4.1.1. Tính toán và chọn công suất máy điện (MG2)
Muốn tính toán công suất chính xác và lựa chọn hợp lý động cơ điện ô tô thiết kế ta thực hiện những bƣớc sau:
Bƣớc 1: Chọn sơ bộ các khối lƣợng thành phần.
1.Khung vỏ và cơ cấu truyền lực : 820 (kg) 2.Trọng lƣợng động cơ : 565 (kg) 3.Trọng lƣợng bình điện : 80 (kg) 4.Trọng lƣợng ngƣời (bốn ngƣời) và hành lý: 480 (kg) Chú ý: Quy ƣớc mỗi ngƣời nặng 80 (kg) và đƣợc mang theo hành lý nặng 40(kg)
Tổng cộng: 1945 (kg)
G = 19080,45 (N)
Bước 2: Khảo sát các lực cản tác dụng lênô tôkhi vận hành
Pi=Gsin L b a T D v Pw Pj G Gcos Z2 Pf2 Pf1 Z1
Trong đó: G - Trọng lƣợng toàn bộ của ô tô; Pf1 - Lực cản lăn ở bánh xe chủ động; Pf2 - Lực cản lăn ở bánh xe bị động; Pw - Lực cản không khí;
Pi - Lực cản lên dốc;
Pj - Lực cản quán tính của ô tô khi chuyển động;
Z1, Z2 - Phản lực pháp tuyến của mặt đƣờng tác dụng lên các bánh xe ở cầu trƣớc và cầu sau.
Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực cản tổng cộng Pc dùng để thắng lực cản lăn của mặt đƣờng Pf, lực cản dốc Pi, lực cản không khí Pw và lực cản quán tính khi tăng tốc Pj.
Phƣơng trình cân bằng lực đƣợc viết nhƣ sau:
Pc = Pf + Pi + Pw + Pj [4-1] Khi ô tô đạt tốc độ cực đại không còn khả năng tăng tốc Pj = 0, trên đƣờng nằm ngang Pi = 0 ta đƣợc công thức sau:
Pc = Pf + Pw [4-2] * Tính lực cản lăn đƣợc:
Pf = f.G [4-3] Trong đó: f-Hệ số cản lăn;
G-Tổng tải trọng của xe; G = 19080,45 (N);
Chọn mặt đƣờng mà ô tô di chuyển là mặt đƣờng Bêtông nhựa và Bêtông Xi-măng, trạng thái đƣờng tốt. f0 0,012 0,018
Chọn f0 = 0,018; f0-Gía trị trung bình hệ số cản lăn;
Ta có: 4 0 4,56.10 2800 39 32 018 , 0 2800 32 V f f
Chọn ô tô chạy với MG2 với tốc độ lớn nhất: Vmax = 140 (km/h) = 39 (m/s).
* Tính lực cản không khí 14 90 m m 1725 mm 1510 mm Hybrid 1480 mm Hybrid 4450 mm 2700 mm
Hình 4-2: Sơ đồ xác định diện tích cản chính diện của ô tô
Theo công thức thực nghiệm lực cản không khí đƣợc tính theo công thức sau: 2
. .FV K
Pw [4-4] Trong đó: K-Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào dạng ô tô và chất lƣợng bề mặt của nó, phụ thuộc vào mật độ không khí, (Ns2
/m4);
F-Diện tích cản chính diện của ô tô, nghĩa là diện tích hình chiếu của ô tô trên mặt phẳng vuông góc với trục dọc của chúng, (m2);
V-Tốc độ tƣơng đối giữa ô tô và không khí, (m/s). Tích số KF đƣợc gọi là nhân tố cản không khí, ký hiệu W:
- Hệ số cản khí động K: 0,2 0,35 , (Ns2/m4). Chọn K = 0,3 (Ns2/m4) - Nhân tố cản khí động W: 0,3 0,9 , (Ns2/m2)
Đây là ô tô con và dựa vào các thông số kích thƣớc của ô tô mẫu Prius nên diện tích cản chính diện (F) đƣợc tính gần đúng theo biểu thức sau:
F = 0,88.B0.H [4-6] Trong đó: B0-Chiều rộng lớn nhất của ô tô thiết kế, B0 = 1,725 (m);
H-Chiều cao lớn nhất của ô tô thiết kế, H = 1,490 (m).
