BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ ĐÀO THANH LÝ
LÊ QUANG KHẢI
TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ
HYBRID VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH BỘ PHÂN PHỐI CÔNG
SUẤT-PSD TRONG HỆ THỐNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Kỹ thuật Ô tô)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS-TS. NGUYỄN VĂN NHẬN
TS. LÊ BÁ KHANG
NHA TRANG, THÁNG 7 NĂM 2011 i
Lê Quang Khải
ii
LỜI CẢM ƠN
Chúng em không thể theo đuổi và hoàn thành đồ án tốt nghiệp nếu không có
sự giúp đỡ của những ngƣời thân, thầy cô và những ngƣời bạn xung quanh. Do vậy,
với sự trân trọng và cảm kích, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Gia đình
và Bố mẹ những ngƣời hết lòng chăm sóc, an ủi, động viên, tạo điều kiện cho
chúng Em trong thời gian thực hiện đề tài.
Chúng Em xin chân thành cảm ơn PGS-TS. NGUYỄN VĂN NHẬN và
TS. LÊ BÁ KHANG đã dành thời gian quý báu tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo những
thiếu sót, cung cấp tài liệu tham khảo cần thiết để chúng em có thể hoàn thành đồ án
tốt nghiệp này.
Ngoài ra, chúng em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy cô
Bộ môn kỹ thuật ô tô, khoa Cơ khí, Xƣởng cơ khí ĐH Nha Trang và cán bộ,
công nhân viên Công ty TNHH Cơ khí TRÚC LÂM đã cho phép, hỗ trợ chúng
em trong quá trình thực hiện mô hình.
Xin cảm ơn thầy cô trong khoa Cơ Khí và thầy cô tham gia giảng dạy tại
trƣờng Đại học Nha Trang đã cung cấp cho chúng em những kiến thức cơ sở để có
khả năng tham gia những công việc liên quan sau này. Nhóm chúng xem xin gửi
đến thầy cô lời chúc sức khỏe, luôn có thật nhiều niềm vui trong giảng dạy và đạt
nhiều thành công trong công tác và nghiên cứu khoa học.
Xin chân thành cảm ơn.
1.4. HỘP SỐ 7
1.4.1. Nhiệm vụ, phân loại 7
1.4.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động hộp số ba cấp số tiến và một số lùi 7
1.5. CAC ĐĂNG VÀ KHỚP NỐI 9
1.5.1. Định nghĩa, công dụng và phân loại 9
1.5.2. Cấu tạo và hoạt động của cac dăng 10
1.6. CẦU CHỦ ĐỘNG 11
1.6.1. Nhiệm vụ, phân loại 11
1.6.2. Cấu tạo cầu chủ động 12
1.6.3. Nguyên lý hoạt động cầu chủ động 13
iv
Chƣơng 2 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN Ô TÔ HYBRID CÁC PHƢƠNG ÁN
HYBRID ĐIỂN HÌNH 14
2.1. KHÁI NIỆM CHUNG 14
2.2. XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN Ô TÔ HYBRID Ở THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 14
2.2.1. Hoàn thiện động cơ diesel 15
2.2.2. Sử dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế 15
2.2.3. Sử dụng nhiên liệu khí 19
2.2.4. Ô tô chạy bằng điện 21
2.2.5. Ô tô sử dụng pin nhiên liệu (Fuel-cell) 23
2.2.6. Ô tô hybrid (ô tô lai) 24
2.3. CÁC PHƢƠNG ÁN PHỐI HỢP CÔNG SUẤT HYBRID 25
2.3.1. Theo thời điểm phối hợp công suất 25
2.3.1.1. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm 25
2.3.1.2. Phối hợp khi cần công suất cao 25
2.3.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện 26
3.2.10. Chạy lùi 51
Chƣơng 4 THIẾT LẬP MÔ HÌNH VỚI CỤM PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT-PSD 53
4.1. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 53
