- Sử dụng mô tơ đặt trong bánh xe (Hubmotor). + Ưu điểm:
Hệ thống truyền lực đơn giản
Bỏ qua mất mát công suất do hệ thống truyền lực trung gian gây ra. + Nhược điểm:
Tăng khối lượng bánh xe chủ động dẫn tới khối lượng không được treo tăng.
- Sử dụng mô tơ rời truyền động qua bộ truyền xích. + Ưu điểm:
Linh hoạt trong việc bố trí hệ thống truyền lực.
Tăng khả năng êm dịu của xe khi hoạt động.
Dễ dàng bảo trì sử chữa khi có sự cố. + Nhược điểm:
Mất mát công suất do hệ thống truyền lực trung gian gây ra.
Thường xuyên bảo trì bảo dưỡng. Kết luận:
- Dựa vào ưu nhược điểm phân tích bên trên kết hợp tiêu chí đặt ra ban đầu, chọn mô tơ rời.
- Động cơ điện một chiều không chổi than có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ moment/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao, vận hành nhẹ nhàng thậm chí ở tốc độ thấp, có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn, hiệu suất cao, kết cấu gọn, vận hành ở tốc độ cao .
34
Hình 3.11: Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC motor). 3.4.2. Chọn phương án và tính toán tỉ số truyền.
Để tăng tính ổn định cho xe ở dãy tốc độ cao. Tăng tính thể thao trong thiết kế Sử dụng Động cơ điện một chiều không chổi than (Brushless DC motor). Mô tơ sử dụng bộ truyền xích dẫn động qua bánh xe chủ động phía sau.
Tính toán tỉ số truyền.
Chọn hệ thống truyền lực 1 cấp tốc độ (vì đặc tính motor gần với đặc tính lý tưởng của xe), chọn tỉ số truyền thỏa mãn yêu cầu tăng tốc cực đại sau đó tính vận tốc cực đại.
Dựa vào số vòng quay (n) ứng với công suất (P) tại từng thời điểm của bảng tra thực nghiệm của mô tơ 4500W. [6]
Sau đó áp dụng phương trình cân bằng lực kéo: [1] FK = Ff+ Fi+ Fω+ Fj FK =Me∗ih∗ηtl
rbx ; Ff = m ∗ g ∗ f ∗ cos α; Fi = m ∗ g ∗ sin α; Fj = m ∗ j Fω = 0.5 ∗ p ∗ CD∗ A ∗ v2
Trong đó:
FK là lực kéo tiếp tuyến tại bánh xe chủ động (N).
Ff là lực cản lăn giữa bánh xe và mặt đường (N).
Fi là lực cản leo dốc (N).
35
m là tổng khối lượng của xe (kg).
g là gia tốc trọng trường (m/s2). f là hệ số cản lăn. j là gia tốc tức thời (m/s2). α là góc dốc. p là mật độ không khí (kg/m3). CD là hệ số cản khí động học. A là diện tích cản gió (m2). v là vận tốc của xe (m/s). ih là tỉ số truyền.
ηtl là hiệu suất truyền lực.
rbx là bán kính của bánh xe chủ động (m).
Trường hợp xe chạy ở đường bằng với α = 0, chạy ổn định với gia tốc không đổi j = 0. Lúc này phương trình trở thành: [1]
FK = Ff+ Fω= m ∗ g ∗ f+0.5 ∗ p ∗ CD∗ A ∗ v2 Me∗ih∗ηtl
rbx = m ∗ g ∗ f+0.5 ∗ p ∗ CD∗ A ∗ v2 Lấy dạo hàm phương trình của v theo thời gian dv= Me∗ih∗ηtl
rbx − m ∗ g ∗ f - 0.5 ∗ p ∗ CD∗ A ∗ v2 Giải phương trình vi phân trong từng tỉ số truyền theo thời gian v(ih,t+1)= v(ih, t) + dt ∗ dv
Để thuận lợi cho việc tính toán, ta đưa phương trình vào Matlab cho chạy từng giá trị tỉ số truyền theo miền thời gian và tỉ số truyền đạt yêu cầu theo mong muốn. Sau tính toán ta được kết quả như bảng sau đây:
36
Bảng 3.3: Bảng tỉ số truyền ứng với thời gian đạt được vận tốc.