Vậy ta có: F 0,88.1,725.1,490 2,262 (m2) Ta có: W K.F 0,3.2,262 0,679 (Ns2/m2) W 0,679 (Ns2/m2) Thỏa điều kiện.
Vậy: Pw W.V2 0,679.392 1032,76 (N) Từ những tính toán trên, thay các giá trị vừa tính đƣợc vào công thức:
Pc = Pf + Pw
Pc = 8,7 + 1032,76 = 1041,46 (N) Trƣờng hợp này đều có lực cản nhỏ và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Ta tính trƣờng hợp ô tô chạy ở tốc độ lớn nhất (Chỉ chịu tác dụng của lực cản lăn và lực cản không khí), để xác định công bằng công suất cho động cơ điện khi ô tô hoạt động ở tốc độ cực đại, Vmax = 39 (m/s), khi đó:
Nev Pc.V 1041,46.39 40616,94 (W) * Công suất máy điện (MG2)
Ta có công suất động cơ điện lúc này là:
t ev đ N N 2 [4-7] Trong đó: t- Hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn t=0,93.
Ta có: 43674,13 93 , 0 94 , 40616 2 t ev đ N N (W) Nđ2 = 43,67 (kW) Chọn công suất động cơ điện (MG2): Nđ2 = 50 (kW)
Bảng 4-1: Thông số kỹ thuật của MG2 Electric motor 2 50 kW power 67 hp @ 1200-1540 rpm 295 Ib-ft torque @ 0-1200 rpm 500 volt AC operation
Đây là công suất cần thiết của động cơ để ô tô hoạt động tốt và thỏa mãn các lực trên của xe.
Máy điện đƣợc chọn là loại máy điện xoay chiều đồng bộ không chổi than và có thể vừa làm việc ở chế độ động cơ và máy phát khi ô tô giảm tốc hoặc phanh.
4.1.2. Tính toán và chọn công suất động cơ nhiệt Bƣớc 1: Chọn sơ bộ các thông số Bƣớc 1: Chọn sơ bộ các thông số
Trọng lƣợng toàn bộ ô tô kể cả ngƣời lái:
G = 19080,45 (N) Tốc độ cực đại: Vmax = 158 (km/h) = 44 (m/s)
Bƣớc 2: Tính toán công suất động cơ nhiệt
Công suất cần thiết của động cơ nhiệt có thể tạo ra lực cản tổng cộng Pc dùng để thắng lực cản lăn của mặt đƣờng Pf, lực cản dốc Pi, lực cản không khí Pw và lực quán tính khi tăng tốc Pj.
Ta có phƣơng trình cân bằng lực:
Pc = Pf + Pi + Pw + Pj [4-8] Khi đạt tốc độ cực đại không còn khả năng gia tốc Pj = 0, trên đƣờng nằm ngang, Pi = 0.
Ta có: Pc = Pf + Pw [4-9]
* Tính lực cản lăn:
Lực cản lăn đƣợc tính theo công thức:
Pf = f.G [4-10] Trong đó: f-Hệ số cản lăn;
Chọn mặt đƣờng mà ô tô di chuyển là mặt Bêtông nhựa và Bêtông Xi măng, trạng thái đƣờng tốt.
f0 0,012 0,018
Chọn f0 = 0,018 Trong đó: f0-Giá trị trung bình của hệ số cản lăn.
Ta có: 4 0 4,886.10 2800 44 32 018 , 0 2800 32 V f f Vậy: Pf f.G 4,886.10 4.19080,45 9,32 (N) * Tính lực cản không khí:
Theo công thức thực nghiệm lực cản không khí đƣợc tính theo công thức sau: 2
. .FV K
Pw [4-11] Trong đó: K-Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào dạng ô tô và chất lƣợng bề mặt
của nó, phụ thuộc vào mật độ không khí, (Ns2/m4);
F-Diện tích cản chính diện của ô tô, nghĩa là diện tích hình chiếu của ô tô trên mặt phẳng vuông góc với trục dọc của chúng, (m2);
V-Tốc độ tƣơng đối giữa ô tô và không khí, (m/s). Tích số KF đƣợc gọi là nhân tố cản không khí, ký hiệu W:
W = KF (Ns2/m2) [4-12] Hệ số cản khí động K: 0,2 0,35 (Ns2/m4)
Nhân tố cản khí động W: 0,3 0,9 (Ns2/m2) Chọn K = 0,3 (Ns2
/m4)
Đây là ô tô con và dựa vào các thông số kích thƣớc của ô tô mẫu Prius nên diện tích cản chính diện (F) đƣợc tính gần đúng theo biểu thức sau:
F = 0,88.B0.H [4-13] Trong đó: B0-Chiều rộng lớn nhất của ô tô thiết kế, B0 = 1,725 (m);
H-Chiều cao lớn nhất của ô tô thiết kế, H = 1,490 (m).
