BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
NGUYỄN TRÍ THÀNH
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM
BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN
MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số: 60520116 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHẬN
Khánh Hòa - 2014
i
Giao thông và Khoa Cơ khí - Trƣờng Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè thân thiết
luôn luôn chia sẻ cùng tôi trong quá trình nghiên cứu. iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH viii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT ÔTÔ HYBRID 3
1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3
1.1.1. Trong nƣớc 3
1.1.2. Ngoài nƣớc 3
1.2. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE HYBRID 3
1.3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ÔTÔ HYBRID 4
1.3.1. Ôtô hybrid kiểu nối tiếp 5
2.3.1.2. Các yếu tố cơ bản khi tính toán thiết kế 31
2.3.1.4. Tính chọn động cơ nhiệt: 33
2.3.2. Cơ sở tính toán thiết kế bộ phân phối công suất kiểu vi sai tốc độ 34
2.3.3. Các thông số đầu vào và các thông số đầu ra ở các chế độ hoạt động 36
2.3.3.1. Khi truyền động chỉ sử dụng nguồn động cơ điện (MG2) 36
2.3.3.2. Khi truyền động chỉ sử dụng nguồn động cơ xăng 36
2.3.3.3. Khi truyền động kết hợp cả hai nguồn công suất động cơ
xăng và động cơ điện (MG1) 36
2.3.4. Tính toán thiết kế bộ phân phối công suất 37
2.3.4.1. Điều kiện đồng trục 38
2.3.4.2. Điều kiện lắp 39
2.3.4.3. Điều kiện kề 39
2.3.2. Tính toán thiết kế 39
2.3.2.1. Tính chọn bánh răng của bộ phân phối công suất 39
2.3.2.2. Tính toán thiết kế các trục của bộ phân phối công suất 48
2.3.2.3. Chọn then 50
2.4. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 50
2.4.1. Các chi tiết, bộ phận cần chế tạo 50
2.4.2. Phƣơng án chế tạo, lắp ráp 52
2.4.3. Qui trình gia công 52
v
2.4.3.1. Qui trình gia công bánh răng 52
2.4.4. Thiết bị gia công 56
2.4.5. Lắp đặt hoàn thiện mô hình PSD (hình 2.17) 58
3.1. THỬ NGHIỆM CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ PHÂN CHIA
CÔNG SUẤT TRÊN MÔ HÌNH XE HYBRID 2 CHỖ 60
3.2. XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH THỰC TẬP TRÊN MÔ HÌNH
XE HYBRID ĐƢỢC LẮP BỘ PSD 62
3.2.1. Bài 1: Cấu tạo các bộ phận của bộ phân phối công suất - PSD 62
P-HEV
Ôtô hybrid kiểu song song (Parallel Hybrid Electric Vehicle)
SP-HEV
Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle)
EM
Motor điện
ICE
Động cơ đốt trong
MG1
Máy phát-Môtơ điện liên hợp trong THS
MG2
Môtơ-Máy phát điện liên hợp trong THS
PSD
Bộ phân phối công suất (Power Split Device)
Rpm
số vòng quay của trục trong 1 phút
THS
Hệ động lực hybrid của ôtô Toyota Prius (Toyota Hybrid System)
c
Tỷ số nén của động cơ đốt trong
e
Tỷ số dãn nở của động cơ đốt trong
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh ƣu nhƣợc điểm của 3 loại ôtô hybrid 27
Bảng 2.1. Thông số hình học của bánh răng bao 45
Hình 1.12. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy với MG2
và MG1 khởi động động cơ xăng 14
Hình 1.13. Điều kiện của ôtô khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15
Hình 1.14. Monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 15
Hình 1.15. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi tăng tốc nhẹ
với động cơ xăng 15
Hình 1.16. Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ thấp ổn định 16
Hình 1.17. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD chạy tốc độ thấp ổn định 16
Hình 1.18. Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy tốc độ
thấp ổn định 17
Hình 1.19. Điều kiện của ôtô khi tăng tốc hoàn toàn 17
Hình 1.20. Khi tăng tốc hoàn toàn 18
Hình 1.21. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất tăng tốc hoàn toàn 18