Hình 3.12:Đồ thị tỉ số truyền tăng tốc lên 50km/h.
Các đường trong đồ thị biểu diễn khả năng tăng tốc với tỉ số truyền tương ứng. Vậy tỉ số truyền đạt với gái trị trên 6 (trường hợp này coi hiệu suất truyền xích là 100%). Để đạt tối ưu về truyền động, chọn tỉ số truyền nằm trong khoảng 6-8 . Sau khi tính toán xích ,chọn tỉ số truyền chính xác.
Thời gian Tỉ số truyền 5 5.5 6 6.5 7 6 10.64 11.65 12.66 13.65 14.63 6.2 11.00 12.05 13.09 14.11 15.12 6.4 11.36 12.45 13.52 14.57 15.61 6.8 11.73 12.84 13.95 15.03 16.10 7 12.09 13.24 14.37 15.49 16.59 7.2 12.45 13.63 14.80 15.95 17.08 7.4 12.81 14.03 15.22 16.40 17.56 7.6 13.17 14.42 15.65 16.86 18.05 7.8 13.53 14.81 16.07 17.31 18.53 8 13.89 15.21 16.50 17.77 19.01
37
3.4.3. Tính toán bộ truyền xích.
Sau khi tính tính toán xong tỉ số truyền thì ta tiến hành tính bộ truyền xích. Với tỉ số truyền nằm trong khoảng từ 6 đến 7 ta chọn tỉ số truyền 𝑢 = 6. [3]
Số răng của đĩa xích chủ động: 𝑍1 = 29 − 2 ∗ 𝑢 = 29 − 2 ∗ 6 = 17 răng.
Số răng của đĩa xích bị động: 𝑍2 = 𝑢 ∗ 𝑍1 = 6 ∗ 17 = 102 răng.
Với số vòng quay cực đại của motor là 4489 vòng/phút thì ta chọn bước xích 𝑝 = 12.7 𝑚𝑚. [5]
Khoảng cách trục của hai đĩa xích 𝑎 = (30 … 50) ∗ 𝑝 ở đây ta chọn 𝑎 = 40 ∗ 𝑝 = 508 𝑚𝑚. Số mắt xích: 𝑥 =2∗𝑎 𝑝 +𝑍1+𝑍2 2 +(𝑍2−𝑍1)2∗𝑝 4∗𝜋2∗𝑎 =2∗508 12.7 +17+102 2 +(102−17)2∗12.7 4∗𝜋2∗12.7 = 144.07. Chọn 𝑥 = 144 mắt xích.
Tính toán lại khoảng cách trục của hai đĩa xích sau khi tính số mắt xích : 𝑎′ = 0.25 ∗ 𝑝 ∗ {𝑥 − 0.5 ∗ (𝑍1+ 𝑍2) +
√[𝑥 − 0.5 ∗ (𝑍1+ 𝑍2)]2− 2 ∗(𝑍2−𝑍1)2
𝜋2 } = 0.25 ∗ 12.7 ∗ {144 − 0.5 ∗ (17 +
102) + √[144 − 0.5 ∗ (17 + 102)]2− 2 ∗(102−17)2
𝜋2 } = 507.45 𝑚𝑚.
Để xích không chịu lực căng quá lớn thì ta giảm 𝑎′ một lượng ∆𝑎 = (0.002 … 0.004)𝑎 nên 𝑎′ = 505.92 𝑚𝑚.
Đường kính vòng chia đĩa xích nhỏ: 𝑑1 = 𝑝 𝑠𝑖𝑛𝜋
𝑍1
= 12.7
𝑠𝑖𝑛17𝜋 = 69.11 𝑚𝑚.
