Cơ khí động lực

106 trang phuongnguyen 1100

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Cơ khí động lực", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

co_khi_dong_luc.doc

Nội dung text: Cơ khí động lực

Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Chương 1: HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TỰ ĐỘNG 1.1 Phân loại và đặc điểm của các loại hộp số. Hiện nay trên thế giới đã sử dụng rộng rãi và sản xuất nhiều loại hộp số tự động. Để có thể biết được một cách đầy đủ về các loại hộp số ta có thể trình bày như sau: Hộp số tự động Hộp số tự động có cấp Hộp số vô cấp Hộp số vô cấp Hộp số vô cấp Hộp số có cấp loại Hộp số có cấp loại điện điều khiển điều khiển thường tử bằng dây đai bằng con lăn Số tự Số tự động Số tự động Số tự động loại chuyển chuyển số động thường số bằng bằng Côn và loại chuyển côn điều Phanh điều chuyển số bằng khiển khiển Thủy số bằng Côn và Côn điều Phanh. Thủy lực lực và Điện khiển Điều và Điện Tử (ECT, thủy lực khiển thủy lực Tử (ECT, ECU). ECU) Đặc Đặc Đặc Đặc điểm: Đặc điểm: Đặc điểm: điểm: điểm: điểm: Sử dụng biến Vận hành trên Vận hành trên Sử dụng Sử dụng Sử dụng mô và côn, một hệ thống một hệ thống phanh để pu-li, dây đai biến mô biến mô biến mô đĩa con lăn và côn và côn, và côn để chuyển số tự thông minh, hệ để vào phanh để vào số tự động.Điều thống này cho thông minh, hệ số tự chuyển động. khiển chuyển phép một khả thống này cho số bằng năng biến động. số tự Chuyển phép một khả Điều động.Điề số bằng Thủy lực và thiên vô hạn năng biến thiên khiển u khiển côn điều Điện Tử giữa số thấp chuyển chuyển khiển (ECT, ECU). nhất và số cao vô hạn giữa số số bằng số bằng Thủy lực nhất mà không thấp nhất và số không có sự thủy lực Thủy lực và Điện cao nhất mà Tử (ECT, ngắt quãng ECU). giữa các số. không không có sự ngắt quãng giữa các số. 1
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 1.2. Truyền lực tự động với hộp số có cấp 1.2.1 Các tay số và tình huống sử dụng các tay số trong hộp số tự động. a. Các loại cần chuyển số. Cần chuyển số tương đương với cần chuyển số của hộp số thường, người lái xe có thể chọn chế độ chạy xe tiến hoặc lùi, số trung gian hoặc đỗ xe bằng cách vận hành cần chuyển số này. Có các kiểu cần chuyển số sau đây, tuỳ theo từng loại xe. Hình 1: Các kiểu cần chuyển số 1. Kiểu thẳng 2. Kiểu cột 3. Kiểu cổng 4. Kiểu thẳng có hệ chuyển số hình chữ E Tuân theo quy luật chung, cụm tay số của các xe có hộp số tự động có thể được bố trí ở cạnh vành tay lái (loại này còn gọi là số tay) hoặc bố trí trên sàn xe, giữa ghế lái xe và ghế phụ (loại này còn gọi là số sàn). Số lượng vị trí cần chọn số tùy thuộc vào cấu trúc của hộp số tự động, thông thường trên xe có 4 số tiến và 1 số lùi. a). Số sàn b). Số tay Hình 2. Các dạng tay số 2
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực b. Tình huống sử dụng các tay số Số “P”: số đỗ xe tại chỗ. Tay số này sử dụng khi dừng xe không lâu bên lề đường hoặc chờ khách mà máy vẫn nổ. Số “R”: số lùi. Tay số này dùng khi xe cần lùi. Số “N”: số không (hay số MO). Tay số này sử dụng khi dừng xe lâu, khi xe nghỉ hoạt động. Số “D”: tay số tiến cơ bản. Tay số này sử dụng để khởi hành xe và trong mọi trường hợp chạy tiến, trừ các trường hợp muốn lợi dụng công suất động cơ để phanh ghìm tốc độ xe như: xuống dốc, chạy đường núi, kéo móc, chạy trên đường trơn lầy, chạy trên cát, trên tuyết. Ở tay số này xe có khả năng làm việc ở tất cả mọi số tiến từ 1, 2, 3, D, O/D. Số “3”: tay số với 3 cấp số tiến cơ bản (chỉ có ở một số ít xe). Tay số này sử dụng như số “D” nhưng không có hiệu lực điều khiển O/D. Số “2” (ở đa số các xe) hoặc số S (ở một số ít xe): số ngưỡng chạy tiến. Tay số chỉ được phép sử dụng ở một vùng tốc độ nhất định, khi muốn lợi dụng động cơ để phanh ghìm bớt tốc độ xe trong các trường hợp như: xe chạy kéo móc, xe quá tải, lên dốc ngắn, xuống dốc, xe chạy đường núi. Ở tay số này xe có thể khởi hành như số “D” lúc đầu từ cấp số 1 sau đó tự chuyển sang cấp số 2 và không thể vượt được đến cấp số 3, hệ điều khiển O/D không có tác dụng ở tay số này. Số “L” (ở đa số các xe) hoặc số 1 (ở một số ít xe): số ngưỡng chậm. Tay số này chỉ có một cấp tốc độ (cấp 1) không vượt được đến cấp độ 2. Khi chạy ở tay số này sẽ lợi dụng được tối đa khả năng phanh ghìm xe bằng động cơ. Tay số này được sử dụng trong trường hợp leo dốc ngắn có bậc gồ ghề, xuống dốc dài, chạy trên đường trơn lầy. Nút công tắc “O/D”: công tắc điều khiển số truyền tăng. Công tắc này chỉ có hiệu lực ở tay số “D”. Núm chốt định vị số: dùng để định vị cần chọn ở một vị trí nhất định. Khi chuyển các vị trí từ “N” sang “R” hoặc “P”, từ “P” về “R”, từ “D” sang “2”, từ “2” sang “L” phải ấn nút này và sau khi đã vào đúng số thì nhả tay ra để định vị số. 1.2.2. Sơ đồ và nguyên lý HTTL tự động với hộp số điều khiển gài chuyển số bằng các côn ma sát ướt a. Sơ đồ nguyên lý của hộp số Ở hộp số thường muốn chuyển số thì ta phải gạt đồng tốc để chuyển số, làm cho người điều khiển phải xử lý một lúc nhiều tình huống (quan sát đường, chân côn, 3
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực chuyển số, lựa chọn chuyển số thích hợp) và rất mất thời gian khi chuyển số đồng tốc. Trong số tự động loại điều khiển bằng côn thì đồng tốc ở số thường được thay bằng côn và được chuyển số tự động. Các côn được đóng mở nhờ các dòng dầu ở số loại này người điều khiển chỉ việc nhấn chân ga và quan sát mặt đường. Hình 3: Sơ đồ cấu trúc hộp số tự động điều khiển bằng côn 1- Ly hợp khoá biến mô, 2- Bánh bơm, 3- Khớp một chiều, 4- côn giữ, 5- Côn số 3, 6- Côn số 4,7- Côn gài số R, 8- Côn số 2, 9 - Côn số 1, 10 - Bộ truyền lực cuối cùng, 11-Bộ vi sai. - Đặc điểm của hộp số tự động điều khiển bằng côn. + Bộ biến mô là bộ phận nhận mô men động cơ và tốc độ động cơ (n e), công suất động cơ (Ne) từ động cơ tới hộp số. Bộ biến mô có khả năng thay đổi mô men của động cơ lên nhiều lần. + Các bánh răng ăn khớp cố định có thể tạo ra từ 4 đến 5 cấp số truyền và một số lùi . Để đi số này hoặc số kia trong hộp số sử dụng các bộ côn thuỷ lực, mỗi tay số hay một tỷ số truyền có một côn, côn này nếu so sánh với hộp số thường thì nó thay thế cho bộ đồng tốc. Như vậy khi chuyển số không mất thời gian trong quá trình đồng tốc. Đây là ưu điểm quan trọng của hộp số tự động so với hộp số thường. + Trong số lùi không sử dụng côn thuỷ lực mà sử dụng ống gài số lùi để chuyển số. + Vì hộp số này được sử dụng cho cho động cơ đặt trước và hộp số đặt trước nên trong hộp số tổ hợp luôn cả cầu chủ động. b, Nguyên lý chuyển số : 4
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4: Nguyên lý hoạt động cơ bản của hộp Số A : Van ga; b: Sơ đồ nguyên lý chuyển số cơ bản; c: Van ly tâm. Po: Áp suất chuẩn sau van điều áp sơ cấp; P: Áp suất được tạo ra sau van ga P2 áp suất được tạo ra sau van ly tâm Khi động cơ hoạt động thì bơm dầu đẩy dầu đến van điều áp sơ cấp, tạo ra áp suất chuẩn po Sau đó áp suất P0 đi đến van ga, van ly tâm và qua van cần chuyền số đến van chuyển số. Áp suất P1 được tạo ra từ van ga do tác động của bàn đạp chân ga đến cụm bướm ga tác động đến cam ga đẩy ty đẩy lên tạo ra áp suất P1( hình 3a). Áp suất P2 được tạo ra do quả văng tác động vào ty đẩy tạo áp suất P2 ( hình 3c). Áp suất P1 và áp suất P2 được đưa đến van số, van số như một cái cân để so sánh giữa áp suất P1, P2. Sau đó van số quyết định áp suất Po được đưa đến côn của số nào đó để thực hiện đi số. Ví dụ: Hình 5: Các van số 4a: Đi số 2; 4b: Đi số 3. Dòng áp suất Po được được chuyển sang số 2 vì dóng áp suất p1 p (hình2 4a) lúc này xe thực hiện đi số 2. 5
