Hình 2.2: Lực và momen tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động lên dốc, tăng tốc (trong mặt phẳng dọc)
Với:
G - Trọng lượng toàn bộ của ô tô. Fk - Lực kéo tiếp tuyến.
Ff1 - Lực cản lăn của bánh xe bị động. Ff2 - Lực cản lăn của bánh xe chủ động. Fω - Lực cản không khí.
Fi - Lực cản dốc.
Fj - Lực cản quán tính của xe chuyển động không ổn định (có gia tốc). Fm - Lực kéo moóc.
Z1, Z2 - Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe trước, sau. Mf1- Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động. Mf2 - Mômen cản lăn ở các bánh xe chủ động. α - Góc dốc của mặt đường. T- Trọng tâm ô tô. T
2.2.1.1. Trọng lượng
Trọng lượng (G) là lực hút của trái đất tác dụng lên các khối lượng của xe. Trọng lượng có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
G = m.g (2.1)
Trong đó: G - trọng lượng, [N], m - khối lượng của xe, [kg], g - gia tốc trọng trường, [m/s2]. T v hg a b L Gb2 Gb1 A B G
Hình 2.3: Sự phân bố trọng trọng lượng của xe
G - trọng lượng, Gb1 - trọng lượng phân bố trên các bánh xe trước, Gb2 - trọng lượng phân bố trên các bánh xe sau.
Trọng lượng ép các bánh xe xuống mặt đường. Tỷ lệ giữa trọng lượng phân bố trên các bánh xe trước và sau (Gb1/Gb2) phụ thuộc vào vị trí của trọng tâm của xe. Thông thường Gb1/Gb2 50/50 đối với ô tô con.
2.2.1.2. Phản lực của mặt đường
Trong thực tế, cả mặt đường và bánh xe đều không phải là những vật cứng tuyệt đối nên chúng đều biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng của ô tô. Mặt đường và bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên vùng tiếp xúc. Tại mỗi điểm tiếp xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đường. Tổng của tất cả các lực thành phần đó được gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đường (gọi tắt là phản lực của mặt đường). Phản lực của mặt đường có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc.
Để tiện trong nghiên cứu, người ta thường phân tích phản lực của mặt đường thành 3 thành phần: Z, X và Y.
Gb1 Gb1 Fx Fy X1 Y1 Z1 X1 Y1 R1 Gb1 Fx X1 Z1 Z1 a1
Hình 2.4: Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước
Gb1- trọng lượng phân bố trên bánh xe, Fx- lực đẩy từ khung ô tô, Fy- lực ngang, Z1 - phản lực vuông góc, X1 - phản lực tiếp tuyến, Y1 - phản lực ngang,
a1 - khoảng cách giữa tâm tiếp xúc và mặt phẳng ngang của bánh xe.
- Phản lực vuông góc (Z), còn gọi là lực đỡ, là thành phần có phương vuông góc với mặt đường.
Z 1 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe trước, Z 1 = Gb1.cos = G1 Z 2 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe sau, Z 2 = Gb2.cos = G2 - Phản lực tiếp tuyến (X) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng ngang và có phương cùng phương chuyển động của ô tô (phương của trục Ox).
- Phản lực ngang (Y) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng ngang và có phương của trục Oy.
2.2.1.3. Lực cản dốc
Lực cản dốc (Fi) là lực xuất hiện khi xe chuyển động trên đường dốc. Lực cản dốc có phương song song với mặt đường, chiều ngược chiều chuyển động của xe khi xe lên dốc và cùng chiều khi xe xuống dốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
Fi = G. sin (2.2)
Trong đó: dấu (+) ứng với trường hợp xe xuống dốc, dấu (-) khi xe lên dốc.
2.2.1.4. Lực cản lăn
Lực cản lăn (Ff) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và do biến dạng của bánh xe và của mặt đường. Lực cản lăn có phương song song với chiều chuyển động của xe, chiều ngược chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm tiếp xúc.