Đường kính vòng chia đĩa xích nhỏ: 𝑑2 = 𝑝 𝑠𝑖𝑛𝜋 𝑍2 = 12.7 𝑠𝑖𝑛102𝜋 = 412.4 𝑚𝑚. Vận tốc xích: 𝑣 = 𝑍1∗𝑝∗𝑛1 60∗1000 =17∗12.7∗4489 60∗1000 = 16.15 𝑚/𝑠. Lực căng xích nhánh dẫn:𝐹1 = 𝐹0+ 𝐹𝑣+ 𝐹𝑡 = 𝑘𝑓∗ 𝑞𝑚∗ 𝑎 ∗ 𝑔 + 𝑞𝑚∗ 𝑣2+ 2∗𝑇 𝑑1 = 6 ∗ 0.65 ∗ 0.50592 ∗ 9.81 + 0.65 ∗ 16.152+ 2∗20.8 0.06911 = 790.83 𝑁. Trong đó:
38 + 𝐹𝑣 là lực căng phụ do lực ly tâm (N).
+ 𝐹𝑡 là lực vòng do quá trình truyền momentt xoắn gây ra (N). + 𝑞𝑚 là khối lượng 1m xích (𝐾𝑔/𝑚).
+ 𝑘𝑓 là hệ số phụ thuộc độ võng của xích ( bộ truyền nằm ngang nên 𝑘𝑓 = 6. + 𝑔 là gia tốc trọng trường (𝑚/𝑠2).
+ 𝑇 là moment cực đại (𝑁. 𝑚).
+ 𝑑1 là đường kính vòng chia đĩa xích nhỏ (mm).
Va đập trong bộ truyền xích: 𝑖 =𝑍1∗𝑛1 15∗𝑥 =17∗4489 15∗144 = 35.33 ≤ [15 ÷ 60] thỏa mãn. Kiểm nghiệm xích về độ bền: 𝑠 = 𝑄 𝑘đ∗𝐹𝑡+𝐹0+𝐹𝑣= 18.2∗1000 1.2∗601.93+19.35+169.53 = 19.97 thỏa mãn điều kiện 𝑠 ≥ [𝑠] = 7 ÷ 19.
39
3.4.4. Độ dốc cực đại mà xe leo được.
Hình 3.13: Trường hợp leo dốc.
Sử dựng phương trình cân bằng lực kéo trong trường hợp này: [1] 𝐹𝐾 = 𝐹𝑓+ 𝐹𝑖+ 𝐹𝜔 + 𝐹𝑗
Vì xe leo dốc vận tốc khá nhỏ và vận tốc không đổi nên coi 𝐹𝜔 = 0 và Fj = 0. Phương trình trở thành: FK = Ff+ Fi = m ∗ g ∗ f ∗ cos αmax+ m ∗ g ∗ sin αmax
FK = Ff+ Fi = m ∗ g ∗ f ∗ cos αmax+ m ∗ g ∗ sin αmax =Memax∗ itl∗ηtl rbx cos α = 1
√1+tan2α và sin α = tan α
√1+tan2α đặt i = tan a Ta được: Memax∗itl∗ηtl rbx = m ∗ g ∗ (f ∗ 1 √1+i2+ i √1+i2) = 20.8∗6∗0.9 0.2999 Đối với xe có một người ngồi tổng khối lượng là 165 kg thì:
Giải phương trình ra ta được i = 0.217 và i = −0.255 nên αmax = 12.24° Đối với xe có hai người ngồi tổng khối lượng là 230 kg thì:
Giải phương trình ra ta được i = 0.149 và i = −0.186 nên αmax = 8.47°
3.4.5. Vận tốc cực đại xe đạt được.
Ứng với số vòng quay cực đại của motor n = 4489 vòng/phút thì ta sẽ tính được vận tốc cực đại của xe: [1]
Vmax =ω∗rbx
itl =π∗n∗rbx
30∗itl =π∗4489∗0.2999
40 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
4.1. Giới thiệu phần mềm Matlab.
MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao. MATLAB cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát. Các dữ liệu vào của MATLAB có thể được nhập từ "Command line" hoặc từ "mfiles", trong đó tập lệnh được cho trước bởi MATLAB. MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn. Người dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thể. Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn (dùng lệnh help).Trong matlab có phần simulink, phần này chứa các khối của xe dùng cho việc mô phỏng một chiếc xe ngoài thực tế bằng cách liên kết chúng lại với nhau theo ý đồ của bản thân để lấy được các kết quả mong muốn.
