i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
CHO Ô TÔ ĐIỆN TỐC ĐỘ CHẬM

GVHD : PGS.TS Đặng Văn Nghìn
SVTH : Trương Phúc Hòa
MSSV : 20600827 Tp HCM, Tháng 1/ 2011

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 27/12/2010
5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Đặng Văn Nghìn, BM Chế tạo máy.
Nội dung và yêu cầu LVTN đã đƣợc thông qua Bộ môn.
Ngày 30 tháng 12 năm 2010
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN PGS. TS Đặng Văn Nghìn

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ):
Đơn vị:
Ngày bảo vệ:
Điểm tổng kết:
Nơi lƣu trữ luận văn:
ii LỜI CÁM ƠN

Xin gửi lời chân thành biết ơn sâu sắc đến:
Phó Giáo sƣ – Tiến sĩ Đặng Văn Nghìn đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện
thuận lợi trong quá trình thực tập tốt nghiệp và thực hiện luận văn này.
Các thầy cô thuộc khoa Cơ khí đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ tôi trong suốt những năm
học tập, trang bị kiến thức chuyên nghành và tạp điều kiện thuận lợi giúp đở tôi hoàn thành
luận văn này.
Các Thầy cô trƣờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã dạy dỗ và truyền đạt những kiến
thức vô cùng quý báu và bổ ích để làm hành trang trong cho tôi cuộc sống.
Cùng gia đình, bạn bè và nhất là Cha Mẹ đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần, tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt chương trình đại học.

Tôi mong rằng kết quả của luận văn sẽ đóng góp một phần nhỏ trong sự phát triển của ô
tô điện ở nước ta góp phần giải quyết các vấn đề cấp bách hiện nay. Cuối cùng tôi mong nhận
được những ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy Cô và các bạn.
iv

MỤC LỤC
Đề mục Trang
Trang bìa i
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn ii
Tóm tắt luận văn iii
Mục lục iv
Danh sách hình vẽ vii
Danh sách bảng biểu ix
Danh Sách các từ viết tắt x
CHƢƠNG 1: XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN 1
1.1 Lịch sử phát triển của ô tô điện 1
1.2 Những động cơ thúc đẩy việc phát triển ô tô điện 4
1.2.1 Sự gia tăng số lượng ô tô 4
1.2.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường 5
1.2.3 Sự cạn kiệt nguồn năng hóa thạch 6
1.3 Xu hướng phát triển ô tô sạch 8
CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 12
2.1 Tổng quan về ô tô điện và hệ thống truyền lực 12
2.1.1 Khái niệm 12
2.1.2 Cấu trúc hệ thống truyền lực ô tô điện 12
2.2 Phân tích lựa chọn phương án truyền động cho ô tô điện 14

ẮC QUY 53
5.1 Xác định động cơ điện và bộ nguồn ắc quy 53
5.1.1 Xác định các thông số của động cơ điện 53
5.1.2 Xác định các thông số cho bộ nguồn ắcquy 57
5.2 Tính toán các thông số động học của ô tô điện tốc độ chậm 59
5.2.1 Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực 59
5.2.2 Xác định vận tốc lớn nhất của xe 60
5.2.3 Khả năng leo dốc của ô tô - độ dốc cực đại 60
CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ 62
6.1 Sơ đồ tổng quát các cơ cấu truyền động cơ khí 62
6.2 Thiết kế bộ truyền lực chính và vi sai cầu chủ động 62
vi

6.2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống truyền lực 62
6.2.2 Thiết kế cơ cấu truyền lực chính cầu chủ động 63
6.2.3. Chọn bộ vi sai và bán trục cầu chủ động 69
6.3 Thiết kế trục, gối đở, vỏ cầu và bôi trơn 70
6.3.1 Thiết kế trục sơ cấp 70
6.3.2 Tính toán chọn ổ lăn 74
6.3.3 Vỏ cầu chủ động 76
6.3.4 Bôi trơn 76
6.4 Bố trí lắp đặt các bộ phận truyền lực trên ô tô điện 77
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 78
Tài liệu tham khảo 79 vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ


Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ song song 39
Hình 4.8: Đường đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 40
Hình 4.9: Mạch điện động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 40
Hình 4.10: Đường đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ song song 41
Hình 4.11: Stator động cơ BLDC 42
Hình 4.12: Các dạng rotor động cơ BLDC 42
Hình 4.13: Hình vẽ minh họa cấu tạo BLDC của Microchip 43
Hình 4.14: Đặc tính cơ momen – tốc độ của động cơ BLDC 43
Hình 4.15: Nguyên lý làm việc động cơ điện không đồng bộ 46
Hình 4.16: Các đường đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ 47
Hình 4.17: Mặt cắt ngang động cơ điện đồng bộ 47
Hình 4.18: Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 48
Hình 4.19: Độ cứng đặc tính cơ và sự ổn định tốc độ 51
Hình 4.20: Đường đặc tính của ba loại động cơ điện 51
Hình 5.1: Các lực cản tác dụng lên xe khi lên dốc 53
Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối tiếp 6 bình ắcquy (12V- 50AH) 57
Hình 5.3: Kết cấu của động cơ điện HPM5000B 58
Hình 5.4: Sơ đồ hệ thống truyền lực 59
Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động cơ khí 62
Hình 6.2: Sơ đồ cấu tạo hệ thống truyền lực 63
Hình 6.3: Đồ thị biểu diễn thay đổi tải trọng theo chu kỳ 63
Hình 6.4: Kết cấu bộ vi sai 70
Hình 6.5: Sơ đồi nội lực 71
Hình 6.6: Sơ đồ đặt lực của trục sơ cấp 74
Hình 6.7: Mức dầu bôi trơn trong cầu chủ động 76
Hình 6.8: Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động trên ô tô điện hai chỗ ngồi 77

ix
1.1 Lịch sử phát triển của ô tô điện:
Ô tô điện đã có lịch sử phát triển trước cả những ô tô trang bị động cơ đốt trong. Vào
năm 1835, Thomas Davenport đã chế tạo ra chiếc ô tô điện đầu tiên chạy bằng nguồn năng
lượng của ắc quy. Việc điều khiển và khởi động động cơ điện được thực hiện một cách dễ
dàng cộng với tình trạng khan hiếm các trạm cung cấp nhiên liệu lúc bấy giờ đã thúc đẩy việc
dùng ô tô điện chạy bằng năng lượng của ắc quy. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của
động cơ đốt trong cùng với việc phát minh động cơ khởi động bằng điện đã ngăn cản sự phát
triển của kỹ thuật ô tô điện. Việc sử dụng ô tô điện bị hạn chế với số lượng nhỏ các xe ô tô và
xe tải nhỏ để phân phát hàng hóa.
Năm 1920 hàng ngàn chiếc xe điện được sản xuất: xe hơi, xe tải nhỏ, xe taxi, xe buýt.
Tuy nhiên lúc này lượng dầu mỏ được khai thác với giá rẻ nên đã thu hút được các nhà sản
xuất đầu tư phát triển xe động cơ đốt trong. Ngoài ra một lý do khác là công nghiệp pin thời
điểm này chưa phát triển mạnh mẽ, để tạo ra một công suất quay như động cơ đốt trong thì
khối lượng pin rất cồng kềnh khó có thể đặt trên xe.
Tình trạng ô nhiễm ngày càng gia tăng vào cuối những thập niên 60 của thế kỷ trước đã
thúc đẩy cho việc phát triển của ô tô điện thử nghiệm. Nhưng nghành công nghiệp ô tô lúc đó
đã phát triển cùng với các phương pháp giảm lượng khí thải, lại một lần nữa ngăn cản sự phát
triển của ô tô điện. Vào những năm 1970, việc thiếu xăng dầu từ hậu quả của việc cấm vận
dầu mỏ của người Ả Rập đã gây nên một cuộc khủng hoảng năng lượng. Người ta đã chú ý
nhiều hơn đến ô tô điện, nhưng chỉ được sản xuất với một số lượng nhỏ không đáp ứng được
nhu cầu về giao thông cho toàn xã hội. Ngoài ra bán kính hoạt động của ô tô điện còn bé là
một trong những lý do kiềm hãm sự phát triển của ô tô điện.
Ngày nay chính phủ các nước quan tâm nhiều hơn tới vấn đề môi trường cũng như về
vấn đề sử dụng năng lượng có thể tái tạo được. Ở Mỹ các các nước Châu Âu đã có các đạo
luật, các tiêu chuẩn về khí thải đưa ra để hạn chế các loại xe gây ô nhiễm môi trường. Hiện
thời chiếc ô tô điện là phương tiện có thể làm được việc “ không gây ô nhiễm”. Việc bắt buộc
phải giảm ô nhiễm không khí đã thúc đẩy mãnh liệt những chương trình nghiên cứu về ô tô
Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

2

điện cùng với các loại xe tiết kiệm nhiên liệu khác đang phát triển mạnh mẽ phù hợp với sự
phát triển của nhân loại.