4.1.1. Tính toán và chọn công suất máy điện (MG2) 53
4.1.2. Tính toán và chọn công suất động cơ nhiệt 57
4.1.3. Chọn công suất máy điện (MG1) 60
4.1.4. Phân bố tải trọng lên các dầm cầu của ô tô ở trạng thái tĩnh 60
4.1.5. Chọn lốp ô tô 60
4.2. PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT 61
4.2.1. Bộ phối hợp công suất kiểu truyền động nối cứng tốc độ (
2
1
.i
21
). 62
4.2.2. Bộ phối hợp công suất kiểu biến đổi mômen 65
4.2.3. Bộ phối hợp công suất kiểu vi sai tốc độ. 70
4.3. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN GIA CÔNG CHẾ TẠO CỤM
PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT-PSD 82
4.3.1. Phƣơng án 1, mua mới bộ phân phối công suất PSD 82
4.3.2. Phƣơng án 2, cải hoán sử dụng các chi tiết có sẵn trên thị trƣờng 83
4.3.3. Phƣơng án 3, thiết kế chế tạo mới toàn bộ mô hình 83
4.3.4. Phân tích lựa chọn phƣơng án 84
vi
4.4. THIẾT KẾ KỸ THUẬT BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT-PSD 84
Hình 1-9: Sơ đồ cấu tạo trục chữ thập 10
Hình 1-10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động trục cac đăng 10
Hình 1-11: Cấu tạo bộ vi sai 11
Hình 1-12: Sơ đồ cấu tạo cầu chủ động 13
Hình 2-1: Tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm của ô tô 14
Hình 2-2: Hệ thống hybrid nối tiếp 26
Hình 2-3: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp 26
Hình 2-4: Hệ thống hybrid song song 27
Hình 2-5: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song 27
Hình 2-6: Hệ thống hybrid hỗn hợp 28
Hình 2-7: Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp. 29
Hình 3-1: Sơ đồ hệ động lực ô tô hybrid kiểu hỗn hợp 30
Hình 3-2: Ô tô hybrid Toyota Prius 31
Hình 3-3: Động cơ đốt trong, hộp số của ô tô hybrid (Toyota Prius) 31
Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hộp số và bộ phân phối công suất 32
Hình 3-5: Hộp số và bộ phân phối công suất PSD ô tô hybrid (Toyota Prius) 32
Hình 3-6: Motor điện và máy phát điện ô tô hybrid (Toyota Prius) 33
Hình 3-7: Bộ chuyển đổi điện 34
viii
Hình 3-8: Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius 34
Hình 3-9: Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao 35
Hình 3-10: Bố trí Ắc-quy phụ trên ô tô hybrid 35
Hình 3-11: Sơ đồ hệ động lực Hybrid 38
Hình 3-12: Điều kiện ô tô ở chế độ Ready On 39
Hình 3-13: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD ở chế độ Ready On 39
Hình 3-14: Sơ đồ tổng quát đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất trên ô tô. . 39
khi chạy ở tốc độ tối đa 49
Hình 3-35: Sơ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất ở tốc độ tối đa 49
Hình 3-36: Điều kiện của ô tô khi chạy giảm tốc hoặc phanh 50
Hình 3-37: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động bộ phân phối công suất PSD
khi giảm tốc hoặc phanh 50
Hình 3-38: Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi giảm tốc hoặc
phanh 51
Hình 3-39: Điều kiện của ô tô khi chạy lùi 51
Hình 3-40: Biểu đồ monographic và sơ đồ hoạt động PSD khi chạy lùi 52
Hình 3-41: Sơ đồ đƣờng truyền năng lƣợng điện và công suất khi chạy lùi 52
Hình 4-1: Lực và mômen tác dụng lên ô tô chuyển động tăng tốc trên đƣờng dốc 53
