Thiết kế truyền động kết hợp ô tô hybrid

Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid nhiệt điện hoạtđộng trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loạiđường dài hàng trăm km tương

LỜI NÓI ĐẦU

Sau khi học xong môn “Thiết kế truyền động kết hợp ô tô Hybrid”, chúng em được giao nhiệm vụ thiết kế ô tô hybrid theo số liệu đã cho Đây là một nhiệm vụ chúng em cần phải hoàn thành tốt để kết thúc học phần “Thiết kế truyền động kết hợp ô tô hybrid” Với những kiến thức đã được học trên lớp và tìm hiểu thêm trong sách vở thì yêu cầu mỗi sinh viên chúng em đều phải hoàn thành được nhiệm vụ này Để đạt được mục tiêu đó, yêu cầu mỗi sinh viên chúng em phải tích cực tìm tòi, học hỏi, đọc thêm nhiều sách, tài liệu có liên quan, tích lũy các kiến thức để ứngdụng vào bài tập Hiểu rõ các thông số, số liệu, biết cách xử lý các số liệu, xây dựngcác đường đặc tính động cơ và hiểu rõ hơn về ô tô hybrid

Để hoàn thành được nhiệm vụ đó, không chỉ nhờ vào sự tìm tòi, học hỏi của bản thân mỗi sinh viên chúng em mà còn phải cám ơn sự giúp đỡ tận tình của giảng viên, đã tận tình chỉ bảo, giải đáp những vấn đề mà chúng em chưa hiểu Như vậy chúng em mới có thể hoàn thành được nhiệm vụ đã được giao

Sinh viên thực hiện

Lê Tiến Việt

MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU………1

1 Giới thiệu về ô tô hybrid

Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạybằng năng lượng thông thường(xăng, diesel…) với động cơ điện lấy năng lượngđiệc từ ắc quy cao áp Điểm đặc biệt là ắc quy được nạp điện với cơ chế nạp thôngminh như khi xe phanh, xuống dốc…gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng Nhờvậy mà ô tô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồngthời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết

Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ô tô hybrid đã luôn đượcnghiên cứu và phát triển như là một giả pháp hiệu quả về tính kinh tế và môitrường Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khóa mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyênmới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô

tô sinh thái

Ô tô sử dụng hydrogen, ô tô điện… cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểmnhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta Trong bối cảnh đó thì

ô tô hybrid nhiệt điện được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thếphát triển ô tô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạnkiệt nhiên liệu

Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid nhiệt điện hoạtđộng trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loạiđường dài hàng trăm km tương đối bằng phẳng…Chứ không thể sử dụng ô tôhybrid nhiệt điện thay hẳn các loại ô tô khác vì tính công nghệ lại còn nhiều hạnchế, mà cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp chođộng cơ điện, vì nếu bình ắc quy thông thường thì số lượng rất nhiều

2 Các thông số đã cho và chọn các hệ số kinh nghiệm

2.1 Các thông số đã cho

- Trọng lượng thiết kế: G = 1,8 [tấn] = 18000 [N]

- Tốc độ cực đại: Vmax = 165 [km/h] = 45,833 [m/s]

- Tỉ lệ công suất động cơ điện: 16%

- Số vòng quay của động cơ điện: nN(đcđ) = 8600 [v/ph]

- Số vòng quay của động cơ đốt trong: nN(đcđt) = 3700 [v/ph]

2.2 Chọn các hệ số kinh nghiệm

- Hệ số cản lăn không phụ thuộc tốc độ:

320,0114292800

[-]

- Hệ số cản lăn phụ thuộc bậc 1 tốc độ:

10,0003572800

[1/(m/s)]

- Hệ số cản không khí: chọn K = 0,2 [N.s2/m4]

- Hiệu suất truyền lực: chọn η = 0,9

- Hệ số tốc độ: Chọn loại động cơ diesel, λv = 1

3 Tính tổng lực cản tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động và công suất động cơ

3.1 Tính tổng lực cản tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động

- Tính diện tích cản chính diện

Theo [I], ta có:

F = 0,8.Bo.H (3.1)Trong đó: Bo – chiều rộng lớn nhất của ô tô

H – chiều cao lớn nhất của ô tô

Chọn xe thiết kế có Bo = 1,84 [m], H = 1,85 [m] Thay vào công thức (3.1), tacó:

Trong đó: G – trọng lượng của ô tô, [N]

a – hệ số cản lăn không phụ thuộc tốc độ, [-]

b – hệ số cản lăn phụ thuộc bậc 1 tốc độ, [1/(m/s)].