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực (Hình 4b) Dòng áp suất được thực hiện chuyển số 3 vì dòng áp suất (p1 p2 ) lúc này xe thực hiện đi số 3. 1.2.3. Sơ đồ và nguyên lý HTTL tự động với hộp số điều khiển chuyển số bằng các côn, phanh ma sát ướt của các bộ truyền hành tinh Trong hộp số tự động bộ truyền hành tinh có vai trò rất quan trọng nó điều khiển việc giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc. Bộ truyền bánh răng hành tinh gồm các bánh răng hành tinh, các ly hợp và phanh. Thường trong hộp số có 2 đến vài bộ truyền hành tinh, các bộ truyền hành tinh này được kết nối với ly hợp và phanh (là các bộ phận kết nối công suất) để tạo ra các số truyền bánh răng khác nhau và vị trí số trung gian. . Hình 6 : Sơ đồ cấu trúc bộ truyền hành tinh 1, Biến mô; 2, Phanh B1;3, Ly hợp C1;4, Ly hợp C2; 5, Phanh B2; 6, Khớp một chiều F1;7, Phanh B3; 8, Khớp một chiều F2; 9, Phanh Bo; 10, Khớp một chiều F0. Nguyên lý chung: Mômen được truyền từ động cơ qua biến mô đến cụm cụm bánh răng hành tinh, Để truyền mô men này đến các cặp bánh răng hành tinh thì nhờ các côn C1,C2 hoạt động truyền đến các cụm bánh răng hành tinh sau thông qua bánh răng mặt trời. Các bộ côn, phanh hoạt động nhờ áp suất dầu của hệ thống thuỷ lực điều khiển. Sau đó mô men được truyền đến bộ truyền tăng OD. Nếu xe đang ở tốc độ cao và công tắc OD ở chế độ ON, thì số tự động chuyển sang số OD. Nếu xe ở tốc độ thấp và ở tốc độ cao nhưng công tắc OD ở chế độ OFF thì không sang số OD. Lúc này mômen được truyền ra trục thứ cấp của hộp số. Ví dụ: Số lùi (hình 11) trục sơ cấp làm quay bánh răng mặt trời theo chiều kim đồng hồ nhờ C2. Ở bộ truyền bánh răng hành tinh sau do cần dẫn sau bị B3 cố định nên 6
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực bánh răng bao của bộ truyền hành tinh sau quay ngược chiều kim đồng hồ thông qua bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh sau, và trục thứ cấp được quay ngược chiều kim đồng hồ. Bằng cách này, trục thứ cấp được quay ngược lại, và xe lùi với một tỉ số giảm tốc lớn. Việc phanh bằng động cơ xảy ra khi hộp số tự động được chuyển sang số lùi, vì số lùi không sử dụng khớp một chiều để truyền lực dẫn động. Hình 7: Số lùi R. 1.2.4. Biến mô thủy lực Bộ biến mô ( hình 17) vừa truyền vừa khuyếch đại mômen từ động cơ vào hộp số (Bộ truyền bánh răng hành tinh) bằng việc sử dụng dầu hộp số tự động (ATF) như một môi chất. Bộ biến mô gồm bánh bơm, bánh tua bin, khớp một chiều, stato và vỏ biến mô chứa tất cả các bộ phận đó. Bộ biến đổi được đổ đầy ATF do bơm dầu cung cấp. Động cơ quay và bánh bơm quay, và dầu bị đẩy ra từ bánh bơm thành một dòng mạnh làm quay bánh tua bin. 7
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 8: Bộ biến mô Bộ biến mô gồm các bộ phận sau: Bánh bơm: Gắn với vỏ biến mô lắp với trục khuỷu động cơ để truyền mô men, tốc độ của động cơ. Bánh tua bin: Gắn với trục sơ cấp của hộp số nhận mô men từ bánh bơm. Bánh phản ứng: Được gắn vào trục hộp số thông qua khớp 1 chiều, có nhiệm vụ đổi chiều đường dẫn dầu từ bánh tua bin quay về bánh bơm và tạo ra hệ số khuếch đại mô men. Ly hợp khóa biến mô: Gắn với trục của hộp số tự động, liên kết bánh bơm và bánh tua bin. Bánh bơm (hình 18) được bố trí nằm trong vỏ bộ biến mô và nối với trục khuỷu qua đĩa dẫn động. Nhiều cánh hình cong được lắp bên trong bánh bơm. Một vòng dẫn hướng được lắp trên mép trong của các cánh để đường dẫn dòng dầu được êm. 8
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 9: Bánh bơm Bánh tua bin (hình 19) được bố trí nằm trong vỏ biến mô và được nối với trục sơ cấp của hộp số. Cấu tạo gồm rất nhiều cánh được lắp lên, bánh tua bin giống như trường hợp bánh bơm hướng cong của các cánh này ngược chiều với hướng cong của cánh của bánh bơm. Bánh tua bin được lắp trên trục sơ cấp của hộp số sao cho các cánh bên trong nó nằm đối diện với các cánh của bánh bơm với một khe hở rất nhỏ ở giữa. Hình 10: Bánh tua bin Stato (hình 20) được lắp với vỏ hộp số qua khớp một chiều, dòng dầu trở về từ bánh tua bin vào bánh bơm theo hướng cản sự quay của bánh bơm. Do đó, stato đổi chiều của dòng dầu sao cho nó tác động lên phía sau của các cánh trên bánh bơm và bổ sung thêm lực đẩy cho bánh bơm làm tăng mô men. Hình 11: Stato Khớp một chiều (hình 21) một mặt gắn với vỏ hộp số mặt kia gắn với stato. Khớp một chiều cho phép Stato quay theo chiều quay của trục khuỷu động cơ. Nếu Stato định bắt đầu quay theo chiều ngược lại thì khớp một chiều sẽ khoá stato để ngăn không cho nó quay ngược lại. 9
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 12: Khớp một chiều Hoạt động của biến mô: Khi tốc độ của bánh bơm tăng thì lực li tâm làm cho dầu bắt đầu chảy từ tâm bánh bơm ra phía ngoài. Khi tốc độ bánh bơm tăng lên nữa thì dầu sẽ bị ép văng ra khỏi bánh bơm. Dầu va vào cánh của bánh tua bin làm cho bánh tua bin bắt đầu quay cùng chiều với bánh bơm. Dầu chảy vào trong dọc theo các cánh của bánh tua bin. Khi nó chui được vào bên trong bánh tua bin thì mặt cong trong của cánh sẽ đổi hướng dầu ngược lại về phía bánh bơm, và chu kỳ lại bắt đầu từ đầu. Việc truyền mô men được thực hiện nhờ sự tuần hoàn dầu qua bánh bơm và bánh tuabin Hình 13: Sự truyền mô men qua bộ biến mô Việc khuyếch đại mômen do bộ biến mô thực hiện bằng cách dẫn dầu khi nó vẫn còn năng lượng sau khi đã đi qua bánh tua bin trở về bánh bơm qua cánh của Stato. Nói cách khác, bánh bơm được quay do mô men từ động cơ mà mô men này lại được bổ sung dầu quay về từ bánh tua bin. Có thể nói rằng bánh bơm khuyếch đại mômen ban đầu để dẫn động bánh tua bin. 10
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 14: Sự khuếch đại mô men Đặc tính của biến mô: Đặc tính của biến mô (hình 24) gồm hai mối quan hệ tỷ số truyền mô men và hiệu suất phụ thuộc vào tỷ số truyền tốc độ . Độ khuyếch đại mômen do bộ biến mô sẽ tăng theo tỉ lệ với dòng xoáy. Mô men sẽ trở thành cực đại khi bánh tua bin dừng. Hoạt động của bộ biến mô được chia thành hai dải hoạt động. Dải biến mô, trong đó có sự khuyếch đại mô men. Dải khớp nối, trong đó chỉ thuần tuý diễn ra việc truyền mômen và sự khuyếch đại mômen không xảy ra. Điểm li hợp là đường phân chia giữa hai phạm vi đó. Hiệu suất truyền động của bộ biến mô cho thấy năng lượng truyền cho bánh bơm được truyền tới bánh tua bin với hiệu quả ra sao. Năng lượng ở đây là công suất của bản thân động cơ, tỉ lệ với tốc độ động cơ (vòng/phút) và mô men động cơ. Do mômen được truyền với tỉ số gần 1:1 trong khớp thuỷ lực nên hiệu suất truyền động trong dải khớp nối sẽ tăng tuyến. Hiệu suất truyền động của bộ biến mô không đạt tính và tỉ lệ với tỉ số tốc độ được 100% và 11
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực thường đạt khoảng 95%. Sự tổn hao năng lượng là do nhiệt sinh ra trong dầu và do ma sát. Khi dầu tuần hoàn nó được bộ làm mát dầu làm mát. Hình 15: Đặc tính của bộ biến mô Điểm dừng trên đặc tính chỉ tình trạng mà ở đó bánh tua bin không chuyển động. Sự chênh lệch về tốc độ quay giữa bánh bơm và bánh tua bin là lớn nhất. Tỉ số truyền mô men của bộ biến mô là lớn nhất tại điểm dừng (thường trong phạm vi từ 1,7 đến 2,5). Hiệu suất truyền động bằng 0. Vùng biến mô khi bánh tua bin bắt đầu quay và tỉ số truyền tốc độ tăng lên, sự chệnh lệch tốc độ quay giữa bánh tua bin và bánh bơm bắt đầu giảm xuống. Ở thời điểm này hiệu suất truyền động tăng, hiệu suất truyền động đạt lớn nhất ngay trước điểm ly hợp. Trong vùng này tỷ số truyền mô men giảm dần (ví dụ từ 2,0 đến 1,0) và với đặc tính này người ta gọi là khuếch đại biến mô. Khi tỷ số truyền tốc độ đạt tới một trị số nào đó khoảng 0,8 thì tỷ số truyền mô men trở lên bằng 1:1. Điểm ly hợp trên đặc tính bắt đầu khi tốc độ quay bánh tua bin đạt từ 80 - 100% so với tốc độ bánh bơm. Cơ cấu li hợp khoá biến mô truyền công suất động cơ tới hộp số tự động một cách trực tiếp và cơ học. Do bộ biến mô sử dụng dòng thuỷ lực để gián tiếp truyền công suất nên có sự tổn hao công suất. Vì vậy, li hợp được lắp trong bộ biến mô để nối trực tiếp động cơ với hộp số để giảm tổn thất công suất. Khi xe đạt được một tốc độ nhất định, thì cơ cấu li hợp khoá biến mô được sử dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng công suất và nhiên liệu. Li hợp khoá biến mô được lắp trong moayơ của bánh tuabin, phía trước bánh tuabin. Lò xo giảm chấn sẽ hấp thụ lực xoắn khi ăn khớp li hợp để ngăn không cho sinh ra va đập. Một vật liệu ma sát (cùng dạng vật liệu sử dụng trong các phanh và đĩa li hợp) được gắn lên vỏ biến mô hoặc píttông khoá của bộ biến mô để ngăn sự trượt ở thời điểm ăn khớp li hợp. Hoạt động của cơ cấu khóa biến mô: Nhả khớp (hình 25) khi xe chạy ở tốc độ thấp thì dầu bị nén (áp suất của bộ biến 12
