Thiết kế hệ thống truyền lực cho ô tô hybrid bốn chỗ ngồi bố trí song song

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC CHO Ô TÔ HYBRID BỐN CHỖ NGỒI BỐ TRÍ SONG SONG (DESIGNING TRANSMIT FORCE SYSTEM FOR HYBRID PARALLEL ARRANGE FOUR SEAT AUTOMOTIVE) SVTH: ĐOÀN XUÂN BIÊN Lớp: 03C4A, trường Đại học Bách Khoa GVHD: ThS: LÊ VĂN TỤY Khoa Cơ Khí Giao Thông, trường Đại học Bách Khoa TÓM TẮT Báo cáo này trình bày phương án lựa chọn, thiết kế hệ thống truyền lực kiểu song song cho xe ô tô có hai nguồn động lực dẫn động (còn gọi là xe Hybrid). Nếu như đề tài này hoàn thành thì ta có thể chọn được một hệ thống truyền lực thích hợp. Sau đó chúng ta tính toán các hệ thống tiếp theo để tiến tới sản xuất một mẫu xe Hybrid 4 chỗ ngồi có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, mức độ phát ô nhiểm thấp, kiểu dáng và giá cả phù hợp với người tiêu dùng. SUMMARY This report presents project selective and design transmit force system parallel kind for automotives have two source dynamic conducting rough (Hybrid). If this topic is perfect, we can select a transmit force system appropriate. Apter, we calculate systems continue, progress products a vehicle specimen Hybrid four seat has efficient used hight energy, deliver level low pollution, configuration and price accord with consume people 1. Mở đầu 1.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài "thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện nhiệt bốn chỗ ngồi" là bước khởi đầu mà tiếp theo là thiết kế hoàn chỉnh và chế tạo một ô tô mới tại Việt Nam với mục tiêu hướng tới là: + Nâng cao điều kiện sống của người dân. + Giảm sự phát xạ khí CO2, NOx, CO, HxCy.... Như vậy sẻ tiết kiệm được nhiên liệu truyền thống, giảm ô nhiễm môi trường, hơn nữa loại xe mới này đạt được hiệu suất nhiên liệu cao hơn so với ô tô truyền thống. + Tạo ra mặt hàng công nghiệp đặc thù mang lợi thế cạnh tranh lớn. + Phát triển ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở Việt Nam. 1.2. Xu thế phát triển ô tô Ä tä sinh thaïi Pile nhiãn liãûu Cäng nghãû HYBRID GDI-Stratified Com mon raid GDI Âäüng cå khê thiãn nhiãn Âäüng cå Diesel Âäüng cå xàng Âäüng cå âiãûn Så âäö xu thãú phaït triãøn ä tä saûch Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 7 2. Nội dung 2.1. Phân tích phương án, chọn kiểu truyền động 2.1.1. Truyền động kiểu bánh răng hành tinh có motor phụ. Motor Bäü âiãöu khiãøn âäüng cå âiãûn Khoïa Maïy phaït Bäü baïnh ràng haình tinh Bäü âiãöu khiãøn âäüng cå âiãûn Bäü ly håüp Âäüng cå nhiãût Bäü àõc quy Hệ thống này có nhược điểm là kết cấu và điều khiển phức tạp, mặt khác ở chế độ truyền động song song nó sẻ có bất lợi trong việc hoạt động hiệu suất cao và phát ra công suất tối ưu một cách liên tục. 2.1.2. Truyền động kiểu bánh răng hành tinh đơn. Baïnh xe chuí âäüng Khoïa vi sai Âäüng cå âiãûn Phanh daíi 2 12 4Z 3 R2 R 3 1R 2 3 1 1 Z1 Z3 2Z Så âäö hãû thäúng truyãön læûc kiãøu hãû baïnh ràng haình tinh âån Bäü âiãöu khiãøn âäüng cå âiãûn Bäü àõc quyPhanh daíi 1 Ly h?p n?i 2 Häüp säú 2.1.3. Hệ thống truyền lực với stator motor di chuyển tự do trong giới hạn. Ta thấy rằng giữa hệ bánh răng hành tinh đơn và mô tơ điện có stator quay trong giới hạn có đặc trưng về vận hành và điều khiển giống nhau. Tuy nhiên thiết kế hệ thống với hệ bánh răng hành tinh đơn là dể hơn, êm dịu hơn với tỉ số truyền bánh răng R, nên có thể chọn phương án này. Thêm nữa, tỉ số truyền bánh răng như thế này có thể tăng mô men mô tơ. Mặt khác, một mô men mô tơ thấp sẻ được yêu cầu để động động cơ và truyền một mô men lớn đến vi sai cầu chủ động. Bộ kết hợp kiểu hệ bánh răng hành tinh có ưu điểm nổi bật là bảo đảm tính linh hoạt về phương diện tốc độ từ hai nguồn động lực truyền động kết hợp đồng thời. Điều này cho phép tránh được hiện tượng cưỡng bức tốc độ của một trong hai nguồn do tốc độ làm việc khác nhau từ hai nguồn động lực (1) và (2). Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 8 Engine Motor controller Batteries Transmission (gear box) Lock Motor rotor Motor stator Clutch 1 Clutch 2 FIGURE 9.18 Series - parallel mild hybrid electric drive train with a floating stator motor Hệ thống truyền lực với stator tự do 3. Kết quả và tính toán Như vậy nội dung thiết kế là: Thiết kế, tính toán hệ thống truyền lực kiểu hệ bánh răng hành tinh đơn cho ô tô Hybrid 4 chỗ ngồi bố trí song song. 3.1. Tính chọn động cơ điện, động cơ xăng và ắc quy Qua tính toán: Nyc = 80 (KW). 3.1.1. Chọn động cơ điện. Dựa vào website: hppt://www.metric mind.com. Tên gọi: MES 200-175 to 200-250. Công suất: 30 (kw) Mô men định mức: 100 (Nm). Số vòng quay định mức: 2850 (vg/ph) Số vòng quay lớn nhất: 9000 (vg/ph). Khối lượng: 61 (kg) Hiệu điện thế: 185 (V). I = 0.0014n + 138.34 P= 0.0442n + 13.828 P = 30.23 P = 0.0099n + 0.0234 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 7200 8000 8800 9600 10400 Speed RPM O u tp u t p K W 0 5 10 15 20 25 30 35 B at t C u rr A Cuong do dong dien Dac tinh cong suat Linear (Cuong do dong dien) Linear (Cuong do dong dien) Linear (Dac tinh cong suat) Linear (dac tinh cong suat) Đặc tính công suất ra và cường độ dòng điện theo số vòng quay M = 96,957 M = 235182n-0.9761 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 7200 8000 8800 9600 speed RPM M o to r E ff % 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 T o rq u e N m Dac tinh hieu suat Dac tinh mo men Đặc tính hiệu suất và mômen của động cơ điện Nhận xét: a) Đặc tính công suất: * Với giá trị của n từ 400 đến 2960(vg/ph), P tăng nhanh. * Với giá trị của n từ 2960 đến 10000 (vg/ph), P = const. b) Đặc tính mô men: * Với giá trị của n từ 200 đến 2960 (vg/ph), M = const. Tiếp tục tăng n, M giảm dần. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 9 3.1.2. Chọn động cơ xăng. Tham khảo dãy công suất tiêu chuẩn của động cơ thì động cơ xăng thuộc loại Macovac 2136, công suất 50 (kw), khối lượng 160 (kg), tốc độ định mức 4700 (vg/ph). Ne = -0.1342.We 2 + 178.9.We - 4290 Me = -0.0004.We 2 + 0.2064.We + 101.59 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 0 100 200 300 400 500 600 We (ra d/s) Ne (W ) 0 20 40 60 80 100 120 140 M e (N m ) Đặc tính ngoài động cơ xăng * Nhận xét: Đặc tính ngoài giống đặc tính lý thuyết. 3.1.3. Tính chọn ắc quy. a. Tính chọn ắc quy. Ta thấy tại giá trị công suất định mức của động cơ điện Pm=30 (KW), cường độ dòng điện có giá trị I =144,1(A). Chọn sơ bộ số giờ xe chạy hết bình là 2h, khi đó dung lượng của ắc quy là: Dung lượng phóng : Qp = Ip . tp = 144,1.2 = 288,2 (Ah). Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, và với hiệu điện thế của động cơ điện là 185 (V), chọn loại ắc quy NHW11 ở dạng cell có thông số kỹ thuật của mỗi ô như sau : - Dung lượng mỗi cell : 6,5 (Ah); Hiệu điện thế mỗi cell : 1,2(V) Số cell cần thiết : x = 2,1 185 = 154 cell. Các cell này phải mắc nối tiếp. Với 154 cell : E = 154.6,5 =1001 (Ah). Số giờ thực tế xe chạy hết bình là:t = 5,3 2,288 1001  pQ E (h). 