Vmax – vận tốc cực đại của ô tô, [m/s]

K – hệ số cản không khí, [N.s2/m4]

F – diện tích cản chính diện của ô tô, [m2]

Thay các thông số vào công thức (3.2), ta có:

Fc = 18000.(0,011429 + 0,000357.45,833) + 0,2.2,7232.45,8332

= 1644,4794 [N]

3.2 Tính công suất động cơ

Công suất cản ở tốc độ Vmax:

c

P P

Thay các số liệu vào công thức (3.3) ta có:

Chọn động cơ có công suất từ (96 ÷ 100) kW

4 Phân chia công suất

4.1 Công suất động cơ điện (16%)

Công suất động cơ điện:

(96308, 629 100495,961).0,16 15409,381 16079,354

Chọn động cơ điện có công suất từ (15 ÷ 16) [kW].

Ta chọn động cơ điện có đặc tính như sau:

- Công suất cực đại: Pmax(đcđ) = 16 [kW] = 16000 [W]

-

( ) ( ) ( ) ( )

3,8

đcđ đcđ đc

8600

2263,158

đ đ đ

n

rad s

πω

đcđ đcđ

đcđ

max max

B

P M

đcđ đc

4.2 Công suất động cơ đốt trong

Công suất động cơ đốt trong:

Chọn động cơ điện có công suất từ (80 ÷ 84) kW

Ta chọn động cơ đốt trong có đặc tính như sau:

- Công suất cực đại: Pmax(đcđt) = 81 [kW] = 81000 [W]

- Ở tốc độ định mức: nN(đcđt) = 3700 [v/ph]

N N

Việc thiết kế bộ đồng bộ tốc độ có thể sử dụng phương án dùng cặp bánh rănggiảm tốc, giảm tốc bằng đai, hay xích… nhưng để đạt được hiệu suất cao nhất, tachọn bộ giảm tốc kiểu hành tinh với hiệu suất ≈ 1 Tùy thuộc vào tỉ số truyền tínhtoán được mà ta có thể cố định bánh răng bao hoặc trung tâm

Tỉ số truyền của bộ giảm tốc

( ) ( )

8600

2,32433700

đcđ đcđt

N gt N

n i n

Thiết kế bánh răng hành tinh

Chọn sơ bộ số răng bánh răng hành tinh: zh = 18

z i z

= + = >

(5.2)Trong đó: za – số răng bánh răng trung tâm

zb – số răng vành răng bao.

Từ (5.1), (5.2) ta có hệ phương trình sau:

36

1 2,3243

b a b a

z z

a b

z z

=



 =



Vậy dùng 3 bánh răng hành tinh vì cả za, zb đều chia chẵn cho 3

5.2 Tính toán thiết kế bộ kết hợp công suất

Bộ truyền kết hợp công công suất dùng để kết hợp hai nguồn công suất động cơđốt trong và động cơ điện để truyền đến bánh xe chủ động Cũng như trong bộtruyền giảm tốc, bộ truyền kết hợp cũng dùng bộ truyền kiểu hành tinh để đạt đượchiệu suất cao nhất

Hình Sơ đồ bộ kết hợp công suất

P 1 - Nối với nguồn công suất nhỏ.;P 2 - Nối với nguồn công suất lớn.

P c - Công suất ra.

Hệ số kết hợp công suất:

( ) ( )

max 12

2max

16000

0,197581000

đcđ đcđt

P K P

Chọn sơ bộ số răng của bánh răng hành tinh là: zh = 36

b cđt a

b a a b

z z

a b

z z

Vậy dùng 3 bánh răng hành tinh vì cả za, zb đều chia hết cho 3

Khi truyền 1 trong 2 nguồn công suất bộ kết hợp vi sai sẽ chuyển sang chế độlàm việc của một cơ cấu giảm tốc hành tinh Tỉ số truyền của nó được xác lậptùytheo nguồn công suất nào được truyền

Khi truyền nguồn công suất nhỏ hơn thì đường truyền qua bánh răng trung tâm,cần C để truyền ra ngoài đến cần chuyển động, lúc này vành răng bao phải cố định:

Z i Z

Khi truyền nguồn công suất lơn thì ngắt nguồn công suất nhỏ, cố định bánhrăng trung tâm Nguồn công suất lớn sẽ truyền qua vành răng bao, qua cần C vàtruyền ra ngoài đến truyền lực chính:

Z i Z

Việc chuyển bộ vi sai thành bộ giảm tốc hành tinh là cần thiết nhằm cho phépgiảm tốc độ, tăng momen khi cần chuyển động với tốc độ thấp hơn với nguồn côngsuất nhỏ hơn.