Hình 1.22. Điều kiện của ôtô khi chạy tốc độ cao ổn định 19
Hình 1.23. Monographic khi chạy tốc độ cao ổn định 19
Hình 1.24. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng và công suất chạy tốc độ cao ổn định 20
Hình 1.25. Điều kiện của ôtô khi chạy ở tốc độ tối đa 20
Hình 1.26. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi
chạy ở tốc độ tối đa 21
Hình 1.27. Sơ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy ở tốc độ tối đa 21
Hình 1.28. Điều kiện của ôtô khi chạy giảm tốc hoặc phanh 22
ix
Hình 1.29. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD khi
giảm tốc hoặc phanh 22
Hình 1.30. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi giảm tốc hoặc phanh 23
Hình 1.31. Điều kiện của ôtô khi chạy lùi 23
Hình 1.32. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi chạy lùi 24
Hình 1.33. Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy lùi 24
Hình 1.34. Mô hình ôtô hybrid kiểu song song 25
hybrid đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật Bản, từ đó đến nay ôtô hybrid đã luôn
đƣợc nghiên cứu và phát triển nhƣ là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi
trƣờng. Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ôtô hàng đầu trên thế giới nhƣ
Toyota, Honda, Ford đã tung ra thị trƣờng những thế hệ ôtô mới có hiệu suất cao và
giảm đáng kể lƣợng chất thải gây ô nhiểm môi trƣờng đƣợc gọi là ôtô Hybrid.
Những chiếc ôtô petrol-electric hybrid chạy bằng sự kết hợp giữa một động cơ
xăng truyền thống và một mô-tơ điện đƣợc điều khiển bằng một thiết bị chứa năng
lƣợng nhƣ một bộ pin. Ở những điều kiện đơn giản, chúng hoạt động dựa trên nguyên
tắc: một mô-tơ điện cung cấp năng lƣợng ở tốc độ thấp nhƣ khi lái ôtô trong thành thị,
và chuyển sang dùng xăng khi lái ở những vận tốc cao hơn.
Các công nghệ hybrid cải thiện hiệu quả nhiên liệu và vì thế tiết kiệm nhiên
liệu đáng kể so với một chiếc ôtô chạy bằng xăng thông thƣờng, cũng nhƣ thải ra ít
carbon hơn.
Với các ƣu điểm nổi bật nhƣ đã nêu, ôtô hybrid đang đƣợc sự quan tâm nghiên
cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới. Ngày
càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trƣờng và càng có nhiều ngƣời tiêu
dùng sử dụng loại ôtô này. Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào
kỷ nguyên mới của những chiếc ôtô, đó là ôtô không gây ô nhiễm môi trƣờng hay còn
gọi là ôtô sinh thái (The ultimate eco-car).
Ở Việt Nam, ôtô hybrid đã đƣợc quan tâm nghiên cứu từ đầu những năm 2000
thể hiện qua các đồ án tốt nghiệp bậc đại học, luận văn thạc sĩ, đề tài NCKH của giáo
viên và sinh viên ở một vài trƣờng đại học. Cho đến nay, ôtô hybrid chƣa đƣợc chế tạo
hoặc lắp ráp tại Việt Nam, tuy nhiên hiện đã có một số lƣợng đáng kể ôtô du lịch
hybrid đƣợc nhập khẩu và tham gia giao thông.
Ôtô hybrid hiện nay là một tổ hợp trang thiết bị cơ khí, điện, điện tử hiện đại.
Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị
trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp sẽ tạo đƣợc điều kiện thuận lợi quan sát rõ
2
phần phối hợp công suất”Bộ PSD”và làm cho việc tiếp cận sâu hơn trong lĩnh vực
đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trƣờng Đại Học Nha Trang, luận văn thạc sĩ, đề tài
NCKH của giáo viên Trƣờng Đại Học Đà Nẵng, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuât. Một
trong những hƣớng nghiên cứu mới đó là các loại xe thân thiện với môi trƣờng nhƣ xe
Hybrid, xe sử dụng năng lƣợng mặt trời…Tuy nhiên do giá thành của các phƣơng tiện
này khá cao nên chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Cho đến nay, ôtô hybrid
chƣa đƣợc chế tạo hoặc lắp ráp ở thị trƣờng Việt Nam.