Vậy ta có: F 0,88.1,725.1,490 2,262 (m2) Ta có: W K.F 0,3.2,262 0,679 (Ns2/m2)
679 , 0
W (Ns2/m2) Thỏa điều kiện.
Vậy: Pw = W.V2 = 0,679.442 = 1314,544 (N) Từ những tính toán trên, thay các giá trị vừa tính đƣợc vào công thức:
Pc = Pf + Pw
Pc = 9,32 + 1314,544 = 1323,86 (N) Trƣờng hợp này đều có lực cản nhỏ và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Ta tính trƣờng hợp ô tô chạy ở tốc độ lớn nhất (Chỉ chịu tác dụng của lực cản lăn và lực cản không khí), để xác định cân bằng công suất cho động cơ nhiệt khi ô tô hoạt động ở tốc độ cực đại của ô tô chọn Vmax = 158 (km/h) = 44 (m/s).
Ta có: Nev = Pc. V = 1323,86.44 = 58249,84 (W) * Công suất động cơ nhiệt.
Công suất tổng của ô tô lúc này đƣợc tính theo công thức:
t ev t N N [4-14]
Trong đó: t- Hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn t= 0,93.
Vậy: 62634,24 93 , 0 84 , 58249 t ev t N N (W) Nt = 62634,24 (W) = 62,634 (kW). Công suất của động cơ đốt trong:
NN = Nt-Nđ1 = 62,634-10 = 52,634 (kW) Chọn công suất động cơ xăng: NN = 57 (kW)
Bảng 4-2: Thông số kỹ thuật của động cơ xăng
Engine
57 kW power
1,5 liter (1,497 cc), 4 cylinder (in line) 16 valve Atkinson-Miller Cycle with VVT-i 76 hp @ 5000 rpm
4.1.3. Chọn công suất máy điện (MG1)
Chọn động cơ điện (MG1) theo điều kiện: - Khởi động động cơ xăng dễ dàng
- Phối hợp công suất tốt với động cơ xăng khi chạy ở tốc độ cao. - Hoạt động ổn định và bền.
Nên ta chọn công suất động cơ điện (MG1): Nđ1 = 10 (kW)
4.1.4. Phân bố tải trọng lên các dầm cầu của ô tô ở trạng thái tĩnh
Đây là ô tô con, theo tài liệu hƣớng dẫn [18] có thể phân bố trọng lƣợng lên cầu trƣớc và cầu sau nhƣ sau:
G1 = G2 = 50%.Ga [4-15] Trong đó:
G1-Trọng lƣợng ô tô đƣợc phân bố lên các bánh xe của dầm cầu phía trƣớc. G2-Trọng lƣợng ô tô đƣợc phân bố lên các bánh xe của dầm cầu phí sau. Nên: G1 = G2 = 50%.Ga = 50%.19080,45 = 9540,225 (N) Nhƣ vậy: G1 = G2 = 9540,225 (N)
4.1.5. Chọn lốp ô tô
* Điều kiện chọn lốp ô tô
Lốp ô tô đƣợc chọn dựa theo các điều kiện sau: - Dựa vào chủng loại ô tô.
- Sức chịu tải của một bánh xe.
- Theo chế độ chuyển động (Vận tốc di chuyển, kết cấu mặt đƣờng). vv… Lốp đƣợc chọn dựa theo biểu thức sau:
bi i bi n G G [4-16]
Trong đó: Gbi-Trọng lƣợng đặt lên một bánh xe dầm cầu chịu tải lớn, (N). Gi = 9540,225 (N)-Trọng lƣợng của ô tô phân bố lên dầm cầu thứ i; Nbi = 2-Số bánh xe ở dầm cầu thứ i chịu tải.
Thế vào biểu thức: 4770,113 2 225 , 9540 bi i bi n G G (N)
* Thông số lốp xe Là ô tô con.