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực mô) sẽ chảy vào phía trước của li hợp khoá biến mô. Do đó, áp suất trên mặt trước và mặt sau của li hợp khoá biến mô trở nên cân bằng và do đó li hợp khoá biến mô được nhả khớp. Hình 16: Khi ly hợp nhả khớp Ăn khớp ( hình 26) khi xe chạy ổn định ở tốc độ trung bình hoặc cao (thường trên 60 km/h) thì dầu bị nén sẽ chảy vào phía sau của li hợp khoá biến mô. Do đó, vỏ bộ biến mô và li hợp khoá biến mô sẽ trực tiếp nối với nhau. Do đó, li hợp khoá biến và vỏ bộ biến mô sẽ quay cùng nhau. Hình 17: Khi ly hợp ăn khớp 1.2.5. Bộ truyền bánh răng hành tinh trong hộp số tự động. Một trong những bộ phận quan trọng trong hộp số tự động là bộ truyền hành tinh nó điều khiển việc chuyển số, đảo chiều, giảm tốc, nối trực tiếp và tăng tốc. 13
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Bộ truyền bánh răng hành tinh (hình 27) gồm có một số bộ phận ; - Bánh răng mặt trời. - Các bánh răng hành tinh. - Cần dẫn: Là bộ phận liên kết các trục bánh răng hành tinh. - Bánh răng bao. Hình 18: Bộ truyền bánh răng hành tinh 1- Bánh răng mặt trời; 2- Bánh răng hành tinh; 3- Cần dẫn; 4-Bánh răng bao Một bộ truyền hành tinh bao giờ cũng có 4 bộ phận nhưng để tạo ra một tay số (hay 1 cấp số) thì chỉ có ba bộ phận tham gia (1, 3, 4). Nguyên tắc tạo ra 1 số truyền phải cố định (phanh) một trong ba phần tử hoặc 1 hoặc 3 hoặc 4. Vậy thì phải dùng một bộ phanh với vỏ hộp số sau đó phải truyền mô men và tốc độ quay cho một trong hai phần tử hoặc cả hai phần tử còn lại. Ví dụ: Hình 19: Các ví dụ 14
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình a: Bánh răng bao cố định, cần dẫn là phần tử chủ động, bánh răng mặt trời là phần tử bị động làm tăng tốc độ xe và có chiều quay cùng chiều cùng chiều quay với bánh răng chủ động. Hình b: Bánh răng mặt trời cố định, bánh răng bao chủ động, cần dẫn là phần tử bị động làm giảm tốc độ xe và có chiều quay cùng chiều với bánh răng chủ động. Hình c: Cần dẫn cố định, bánh răng mặt trời là phần tử chủ động, bánh răng bao là phần tử bị động làm đảo chiều quay với bánh răng chủ động. Như vậy một bộ truyền hành tinh có thể tạo ra bảy số truyền khác nhau tuy nhiên trong bảy số này không dùng được hết mà chỉ dùng được một vài số, cho nên một hộp số tự động để có được tay số hợp lý ba hoặc bốn số thì cần ghép nối 2 hoặc 3 bộ truyền hành tinh khác nhau. Phần tử dẫn Phần tử bị Cố định Tốc độ quay Chiều quay động dẫn động Bánh răng mặt Cần dẫn Giảm tốc Cùng hướng trời Bánh răng bao với bánh răng Bánh răng mặt Cần dẫn Tăng tốc chủ động trời Bánh răng bao Cần dẫn Giảm tốc Cùng hướng Bánh răng mặt với bánh răng trời Cần dẫn Bánh răng bao Tăng tốc chủ động Bánh răng mặt Bánh răng bao Giảm tốc Ngược hướng trời Cần dẫn với bánh răng Bánh răng mặt Bánh răng bao Tăng tốc chủ động trời Cùng hướng Kết nối hai trong ba phần tử 1,3,4 Truyền thẳng với bánh răng chủ động Các bộ truyền hành tinh có thể bố trí ở những vị trí khác nhau trong hộp số tự động và có thể có từ 2 đến vài bộ truyền hành tinh. Dưới đây là cách bố trí của các bộ truyền hành tinh trong một số loại hộp số tự động của hãng TOYOTA: + Loại 3 tốc độ với bộ truyền tăng OD xê ri A140, A540 của TOYOTA. 15
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 20: Số tự động A140, A540 Hình 21: Số tự động A340, A350 + Loại 4 tốc độ với bộ truyền tăng OD xê ri A650 của TOYOTA. Hình 22: Số tự động A650 + Loại 5 tốc độ với bộ truyền tăng OD xê ri A750 của TOYOTA. 16
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 23: Số tự động A750 + Loại 4 tốc độ CR – CR ( các xe FF) xê ri U 340: Hình 24: Số tự động U340 + Loại 4 tốc độ ( các xe FF) U 440: 17
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 25: Số tự động U440 + Loại 3 tốc độ (các xe FF) xê ri A240, U140,U240: Hình 26: Số tự động A240, U140, U240 + Loại số 5 tốc độ (các xe FF) U150: 18
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 27: Số tự động U150 1.2.6. Các côn, phanh trong hệ thống điều khiển số a, Các phanh Để cố định một phần tử của bộ truyền hành tinh với vỏ hộp số có thể dùng phanh dải hoặc phanh đĩa ma sát ướt. Dải phanh (hình 37) được quấn vòng lên đường kính ngoài của trống phanh. Một đầu của dải phanh được hãm chặt vào vỏ hộp số bằng một chốt, còn đầu kia tiếp xúc với píttông phanh qua cần đẩy píttông chuyển động bằng áp suất thuỷ lực. Pít tông phanh có thể chuyển động trên cần đẩy píttông nhờ việc nén các lò xo. Các cần đẩy pít tông có hai chiều dài khác nhau để có thể điều chỉnh khe hở giữa dải phanh và trống phanh. Hoạt động khi áp suất thuỷ lực tác động lên pít tông thì pít tông di chuyển sang phía trái trong xi lanh và nén các lò xo. Cần đẩy pít tông chuyển sang bên trái cùng với pít tông và đẩy một đầu của dải phanh. Do đầu kia của dải phanh bị cố định vào vỏ hộp số nên đường kính của dải phanh giảm xuống và dải phanh xiết vào trống làm cho nó không chuyển động được. Tại thời điểm này, sinh ra một lực ma sát lớn giữa dải phanh và trống phanh làm cho trống phanh hoặc một phần tử của bộ truyền bánh răng hành tinh không thể chuyển động được. Khi dầu có áp suất được dẫn ra khỏi xi lanh thì pít tông và cần đẩy pít tông bị đẩy ngược lại do lực của lò xo ngoài và trống được dải phanh nhả ra. Lò xo trong có hai chức năng: Để hấp thu phản lực từ trống phanh và để giảm va đập sinh ra khi dải phanh xiết trống phanh. 19
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 28: Phanh dải Phanh đĩa gồm các đĩa ma sát và đĩa thép khi hoạt động nó sẽ nối 2 bộ phận nhằm cố định bộ phận nào đó. Các đĩa ma sát được gài bằng then hoa vào vòng lăn ngoài của khớp một chiều số 1 và các đĩa thép được cố định vào vỏ hộp số. Vòng lăn trong của khớp một chiều số 1 (các bánh răng mặt trời trước và sau) được thiết kế sao cho khi quay ngược chiều kim đồng hồ thì nó sẽ bị khoá, nhưng khi quay theo chiều kim đồng hồ thì nó có thể xoay tự do. Trong một hộp số có thể có một vài bộ phanh đĩa. Ví dụ: Bộ phanh đĩa (2 phanh) trong hộp số A140E của TOYOTA được trình bày trên hình 38. Hình 29: Phanh kiểu nhiều đĩa ma sát ướt Hoạt động của phanh đĩa ma sát ướt : Khi áp suất thuỷ lực tác động lên xi lanh pít tông sẽ dịch chuyển và ép các đĩa thép và đĩa ma sát tiếp xúc với nhau. Do đó tạo nên một lực ma sát lớn giữa mỗi đĩa thép và đĩa ma sát. Kết quả là cần dẫn hoặc bánh răng mặt trời bị khoá vào vỏ hộp số. 20
