĐCĐT và ĐCĐ.
2.2.2.1 Hệ phối hợp kiểu kết nối mô men và tốc độ a. Hệ phối hợp kiểu kết nối mô men [10]
Kết nối mô men phối hợp mô men xoắn từ ĐCĐT và ĐCĐ hoặc chia mô men động cơ thành hai phần sinh công đẩy xe và dùng để nạp ắc quy. Dựa trên Hình 2.8 cho thấy một khớp nối mô men cơ khí có hai đầu vào, một từ ĐCĐT và một từ ĐCĐ. Đầu ra của khớp nối cơ khí này được kết nối với hộp số cơ khí.
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ giới thì mô men xoắn đầu ra và tốc độ đầu ra có thể được diễn tả bằng biểu thức
Hình 2.8 Khớp nối mô men
32 1 1 2 2 1 2 1 2 out in in in in out M k M k M k k = + = = (2.1)
Trong đó k1 và k2 là hằng số được xác định bởi các thông số của bộ kết nối mô men. Một hệ phối hợp kiểu khớp nối mô men có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau như ví dụ trên Hình 2.9 chia thành hai dạng thiết kế chủ yếu là thiết kế hai trục và một trục. Ở mỗi dạng kết cấu, bộ truyền có thể được đặt ở các vị trí khác nhau và sử dụng các dạng bánh răng khác nhau, dẫn đến các đặc tính về lực kéo khác nhau. Để đưa ra một thiết kế tối ưu cần dựa trên các yêu cầu về lực kéo, kích thước động cơ và đặc tính động cơ, kích thước động cơ và đặc tính động cơ,...
b. Hệ phối hợp kiểu kết nối tốc độ [10]
Công suất từ ĐCĐT và ĐCĐ có thể được kết nối cùng nhau hệ phối hợp nối theo tốc độ của chúng, như trình bày ở Hình 2.10. Các đặc tính của khớp nối tốc độ có thể được diễn tả bởi:
1 1 2 2 1 2 1 2 out in in in in out k k M M M k k = + = = (2.2)
Trong đó k1 và k2 là các hằng số ảnh hưởng bởi thiết kế thực tế.
Trên Hình 2.11 là một số cơ cấu cơ khí sử dụng kiểu phối hợp này.
Hình 2.10 Khớp nối tốc độ
33
c. Hệ phối hợp công suất kiểu hỗn hợp
Bằng cách kết hợp hai kiểu phối hợp công suất theo mô men xoắn và khớp nối tốc độ với nhau, có thể tạo thành một hệ truyền động hybrid trong đó các trạng thái khớp nối tốc độ hay mô men xoắn có thể chuyển đổi qua lại. Hình 2.12 thể hiện một ví dụ về kiểu phối hợp này. Khi chế độ khớp nối mô men xoắn hoạt động, khóa 2 cố định bánh răng bao vào khung xe, khi đó ly hợp 1 và 3 mở và ly hợp 2 ngắt. Công suất của ĐCĐT và ĐCĐ được cộng lại với nhau bằng cách cộng mô men của chúng với nhau và sau đó được chuyển đến các bánh xe dẫn động. Trong trường hợp này, mô men xoắn của ĐCĐT và ĐCĐ được tách rời, nhưng giữa tốc độ của chúng có mối quan hệ cố định. Khi chế độ khớp nối tốc độ làm việc, ly hợp 1 mở, trong khi ly hợp 2 và 3 ngắt, khóa 1 và 2 nhả bánh răng mặt trời và bánh răng bao. Tốc độ của cần dẫn kết nối với các bánh xe là sự kết hợp giữa tốc độ ĐCĐT và ĐCĐ.
2.2.2.2 Xác định kiểu phối hợp công suất
- Lựa chọn kiểu phối hợp công suất:
+ Phối hợp công suất kiểu mô men cho phép biến đổi linh hoạt tốc độ lẫn
mô men 2 nguồn động lực nhưng rất phức tạp về mặt kết cấu lẫn tính toán động lực học;
+ Phối hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ có kết cấu rất đơn giản nhưng không thể kết hợp linh hoạt tốc độ hai nguồn động lực, lại có sự mất mát công suất lớn khi hai nguồn động lực không có sự đồng bộ về dải tốc độ làm việc;
34
+ Phối hợp công suất kiểu hỗn hợp (nối cứng và vi sai tốc độ) có được ưu
điểm của cả hai kiểu kết hợp công suất loại nối cứng và kiểu vi sai tốc độ, nhưng lại rất phức tạp về mặt kết cấu lẫn việc điều khiển.