Lốp ô tô phải chịu một tải trọng là: Gbi = 4770,113 (N) Vận tốc tối đa là: Vmax = 44 (m/s) Do đó, đã chọn: 185/65 R 15 Chiều rộng lốp xe: 185 (mm) Chiều cao lốp: 185.65% = 120,25 (mm) Đƣờng kính vành: 25,4.15 = 381 (mm) Bán kính lăn (rbx) của bánh xe đƣợc tính: 310,75 2 381 25 , 120 . 2 bx r (mm) Vậy: rbx = 310,75 (mm) Do điều kiện là thiết kế mô hình nên ta chọn lốp ô tô phù hợp với hình dáng, kích thƣớc của thiết kế mô hình.
4.2. PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT
Để có thể truyền hai nguồn công suất cùng lúc, nhất thiết phải có bộ truyền động phối hợp công suất; qua đó bộ truyền có thể nhận cả hai nguồn động lực hoặc chỉ nhận riêng lẻ một trong hai nguồn động lực trƣớc khi truyền đến cầu chủ động của ô tô.
Sơ đồ bố trí tổng thể hai nguồn động lực (1) và (2) cùng với bộ truyền phối hợp công suất có thể chỉ ra trên hình 4-3.
Hình 4-3: Sơ đồ bố trí tổng thể bộ truyền phối hợp hai nguồn động lực.
Z1 Z2 3 1 2 1 3 2 L1 L2
Trong đó:
1- Nguồn động lực thứ nhất; 2- Nguồn động lực thứ hai; 3- Bộ phối hợp; 1-Tốc độ góc trục quay của nguồn (1); 2-Tốc độ trục quay của nguồn (2); 3-Tốc độ góc trục thứ cấp của bộ phối hợp; Z1, Z2-Số răng của bộ giảm tốc từ nguồn (2) về bộ phối hợp; L1, L2-Các ly hợp tƣơng ứng với các nguồn (1),(2)
Theo sơ đồ hình H4.1, nguồn động lực (1) thông qua ly hợp L1 (ở trạng thái đóng) để truyền công suất đến bộ phối hợp (3). Còn nguồn động lực (2) thông qua ly hợp L2 (ở trạng thái đóng), qua bộ giảm tốc (Z2/Z1) rồi mới truyền công suất đến bộ phối hợp (3). Nhƣ vậy, nguồn công suất (2) có tốc độ cao hơn nguồn (1) mặc dù công suất có thể bằng hoặc khác nhau.
Tỷ số truyền của bộ giảm tốc của nguồn (2):
i21 = (Z2/Z1) = ( 2/ 1). [4-17] Bộ phối hợp công suất (3) có thể có nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên về phƣơng diện truyền động (cả động học và động lực học), có thể phân chia bộ phối hợp công suất (3) ra làm ba kiểu cơ bản sau: kiểu truyền động cơ khí nối cứng tốc độ, kiểu biến đổi mômen xoắn (biến mô) và kiểu vi sai (biến đổi tốc độ).
4.2.1. Bộ phối hợp công suất kiểu truyền động nối cứng tốc độ ( 2 1.i21).
Bộ phối hợp kiểu nối cứng về tốc độ có thể đƣợc chỉ ra trên hình 4-4.
Hình 4-4: Bộ phối hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ ( 2 1.i21).
1 Z2 L1 Z1 L2 K 3 3 2 1 2
Trong đó: 1-Nguồn động lực thứ nhất; 2-Nguồn động lực thứ hai; 3-Trục thứ cấp; K-Khóa; 1-Tốc độ góc trục quay của nguồn (1); 2-Tốc độ góc trục quay của nguồn (2); 3-Tốc độ góc trục thứ cấp của bộ phối hợp; Z1, Z2-Số răng của bộ giảm tốc từ nguồn (2) về bộ phối hợp; L1, L2-Các ly hợp tƣơng ứng với các nguồn
(1),(2).