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Khi dầu có áp suất được xả ra khỏi xi lanh thì pít tông bị lò xo phản hồi đẩy về vị trí ban đầu của nó và làm nhả phanh. Hình 30: Hoạt động của phanh. b, Ly hợp (côn): Ly hợp côn dùng để ngắt và nối công suất giữa 2 bộ phận chuyển động quay Ly hợp có mayơ, các đĩa thép và đĩa ma sát. Các đĩa thép được gắn với cơ cấu dẫn động đầu vào, các đĩa ma sát được gắn với cơ cấu dẫn động đầu ra. Ví dụ : Hai bộ côn C1, C2 bố trí (trên hình 40), trên hộp số tự động A140E. Ly hợp C1 hoạt động để truyền công suất từ bộ biến mô tới bánh răng bao trước qua trục sơ cấp. Các đĩa ma sát và đĩa thép được bố trí xen kẽ với nhau. Các đĩa ma sát được nối bằng then với bánh răng bao trước và các đĩa thép được khớp nối bằng then với tang trống của li hợp số tiến. Bánh răng bao trước được lắp bằng then với bích bánh răng bao, còn tang trống của li hợp số tiến được lắp bằng then với moay ơ của li hợp số truyền thẳng. Ly hợp C2 truyền công suất từ trục sơ cấp tới tang của li hợp truyển thẳng (bánh răng mặt trời). Các đĩa ma sát được lắp bằng then với moay ơ của li hợp truyền thẳng còn các đĩa thép được lắp bằng then với tang trống li hợp truyền thẳng. Tang trống li hợp truyền thẳng ăn khớp với tang trống đầu vào của bánh răng mặt trời và tang trống này lại được ăn khớp với các bánh răng mặt trời trước và sau. Kết cấu được thiết kế sao cho ba cụm đĩa ma sát, đĩa thép và các tang trống quay cùng với nhau. 21
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 31: Sơ đồ cấu tạo phanh nhiều đĩa ướt Hoạt động của bộ côn ma sát như sau: Ăn khớp (hình 41a) khi dầu có áp suất chảy vào trong xi lanh pít tông, nó sẽ đẩy viên bi van của pít tông đóng kín van một chiều và làm pít tông di động trong xi lanh và ép các đĩa thép tiếp xúc với các đĩa ma sát. Do lực ma sát lớn giữa các đĩa thép và đĩa ma sát nên các đĩa thép dẫn và đĩa ma sát bị dẫn quay cùng một tốc độ. Có nghĩa là li hợp được ăn khớp, trục sơ cấp được nối với bánh răng bao, và công suất từ trục sơ cấp được truyền tới bánh răng bao. Hình 32: Nguyên lý hoạt động a: Ăn khớp; b: Nhả khớp Nhả khớp (hình 41b) khi dầu có áp suất được xả thì áp suất dầu trong xi lanh giảm xuống. Điều này cho phép viên bi rời khỏi van một chiều nhờ lực li tâm tác động lên nó, và dầu trong xi lanh được xả ra ngoài qua van một chiều. Kết quả là píttông trở về vị trí ban đầu của nó nhờ lò xo hồi và nhả li hợp. 22
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực c, Vai trò của viên bi: Trong cơ cấu của một li hợp thông thường để ngăn cản sự sinh ra áp suất do lực li tâm tác động lên dầu trong buồng áp suất dầu của pít tông khi nhả li hợp, người ta bố trí một viên bi một chiều để xả dầu. Do đó, trước khi có thể tác động tiếp vào li hợp cần có thời gian để dầu điền đầy buồng áp suất dầu của pít tông. Trong khi chuyển số, ngoài áp suất do thân van kiểm soát, thì áp suất tác động lên dầu trong buồng áp suất dầu của pít tông cũng có ảnh hưởng, mà áp suất này lại phụ thuộc vào sự dao động tốc độ của động cơ. Để triệt tiêu ảnh hưởng này người ta bố trí đối diện với buồng áp suất thuỷ lực của pít tông một khoang triệt tiêu áp suất dầu thuỷ lực. Bằng việc sử dụng dầu bôi trơn như dầu dùng cho trục thì một lực li tâm tương đương sẽ tác động, làm triệt tiêu lực li tâm tác động lên bản thân pít tông. Vì vậy, không cần phải xả chất lỏng bằng cách dùng viên bi mà vẫn đạt được một đặc tuyến thay đổi tốc độ êm và rất nhạy. Hình 33: Khoang triệt tiêu áp suất dầu thuỷ lực Ngoài các côn, phanh, trong hộp số tự động còn có các khớp một chiều: Tác dụng: Khớp một chiều chỉ cho phép phần tử quay theo một chiều mà không thể quay theo chiều ngược lại. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khớp một chiều đã được trình bày ở phần biến mô. Ví dụ: Cách bố trí khớp một chiều trong hộp số tự động A140E của TOYOTA được trình bày trên hình 43. Hoạt động: Khớp một chiều số 1 (F1) tác động qua phanh B2 để ngăn không cho bánh răng mặt trời trước và sau quay ngược chiều kim đồng hồ. Khớp một chiều số 2 (F2) ngăn không cho cần dẫn sau quay ngược kim đồng hồ. Vòng lăn ngoài của khớp một chiều sô 2 được cố định vào vỏ hộp số. Nó được lắp ráp sao cho nó sẽ khoá khi vòng lăn trong (cần dẫn sau) xoay ngược chiều kim đồng hồ và quay tự do khi vòng lăn trong xoay theo chiều kim đồng hồ. Vì thế có thể sử dụng các khớp một chiều để chuyển các số bằng cách luôn ấn hoặc nhả áp suất thuỷ lực lên một phần tử (chức năng của khớp 23
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực một chiều là đảm bảo chuyển số được êm). Hình 34: Khớp một chiều d, Hoạt động khi chuyển số (xê ri A140 của TOYTA). Sơ đồ nguyên lý chung của bộ truyền bánh răng hành tinh. Hình 35: Sơ đồ nguyên lý bộ bánh răng hành tinh B1- Phanh thứ nhất, B2- phanh thứ 2; C1- Côn thứ nhất; C2 - côn thứ 2; C3- Côn thứ 3; B3- Phanh thứ 3; F1- Khớp một chiều số 1; F2- Khớp một chiều số 2; F3 -Khớp một chiều số3. Số 1. Trục sơ cấp làm quay bánh răng bao của bộ truyền hành tinh trước theo chiều kim đồng hồ nhờ C1. Bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh trước quay và chuyển động xung quanh làm cho bánh răng mặt trời quay ngược chiều kim đồng hồ. Trong bánh răng hành tinh sau, cần dẫn sau được F2 cố định, nên bánh răng mặt trời làm cho bánh răng bao của bộ truyền hành tinh sau quay theo chiều kim đồng hồ thông 24
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực qua bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh sau. Cần dẫn trước và bánh răng bao của bộ truyền hành tinh sau làm cho trục thứ cấp quay theo chiều kim đồng hồ. Bằng cách này tạo ra được tỷ số giảm tốc lớn. Ngoài ra, ở dãy "L", B3 hoạt động và phanh bằng động cơ sẽ hoạt động. Hình 36: Số 1 Số 2. Trục sơ cấp làm quay bánh răng bao cả bộ truyền hành tinh trước theo chiều kim đồng hồ nhờ C1. Do bánh răng mặt trời bị B2 và F1 cố định nên công suất không được truyền tới bộ truyền bánh răng hành tinh sau. Cần dẫn trước làm cho trục thứ cấp quay theo chiều kim đồng hồ. Tỷ số giảm tốc thấp hơn so với số 1. Ngoài ra, ở dãy "2", B1 hoạt động và phanh bằng động cơ hoạt động. Hình 37: Số 2 . 25
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Số 3. Trục sơ cấp làm quay bánh răng bao của bộ hành tinh trước theo chiều kim đồng hồ nhờ C1, và đồng thời làm quay bánh răng mặt trời theo chiều kim đồng hồ nhờ C2. Do bánh răng bao của bộ truyền hành tinh trước và bánh răng mặt trời quay với nhau cùng một tốc độ nên toàn bộ truyền bánh răng hành tinh cũng quay với cùng tốc độ và công suất được dẫn từ cần dẫn phía trước tới trục thứ cấp. Khi gài số ba, tỉ số giảm tốc là 1. Tuy ở số 3 tại dãy "D" phanh động cơ có hoạt động, nhưng do tỉ số giảm tốc là 1 lực phanh động cơ tương đối nhỏ. Hình 38: Số 3 Số lùi R: Trục sơ cấp làm quay bánh răng mặt trời theo chiều kim đồng hồ nhờ C2. Ở bộ truyền bánh răng hành tinh sau do cần dẫn sau bị B3 cố định nên bánh răng bao của bộ truyền hành tinh sau quay ngược chiều kim đồng hồ thông qua bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh sau, và trục thứ cấp được quay ngược chiều kim đồng hồ. Bằng cách này, trục thứ cấp được quay ngược lại, và xe lùi với một tỉ số giảm tốc lớn. Việc phanh bằng động cơ xảy ra khi hộp số tự động được chuyển sang số lùi, vì số lùi không sử dụng khớp một chiều để truyền lực dẫn động. 26
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 39: Số lùi R Ở chế độ số truyền tăng, thì phanh O/D (B0) khoá bánh răng mặt trời O/D, do đó các bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh O/D vừa chuyển động theo chiều kim đồng hồ xung quanh bánh răng mặt trời O/D, vừa quay xung quanh trục của chúng. Vì vậy bánh răng bao của bộ truyền hành tinh O/D quay theo chiều kim đồng hồ nhanh hơn cần dẫn của bộ truyền bánh rănh hành tinh O/D. Hình 40: Xe ở chế độ O/D Bộ truyền bánh răng hành tinh O/D hoạt động như một cơ cấu dẫn động trực tiếp, và quay như một cụm đơn nhất để dẫn công suất ra đầu vào (tốc độ quay và mômen 27
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 41: Xe không ở chế độ O/D 1.2.7. Sơ đồ và hoạt động của mạch thủy lực cơ bản a, Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ hoạt động bơm dầu hoạt động, dầu được chuyển từ cácte qua bơm dầu, sau bơm dầu có áp suất chuẩn Po. Áp suất Po được đưa đến van ly tâm và van điều áp sơ cấp rồi chuyển đến van ga và Po được đưa đến các van chuyển số. Tại van ga tạo ra áp suất P1, P1 được đưa đến các van chuyển số. Tại van ly tâm tạo ra áp suất P2, áp suất này đưa đến các van chuyển số. Tại van rơle khóa biến mô tạo ra áp suất P3, áp suất này được đưa đến bộ biến mô và các bộ truyền hành tinh để truyền mô men ở biến mô và bôi trơn cho các bộ truyền hành tinh. Po được đưa đến trực sẵn ở các van chuyển số, van số như một cái cân so sánh P1 và P2, sau đó dòng Po tác động đến côn hoặc côn, phanh thực hiện chuyển số. 28