Sau khi tính toán các thông số của xe, chọn motor điện và thiết kế hệ thống truyền lực thì bước tiếp theo là tiến hành mô phỏng những thông số đó trên Simulink trong phần mềm matlab bằng cách xây dựng các khối mô tả các bộ phận của xe sau đó liên kết chúng lại thành một hệ thống hoàn chỉnh sao cho hệ thống chiếc xe hoàn chỉnh và giống với thực tế nhất.
Sau khi xây dựng xong được chiếc xe bằng các khối trên Simulink thì ta có thể lấy ra được những kết quả về động lực học của xe motor điện như sau:
Khả năng tăng tốc.
Tốc độ cực đại của xe.
Khả năng leo dốc.
Khả năng chạy theo các chu trình chạy thử trên thế giới.
Ngoài ra chúng ta còn thu được các thông số quan trọng gần giống với thực tế như:
Lực kéo tại bánh xe chủ động sau khi mất mát đường truyền công suất.
Số vòng quay của bánh xe chủ động ứng với từng thời điểm.
41
4.2. Các khối cơ bản sử dụng để mô phỏng xe.
Bảng 4.1: Các khối cơ bản trong Simulink để mô phỏng xe.
Các khối trong Simulink
Biểu tượng của khối Đặc tính
Servomotor Khối đại diện cho một mô tơ
trong thực tế. thông số được nhập vào trong mô tơ.
Chân Tr là moment mong muốn để mô tơ hoạt động Chân C và R là các cổng bảo toàn quay cơ học kết nối cảm biến với đường có mô-men xoắn
PS-Simulink Converter
Chuyển đổi tín hiệu vật lý đầu vào thành tín hiệu đầu ra Simulink.
Simulink-PS Converter
Chuyển đổi tín hiệu đầu vào Simulink thành tín hiệu vật lý.
Mechanical Rotational Reference
Khối tham chiếu xoay cơ học biểu thị một điểm tham chiếu hoặc khung cho tất cả các cổng quay cơ học. Tất cả các cổng quay được kẹp chặt vào khung (mặt đất) phải được kết nối với khối tham chiếu xoay cơ học
42 Ideal Torque
Source
Khối đại diện cho một nguồn mô-men lý tưởng tạo ra mô-men xoắn tại các cực của nó tỷ lệ với tín hiệu vật lý đầu vào. Nguồn này lý tưởng theo nghĩa là nó được giả định là đủ mạnh để duy trì mô-men xoắn quy định bất kể vận tốc góc tại các cực nguồn.
Kết nối khối R và C là các cổng bảo toàn quay cơ học. Cổng S là cổng tín hiệu vật lý, thông qua đó tín hiệu điều khiển nguồn được áp dụng. Tín hiệu tại cổng S tạo ra mô- men xoắn tác động từ C đến R
1-D Lookup Table Chức năng của khối Lookup
Table là lấy giá trị thực hiện tra trong bảng nhập vào khối. Từ đó, tra ra giá trị tương ứng với giá trị cần tra.
Memory Khối bộ nhớ giữ và trì hoãn
đầu vào của nó bằng một bước thời gian tích hợp chính, nó giữ và trì hoãn đầu vào của nó bằng một vòng lặp, khối này chấp nhận tín hiệu liên tục và rời rạc với đầu ra là giá trị đầu vào trước đó.