Theo sơ đồ này, bộ phối hợp công suất chỉ cần trục (3) trên đó gắn khoá K để có thể nối với bánh răng của bộ giảm tốc Z2. Nguồn công suất (2) sau khi qua bộ bánh răng giảm tốc Z2/Z1 cũng có cùng tốc độ với 1 và 3; tức là:
3 1 1 2 2 Z Z [4-18]
* Khi chỉ sử dụng nguồn công suất (1)
Sơ đồ truyền động chỉ sử dụng nguồn động lực (1) nhƣ hình 4-4. Công suất từ nguồn (1) truyền qua ly hợp L1 (trạng thái đóng), rồi truyền thẳng đến trục (3) để đến cầu chủ động với tốc độ góc 3 1. Lúc này khóa K (kiểu ống gài hoặc đồng tốc) chƣa đóng (mở), bánh răng Z2 quay lồng không trên trục (3); tức là nguồn công suất (2) không thể truyền đến trục (3).
* Khi chỉ truyền nguồn công suất (2)
Khi chỉ truyền mỗi nguồn công suất (2) thì ly hợp L1 mở, khóa K đóng để nối bánh răng Z2 với trục (3). Công suất từ nguồn (2) truyền qua ly hợp L2 (đóng), rồi truyền qua bộ giảm tốc (Z2/Z1), qua khóa K (đóng) để đến trục (3). Tốc độ góc trục (3) sẽ bằng: 1 2 2 3 Z Z [4-19]
* Khi truyền động phối hợp cả hai nguồn công suất (1) và (2)
Khi truyền động phối hợp cả hai nguồn động lực (1) và (2) thì cả hai ly hợp L1,
L2 và khóa K đều đóng. Trục (3) sẽ nhận đồng thời hai nguồn công suất (1) và (2). Tuy vậy tốc độ góc trục (3) luôn bằng tốc độ góc của trục (1): 3 1 và tốc độ góc
của trục (2) cũng luôn luôn bị kéo theo tốc độ của trục (1) và trục (3) theo [4-18]; tức là: 1 3
21 2
i [4-20]
Mômen phối hợp lúc này có thể đƣợc xác định bằng phƣơng trình cân bằng công suất truyền đến bộ phối hợp (3):
N1 + N2’ = N3 [4-21]
Trong đó: N1-Công suất nguồn (1) truyền đến bộ phối hợp (3);
N2’-Công suất nguồn (2) truyền đến bộ phối hợp (3); N3-Công suất của bộ phối hợp (3).
Thay công suất bằng tích tốc độ với mômen: Ni = Mi. i (i=1 3) ta có:
M1. 1 + M2’. 2’ = M3. 3 [4-22] Trong đó: M1-Momen xoắn của trục nguồn (1) truyền đến bộ phối hợp (3);
M2’-Momen xoắn nguồn (2) truyền đến bộ phối hợp (3); M3-Momen xoắn của bộ phối hợp (3).
2’-Tốc độ góc của bánh rănh Z2; 1 3 21 2 ' 2 i
Thay biểu thức [4-20] vào [4-22] ta có:
M3 = M1 + M2’ [4-23] Nếu bỏ qua ma sát thì: M2. 2 = M2’. 2’ suy ra M2’= M2.i21
Với M2 là mômen xoắn của trục nguồn (2), i21 là tỷ số truyền của bộ giảm tốc bánh răng từ nguồn (2) truyền đến bộ phối hợp (3) và đƣợc xác định từ [4-17].
Nhận xét: Từ sơ đồ và các quan hệ động lực học ta thấy rằng bộ phối hợp kiểu
nối cứng tốc độ có ƣu điểm là đơn giản về kết cấu. Tuy vậy, bộ phối hợp kiểu này đòi hỏi hai nguồn động lực phải có sự đồng bộ về dải tốc độ làm việc, công suất của hai nguồn không đƣợc lệch nhau nhiều. Ngƣợc lại, có thể xảy ra hiện tƣợng cản trở lẫn nhau, nguồn này là cản của nguồn kia khi tốc độ làm việc chung vƣợt ra ngoài phạm vi tốc độ định mức của một trong hai nguồn.
4.2.2. Bộ phối hợp công suất kiểu biến đổi mômen
Bộ phối hợp công suất kiểu biến đổi mômen cho phép biến đổi một cách linh hoạt tốc độ và mômen từ nguồn công suất (2), sơ đồ đƣợc biểu diễn trên hình 4-5.
Hình 4-5: Bộ phối hợp công suất kiểu biến đổi mômen.
Trong đó: 1-Nguồn động lực thứ nhất, 2-Nguồn động lực thứ hai, 3-Trục thứ cấp, 4-Bánh phản lực, 5-Bánh bơm, 6-Bánh tuốc-bin, K-Khóa. 1-Tốc độ góc trục quay