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 42: Sơ đồ mạch dầu A140 TOYOTA b, cấu tạo các bộ phận cơ bản trong hệ thống + Bơm dầu (hình 53) được dẫn động từ bộ biến mô (động cơ) để cung cấp áp suất thuỷ lực cần thiết cho sự vận hành của hộp số tự động. Hình 43: Bơm dầu Thân van (hình 54) bao gồm một thân van trên và một thân van dưới. Thân van 29
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực giống như một mê cung gồm rất nhiều đường dẫn để dầu hộp số chảy qua. Rất nhiều van được lắp vào các đường dẫn đó, trong các van có áp suất thuỷ lực điều khiển và chuyển mạch chất lỏng từ đường này dẫn sang đường dẫn khác. Hình 44: Thân van + Thông thường, thân van gồm: • Van điều áp sơ cấp. • Van điều khiển. • Van chuyển số (1-2, 2-3, 3-OD). • Van bướm ga. Số lượng van phụ thuộc vào kiểu xe, một số kiểu xe có các van khác với các van nêu trên. Van điều áp sơ cấp (hình 55) điều chỉnh áp suất thuỷ lực (áp suất cơ bản) tới từng bộ phận phù hợp với công suất động cơ để tránh tổn thất công suất bơm. Hình 45: Van điều áp sơ cấp Khi áp suất thuỷ lực từ bơm dầu tăng thì lò xo van bị nén, và đường dẫn dầu ra 30
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực cửa xả được mở, và áp suất dầu cơ bản được giữ không đổi. Ngoài ra, một áp suất bướm ga cũng được điều chỉnh bằng van, và khi góc mở của bướm ga tăng lên thì áp suất cơ bản tăng để ngăn không cho li hợp và phanh bị trượt. Ở vị trí “R”, áp suất cơ bản được tăng lên hơn nữa để ngăn không cho li hợp và phanh bị trượt. từng vị trí chuyển số. + Van điều áp thứ cấp (hình 56) điều chỉnh áp suất bộ biến mô và áp suất bôi trơn. Sự cân bằng của hai lực này điều chỉnh áp suất dầu của bộ biến mô và áp suất bôi trơn. Áp suất bộ biến mô được cung cấp từ van điều áp sơ cấp và được truyền tới van rơle khoá biến mô. Hình 46 : Van điều áp thứ cấp + Van ngắt giảm áp (hình 57) điều chỉnh áp suất ngắt giảm áp tác động lên van bướm ga, và được kích hoạt do áp suất cơ bản và áp suất bướm ga. Tác động áp suất ngắt giảm áp lên van bướm ga bằng cách này sẽ làm giảm áp suất bướm ga để ngăn ngừa tổn thất công suất không cần thiết từ bơm dầu. Hình 47: Van ngắt giảm áp + Van điều biến bướm ga (hình 58) tạo ra áp suất điều biến bướm ga. Áp suất điều biến bướm ga hơi thấp hơn so với áp suất bướm ga khi van bướm ga mở to. Việc này làm cho áp suất điều biến bướm ga tác động lên van điều áp sơ cấp để cho các thay 31
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực đổi trong áp suất cơ bản phù hợp hơn với công suất phát ra của động cơ. Hình 48 : Đồ thị thể hiện sự điều tiết bướm ga Bộ tích năng (hình 59) hoạt động để giảm chấn động khi chuyển số. Có sự khác biệt về diện tích bề mặt của phía hoạt động và phía sau của piston bộ tích năng. Khi áp suất cơ bản từ van điều khiển tác động lên phía hoạt động thì pít tông từ từ đi lên và áp suất cơ bản truyền tới các li hợp và phanh sẽ tăng dần. Một vài kiểu điều khiển áp suất thuỷ lực tác động lên bộ tích năng bằng một van điện từ tuyến tính để sự quá trình chuyển số được êm dịu hơn. Hình 49: Bộ tích năng + Van ly tâm (hình 60) trong các hộp số tự động điều khiển thuỷ lực hoàn toàn, một van điều tốc được sử dụng để phát hiện tốc độ xe. Van điều tốc tạo ra áp suất điều tốc phù hợp với tốc độ quay của trục thứ cấp. Tốc độ xe cần có cho việc chuyển số được xác định thông qua mức áp suất điều tốc. 32
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 50: Vị trí van ly tâm Van rơle khoá biến mô và van tín hiệu khoá biến mô (hình 61): Các van này đóng -mở khoá biến mô. Van rơ-le khoá biến mô đảo chiều dòng dầu thông qua bộ biến mô (li hợp khoá biến mô) theo một áp suất tín hiệu từ van tín hiệu khoá biến mô. Khi áp suất tín hiệu tác động lên phía dưới của van rơle khoá biến mô thì van rơle khoá biến mô được đẩy lên và mở đường dẫn dầu sang phía sau của li hợp khoá biến mô và làm cho nó hoạt động. Nếu áp suất tín hiệu bị cắt thì van rơle khoá biến mô bị đẩy xuống phía dưới do áp suất cơ bản và lực lò xo tác động lên đỉnh van rơle, và sẽ mở đường dẫn dầu vào phía trước của li hợp khoá biến mô làm cho nó được nhả ra. Hình 51: Van Rơ le 1.3. Truyền lực tự động vô cấp a) Hộp số vô cấp sử dụng pully – dây đai. Các loại hộp số tự động có cấp số và hộp số thường đều có cấp số vì thế mà các loại hộp số này có cấu tạo phức tạp, cồng kềnh , đi số hay bị rung giật, khi đi số thì mất nhiều thời gian chuyển số. Ở hộp số vô cấp thì có cấu tạo đơn giản hơn, nhỏ gọn và vì không có cấp số cho nên nó mất ít thời gian cho việc chuyển số, khi đi số cũng 33
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực êm dịu hơn so với hộp số có cấp. Hộp số vô cấp không có số nên khi chuyển số không bị tổn hao công suất cũng như tiêu hao nhiên liệu khi chuyển các tốc độ khác nhau. Hình 52 : Sơ đồ cấu tạo chung Hộp số vô cấp có các bộ phận cơ bản: * Dây đai bằng thép chịu lực cao hoặc bằng cao su. * Một pu-li 1 sơ cấp chủ động có thể thay đổi cấp độ. * Một pu-li 2 bị động thứ cấp. * Một cặp bánh răng hành tinh: Cặp bánh răng hành tinh này có cấu tạo và hoạt động giống như cặp bánh răng hành tinh đã trình bày ở phần hộp số tự động kiểu hành tinh. * Một bơm dầu: Có vai trò, cấu tạo và nguyên lý hoật động tương tự như bơm dầu ở phần hộp số tự động kiểu hành tinh. * Các cặp ly hợp và phanh cũng giống như phanh và côn như đã trình bày ở phần hộp số tự động kiểu hành tinh. Hoạt Động Của Hộp Số: 34
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 53: Cấu tạo của Puly – Dây đai. Các pu-ly có thể thay đổi đường kính làm việc được. Mỗi pu-ly được chế tạo bởi hai bề mặt côn quay vào nhau. Một dây đai chạy trong rãnh của hai mặt côn này. Dây đai chữ "V" thường được làm bằng cao su. (Dây đai được gọi là chữ "V" do mặt cắt của nó có hình chữV). Khi hai mặt côn của pu-ly cách xa nhau (khi đường kính làm việc giảm xuống), dây đai sẽ chạy ở vị trí thấp (đáy) của rãnh, và bán kính của vòng đai xung quanh pu-ly trở nên nhỏ hơn. Khi hai mặt côn sát lại gần nhau (khi đường kính làm việc tăng lên), dây đai chạy ở vị trí cao của rãnh, bán kính của vòng đai quanh pu-ly trở nên lớn hơn. Hộp số vô cấp có thể dùng áp suất thủy lực, lực ly tâm hoặc lực của lò xo để tạo một lực cần thiết để điều chỉnh hai nửa của pu-ly. Tạo ra các "Số" : Khoảng cách từ tâm của puly đến điểm tiếp xúc của dây đai trong rãnh được gọi là bán kính dốc. Khi hai mặt puly cách xa nhau, dây đai chạy xuống thấp và bán kính dốc giảm. Khi hai nửa puly lại gần nhau, dây đai chạy lên cao hơn và bán kính dốc tăng.Tỷ số giữa bán kính dốc của puly chủ động và bán kính dốc của puly bị động tạo nên số. Khi một pu-ly tăng bán kính của nó, thì puli còn lại sẽ giảm bán kính để giữ cho đai bám chặt. Khi hai puli thay đổi bán kính tương xứng với nhau, nó tạo ra vô số tỷ số truyền - tất cả các mức giữa hai điểm thấp và cao. Ví dụ, khi bán kính dốc ở puli chủ động nhỏ và bán kính dốc ở puli bị động lớn, khi đó tốc độ quay của puli bị động giảm, tạo ra "số mạnh". Khi bán kính dốc ở puli chủ động lớn và bán kính dốc ở puli bị động nhỏ, lúc này tốc độ quay của puli bị động tăng lên tạo ra "số nhanh". Như vậy, về mặt lý thuyết, hộp số vô cấp có vô số "số" mà nó có thể tạo ra bất cứ khi nào, ở bất cứ tốc độ nào của động cơ. Các số cụ thể: - Số P: Mô men từ bộ biến mô truyền đến trục sơ cấp hộp số rồi đến bánh răng mặt trời. 35