Trị số của lực cản lăn được xác định bằng biểu thức:
Ff = Ff1 + Ff2 = f1 . Z1 + f2 . Z2 (2.3) Trong đó: Ff - tổng lực cản lăn; Ff1, Ff2 - lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau;
f1, f2 - hệ số cản lăn ở bánh xe trước và ở bánh xe sau; Z1, Z2 - phản lực vuông góc tại các bánh xe trước và sau.
Nếu f1 = f2 = f, ta có: Ff = f.(Z1 + Z2) = f.G.cos
Để thuận tiện trong việc khảo sát động lực học ô tô, người ta thường kết hợp
lực cản lăn và lực cản dốc thành một lực có tên gọi là lực cản của đường (F) như sau: F = Ff Fg = G(fcos sin) = G (2.4) Trong đó: là hệ số cản lăn của đường, = fcos sin
2.2.1.5. Lực cản khí động học
Lực cản khí động học (Fw), còn gọi là lực cản của gió hoặc lực cản của không khí, là lực của không khí tác dụng lên xe khi chuyển động. Lực cản khí động học có phương song song với mặt đường, điểm đặt tại tâm chắn gió. Lực cản khí động học có chiều cùng chiều hoặc ngược chiều chuyển động của xe, tuỳ thuộc vào hướng và tốc độ của gió, tốc độ của xe. Trị số của lực cản khí động học thường được xác định bằng thực nghiệm. Theo [2], lực cản khí động học có thể xác định như sau:
Fw = 0,50CwAf (v v0)2 (2.5) Trong đó: o - mật độ của không khí quanh xe, [kg/m3]; cw - hệ số cản khí động học; Af - tiết diện ngang chắn gió của xe, [m2]; v - vận tốc của xe, [m/s]; vo - vận tốc chính diện của gió, [m/s].
2.2.1.6. Lực quán tính
Lực quán tính (Fj) là lực cần thiết để gia tốc các khối lượng chuyển động của xe. Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của xe thay đổi. Lực quán tính có phương song song với mặt đường, chiều ngược với chiều của gia tốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
Fj = Fj' + Fj'' (2.6) Trong đó: Fj - tổng lực quán tính quy về trọng tâm của xe; F’j- lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến; F’’j- lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay (bánh đà, trục khuỷu, ...); j- gia tốc của xe.
Với: j g G Fj' ; j g G F Fj'' j j'' j j g G F Fj j j' j (2.7)
2.2.1.7. Lực kéo
Lực kéo (Fk) là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động được sinh ra do moment kéo được truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động. Lực kéo có phương song song với mặt đường, chiều cùng chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường.
k t t e k k k r i M r M F (2.8)
Trong đó: Me- momen quay của động cơ, it- tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ động, t- hiệu suất của hệ thống truyền lực , rk- khoảng cách giữa tâm bánh xe chủ động và tâm vùng tiếp xúc.
G b
Z
F Mk F k
Hình 2.5: Sơ đồ biểu diễn lực kéo
Mk: moment kéo, FMk: lực tác dụng lên mặt đường do momen kéo sinh ra, Fk: lực kéo
Để thuận tiện trong phân tích, người ta thường lấy rk rb (bán kính trung bình làm việc của bánh xe chủ động), khi đó:
b k k r M F (2.9)
Lực kéo tiềm năng:
b k r M F' .max max (2.10) Lực kéo cực đại: F r M F b k k .max max . (2.11)
Lực kéo cực đại (Fk.max) bị giới hạn bởi hai yếu tố: momen kéo (Mk) và lực bám giữa các bánh xe chủ động và mặt đường (F).
Ngoài các loại lực và mô men đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực và moment khác tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động, như: Lực ly tâm (Fl), Lực
ngang (Fy), Lực ma sát (Fms), Lực phanh (Fp), Momen phanh (Mp) và Momen quán tính của các bánh xe (Mjb). Trong đó , lực ly tâm là lực chủ yếu làm cho xe chuyển động không ổn định và là nguyên nhân chính gây nên sự nghiêng ngang của thùng xe và làm lật xe khi xe quay vòng.