5.3 Tính tỉ số truyền của truyền lực chính

Hình 5 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực

Tỉ số truyền lực chính được xác định theo công thức:

Đối với động cơ điện:

( ), ( )

N đcđ N đcđt

ω ω - tốc độ góc định mức của động cơ điện và động cơ

nhiệt

igt – tỉ số truyền của bộ giảm tốc

ikh – tỉ số truyền của bộ kết hợp Khi tính toán ứng với công suấtcực đại ta kết hợp 2 nguồn công suất, do đó ikh = 1

Vmax – tốc độ cực đại của xe

Rbx - bán kính của bánh xe

ih – tỉ số truyền của hộp số, ở tốc độ Vmax chọn ih = 1

Thay số liệu vào công thức (5.5), (5.6) ta có:

( ) 01

387, 464.0, 274

đcđt N

Đối với động cơ điện thì đường đặc tính được xác định trên nguyên tắc:

- Khi tốc độ góc của động cơ: ω≤ ωB , thì ta có:

M = Memax = conts; N = Memax.ω [W]

Memax = Nemax /ωB

- Khi tốc độ góc của động cơ: ω≥ ωB thì ta có:

N = Nemax = conts; M = Nemax /ω [N.m]

Trong đó:

Memax - Momen lớn nhất của động cơ [N.m]

Nemax - Công suất lớn nhất của động cơ [W]

ωB - Tốc độ góc cơ bản của động cơ [rad/s]

Theo như tính toán ở phần trên thì với động cơ điện ta có các thông số ban đầu:Nemax= 16000 [W]; nN = 8600 [vòng/phút], ta có ωN = 900,592 [rad/s] và tốc độ cơbản nB = 2263,158 [vòng/phút] = 236,998 [rad/s] Ta có được bảng kết quả nhưsau :

Bảng 6.1 Gía trị momen và công suất của động cơ điện

Từ bảng số liệu trên ta có đồ thị sau:

Hình 6.1 Đồ thị đặc tính của động cơ điện

giống đặc tính momen động cơ điện), phía sau động cơ nhiệt thường sử dụng hộp số

tự động với bộ biến mô Trong tính toán, coi như bộ biến mô là lý tưởng, thìmoment sau biến mô được xác định theo [2] bằng biểu thức:

.

B B bm T

MT, ωT - Moment tuabin và tốc độ tuabin

Ta thừa nhận ωT= ωe

MB, ωB - Moment và tốc độ của bánh bơm.Đây chính là momen và tốc độ của động cơ ứng với trường hợp công suất cực đại(MN, ωN)

ηbm: Hiệu suất biến mô

Từ các công thức trên ta lập được bảng có giá trị như sau:

Bảng 6.2 Gía trị momen và công suất của động cơ đốt trong

1 387.464 209.052 81000.00

Từ bảng kết quả trên ta có đồ thị sau:

Hình 6.2 Đồ thì đặc tính động cơ đốt trong

7 Tính hộp số cho nguồn động cơ đốt trong

Theo [I], ta có:

2 max os max sin max min

M i i

G R

i

ψη

⇒ =

(7.4)Mà:

T bm

B

M K

ηt = 0,9 – hiệu suất truyền lực

Thay các số liệu vào công thức (5.12), ta có:

ln

1ln

i n

q

(7.7)Trong đó: q – công bội của hộp số q = 1,5 ÷ 1,7

Chọn q = 1,5 Suy ra:

( ) ( )1 ( ( ) )

Chọn n = 4 Vậy hộp số thiết kế có 4 cấp số truyền

Theo [I], khi phân phối tỉ số truyền theo số cấp điều hòa thì ta có hằng số điềuhòa được tính như sau:

1

- Dãy thứ nhất: truyền tỉ số truyền i1 và i2

- Dãy thứ hai: truyền số lùi iR và số truyền thẳng iD.Khi dãy thứ nhất làm việc, ta có tỉ số truyền i1, i2 đượcxác định theo:

1

2

11

b a a b

z i z z i z

= +

= +

(7.9)Tính zb theo i1 : z b =(i1 − 1 z) a (7.10)

Tính zb theo i2 : 2 1

a b

z z i

2 1

111

i i

−Suy ra i2 hiệu chỉnh là:

2

1

1 1,6577 2,52 1

i a

++

Vậy các tỉ số truyền của hộp số là:

i1 = 2,52i2 = 1,6577i3 = 1i4 = 0,8326

- Thiết kế dãy hành tinh thứ nhấtTheo nguyên lý ăn khớp trong hộp số kiểu hành tinh, tacó:

z i z

= + =Suy ra ta có hệ phương trình

1 2,5236

b a

b a

z z

a b

z z

Cả za, zb đều chia hết cho 3 nên chọn số bánh răng hànhtinh là 3.