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực - Số R: Mô men từ bộ biến mô truyền đến trục đến bánh răng mặt trời đến bánh răng hành tinh rồi đến bánh răng ăn khớp bánh răng bao rồi đến puly 1 rồi đến dây đai rồi tuyền đến pully 2 rồi đến bộ bánh răng cuối cùng rồi đến vi sai ra bánh xe. - Số N: Mô men được truyền đến bộ biến mô đến trục rồi đến bánh răng mặt trời - Số D: Mô men được truyền đến bộ biến mô đến trục rồi đến bánh răng mặt trời rồi đến bánh răng hành tinh đến ly hợp rồi đến pully 1 rồi đến dây đai đến pully 2 đến ly hợp đến bộ truyền động cuối cùng rồi ra bộ vi sai đến bánh xe. b) Hộp số vô cấp kiểu con lăn. Hộp số vô cấp dạng con lăn bao gồm các đĩa và con lăn truyền lực (power roller). Hình 54: Hộp số dạng con lăn của chiếc Nissan Extroid Các đĩa và con lăn có vai trò như dây đai và puly trong hộp số vô cấp kiểu puly dây đai.Vì thế mà hoạt động của nó cũng tưong tự như loại puly. Cấu Tạo. 36
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 55: Sơ Đồ Cấu Tạo Cấu tạo của hộp số gồm 3 phần cơ bản: - Một đĩa chủ động sơ cấp có thể thay đổi được cấp độ. - Một đĩa bị động thứ cấp. - Các con lăn. Nguyên lý hoạt động. - Một cái đĩa nối với động cơ.Chi tiết này tương đương với bánh đai chủ động. - Một cái đĩa khác nối với trục dẫn động. Chi tiết này tương đương với bánh đai bị động. - Các con lăn, hoặc các bánh xe, nằm giữa các đĩa họat động như dây đai, truyền lực từ đĩa này sang đĩa kia. Các bánh xe có thể xoay theo hai trục. Chúng quay quanh trục ngang và lên hoặc xuống quanh trục dọc, cho phép các bánh xe tiếp xúc vào các chỗ khác nhau trên đĩa. Khi các bánh xe này tiếp xúc gần tâm của đĩa chủ động, thì chúng sẽ phải tiếp xúc tại gần mép của đĩa bị động, kết quả là tốc độ giảm nhưng momen xoắn tăng (số thấp). Khi các bánh xe tiếp xúc với đĩa chủ động gần mép đĩa, chúng sẽ tiếp xúc với đĩa bị động tại tâm, kết quả là tốc độ tăng nhưng momen xoắn giảm (số cao). Góc nghiêng thay đổi đơn giản của các bánh xe tạo nên những thay đổi lớn đến tỷ số truyền, mang lại sự êm ái, tỷ số truyền gần như được thay đổi tức thời. 1.4. Dầu hộp số tự động ( ATF ). Dầu khoáng có gốc dầu mỏ cấp cao đặc biệt được trộn lẫn với một vài phụ gia đặc biệt dụng để bôi trơn hộp số tự động. Loại dầu này được gọi là dầu hộp số tự động ( viết tắt là ‘ATF’ ) để phân biệt với các loại dầu khác. Loại dầu ATF nhất định phải luôn được dùng cho hộp số tự động. Sử dụng dầu ATF không đúng tiêu chuẩn hay sử dụng dầu ATF thích hợp nhưng hoà trộn chất phụ gia không đúng tiêu chuẩn sẽ làm giảm phẩm cấp của dầu hộp số tự động. Để đảm bảo đúng chức năng của hộp số tự động, mức dầu cũng rất quan trọng. 37
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Chức năng của dầu ATF : - Truyền mômen trong bộ biến mô. - Điều khiển hệ thống điều khiển thuỷ lực, cũng như hoạt động của ly hợp và phanh. - Bôi trơn các bánh răng hành tinh và các chi tiết chuyển động khác. - Làm mát các chi tiết chuyển động 2.5. Số tự động điện tử cơ bản (ECT) a) Hệ thống điều khiển điện. 1- Cảm biến tốc độ pully ban đầu; 2- Cảm biến tốc độ đầu ra hộp số; 3- Cảm biến áp suất ban đầu; 4- Cảm biến áp suất đầu ra; 5- Công tắc phanh; 6- Cảm biến bàn đạp ga ; 7- Công tắc tay số; 8- ECU; 9- Động cơ; 10- Các bộ phận van; 11- Tín hiệu cảm biến van;12- cảm biến thay đổi áp suất; 13- Van điều khiển áp suất côn; 14- Van điều khiển dầu côn. Hình 56: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện. Bao gồm hệ thống điều khiển hộp số vô cấp thông qua các cảm biến ( cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến áp suất ban đầu, các công tắc ). b, Nguyên lý hoạt động của hộp số điều khiển điện tử : ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến bướm ga, công tắc nguồn, cảm biến áp suất ban đầu, cảm biến áp suất sau van thuỷ lực, cảm biến tốc độ động cơ Sau đó nó xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến các cảm biến áp suất van của phanh và các ly hợp. Tín hiệu được đưa đến bộ phận van bộ phận này sẽ điều khiển sự hoạt động của bộ biến mô và bộ bánh răng hành tinh và tạo ra áp suất để đóng mở puly điều khiển xe chuyển số theo tốc độ của động cơ. Hộp số tự động bằng điện tử có những bộ phận cơ bản như hộp số thường ( côn, phanh, bộ biến mô, .), chỉ khác ở chỗ hộp số tự động điện tử không dùng cáp ga mà dùng tín hiệu từ cảm biến bướm ga. Không sử dụng van ly tâm mà sử dụng áp suất P2 điều khiển số được tạo ra cảm biến áp suất tốc độ ôtô, qua ECU để điều khiển van điện ở trong hộp số. 38
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Như vậy số tự động điện tử có các cảm biến và các tín hiệu gửi vào qua ECU và các loại van điện có thể nhận biết được bằng cách so sánh giữa 2 sơ đồ của 2 hộp số tự động (trên hình 66). Hình 57: Sơ đồ so sánh giữa số tự động thường và số tự động điện tử c, Một số loại van trong hộp số tự động điều khiển điện tử: Van điện từ. Van điện từ (hình 67) hoạt động nhờ các tín hiệu từ ECU động cơ & ECT để vận hành các van chuyển số và điều khiển áp suất thuỷ lực. Có hai loại van điện từ. Một van điện từ chuyển số mở và đóng các đường dẫn dầu theo các tín hiệu từ ECU (mở đường dẫn dầu theo tín hiệu mở, và đóng lại theo tín hiệu đóng). Một van điện từ tuyến tính điều khiển áp suất thuỷ lực tuyến tính theo dòng điện phát đi từ ECU Các van điện từ chuyển số được sử dụng để chuyển số và các van điện từ tuyến tính được sử dụng cho chức năng điều khiển áp suất thuỷ lực. Hình 58: Van điện từ 39
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Van điều khiển áp suất P1 (áp suất van ga): Van điều khiển áp suất P1dùng số tự động thường (hình 68a) tạo ra áp suất bướm ga tuỳ theo góc độ của bàn đạp ga thông qua cáp bướm ga và cam bướm ga. Áp suất bướm ga tác động lên van điều áp sơ cấp, và như vậy sẽ điều chỉnh áp suất cơ bản theo độ mở của van bướm ga. Van điều khiển áp suất P1 dùng cho số tự động bằng ECU (hình 68b ) điều khiển áp suất bướm ga bằng một van điện từ tuyến tính (SLT) thay cho van bướm ga. Các kiểu xe như vậy điều khiển áp suất bướm ga bằng ECU động cơ & ECT chuyển các tín hiệu tới van điện từ tuyến tính theo các tín hiệu từ cảm biến vị trí van bướm ga (góc mở bàn đạp ga). Hình 59: Van điều khiển áp suất P1 a : Van dùng cho hộp số tự động thường b: Van điện dùng cho hộp số tự động bằng ECU Van chuyển số. + Vai trò của các bộ phận: Van chuyển số bằng cách thay đổi sự vận hành của các li hợp và phanh. Các van chuyển số chuyển mạch đường dẫn dầu làm cho áp suất thuỷ lực tác động lên các phanh và li hợp. Có các van chuyển số 1-2, 2-3 và 3-OD. 40
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 60: Van chuyển số a : Van chuyển số 1; b: Van chuyển số 2 Ví dụ: Van chuyển số1-2 Khi áp suất thuỷ lực tác động lên phía trên van chuyển số (hình 69a) thì hộp số được giữ ở số 1 vì van chuyển số ở dưới cùng và các đường dẫn dầu tới các li hợp và phanh bị cắt. Tuy nhiên, khi áp suất thuỷ lực tác động bị cắt do hoạt động của van điện từ thì lực lò xo sẽ đẩy van lên, và đường dẫn dầu tới B2 mở ra, và hộp số được chuyển sang số 2 (hình 69b). Các van điện từ chuyển số được sử dụng để chuyển số và các van điện từ tuyến tính được sử dụng cho chức năng điều khiển áp suất thuỷ lực. d, Hoạt động khi chuyển số. Với mỗi tay số đi, được giải thích bằng việc sử dụng các van điện từ và van chuyển số. Hình 61: Hoạt động khi chuyển số 41
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Số 1. Để chuyển từ số trung gian sang số 1 thì đường dẫn dầu tới C1 được mở bằng cách chuyển mạch van điều khiển. Do van điện từ số 1 bật “ON” và van điện từ số 2 bị tắt “OFF” nên đường dẫn dầu tới C0 được mở. (Van điện từ số 1 được bật “ON” và van điện từ số 2 bị ngắt “OFF”). Sự hoạt động của C1 và F2 tạo ra đường dẫn dầu cho số 1. Hình 62: Đi số 1 Số 2. Van điện từ số 2 được chuyển từ tắt “OFF” sang bật “ON” theo các tín hiệu từ ECU. (Van điện từ số 1 bật, và van điện từ số 2 bật). Áp suất thuỷ lực cấp lên phía trên các van chuyển số 1-2 và 3-OD được xả ra và van chuyển số 1-2 được đẩy lên do lực lò xo. Do đó, đường dẫn dầu mở vào B2. C1 và B2 (F1) hoạt động để chuyển số sang số 2. 42