43 Ideal Torque
Sensor
Khối đại diện cho một cảm biến mô-men xoắn lý tưởng, nghĩa là một thiết bị chuyển đổi một biến đi qua cảm biến thành tín hiệu điều khiển tỷ lệ với mô-men xoắn với một hệ số tỷ lệ xác định. Cảm biến là lý tưởng vì nó không tính đến quán tính, ma sát, độ trễ, tiêu thụ năng lượng.
Cổng R và C là các cổng bảo toàn quay cơ học kết nối cảm biến với đường có mô-men xoắn. Cổng T là cổng tín hiệu vật lý đưa ra kết quả đo của momentt xoắn. Hướng đường truyền của cảm biến là từ cổng R đến cổng C.
Gain Khối này cho phép nhân số
đầu vào với một giá trị là hằng số nhập vào ô Gain
Divide Khối này cho phép ta nhân
hay chia từ các đầu vào một cách dẽ dàng bằng việc nhập phép nhân hay chia vào ô number of inputs
44 Ideal Rotational
Motion Sensor
Khối này đại diện cho một cảm biến chuyển động quay lý tưởng, nghĩa là nó là một thiết bị cảm biến được đo giữa hai nút quay cơ học thành tín hiệu điều khiển tỉ lệ thuận với tốc độ góc hoặc góc.
Cổng R và C là các cổng bảo toàn quay cơ học và các cổng W và A lần lượt là các cổng đầu ra tín hiệu vật lý cho vân tốc và chuyể vị góc. Ngoài ra ta còn có thể chọn vị trí góc ban đầu của khối cảm biến này ứng với các đơn vị rad, deg và rev.
Disc Brake Khối này đại diện cho một
cái phanh đĩa gồm một xy lanh tạo áp lực và một hay nhiều má thắng, áp suất từ xy lanh này làm cho các má thắng ép vào đĩa thắng tạo ra momentt ma sát.
Chân S là chân liên kết với trục quay của bánh xe.
Chân P là chân đại diện cho áp lực phanh với đơn vị áp suất là bar.
45
Tire Đây là khối thể hiện cho
bánh xe của phương tiện muốn mô phỏng. Khối này được xây dựng từ sự tương tác giữa lốp xe, các khối bánh xe và trục của bánh xe của thư viện simscape.
Chân A là chân quay cơ học cho trục của bánh xe.
Chân H là chân truyền lực đẩy tới thân xe theo phương dọc.
Chân N là chân đầu vào tín hiệu vật lý các lực tác dụng lên bánh xe.
Chân S là chân đầu ra tín hiệu vật lý báo cáo độ trượt của bánh xe
Scope Khối này cho phép xuất ra
kết quả mà ta mong muốn từ đầu vào và khối này nhận tín hiệu đầu vào là tín hiệu số. Khi đi vào trong thì khối này thể hiện giá trị bằng đồ thị với trục hoành là thời gian và trục tung là giá trị của tín hiệu số đầu vào.
46
Vehicle body Đây là khối thể hiện cho
bánh xe của phương tiện muốn mô phỏng. Khối này được xây dựng từ sự tương tác giữa lốp xe, các khối bánh xe và trục của bánh xe của thư viện simscape.
Chân A là chân quay cơ học cho trục của bánh xe.
Chân H là chân truyền lực đẩy tới thân xe theo phương dọc.
Chân N là chân đầu ra tín hiệu vật lý các lực tác dụng lên bánh xe.
PS Product Khối này giúp nhân tín hiệu
của hai đầu vào và tất cả tín hiệu đầu vào đều là tín hiệu vật lý.
Abs Khối này xuất ra giá trị tuyệt
đối của tín hiệu đầu vào
Chain Drive Đây là khối đại diện cho bộ
truyền động xích với tỉ số truyền là tỉ lệ bán kính A của đĩa xích so với bán kính của đĩa xích B.
47
Cổng A và cổng B là cổng quay cơ học liên qua tới đĩa xích A và đĩa xích B.
Mux Khối này cho phép kết hợp
so sánh hai hoặc nhiều tín hiệu đầu vào thành một tín hiệu đầu ra duy nhất vì thế nên tất