Trong trường hợp ô tô chuyển động đều (dt/dv = 0) theo một quỹ đạo đường tròn thì góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng sẽ không đổi α= const (dα/dt= 0) lực ly tâm được xác định theo công thức:
2 2 gR Gbv Fjlx (2.12) gR Gv Fjly 2 (2.13) Trong đó: jlx
F - Thành phần lực ly tâm theo phương song song chiều chuyển động.
jly
F - Thành phần lực ly tâm theo phương vuông góc chiều chuyển động. G- Trọng lượng xe (kG).
v- Vận tốc xe (m/s).
R- bán kính quay vòng (m). g- Gia tốc trọng trường (m/s2). b- Chiều rộng cơ sở của xe (m).
Khi ô tô quay vòng, lực Fjl phụ thuộc vào: Khối lượng, bán kính quay vòng và vận tốc chuyển động của ô tô. Để giảm Fjl chúng ta phải giảm vận tốc của ô tô và giảm khối lượng (không được chở quá tải), đồng thời phải tăng bán kính quay vòng.
Trong hai thành phần của Fjl thì thành phần lực ngang Fjly là nguyên nhân chính làm cho ô tô chuyển động không ổn định và gây nên sự nghiêng ngang của thùng ô tô, làm cho ô tô lật đổ.
2.3. Ô tô sử dụng nguồn năng lượng điện, năng lượng mặt trời [13] 2.3.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện 2.3.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện
Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường. Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn vấn đề cung cấp điện năng, nếu như tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc vào
các nguồn năng lượng khác. “Lượng C02 thải ra khi ô tô chạy quãng đường 1Km” giảm
90%, đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không không giảm khi sản xuất điện bằng than.
2.3.1.1. Pin
Pin li-on được phát hiện ra đã trên 40 năm, nhưng sản xuất qui mô thương mại mới được 20 năm. Hiện nay, các ô tô EV chạy bằng pin li-ion (200 Wh/kg) và chỉ có thể chạy được 150 km cho mỗi lần sạc điện.
Để EV có thể chạy được xa hơn (500 ÷ 650) km, thì phải phát triển một loại pin lithium mới cho EV có mật độ năng lượng (700 ÷ 1000) Wh/kg. Như vậy phải có công nghệ mới để sản xuất ra pin có công suất tích điện cao hơn (6 ÷ 7) lần công suất của pin li-ion hiện nay thì mới cạnh tranh được với động cơ xăng đốt trong.
Dựa trên những tiến bộ lớn của ngành luyện kim trong những năm qua, IBM, MIT và các công ty khác phát triển ra một công nghệ đầy hứa hẹn, gọi là công nghệ pin kim loại - không khí, trong đó có pin lithium - không khí và pin kẽm - không khí, có thể đạt được mật độ năng lượng tương đương xăng. Pin này có dung lượng tích điện lớn gấp (5 ÷ 10) lần so với pin li-ion.
Pin lithium - không khí có mật độ năng lượng gần tương đương với động cơ đốt trong truyền thống, với tính ưu việt là vì sử dụng quá trình ô xy hoá từ không khí chứ không phải chứa một chất ô xy hoá bên trong pin, do đó, nó có những tính chất thân thiện với môi trường. Pin lithium - không khí có thể đạt mật độ năng lượng tới 1.140 Wh/kg, gần bằng với xăng nhiên liệu (1.300 Wh/kg), và đây là mức cao nhất mà pin kim loại - không khí có thể đạt được.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào pin lithium - không khí hơn là pin kẽm - không khí từ giữa năm 2000.
Pin lithium - không khí được coi là mục tiêu tiếp theo trong thiết kế pin lithium bởi mật độ năng lượng của lithium đối với không khí đạt tới 3840 mAh/g.
Hiện tại, nhiều hãng sản xuất ô tô như IBM, Toyota, và Samsung đang tiếp tục đầu tư vào cuộc chạy đua R&D này, các hoạt động R&D sôi động dựa trên cơ sở những thành tựu công nghệ đã đạt được trong lĩnh vực pin li-ion và pin nhiên liệu
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin lithium-không khí
được kỳ vọng góp phần giải quyết những thách thức công nghệ sớm hơn, và thúc đẩy thương mại hoá.