Hình 1.3. Biểu đồ sự phát triển của các loại ô tô.
Động cơ hơi
nước ( 1770-
1920)
Dầu được tìm thấy
lần đầu năm 1859.
Giá dầu cao hơn
100$/ 1 thùng
Ô tô điện được cải
tiến, số lượng ô tô
điện và ô tô hybrid
tăng mạnh
Xe điện
(1830 – tương lai)
Động cơ đốt trong
( 1885- bao lâu?)
ZEV cùng với xe
dùng pin nhiên

bước vào thời kỳ hội nhập và phát triển với tốc độ cao cùng với đó mức sống của người dân
ngày được nâng cao (GDP/người tăng), đồng thời cơ sở hạ tầng giao thông được nâng cấp và
xây dụng mới thì nhu cầu sử dụng ô tô thay cho xe máy để tăng tính tiện nghi, tính an toàn
trong giao thông là xu thế tất yếu và lúc đó số lượng ô tô sẽ tăng rất nhanh.
Nhưng sự phát triển tất yếu đó cũng đặt ra cho thế giới cũng như Việt Nam chúng ta
nhiều vấn đề cần giải quyết để sự phát triển đó thực sự bền vững và hiệu quả. Nhưng nỗi bật
lên 2 vấn đề bức xúc nhất hiện nay là ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn dầu mỏ.

Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

5

Hình Error! No text of specified style in document 4 Sự gia tăng số lượng ô tô ở Việt Nam.
1.2.2 Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng:
Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp Hydrocacbon với không khí chỉ sinh ra CO
2
, H
2
O
và N
2
. Vì sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lý tưởng cũng như do tính nhất phức tạp
của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ ô tô luôn
chứa một hàm lượng đáng kể các chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO
2
, N
2
O, gọi chung là
NO
x

16.8
42.8
Công nghiệp dầu mỏ
5.2
5.3
1.7
Các hoạt động khác
12
25
8.4
Tổng cộng
100
100
100 Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

6
Cùng với quá trình phát triển công nghiệp nói chung trong đó sự gia tăng nhanh số lượng
ô tô đóng một vài trò quan trọng làm gia tăng một cách đáng ngại của một số chất gây ô
nhiễm trong bầu khí quyển. Đến nay người ta đã xác định được các chất gây ô nhiễm không
khí mà phần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong. Người ta đã xác
định được nồng độ các chất gây ô nhiễm các hoạt động của con người như bảng trên.
Ngoài các chất ô nhiễm trên trong khí thải động cơ có một lượng lớn khí CO
2
cùng với
sự gia tăng nhanh về số lượng ô tô trên thế giới làm cho khối lượng khí này thải vào khí
quyển ngày càng gia tăng và chiếm một tỷ lệ lớn trong lượng phát thải CO
2

20
10
0
2040 202020001980 196019401920 1900

Hình 1.6 Trữ lượng dầu phát hiện và nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ.
Tuy vậy tính đến năm 2005 thế giới đã tiêu thụ 110 tỷ tấn dầu, nhưng vẫn còn 140 tỷ tấn
và còn khai thác được trong vòng 36 năm với nhu cầu tiêu thụ như hiện nay (theo đó đến năm
2040 dầu mỏ sẽ hết) đây được xem là một dự báo chính xác hơn những dự báo năm 1970 do
sự phát triển của khoa học kĩ thuật như thể hiện ở hình trên. Mặc dù vậy nhu cầu sử dụng dầu
mỏ vẫn tăng cao và tăng liên tục kéo theo trữ lượng khai thác hàng năm và giá dầu liên tục
tăng. Đặc biệt giá dầu trong những năm gần đây tăng nhanh và liên tục lập những kỷ lục mới
nhiều lúc đã vượt qua ngưỡng 100USD/thùng đặc biệt trong năm 2008 này dầu thơ đã có lúc
lên đến 115USD/ thùng đặt kinh tế thế giới trước nhiều thách thức của khủng hoảng kinh tế.

Hình 1.7. Trữ lượng dầu còn lại của các vùng khác nhau trên
thế giới ( BP Statistical Review, 2007).

Bắc Mỹ
Mỹ
La Tinh
Liên Xơ
cũ
Châu Âu
Trung
Đơng
Châu Phi
Châu Á-
TBD
Thế Giới

nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những
năm gần đây, tập trung vào việc hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại
nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol,
biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid). Xu hướng phát triển ô tô
sạch có thể tổng hợp như sau:
Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

9
+ Hoàn thiện động cơ đốt trong:
Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ động cơ đốt trong đã cho phép nâng cao rõ rệt
tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử,
lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất
lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp. Việc dùng động cơ
đốt trong sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng cũng là một giải pháp nâng cao
tính năng của động cơ đốt trong.
+ Ô tô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế:
Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza, có nguồn từ thực vật.
Do thành phần Carbon trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc
carbon, đặc biệt là giảm CO
2
, chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Ngày nay việc ứng dụng các
loại nhiên liệu lỏng thay thế trên phương tiện vận tải nói chung và trên xe buýt nói riêng vẫn
còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao. Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những
nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên được chiết xuất từ các chất
thải của quá trình sản xuất công nghiệp.
Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được công bố là Dimethyl ether (DME)
được chế tạo từ khí thiên nhiên. Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động
cơ diesel giống như LPG. Thử nghiệm trên ô tô cho thấy, ô tô dùng DME có mức độ phát ô
nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV. Nếu
việc sản xuất DME trên qui mô công nghiệp thành hiện thực thì trong tương lai nó sẽ là nhiên