Hình 4-2: Sơ đồ xác định diện tích cản chính diện của ô tô 55
Hình 4-3: Sơ đồ bố trí tổng thể bộ truyền phối hợp hai nguồn động lực. 61
Hình 4-4: Bộ phối hợp công suất kiểu nối cứng tốc độ (
2
1
.i
21
). 62
Hình 4-5: Bộ phối hợp công suất kiểu biến đổi mômen. 65
Hình 4-6: Bộ phối hợp công suất kiểu biến đổi mômen. 66
Hình 4-7: Bộ phối hợp công suất kiểu vi sai tốc độ 70
Hình 4-8: Sơ đồ cơ cấu bộ chia công suất PSD 71
Hình 4-9: Sơ đồ cơ cấu của bộ chia công suất khi chỉ truyền động bằng MG2. 73
Hình 4-10: Sơ đồ cơ cấu bộ chia công suất PSD khi chỉ truyền bằng động cơ xăng75
Hình 4-11: Sơ đồ cơ cấu của bộ chia công suất PSD khi truyền động kết hợp cả hai
nguồn công suất của động cơ điện (MG1) và động cơ xăng 78
Hình 4-12: Sơ đồ cơ cấu của bộ chia công suất PSD khi MG1 khởi động động cơ
xăng trƣờng hợp ô tô đứng yên 81
Bảng 2-2 So sánh ƣu nhƣợc điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất 29
Bảng 4-1: Thông số kỹ thuật của MG2 57
Bảng 4-2: Thông số kỹ thuật của động cơ xăng 59
Bảng 4-3: Thông số đầu vào và đầu ra của bộ chia công suất PSD 86
Bảng 4-4: Thông số hình học của bánh răng bao 98
Bảng 4-5: Thông số hình học của bánh răng trung tâm 98
Bảng 4-6: Thông số hình học của bánh răng vệ tinh. 99 xii
DANH MỤC VIẾT TẮT
1. HTTL: Hệ thống truyền lực.
2. DME: Dimethyl ether (nhiên liệu lỏng).
3. LPG: Liquefied petroleum gas (khí hóa lỏng).
4. CNG: Compressed natural gas (khí thiên nhiên).
5. ĐCĐT: Động cơ đốt trong.
6. PSD: Power split device (Bộ chia công suất).
7. CVT: Continuosly variable transimission (hộp số biến thiên vô cấp).
8. SOC: State of charge (tình trạng sạc).
9. DC: Dòng điện một chiều.
10. MG1-Motor Generater 1 (tổ hợp động cơ, máy phát 1)
11. MG2-Motor Generater 2 (tổ hợp động cơ, máy phát 2)
12. HV Batterry - High volt batterry (ắc quy cao áp) 2
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỘNG LỰC Ô TÔ
1.1. ĐỊNH NGHĨA, NHIỆM VỤ, PHÂN LOẠI
1.1.1. Định nghĩa
Hệ thống truyền lực (HTTL) của ô tô là hệ thống tập hợp tất cả các cơ cấu
nối từ động cơ tới bánh xe chủ động, bao gồm các cơ cấu truyền, cắt, đổi chiều
quay, biến đổi giá trị mô men.
1.1.2. Nhiệm vụ
Truyền, biến đổi mô men quay và số vòng quay từ động cơ tới bánh xe chủ
động sao cho phù hợp giữa chế độ làm việc của động cơ, và mô men cản sinh
ra trong quá trình ô tô chuyển động.
Cắt dòng truyền trong thời gian ngắn hoặc dài.
Thực hiện đổi chiều chuyển động nhằm tạo nên chuyển động lùi cho ô tô.
Tạo khả năng chuyển động “mềm mại’’ và tính năng việt dã trên đƣờng.
1.1.3. Phân loại
1.1.3.1 Phân loại theo hình thức truyền năng lƣợng
HTTL cơ khí bao gồm các bộ truyền ma sát, các hộp biến tốc, hộp phân
phối truyền động cac đăng, loại này đƣợc dùng phổ biến.
HTTL cơ khí thủy lực bao gồm các bộ truyền cơ khí, bộ truyền thủy lực.
HTTL điện từ bao gồm nguồn điện, các động cơ điện, rơle điện từ, dây dẫn.
HTTL thủy lực bao gồm bơm thủy lực, các động cơ thủy lực.
HTTL liên hợp bao gồm một số bộ phận cơ khí, một số bộ phận thủy lực,
một số bộ phận điện từ.
1.1.3.2. Phân loại theo đặc điểm biến đổi tỉ số truyền
chất phụ gia nhằm chống đông khi gặp trời lạnh, chống bám cặn, chống ăn mòn.