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 63: Xe đi số 2 Số 3. Van điện từ số 1 được chuyển từ bật “ON” sang tắt “OFF” theo các tín hiệu từ ECU. (Van điện từ số 1 tắt “OFF” và van điện từ số 2 bật “ON”) áp suất thuỷ lực bắt đầu được tác động lên phía trên van chuyển số 2-3 và đẩy van chuyển số 2-3 xuống. Do đó, đường dẫn dầu mở vào C2. C1 và C2 hoạt động để chuyển sang số 3. Hình 64: Xe đi số 3 Số O/D. 43
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Van điện từ số 2 được chuyển từ bật “ON” sang tắt “OFF” theo các tín hiệu từ ECU (Van điện từ số 1 tắt, và van điện từ số 2 tắt), áp suất thuỷ lực bắt đầu tác động lên phía trên của van chuyển số 1-2 và 3- OD và đẩy van chuyển số 3-OD xuống (áp suất cơ bản từ van chuyển số 2-3 tác động vào dưới van chuyển số 1-2, do đó van chuyển số 1-2 không di động). Vì vậy, đường dẫn dầu đang tác động lên C0 từ B0 được chuyển mạch và tốc độ được chuyển lên số truyền tăng O/D. Khi công tắc số truyền tăng tắt “OFF”, nó không thể chuyển lên số O/D vì ECU không gửi tín hiệu ngắt van điện từ số 2. Hình 65: Đi số O/D 44
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Chương II. TỔNG QUAN ÔTÔ HYBRID 2.1. Khái niệm chung Ô tô hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thông thường (xăng, Diesel ) với động cơ điện lấy năng lượng điện từ một ắc-quy cao áp. Điểm đặc biệt là ắc-quy được nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” như khi xe phanh, xuống dốc , gọi là quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà ôtô có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi cần thiết. 2.2. Xu hướng phát triển của ôtô hybrid Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe , nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể. Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung. Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid) Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ôtô hybrid. Ôtô hybrid Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái. 45
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được 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 trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ô tô này. Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô pin mặt trời cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) được coi là phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu. Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể sử dụng những loại xe hybrid nhiệt điện hoạt động trong phạm vi các thành phố, các khu du lịch và có thể vận hành trên các loại đường dài hàng trăm kilômet tương đối bằng phẳng Chứ không thể sử dụng ô tô hybrid nhiệt điện thay hẳn các loại ôtô khác vì tính công nghệ lai còn nhiều hạn chế, mà cái khó nhất của vấn đề này là nguồn dự trữ năng lượng điện để cấp cho động cơ điện, vì nếu dùng bình ăcquy thông thường thì số lượng bình rất nhiều. 2.3. Phân loại ôtô hybrid 2.3.1. Theo thời điểm phối hợp công suất a. Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm Khi ôtô bắt đầu khởi hành, motor điện sẽ hoạt động cung cấp công suất giúp xe chuyển động và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trước khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng phải khởi động ngay lập tức mới có thể cung cấp công suất tối đa. Ngoài ra, motor điện và động cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như khi leo dốc, leo núi hoặc vượt qua xe khác. Do motor điện được sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đường phố hơn là khi đi trên đường cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loại này. b. Phối hợp khi cần công suất cao Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, như trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vượt qua xe khác, còn trong điều kiện bình thường xe vẫn chạy bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đường cao tốc vì đó là khi động cơ 46
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực xăng ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai. Cả hai loại này đều lấy công suất từ ắc-quy khi motor điện được sử dụng và đương nhiên nó sẽ làm yếu công suất của ắc-quy. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc. 2.3.2. Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện a. Kiểu nối tiếp Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát sinh ra điện năng nạp cho ắc-quy hoặc cung cấp cho động cơ điện . Hình 1a. Hệ thống hybrid nối tiếp Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp ắc-quy và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây còn có vai trò như một máy phát điện (tái sinh năng lượng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh. Hình 1b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp 47
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Ưu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm được ô nhiễm môi trường, Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt động tối ưu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đường dài quá quãng đường đã quy định dùng cho ăcquy. Sơ đồ này có thể không cần hộp số. Nhược điểm: Tuy nhiên, tổ hợp ghép nối tiếp còn tồn tại những nhược điểm như: Kích thước và dung tích ắc-quy lớn hơn so với tổ hợp ghép song song, động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn điện cho ắc-quy nên dễ bị quá tải. b. Kiểu song song Dòng năng lượng truyền tới bánh xe chủ động đi song song. Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng vai trò là nguồn năng lượng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vượt dốc. Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lưỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc-quy trong các chế độ hoạt động bình thường, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian, nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng như một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy. Ưu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lượng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lượng bình ắc-quy nhỏ và gọn nhẹ, trọng lượng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp. Nhược điểm: Động cơ điện cũng như bộ phận điều khiển motor điện có kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế công suất lớn hơn kiểu lai nối tiếp. Tính ô nhiễm môi trường cũng như tính kinh tế nhiên liệu không cao. 48
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 2a. Hệ thống hybrid song song Hình 2b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song c. Kiểu hỗn hợp Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song nhằm tận dụng tối đa các lợi ích được sinh ra. Hệ thống lai nối tiếp này có một bộ phận gọi là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ưu thế trong việc chế tạo xe hybrid. Hình 3a. Hệ thống hybrid hỗn hợp 49
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3b. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp. d. So sánh giữa ba kiểu phối hợp công suất Bảng 1. So sánh ưu nhược điểm giữa 3 kiểu hệ thống phối hợp công suất Sự thực hiện truyền Sự tiết kiệm nhiên liệu động Công suất Kiểu lai Sự dừng Lấy lại Hoạt Tổng hiệu phát ra không tái năng động hiệu Gia tốc suất cao liên sinh lượng suất cao tục Nối tiếp Song song Hỗn hợp Chương 3. CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ÔTÔ HYBRID 3.1. Mô hình tổng quát của ôtô hybrid 50
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4. Một dạng ôtô Hybrid kiểu phối hợp công suất song song Hình 5. Sơ đồ ôtô hybrid kiểu hỗn hợp 51