1.1.2. Ngoài nƣớc
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật. Các hãng xe
hơi luôn nghiên cứu, cải tiến sản phẩm của mình ngày càng hoàn hảo hơn để phục vụ
nhu cầu của ngƣời tiêu dùng.
Do giá nhiên liệu ngày càng tăng, áp lực ngày càng lớn của vấn đề ô nhiễm môi
trƣờng, v.v., ôtô hybrid đã trở thành một trong những hƣớng phát triển của ngành công
nghiệp ôtô đƣợc nhiều nƣớc quan tâm. Toyota và Honda đƣợc xem là những hãng chế
tạo ôtô tiên phong và thành công nhất trong lĩnh vực ôtô hybrid. Dòng ôtô hybrid hiện
đại đầu tiên có tên Toyota Prius xuất hiện trên thị trƣờng Nhật Bản vào năm 1997, sau
đó là Honda Insight vào năm 1999. Hiện nay, hầu hết các hãng chế tạo ôtô hàng đầu
đều đã cho ra đời các phiên bản ôtô hybrid của mình và ôtô hybrid đã đƣợc khẳng định
là một phần cốt lõi của thị trƣờng ôtô trong tƣơng lai.
1.2. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE HYBRID
Lohner-Porsche Mixte do Ferdinand Porsche - kỹ sƣ ôtô ngƣời Đức (1875 –
1951) - chế tạo vào năm 1899, đƣợc xem là chiếc xe hybrid đầu tiên trên thế giới.
Lohner-Porsche Mixte đƣợc trang bị 2 môtơ điện bố trí trong mayơ của 2 bánh trƣớc,
một bộ ắc qui và 1 động cơ xăng Động cơ xăng chỉ có chức năng dẫn động dynamo
để phát điện nạp ắc qui. Mỗi môtơ điện có công suất 1,9 2,6 kW, cực đại là 5,2 kW,
trực tiếp quay các bánh xe phía trƣớc. Lohner-Porsche Mixte không có hệ truyền động
cơ khí. Khi xuất hiện lần đầu tiên tại Triễn lãm quốc tế tại Pari vào tháng 4 năm 1900,
4
Lohner-Porsche Mixte đã làm kinh ngạc giới hâm mộ ôtô thời đó. 300 chiếc Lohner
Porsche Mixte đã đƣợc chế tạo. Sáng chế này sau đó đã đƣợc bán cho Emil Jellinek -
Ôtô hybrid kiểu nối tiếp, tiếng Anh là Series Hybrid Electric Vehicle (sau đây
viết tắt là S-HEV) còn đƣợc gọi là ôtô điện có cự ly hoạt động được mở rộng
(extended-range electric vehicles - EREV hoặc range-extended electric vehicles -
REEV).
Các thành tố cơ bản của hệ động lực của S-HEV gồm có: một ICE, một hoặc
một số EM, một máy phát điện, bộ ắcqui và chuyển đổi điện. Về cơ bản, hệ động
lực của S-HEV chỉ khác hệ động lực của ôtô điện ở chỗ có thêm một ICE và máy
phát điện.
Hình 1.2. Hệ thống động lực của ôtô hybrid kiểu nối tiếp
Ở S-HEV, ICE chỉ có chức năng lai máy phát điện để cung cấp điện cho EM
hoặc nạp điện cho ắcqui, EM cung cấp 100 % công suất yêu cầu để dẫn động các
bánh xe chủ động thông qua một cặp bánh răng giảm tốc (Hình. 1.13) hoặc các EM
đƣợc bố trí ngay trong mayơ của các bánh xe chủ động. EM chạy bằng điện từ ắcqui
hoặc trực tiếp từ máy phát điện. Trong hệ truyền động của S-HEV chỉ cần một cặp
bánh răng giảm tốc bố trí giữa EM và vi sai thay cho hộp số nhiều cấp ở ôtô truyền
thống. Trong trƣờng hợp EM đƣợc bố trí trực tiếp trong các mayơ của bánh xe chủ
6
động, S-HEV thực tế không có hệ truyền động cơ khí, thay vào đó là hệ truyền động
điện gọn nhẹ hơn và tiêu hao ít năng lƣợng hơn.