4
Hình 1-2: Động cơ ô tô
Hệ thống bơi trơn làm nhiệm vụ giảm hao mòn do ma sát của các cặp chi tiết chuyển
động tƣơng đối với nhau và tham gia một phần vào quá trình làm mát động cơ.
Hệ thống đánh lửa (ở động cơ xăng) cung cấp một nguồn điện rất lớn gửi đến hai cực
của buji để tạo tia lửa điện để đốt cháy môi chất công tác vào cuối kỳ nén.
1.3. LY HỢP
1.3.1. Định nghĩa, nhiệm vụ, phân loại
1.3.1.1. Định nghĩa
Ly hợp là một cụm của HTTL nằm giữa động cơ và hộp số chính.
1.3.1.2. Nhiệm vụ
Tạo khả năng đóng ngắt mạch truyền lực từ động cơ tới bánh xe chủ động
Ly hợp đảm bảo đóng ngắt êm dịu nhằm giảm tải trọng động và thực hiện
trong thời gian ngắn.
Khi chịu tải quá lớn ly hợp đóng vai trò nhƣ một cơ cấu an toàn nhằm tránh
quá tải cho HTTL và động cơ.
Khi có hiện tƣợng cộng hƣởng (rung động lớn) ly hợp có khả năng dập tắt
nhằm nâng cao chất lƣợng truyền lực.
1.3.1.3. Phân loại
Ly hợp ma sát.
Ly hợp thủy lực.
Ly hợp điện từ.
Hình 1-5: Sơ đồ hệ thống ly hợp tổng quát
Trạng thái đóng là trạng thái thƣờng xuyên làm việc của ly hợp. Dƣới tác
dụng của lò xo ép: đĩa ép, đĩa bị động và bánh đà động cơ bị ép sát vào nhau. Khi
đó bánh đà, đĩa bị động, đĩa ép, lò xo ép, vỏ ly hợp quay thành một khối. Mô men
xoắn truyền từ động cơ tới bánh đà, qua các bề mặt ma sát truyền đến moayơ đĩa bị
động tới trục bị động. Ly hợp thực hiện chức năng truyền mô men xoắn từ động cơ
tới hộp số.
Trạng thái mở là trạng thái làm việc không thƣờng xuyên. Khi tác dụng lên
cơ cấu điều khiển kéo đĩa ép di chuyển ngƣợc chiều ép của lò xo, tách giữa các bề
mặt ma sát của đĩa bị động với bánh đà và đĩa ép. Phần chủ động của ly hợp quay
theo động cơ, nhƣng do lực ép không tác dụng lên đĩa ép, bởi vậy không tạo nên ma
sát để truyền mô men xoắn từ phần chủ động sang phần bị động. 7
1.4. HỘP SỐ
1.4.1. Nhiệm vụ, phân loại
1.4.1.1. Nhiệm vụ
Tạo nên sự thay đổi và số vòng quay của động cơ ở giới hạn rộng phù hợp
với sự thay đổi của các lực cản trên đƣờng.
Tạo nên chuyển động lùi cho ô tô.
Có thể ngắt dòng truyền trong một thời gian dài.
1.4.1.2. Phân loại
Hộp số cơ khí.
Hình 1-7: Sơ đồ kết cấu của hộp số bánh răng di động với cơ cấu sang số, các bánh
răng đang ở vị trí số 0
Cài số 1: Các bánh răng đang ở vị trí số 0, gạt tay nắm cần sang số qua trái
và kéo lùi, cần này sẽ dẫn động gắp 1 đi tới cài bánh răng (1) vào bánh răng (1’).
Mô men xoắn từ bánh răng chủ động A truyền qua bánh răng B và trục trung gian
đến bánh răng (1’) lên bánh răng (1) kéo trục thứ cấp quay. Ở cấp số một tỷ số
truyền động đƣợc giảm tốc hai lần: tại đôi bánh răng A-B và (1)-(1’), vì vậy tỷ số
truyền lực lớn nhất trong các cấp số tiến.