Do tồn tại các nhược điểm nói trên nên NCS không sử dụng 3 kiểu kết hợp công suất đã nêu trên, ở đây NCS chọn kết hợp công suất theo kiểu vi sai tốc độ vì đây là bộ truyền cơ khí có kết cấu không phức tạp và có thể đảm bảo sự kết hợp linh hoạt tốc độ của hai nguồn động lực. Để kết hợp công suất theo kiểu vi sai tốc độ một cách hiệu quả, ta phải hạn chế mặt còn tồn tại của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ là tình trạng làm việc không ổn định ở phạm vi tốc độ không có sự thỏa mãn biểu thức về tỷ lệ mô men giữa hai nguồn động lực [10, 13].
Như thể hiện trên Hình 2.10, khi sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, thì công suất được tính theo các biểu thức (2.3) và (2.4) [10] trong đó, nguồn A là ĐCĐ và nguồn B là ĐCĐT:
𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 (2.3) 𝑀𝑟𝑎 =𝑀𝐷
𝑘1 =𝑀𝑁
𝑘2 (2.4)
Trong đó 𝑀𝑟𝑎, 𝑛𝑟𝑎: mô men và tốc độ vòng quay trục ra của bộ kết hợp công
suất;
𝑀𝐷, 𝑛𝐷: mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐ truyền đến trục và bộ kết hợp
công suất;
35
𝑀𝑁, 𝑛𝑁: mô men và tốc độ vòng quay của ĐCĐT truyền đến trục và bộ kết hợp
công suất;
k1, k2: hệ số phụ thuộc đường kính vòng chia (hoặc số răng) của các bánh răng bộ kết hợp công suất.
Ta xét quan hệ mô men 𝑀𝐷
𝑘1 và 𝑀𝑁
𝑘2 theo tốc độ hai thành phần nguồn lực ĐCĐ và
ĐCĐT. Quan hệ𝑀𝐷
𝑘1 và 𝑀𝑁
𝑘2 theo tốc độ có nhiều dạng khác nhau của bộ kết hợp công
suất kiểu vi sai tốc độ ta hãy khảo sát đồ thị 𝑀𝐷
𝑘1 và 𝑀𝑁
𝑘2 theo tốc độ kiểu đơn giản nhất (đường 𝑀𝐷
𝑘1 và 𝑀𝑁
𝑘2 ở điểm cực đại của 𝑀𝑁
𝑘2) được thể hiện theo Hình 2.13 [13]: Nhận thấy có hai vùng làm việc:
• Khi 𝑛𝐷 và 𝑛𝑁 ≥ 𝑛0:
Dưới tác dụng của mô men cản từ bên ngoài, thì trục ra của bộ kết hợp công suất sẽ dễ dàng tìm đến một điểm làm việc ổn định A nào đó trên đồ thị (có thể gọi là
một chế độ dừng của cả hai nguồn động lực: ĐCĐ và ĐCĐT) đáp ứng sự cân bằng
của mô men cản và lúc này mô men trục ra tại A giá trị thỏa mãn biểu thức (2.4) tức
là: 𝑀𝑟𝑎𝐴 =𝑀𝐴𝐷
𝑘1 =𝑀𝐴𝑁 𝑘2
Tương ứng với tốc độ thỏa mãn biểu thức (2.3): 𝑛𝐴
𝑟𝑎= 𝑛𝐴
𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝐴 𝑁. 𝑘2
Vì vậy, đây là vùng làm việc ổn định của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ.
• Khi nDvà nN < n0: Giá trị 𝑴𝑫
𝒌𝟏 lớn trong khi 𝑴𝑵
𝒌𝟐 nhỏ trục ra bộ kết hợp công suất không thể tìm đến được một điểm làm việc ổn định nào để có thể thỏa mãn tỉ lệ về mô men giữa hai nguồn động lực theo biểu thức (2.4) ở trên. Đây là vùng làm việc không ổn định của bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ. Ngoài ra ta còn nhận thấy rằng:
+ Ta xét khi nn < na:
Khi ta bắt đầu nhấn ga để làm chuyển động ô tô, ở thời điểm này tốc độ nra=
0, ĐCĐ phát ra mô men MD, thì ở trục vào bộ kết hợp công suất từ phía ĐCĐT vẫn
chưa tạo được mô men, do trong giai đoạn này nN chưa đạt đến tốc độ vòng quay na
= 0 (na = 0 là tốc độ vòng quay mà ĐCĐT bắt đầu truyền mô men đến trục vào bộ
kết hợp công suất thông qua ly hợp). Trong lúc đó, mô men cản (lúc ô tô bắt đầu chuyển động) của trục ra khá lớn, theo đặc tính của bộ vi sai, mô men từ mô tơ điện sẽ làm quay ngược bánh răng dẫn động từ nguồn ĐCĐT. Điều này có thể giải thích bằng biểu thức (2.3), do nra = 0 nên: 𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 = 0
Vậy: 𝑛𝐷. 𝑘1= −𝑛𝑁. 𝑘2 (Đây là điều bất hợp lý cần phải tránh) + Ta xét tiếp khi na nNn0:
36 Lúc này do 1 D M k lớn so với 2 N M
k , MD có khuynh hướng giảm xuống để có thể
đảm bảo tỉ lệ mô men giữa hai nguồn theo biểu thức (2.4). Theo đồ thị Hình 2.13, để
D
M giảm xuống thì nDphải tăng lên, nhưng để đảm bảo biểu thức (2.3), trong lúc nra
chưa thay đổi thì nN phải giảm xuống, vì vậy ĐCĐT bị cưỡng bức chuyển về trạng
thái làm việc không ổn định. Đây cũng là điều mà ta cần phải tránh.