- Thiết kế dãy hành tinh thứ hai

Ta có:

4

10,83261

a b

a b

b a

z z

a b

z z





Chọn số răng za = 20 (răng), zb = 100 (răng)

Cả za, zb đều chia hết cho 5 nên chọn số bánh răng hànhtinh là 5

8 Lực kéo và đồ thị lực kéo

8.1 Khi chỉ truyền nguồn công suất động cơ điện

Khi chỉ truyền nguồn công suất điện, đường truyền momen lúc này sẽ là:

- Động cơ điện  igt  ikh  i0  bánh xe chủ động

Khi đó:

0

0

.R

bx kh

F_d1 [N]

V_d2 [m/s]

F_d2 [N]

Hình 8.1 Đồ thị lực kéo của động cơ điện

8.2 Khi chỉ truyền nguồn công suất động cơ đốt trong

Khi truyền nguồn công suất động cơ đốt trong, đường truyền momen lúc này là:+ Động cơ đốt trong  ihs  ikh  i0  bánh xe chủ động

T bx bx

Trong đó:

0

T bx bx

N bm bx k

h kh

R V

i i i

ω

=

(8.8)Khi đi ở các tay số , ibm thay đổi từ (0,5 ÷ 1), do khi ibm < 0,5 thì hiệu suất của hệthống truyền lực rất thấp Với ibm thay đổi trong phạm vi như vậy ta có được vận tốccủa xe khi đi ở các tay số thứ k

Để xác định lực kéo ở các tay số thứ k, ta cho Kbm thay đổi tương ứng với sựthay đổi của ibm, trong khi MB = MN

Khi MB thay đổi ứng với λ =( 0,5 ÷1), giữ cố định Kbm ta được các giá trị lựckéo ở tay số 1 F1e , khi momen động cơ thay đổi

Với phương pháp xác định như trên, ta có bảng giá trị sau:

Bảng 8.2 Gía trị đặc tính của biến mô thủy lực

Bảng 8.3 Gía trị lực kéo khi chỉ truyền nguồn công suất

động cơ đốt trong với i kh = 1

λ V 3 _ ikh F k3 _ ikh V 2 _ ikh F k2 _ ikh V 1 _ ikh F k1 _ ikh V 1 _ ikh _ e F k1 _ ikh _ e

0.55 25.21 2464.51 15.21 4085.40 10.00 6211.6

90.60 27.50 2337.3

1

16.59 3874.54 10.91 5891.0

90.65 29.79 2220.29 17.97 3680.5

7

11.82 5596.1

70.70 32.08 2111.9

6 19.35 3500.98 12.73 5323.110.75 34.38 2011.1

0 20.74 3333.79 13.64 5068.900.80 36.67 1916.7

6

16.37 4397.1

20.95 43.54 1665.5

3

26.27 2760.94 17.28 4197.9

01.00 45.83 1590.55 27.65 2636.6

4 18.18 4008.91

Bảng 8.4 Gía trị lực kéo khi chỉ truyền nguồn công suất

động cơ đốt trong với i kh = 1,2

λ V 3 _ ikh2 F k3 _ ikh2 V 2 _ ikh2 F k2 _ ikh2 V 1 _ ikh2 F k1 _ ikh2 V 1 _ ikh2 _ e F k1 _ ikh2 _ e

Hình 8.3 Đồ thị lực kéo động cơ đốt trong khi i kh =1,2

Hình 8.4 Đồ thị đặc tính của biến mô thủy lực

8.3 Xây dựng đặc tính lực kéo cho khi kết hợp cả hai nguồn công suất

- Chỉ có một bộ giá trị duy nhất chính là tổng của

cả hai nguồn theo cùng một dãy tốc độ đồng bộ

- Momen đầu ra ở trục tuabin MT [N.m]:

i

T e B T

M M

ω

η

ω max

=

(8.9)Với ηT là hiệu suất của tuabin Chọn ηT = 0,97

- Hiệu suất phụ của động cơ ηp :

max 83746,634

0,86

16000 81000

p đcđ đcđt

Từ bảng số liệu ta có đồ thị sau:

Hình 8.5 Đồ thị đặc tính lực kéo kết hợp hai nguồn công suất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[I] NGUYỄN HỮU CẨN, DƯ QUỐC THỊNH, PHẠM MINH THÁI,

NGUYỄN VĂN TÀI, LÊ THỊ VÀNG (1998), Lý thuyết ôtô và máy kéo, Nhà

xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[II] Lê Văn Tụy (2007), Hướng dẫn thiết kế ô tô, Giáo trình mạng nội bộ

Khoa Cơ Khí Giao Thông – Trường Đại Học Bách Khoa, Đà Nẵng