9
Cài số 2: Đẩy cần sang số tới trƣớc để tách bánh răng (1) ra khỏi bánh răng
(1’), sau đó gạt qua phải và đẩy tới. Cần số sẽ dẫn động gắp 2 lùi, cài bánh răng (2)
vào bánh răng (2’). Mô men xoắn từ bánh răng chủ động A đến bánh răng B, trục
trung gian, bánh răng (2’) đến bánh răng (2) kéo quay trục thứ cấp. Truyền động
đƣợc giảm tốc một lần.
Cài số 3: Kéo lùi cần số gắp 2 đẩy bánh răng (2) khớp vào mặt sau của bánh
răng chủ động A, trục sơ cấp và thứ cấp đƣợc nối thành một trục duy nhất, mô men
truyền thẳng từ trục sơ cấp đến trục thứ cấp. Đây là cấp số cao nhất.
Cài số lùi: Đẩy cần sang số tới để tách bánh răng (2) ra khỏi bánh răng chủ
động A, sau đó gạt cần sang số qua trái và đẩy tới, gắp 1 sẽ tiến ra phía sau cài bánh
răng (1) vào bánh răng trung gian lùi. Mô men truyền từ bánh răng chủ động A đến
B, đến trục trung gian. Mô men truyền tiếp từ bánh răng lùi của trục trung gian đến
bánh răng trung gian lùi kéo bánh răng (1) và trục thứ cấp quay ngƣợc chiều với
trục sơ cấp.
1.5. CAC ĐĂNG VÀ KHỚP NỐI
1.5.1. Định nghĩa, công dụng và phân loại
1.5.1.1. Định nghĩa
Hình 1-10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động trục cac đăng
Khi hoạt động trục bị động quay không đều, đồng thời bị dao động mạnh so
với trục chủ động. Sự dao động xảy ra theo chu kỳ dƣới hình thức tăng tốc và giảm
tốc. Cứ mỗi vòng quay, dao động tăng tốc, giảm tốc hai lần. Cƣờng độ dao động
của trục bị động tùy thuộc vào góc lệch giữa trục chủ động với trục bị động, thông
thƣờng cho góc lệch 15
0
hoặc 30
0
.
11
1.6. CẦU CHỦ ĐỘNG
Cầu chủ động gồm truyền lực chính và vi sai.
Hình 1-11: Cấu tạo bộ vi sai
1.6.1. Nhiệm vụ, phân loại
1.6.1.1. Nhiệm vụ
* Nhiệm vụ của truyền lực chính
- Đảm nhận tỷ số truyền lớn, tăng mô men quay cho bánh xe, tạo nên số
vòng quay tối ƣu cho chuyển động ô tô trong khoảng tốc độ của ô tô yêu cầu.
- Tạo nên chiều quay thích hợp giữa bánh xe và HTTL.
* Nhiệm vụ của vi sai
- Thực hiện sự sai lệch tốc độ quay các trục bánh xe khi chuyển động trên
đƣờng vòng, đƣờng gồ ghề (hai bánh xe quay với tốc độ khác nhau) đảm bảo dễ
dàng điều khiển hƣớng chuyển động và không mài mòn lốp xe.
- Hạn chế trƣợt quay ở bánh xe, khi chênh lệch tốc độ góc giữa các bánh xe trên
- Vi sai ma sát trong thấp.
- Vi sai có ma sát trong cao.
- Khóa cứng vi sai.
Phân loại theo khả năng điều khiển ma sát trong đối với bộ vi sai.
- Điều khiển bằng tay từ ngoài bằng hệ thống cơ khí.
- Điều khiển từ ngoài bằng hệ thống điện.
- Tự động điều khiển (tự điều khiển bên trong cơ cấu).
1.6.2. Cấu tạo cầu chủ động
Hai bánh xe chủ động liên kết với bánh răng hành tinh qua hai bán trục. Bọc
vi sai chứa đựng các bánh răng hành tinh, hộ tinh và quay độc lập trên hai bán trục
nhờ các vòng bi tựa bên trong vỏ cầu chủ động. Xuyên ngang giữa bọc vi sai là trục
Copyright: Tài liệu đại học ©