EM trên S-HEV nói riêng và trên các loại HEV khác nói chung, thƣờng đƣợc
thiết kế để có thể hoạt động nhƣ một máy phát điện (sau đây viết tắt là EM hai chiều)
để tận dụng động năng của ôtô trong quá trình phanh hoặc khi xuống dốc. Một số mẫu
S-HEV cho phép nạp điện ắcqui bằng điện lƣới trong thời gian ôtô không hoạt động
nhằm mục đích giảm chi phí vận hành do giá điện lƣới thƣờng thấp hơn giá điện đƣợc
sản xuất bằng động cơ xăng.
1.3.2. Ôtô hybrid kiểu song song
Trong hệ động lực của ôtô hybrid kiểu song song (viết tắt là P-HEV), ICE và EM
đƣợc liên kết với bánh xe chủ động thông qua các ly hợp sao cho bánh xe chủ động có thể
bình, ICE phát công suất gần tối đa và EM phát khoảng 50 % công suất hoặc nhỏ hơn
khi xe chạy ở vận tốc cao.
Trên thị trƣờng hiện nay, P-HEV có thị phần lớn hơn so với S-HEV. Honda
Insight, Honda Civic and Honda Accord là những mẫu P-HEV điển hình và chiếm thị
phần đáng kể trong thời gian gần đây. General Motors Parallel Hybrid Truck (PHT),
Saturn VUE Hybrid, Aura Greenline Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid cũng đƣợc xếp
vào nhóm P-HEV.
1.3.3. Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp
Ôtô hybrid kiểu hỗn hợp (Combined Hybrid Electric Vehicle), còn đƣợc gọi là
ôtô hybrid chia công suất (Power-Split Hybrid Electric Vehicle) hoặc ôtô hybrid
kiểu nối tiếp-song song (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle) (sau đây viết tắt là
SP-HEV)
8
Hình 1.4. Hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius
Hệ động lực của SP-HEV cho phép ôtô hoạt động theo kiểu hybrid song song,
tức là các bánh xe chủ động có thể đƣợc dẫn động chỉ bằng ICE hoặc chỉ bằng EM
hoặc bằng ICE và EM đồng thời. Ngoài ra, nhờ sự liên kết giữa các nguồn động lực
của SP-HEV thông qua một cơ cấu đặc biệt gọi là bộ phân phối công suất và quá trình
hoạt động của hệ động lực đƣợc tự động hóa ở mức độ rất cao, ICE trên SP-HEV có
thể thƣờng xuyên hoạt động ở những chế độ tối ƣu về tiêu hoa nhiên liệu và mức độ
phát thải (xem mục 1.9).
1.4. BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT
1.4.1. Đặc điểm cấu tạo
Toyota Prius là mẫu SP-HEV (series-parallel hybrid vehicle - ôtô hybrid kiểu
hỗn hợp) đầu tiên trên thế giới đƣợc bán ở thị trƣờng Nhật Bản vào năm 1997. Đến
tháng 6 năm 2013, khoảng 3 triệu Toyota Prius đã đƣợc bán ở 80 quốc gia và vùng
lãnh thổ trên thế giới [4]. Hệ động lực của Toyota Prius (thƣờng đƣợc viết tắt là THS -
= 30 kW,
tốc độ quay n = 940 2000 rpm, momen cực đại M
max
= 305 Nm. MG2 có chức năng
chính là phối hợp với ICE dẫn động các bánh xe chủ động và chức năng phụ là phát
điện nạp cho ắcqui trong quá trình phanh. MG2 có tính năng động lực học cao để đảm
bảo ôtô rời chỗ nhẹ nhàng và tăng tốc tốt.