2.3.1.2. Động cơ điện
Động cơ điện cho hệ truyền động kéo ô tô điện phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Có công suất lớn
- Mômen lớn ở vùng tốc độ thấp để đảm bảo khả năng khởi động và tăng tốc. - Dải tốc độ rộng và công suất đủ lớn ở vùng tốc độ cao.
- Đáp ứng nhanh với sự thay đổi của mômen tải. - Hiệu suất cao.
- Kích thước trọng lượng nhỏ. - Làm việc tin cậy và bền vững. - Giảm nhiễu điện từ khi làm việc.
Một số loại động cơ điện đã và đang được sử dụng trên ô tô điện: Động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng), động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều, động cơ từ trở chuyển mạch.
1) Động cơ một chiều truyền thống
Động cơ một chiều được sử dụng do khả năng tạo ra mômen lớn ở vùng tốc độ thấp và đặc tính mômen - tốc độ phù hợp cho truyền động kéo, đặc biệt là động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ và mở rộng dải tốc độ động cơ cũng dễ thực hiện bằng các bộ điều chỉnh điện áp. Các động cơ kích từ hỗn hợp vừa có mômen khởi động lớn lại có khả năng mở rộng dải tốc độ bằng cách điều chỉnh giảm từ thông kích từ.
2) Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, tin cậy, hoạt động êm, ít phải bảo dưỡng, có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Do không có cơ cấu chuyển mạch cơ khí nên dải tốc độ động cơ rộng. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn được thực hiện dễ dàng nhờ có các bộ biến tần bán dẫn công suất lớn và các thuật toán điều khiển tối ưu theo các chỉ tiêu khác nhau. Tuy nhiên, động cơ này có hiệu suất không cao do có tổn hao đồng và thép trên rôto.
3) Động cơ một chiều không cổ góp
Động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) có ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao và mật độ công suất lớn do không có cuộn dây kích từ trên rôto. Dải tốc độ làm việc có
thể mở rộng bằng kỹ thuật điều khiển sớm pha. Động cơ này có quán tính nhỏ do đó có tính tác động nhanh. Những ưu điểm này rất phù hợp cho việc ứng dụng trên ô tô, khi mà vấn đề giảm trọng lượng toàn ô tô và tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu đang đặt ra rất cấp thiết.
Tuy nhiên, động cơ một chiều không cổ góp công suất lớn có giá thành cao do rôto được chế tạo từ các hợp kim đất hiếm.
4) Động cơ từ trở chuyển mạch
Động cơ từ trở chuyển mạch (SRM) có ưu điểm là có cấu trúc đơn giản và bền vững, độ tin cậy cao, điều khiển đơn giản, dải tốc độ rộng. Động cơ này cũng có mômen khởi động lớn và mômen quán tính nhỏ. Cấu trúc của rôto đơn giản do không có nam châm, cuộn dây cũng như cơ cấu chuyển mạch cơ khí. Do dải tốc độ rộng nên nó phù hợp cho trường hợp hệ truyền động không sử dụng hộp số. Do không có tổn hao trên rôto nên động cơ SRM phù hợp cho môi trường nhiệt độ cao.
Nhược điểm của động cơ từ trở chuyển mạch là đập mạch mômen lớn.
5) Xu hướng sử dụng động cơ cho ô tô điện
Trong cả hiện tại và tương lai, vấn đề tiết kiệm năng lượng cũng như giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hoá thạch vẫn là những vấn đề cấp bách. Để đạt được điều đó thì tiêu chí về hiệu suất của động cơ là một tiêu chí được ưu tiên hàng đầu. Vì vậy, các loại động cơ một chiều không cổ góp và động cơ từ trở chuyển mạch đang và sẽ là xu hướng của ô tô điện trong tương lai.
2.3.1.3. Bộ điều khiển
Hiện nay, phương pháp thay đổi độ rộng xung bằng vi điều khiển được sử dụng