Vì thế, ta phải tìm cách giải quyết để bộ kết hợp công suất có thể làm việc ổn định ở phạm vi tốc độ khi nD và nN ≤ n0.
Các phương pháp để bộ kết hợp làm việc ổn định:
• Phương pháp kỹ thuật số:
ĐCĐT và trục ra của bộ kết hợp công suất. ĐCĐT được thiết kế chỉ hoạt động ở vùng có hiệu suất cao nhất và bộ xử lý trung tâm sẽ điều khiển ĐCĐ để luôn cung cấp một mô men thỏa mãn biểu thức:
𝑀𝐷
𝑘1 = 𝑀𝑟𝑎 =𝑀𝑁
𝑘2 (2.5)
Với phương pháp này chân ga của xe sẽ không tác dụng trực tiếp vào bướm ga, mà chân ga chỉ có chức năng đưa tín hiệu vào bộ xử lý trung tâm, sau khi nhận và xử lý thông tin, bộ xử lý thông tin sẽ đưa ra các tín hiệu để điều khiển ĐCĐ và ĐCĐT [10,26,30].
• Phương pháp dùng khớp nối một chiều:
Theo phân tích ở trên:
- Trong vùng hoạt động ổn định: khi nD và nn > n0, nN > nD;
- Trong vùng hoạt động không ổn định: khi nDvà nN<n0. Lúc nn < na và na < nN < n0;
- nN đều có khuynh hướng bị giảm xuống tạo nên tình trạng mất ổn định của
ĐCĐT (trong vùng này nN < nD).
Như vậy, việc cần làm là không để xảy ra tình trạng nNbị giảm xuống, tức là
phải cưỡng bức tốc độ nN theo nD, điều này có thể được giải quyết bằng cách bố trí thêm khớp một chiều (được lắp đặt để nối trục ĐCĐ với bánh răng dẫn động từ ĐCĐT). ĐCĐ và ĐCĐT sẽ phối hợp với nhau theo hai giai đoạn:
- Khi nD và nN < n0:
Khớp một chiều sẽ làm việc, nối cứng tốc độ hai nguồn động lực (có tác dụng hoàn toàn giống như bộ kết hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ). Khi đó:
{𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷 = 𝑛𝑁
𝑀𝑟𝑎 = 𝑀𝐷+ 𝑀𝑁 (2.6)
- Khi nD và nN > n0:
Khi khớp một chiều sẽ không còn làm việc, hộp vi sai sẽ phát huy tác dụng kết hợp theo kiểu vi sai tốc độ hai nguồn động lực. Lúc này:
37 { 𝑛𝑟𝑎 = 𝑛𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝑁. 𝑘2 𝑀𝑟𝑎 =𝑀𝐷 𝑘1 =𝑀𝑁 𝑘2 (2.7)
Với phương pháp này, chân ga của xe sẽ cùng một lúc điều khiển việc dẫn động trực tiếp bướm ga ĐCĐT và bộ điều khiển tốc độ ĐCĐ. Ta nhận thấy, phương pháp kỹ thuật số là rất hiệu quả trong việc phối hợp hai nguồn động lực nhưng lại rất phức tạp trong việc thiết kế, chế tạo, đặc biệt là phải có đường đặc tính ngoài và các đường đặc tính bộ phận mô men – tốc độ của ĐCĐ và ĐCĐT. Phương pháp dùng khớp một chiều đơn giản về kết cấu nhưng vẫn bảo đảm giải quyết trở ngại khi bộ kết hợp công suất làm việc trong vùng nD và nN < n0, vì thế NCS chọn phương pháp bố trí thêm một khớp một chiều để nối trục ĐCĐ với bánh răng dẫn động của ĐCĐT. Thực tế là khi lắp thêm khớp một chiều vào bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, kể từ lúc khởi động ô tô, khớp một chiều sẽ bắt đầu làm việc, nối cứng hai nguồn động lực. Sự làm việc này của khớp một chiều sẽ luôn xảy ra (do nN < nD) và chỉ bắt đầu chấm dứt ngay khi nD và nN vừa đủ lớn hơn n0 (tức là khi nN> nD). Lúc này, bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ đã có đủ điều kiện để tìm đến một điểm làm việc ổn định khác thoản mãn biểu thức (2.3) và (2.4), có thể biểu diễn bằng điểm B trên đồ thị Hình 2.13 (điểm B là điểm có nD và nN vừa đủ lớn hơn n0) mà ở đó:
{𝑀𝑟𝑎 𝐵 =𝑀𝐵𝐷 𝑘1 =𝑀𝐵𝑁 𝑘2 𝑛𝐵 𝑟𝑎 = 𝑛𝐵 𝐷. 𝑘1+ 𝑛𝐵 𝑁. 𝑘2 (2.8)
Dễ dàng thấy trên đồ thị Hình 2.13 là tại điểm B khớp một chiều đã không còn làm việc, bộ kết hợp công suất kiểu vi sai bắt đầu phát huy tác dụng, kết hợp vi sai tốc độ độc lập của hai nguồn ĐCĐ và ĐCĐT. Tùy theo giá trị của mô men cản, bộ kết hợp sẽ tìm đến các điểm làm việc tương tự như điểm B, tức thỏa mãn biểu thức về quan hệ mô men và tốc độ giữa các trục ra và các trục vào (biểu thức 2.3 và 2.4). Trên đồ thị mô men – tốc độ (ứng với một chế độ tải nào đó của ĐCĐ và ĐCĐT), điểm O là điểm kết thúc quá trình làm việc của khớp một chiều và là điểm bắt đầu quá trình phát huy tác dụng của hộp vi sai, bộ kết hợp công suất. Trong các trường hợp khác, khi đồ thị 𝑀𝐷
𝑘1 và 𝑀𝑁
𝑘2 theo tốc độ không thuộc dạng như đã mô tả ở Hình 2.13
(tức là khi đường 𝑀𝐷
𝑘1 cắt 𝑀𝑁
𝑘2 trước và sau cực đại của 𝑀𝑁 𝑘2):
- Bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ cũng sẽ có 2 vùng làm việc ổn định
và không ổn định giống như trường hợp đồ thị Hình 2.13, ngoài ra sẽ tồn tại thêm một vùng đệm trung gian giữa hai vùng nói trên.
- Khi bố trí thêm khớp một chiều, thì khớp một chiều sẽ vẫn có tác dụng khắc
phục được vùng làm việc ổn định như trường hợp đồ thị Hình 2.13. Chỉ khác là điểm kết thúc quá trình làm việc của khớp một chiều là bắt đầu quá trình phát huy tác dụng
của hộp vi sai thường không nằm tại điểm O (điểm giao nhau của hai đường 𝑀𝐷
𝑘1và
𝑀𝐷
𝑘2) như đối với Hình 2.13, mà sẽ là tập hợp những điểm khác nằm trong vùng đệm.
Tuy nhiên, việc phân tích vùng đệm này rất phức tạp, chưa có điều kiện để đi sâu nghiên cứu.
38
Như vậy, khi sử dụng bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ, ứng với các dạng đồ thị 𝑀𝐷
𝑘1 và 𝑀𝑁
𝑘2 theo tốc độ khác nhau đều tồn tại vùng làm việc không ổn định và
chúng ta có thể sử dụng khớp một chiều để khắc phục vùng làm việc không ổn định này.
Khi bố trí thêm khớp một chiều vào bộ kết hợp công suất kiểu vi sai tốc độ ta cũng có thể xem đây là một biến thể khác của bộ kết hợp kiểu hỗn hợp, trong đó ly hợp được thay bằng khớp một chiều hay còn gọi là ly hợp một chiều (One Way Clutch). Như vậy bộ kết hợp công suất thiết kế tuy có kết cấu đơn giản nhưng vẫn có được ưu điểm của bộ kết hợp công suất kiểu hỗn hợp. Ở tốc độ thấp, khớp một chiều làm việc nối cứng 2 nguồn động lực, mô men kéo có giá trị lớn, xe có khả năng leo dốc và tăng tốc cao. Ở tốc độ lớn hơn sau đó, khớp một chiều không còn làm việc, hộp vi sai phát huy tác dụng, kết hợp linh hoạt tốc độ độc lập của ĐCĐ và ĐCĐT cho