con tàu không gian nhưng ngày nay pin nhiên liệu đã bước vào giai đoạn thương mại hóa để
cung cấp năng lượng cho ô tô. Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động
của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước. Vì vậy có thể nói ô tô hoạt động bằng pin nhiên
liệu là ô tô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Ô tô chạy bằng pin
nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Khó khăn vì vậy liên quan đến lưu
trữ hydro dưới áp suất cao hoặc trong vật liệu hấp thụ trên phương tiện vận tải.
+ Ô tô lai (hybrid):
Ô tô lai là loại ô tô sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau. Trong khi các
giải pháp sử dụng ô tô chạy hoàn toàn bằng điện còn nhiều bất cập thì ô tô lai sử dụng động
cơ điện và động cơ xăng tỏ ra có nhiều ưu thế nhất. Ô tô lai dạng này sử dụng động cơ điện
một chiều chạy bằng accu được nạp điện bằng điện lưới khi ô tô dừng và nạp điện bổ sung từ
cụm động cơ nhiệt-máy phát điện một chiều bố trí trên xe. Ô tô lai được nghiên cứu từ những
năm 1990. Đến năm 1997, chiếc ô tô lai đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật Bản. Hiện nay
trên thị trường thế giới đã xuất hiện ô tô lai với các nhãn hiệu khác nhau: Honda Insight,
Honda Civic, Toyota Prius với giá cả cạnh tranh với ô tô truyền thống.
Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

11
+ Ô tô chạy bằng điện:
Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường
không khí trong thành phố. Nguồn điện dùng để chạy ô tô được nạp vào ắc quy do đó quãng
đường hoạt động độc lập của ô tô phụ thuộc vào khả năng tích điện của ắc quy. Nếu nguồn
điện được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh (thủy điện, pin mặt trời ) thì ô tô dùng
điện là loại phương tiện lý tưởng nhất về mặt ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên nếu nguồn điện
được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thì ưu điểm này bị hạn chế nếu xét về mức độ phát ô
nhiễm tổng thể. Ngày nay ô tô chạy bằng ắc quy đã đạt được những tính năng vận hành cần
thiết giống như ô tô sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống.
Có thể nói ô tô sạch là chìa khóa mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô
tô, đó là những chiếc ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái. Chúng
ta là nước đi sau đòi hỏi chúng ta phải có những nắm bắt về công nghệ mới của thế giới nhằm

2.1.2 Cấu trúc hệ thống truyền lực ô tô điện:
Trước đây, các ô tô điện được chuyển đổi từ các ô tô động cơ đốt trong có sẵn bằng cách
thay thế các động cơ và thùng chứa nhiên liệu bằng động cơ điện và bộ ắc quy trong khi giữ
lại tất cả các thành phần khác, như trong hình 2.1. Cấu trúc này có những hạn chế như khối
lượng nặng, tính linh hoạt thấp, hiệu suất giảm làm cho việc sử dụng ô tô điện giảm dần. Thay
vào đó, các kiểu ô tô điện xây dựng theo mục đích sử dụng, dựa vào yêu cầu ban đầu và các
thiết kế cơ sở. Với cách làm này ô tô điện đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của người sử dụng và
tỏ ra linh hoạt hơn. Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

13

Hình 2.1 Hệ thống truyền lực ô tô điện.
Một dạng cấu trúc hệ thống truyền động được mô tả chi tiết trong hình 2.2. Hệ thống
truyền động bao gồm ba hệ thống nhỏ: hệ thống truyền lực bằng động cơ điện, hệ thống năng
lượng, và các phần phụ trợ. Hệ thống truyền lực bằng động cơ điện bao gồm: bộ điều khiển
xe, bộ chuyển đổi công suất, động cơ điện, bộ truyền dẫn cơ khí, và cơ cấu dẫn động. Hệ
thống năng lượng bao gồm phần nạp nhiên liệu, bộ phận quản lý năng lượng, và ắc quy. Các
hệ thống phụ bao gồm: tay lái trợ lực, bộ điều hòa không khí, và các bộ phận phụ khác.

Hình 2.2 Các thành phần của ô tô điện.

Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô điện tốc độ chậm SVTH: Trương Phúc Hòa

14
Căn cứ vào việc điều khiển đầu vào từ bàn đạp ga và bàn đạp thắng, bộ điều khiển của xe
cung cấp tín hiệu điều khiển phù hợp với bộ chuyển đổi công suất, bộ chuyển đổi công suất có
chức năng điều tiết dòng năng lượng giữa các động cơ điện và ắc quy. Các dòng năng lượng