Máy phát-môtơ điện liên hợp (MG1) có chức năng chính là phát điện nạp
cho ắcqui và cung cấp cho MG2, chức năng phụ là khởi động động cơ xăng;
Bộ chia công suất (PSD);
Ắcqui cao áp và ắcqui phụ. Ắcqui phụ 12 V có chức năng duy trì hoạt động
của hệ thống điều khiển. Ắcqui cao áp có điện thế danh nghĩa 273,6 V có chức năng
cung cấp điện cho MG2. Ắcqui cao áp thƣờng xuyên đƣợc nạp điện từ máy phát MG1
trong quá trình ôtô chạy và từ MG2 trong quá trình phanh.
a)
10
b)
Hình 1.5. Cấu tạo hệ thống động lực của ôtô hybrid Toyota Prius
Toyota Prius đƣợc chế tạo từ năm 2004 về sau sử dụng hệ động lực có cấu trúc
và nguyên lý hoạt động tƣơng tự nhƣng các thành tố cơ bản nhƣ ICE, MG1, MG2 và
ắcqui cao áp đƣợc nâng cấp hoặc điều chỉnh một số thông số tính năng.
PSD có cấu trúc và hoạt động tƣơng tự nhƣ một hộp số bánh răng hành tinh.
Giá của các bánh răng hành tinh liên kết với ICE và đƣợc xem nhƣ đầu vào của hộp
số, bánh răng mặt trời liên kết với MG1, vành răng liên kết với MG2 (Hình. 1.5b).
THS đƣợc quản lý bằng bộ vi xử lý trong suốt quá trình làm việc của hệ thống.
Có thể phân biệt các chế độ hoạt động đặc trƣng nhƣ sau:
1) Chế độ điện - Ôtô bắt đầu chuyển động và chạy từ từ hoặc xả dốc trên đoạn
Engine
Boọ giaỷm chaỏn
MG1
MG2
Hỡnh 1.6. S h ng lc Hybrid
Trong ú: 1-B chia cụng sut; K-Khúa; MG1-T hp ng c mỏy phỏt s 1;
MG2-T hp ng c mỏy phỏt s 2; Engine-ng c xng.
Cỏc ch hot ng h ng lc bao gm:
- Chy vi MG2
- Chy vi MG2 v MG1 khi ng ng c xng
- Tng tc nh vi ng c xng
- Chy tc thp n nh
- Tng tc hon ton
- Chy tc cao n nh
- Chy tc ti a
- Gim tc hoc phanh
- Ch lựi
12
1.4.2.1. Chạy với MG2
Vehicle
Speed
0
Time
Hình 1.7. Điều kiện của ôtô chạy với MG2
răng bao, cần C sẽ đứng yên do mômen cản của động cơ lớn và bánh răng trung tâm sẽ
quay theo chiều quay phù hợp với chiều quay của bánh răng hành tinh, roto MG1 sẽ
quay lòng không trong stato MG1 cân bằng với chiều quay của bánh răng bao.
Ở chế độ hoạt động này MG2 phát công suất nên công suất đầu ra bằng công
suất của MG2 và tốc độ góc đầu ra bằng tốc độ góc MG2.
1.4.2.2. Chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng
30 mph
Vehicle
Speed
0
Time
Hình 1.10. Điều kiện của ôtô khi chạy với MG2 và khởi động động cơ xăng
MG2
Engine (Caàn C)
MG1
-
+
0Hình 1.11. Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD
khi chạy với MG2 và MG1 khởi động động cơ xăng
Khi ôtô đạt tốc độ khoảng 48 km/h (30 dặm/giờ) thì ECU HV sẽ kích hoạt pin
HV bổ sung thêm năng lƣợng cho bộ chuyển đổi và cấp điện cho MG1 hoạt động ở
chế độ động cơ để khởi động động cơ xăng.
14
Engine
MG1
3
Z
- Số răng của bánh răng bao.
Nếu có một trong những hạng mục do ECU HV kiểm soát nhƣ tình trạng SOC,
nhiệt độ ắc quy, nhiệt độ nƣớc làm mát và điều kiện tải điện lệch so với mức tiêu
chuẩn thì MG1 sẽ đƣợc kích hoạt để khởi động động cơ xăng.
: Đƣờng truyền năng lƣợng
: Đƣờng truyền công suất
Copyright: Tài liệu đại học ©