3.1.4. Đặc tính của xe Hybrid thiết kế. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 V (m/s) Pk (N ) P k1 P k2 P k3 P k4 P kh1 P kh2 P kh3 P kh4 P c P kd Đặc tính lực kéo Pk tổng hợp của xe Hybrid thiết kế. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 5 1 15 20 25 30 35 40 45 V (m/s) D1 D2 D3 D4 Dkh1 Dkh2 Dkh3 Dkh4 Dd Đặc tính nhân tố động lực kết hợp của xe Hybrid thiết kế Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 10 * Nhận xét: Hai đặc tính này có dạng giống nhau và đảm bảo tốt tính năng của xe thiết kế. 3.1.5. Tổng hợpcác thông số động học của ô tô Thông số Đơn vị đo Giá trị Vận tốc cực đại của xe (Km/h) 160 Độ dốc cực đại xe có thể vượt qua ( 0 ) 23,35 0 Quảng đường tăng tốc từ 0 ÷ 160(Km/h) (m) 317,36 3.2. Thiết kế bộ truyền động kết hợp kiểu hệ bánh răng hành tinh 3.2.1. Tỷ số truyền lực chính io. max 2 0 .. V R i bxnn   6,3 44,44 35,0.183,492  . Chọn i0 = 4 3.2.2. Số răng của các bánh răng của hệ hành tinh. Từ các điều kiện ăn khớp của cơ cấu hành tinh:        vavb a b ac ZZZZ Z Z i 1 Và điều kiện nguyên cùng chẵn hoặc cùng lẻ (Zb - Za) = 2Zv ta giải ra được số răng của các bánh răng cơ cấu hành tinh như sau: Za = 20;Zb = 80; Zv = 30; Za = 20; Zb = 80; Zv = 30 3.2.3. Các kích thước cơ bản của hệ bánh răng hành tinh. Khoảng cách trục : 2 )( 2 )( vbva ht ZZmZZm A      Aht= 62,5 [mm]. R1 = 2 . aZm = 2 20.5,2 = 25 [mm]; R2= 2 Z.m b = 2 80.5,2 = 100 [mm] Rv = 2 Z.m v = 2 30.5,2 = 37,5 [mm] 3.3. Thiết kế, lắp đặt các hệ thống động lực trên ô tô 5 7 6 1 2 3 4 Sơ đồ bố trí lắp đặt thiết bị động lực trên xe: 1. Động cơ LPG; 2. Bình chứa nhiên liệu LPG; 3. Bộ nguồn ắc quy; 4. Bộ điều khiển động cơ và rơle điện từ; 5. Ghế ngồi; 6. Động cơ điện; 7. Bộ phân chia công suất kiểu hệ bánh răng hành tinh. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 11 4. Kết luận và đề nghị 4.1. Kết luận Đề tài này đề cập đến một mẫu ô tô rất mới, phù hợp với xu thế phát triển và điều kiện sử dụng ở các đô thị Việt Nam.. Đây là một đề tài hoàn toàn khả thi, góp phần thúc đẩy sự ra đời ô tô lai ở Việt Nam nhằm nâng cao tiện nghi cuộc sống, giảm ách tắc giao thông và đặc biệt là giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo thêm động lực thúc đẩy phát triển nền công nghiệp ô tô nước nhà. 4.2. Đề nghị Đề tài này do chịu sự giới hạn về thời gian và nội dung nên nó chỉ đảm trách một phần trong nhiều công việc để thiết kế, hoàn thiện một chiếc xe lai Hybrid. Đây chỉ là đề tài mở đầu và đặt nền móng cho các công việc tiếp theo. Theo em, các đề tài cần thực hiện sau luận văn này là : - Cải tạo động cơ xăng thành động cơ sử dụng LPG. - Thiết kế hệ thống điện và điện tử. - Thiết kế hệ thống phanh, hệ thống lái và hệ thống treo. - Thiết kế công nghệ sản xuất. Như vậy tổng cộng có 5 đề tài nhỏ trong một đề tài lớn là “Thiết kế và chế tạo ô tô lai điện nhiệt bốn chỗ ngồi ”, một đề tài kỹ thuật rất hữu ích và rất khả thi ở nước ta. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] BÙI VĂN GA: Nghiên cứu hệ thống động lực cho ô tô Hybrid. Đại học Đà nẵng - 2005. [2] NGUYỄN TRỌNG HIỆP, NGUYỄN VĂN LẪM: Thiết kế chi tiết máy. Nhà xuất bản Giáo dục - 1998. [3] LÊ VĂN TỤY: Giáo trình thiết kế ô tô. Đại học Đà Nẵng-2006. [4] MEHRDAD EHSANI, YIMIN GAO, SEBASTIEN E. GAY, AND ALI EMADI: Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles. [5] Website: hppt://www.dc-motors.globalspec.com. [6] Website: hppt://www.toyota.com.