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 6. Một dạng ôtô hybrid kiểu hỗn hợp Ghi chú: 1. Engine: Động cơ đốt trong 2. ECM: Electric Control Module - Bộ phận điều khiển điện tử cho động cơ. 3. HV ECU: Hybrid Vehicle ECU- ECU điều khiển kết hợp trên ôtô hybrid. 4. Shift Postion Sensor: Cảm biến vị trí tay số. 5. Brake ECU: ECU điều khiển phanh. 6. HV Battery: High Volt Battery- Ắc-quy điện áp cao. 7. Inverter with Converter: Bộ chuyển đổi điện. 8. Hybrid Transaxle: Hộp số kết hợp với bộ phân phối công suất. 9. Acceleration Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga. 3.2. Các bộ phận chính 3.2.1 Động cơ đốt trong Là nguồn động lực chính, ở ôtô hybrid có thể dùng động cơ xăng, động cơ Diesel, động cơ Hydro, khí hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu. Hình 6. Động cơ đốt trong, hộp số của ôtô hybrid (Toyota Prius) 52
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 7. Ôtô VW Touareg Hybrid 2009 3.2.2. Hộp số và bộ phân phối công suất (Hybrid Transaxle) Cụm bánh răng hành tinh trong hộp số đóng vai trò như một bộ chia công suất có nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe thành hai thành phần tạm gọi là phần dành cho cơ và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh của nó có thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ điện – máy phát và các bánh xe chủ động trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Các bánh răng hành tinh này hoạt động như một cơ cấu truyền động biến đổi liên tục (CVT- Continuously Variable Transmission). Hình 8. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ phân phối công suất 3.3.3. Motor điện và máy phát điện Tổ hợp motor điện – máy phát số 1 (MG1-Motor Generater 1) có nhiệm vụ nạp điện trở lại cho ắc-quy điện áp cao (HV Battery), đồng thời cấp điện năng để dẫn động 53
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực cho MG2 (MG2-Motor Generater 2). MG1 hoạt động như một motor để khởi động động cơ chính của xe đồng thời điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng hành tinh gần giồng như một CVT. Tổ hợp motor điện – máy phát số 2 (MG2) có nhiệm vụ dẫn động cho các bánh xe chủ động tiến hoặc lùi xe. Trong suốt quá trình giảm tốc và phanh xe, MG2 hoạt động như một máy phát và hấp thu động năng (còn gọi là quá trình hãm tái sinh năng lượng) chuyển hóa thành điện năng để nạp lại cho ắc-quy điện áp cao. Trên Toyota dùng một môtơ đồng bộ xoay chiều 3 pha, là một môtơ không chổi than DC hiệu suất cao với dòng AC. Các nam châm vĩnh cửu và một rôto được làm bằng các tấm thép điện từ ghép lại thành một môtơ công suất cao. Hơn nữa, bởi sự bố trí các nam châm vĩnh cửu theo một dạng tối ưu, mômen dẫn động được cải thiện và công suất được tăng lên. Cả MG1 và MG2 đều có kích thước gọn, nhẹ và là loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu dòng điện xoay chiều hiệu quả cao. 3.3.4. Bộ phận chuyển đổi điện (Inverter with Converter) Bộ chuyển đổi biến dòng điện một chiều từ ắc-quy điện áp cao (HV Batterry) thành dòng xoay chiều làm quay motor điện hoặc biến dòng xoay chiều từ máy phát thành dòng điện một chiều để nạp điện cho ắc-quy. Hình 9. Bộ chuyển đổi điện và sơ đồ nguyên lý hoạt động Về cấu tạo, nó gồm một bộ khuếch đại điện năng để tăng điện áp được cung cấp lên đến 500V đồng thời nó được trang bị một bộ chuyển đổi dòng một chiều để nạp điện cho ắc-quy phụ của xe và một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều để cấp điện cho máy nén trong hệ thống điều hòa của xe hoạt động. 3.3.5. Ắc-quy điện áp cao. (HV Battery - High Volt Battery) 54
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Ắc-quy chính của xe được bảo vệ trong một vỏ niken-kim loại hyđrua chắc chắn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn so với bình thường. Thường gồm 120-250 cặp cực ắc-quy với điện áp chuẩn là 144V-350 Volt (1,2V/cặp cực ắc-quy) được nạp điện bởi động cơ chính thông qua tổ hợp MG1 khi xe chạy bình thường và tổ hợp MG2 trong suốt quá trình hãm tái sinh năng lượng. Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid và Toyota Prius đều sử dụng những pin hyđrua kim loại kiềm (NiMH), công nghệ pin giống như trong điện thoại di động và máy tính xách tay. Hệ thống hybrid của Prius là sự kết hợp của 38 mô đun chứa 228 pin điện riêng biệt với tổng công suất lên tới 273,6 V. Xe của Honda thì dùng 120 pin điện, tổng công suất 144 V; Ford 250 pin, công suất 330 V. Hình 10a Hình 10b 10a. Ắc-quy điện áp cao trên Toyota Prius 10b. Ắc-quy điện áp cao trên VW Touareg 3 3.6. Cáp nguồn Cáp nguồn hay cáp công suất trong xe hybrid dùng để truyền dòng điện có cường độ và điện áp cao giữa các thiết bị như ắc-quy điện cao áp, bộ chuyển đổi, các tổ hợp MG1, MG2 và máy nén trong hệ thống điều hòa. Đường dây cao áp và các giắc nối được đánh dấu bằng mầu da cam như trong hình trên. Hình 11. Sơ đồ hệ thống cáp dẫn điện công suất cao 55
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 3.3.7. Ắc quy phụ Loại ắc-quy DC12V này được bố trí cố định phía sau xe, duy trì và cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho các thiết bị như đèn xe, hệ thống âm thanh, các ECU điều khiển .v v Hình 12. Ắc-quy phụ trên ôtô hybrid Ngoài ra trong ôtô hybrid còn kết hợp một số công nghệ hiện đại khác để nhằm tăng khả năng vận hành, giảm khí thải gây ô nhiễm và tối đa hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu. 3.4. Hệ thống truyền lực 3.4.1. Hoạt động của hệ thống : a.Tổng quát: Hệ thống THS-II ( Toyota Hybrid System ) sử dụng hai loại lực được tạo ra bởi động cơ và MG2. MG1 được sử dụng như là 1 máy phát điện. Bộ điều khiển bình HV ECU theo dõi liên tục tình trang nạp bình (SOC) theo dõi về nhiệt độ bình, nhiệt độ nước làm mát động cơ và tình trạng tải điện .Nếu một trong những bộ phận được theo dõi không đạt yêu cầu và khi nút READY ở vị trí ON và tay số ở vị trí “P” . Khi đó ECU HV sẽ điều khiển MG1 khởi động động cơ và sau đó nạp lại bình Hệ thống THS-II hoạt động dựa trên sự kết hợp tối ưu của động cơ, MG1, MG2 phù hợp với các điều kiện lái xe, và được liệt kê ở bảng dưới đây: Hình 3.4.6 Điều kiện làm việc 56
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực (A) READY ON (B) Khởi động (C) Trong quá trình tăng tốc nhẹ với động cơ (D) Trong quá trình tăng tải thấp (E) Trong quá trình đầy tải (F) Trong quá trình giảm tốc (G) Trong quá trình đảo chiều chuyển động. Biểu đồ bên dưới sẽ miêu tả cho chúng ta sự điều khiển chiều quay của bộ bánh răng hành tinh về tốc độ quay, sự cân bằng truyền lực. Đồ thị này chỉ ra khi nào MG1 và MG2 là máy phát điện hoặc là mô tơ điện .Chiều quay và moment được chỉ định trong bảng dưới đây. Trạng thái Hình minh hoạ Không nạp điện 57
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Nạp điện Hình 3.4.7: Mối quan hệ bộ bánh răng hành tinh về tốc độ quay, sự cân bằng truyền lực. b. Trạng thái READY ON Trên xe đời 2004 Prius, thậm trí nếu người tài xế có nhấn nút POWER và READY chỉ ON thì động cơ cũng không khởi động. Động cơ chỉ khởi động khi đạt được các yêu cầu về: nhiệt độ nước làm mát, tình trạng của bình, nhiệt độ bình và chế độ tải điện.Trong tình trạng này động cơ MG1, MG2 tất cả đều không hoạt động. Khởi động động cơ Nếu bất cứ một bộ phận nào được theo dõi bởi ECU HV không đạt yêu cầu khi READY ở vị trí ON và vị trí cần số ở vị trí “P” hoặc khi xe đi lùi thì ECU HV sẽ điều khiển cho MG1 khởi động động cơ. Trong quá trình hoạt động để ngăn ngừa sự tác động trở lại của bánh răng mặt trời (MG1) lên bánh răng bao (MG2) làm dẫn động các bánh xe.Và 1 dòng điện sẽ được cấp tới MG2 để hãm MG2 lại. Bộ phận này thì được gọi là “REACTIVE CONTROL” Hình 3.4.8 Khởi động động cơ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh: 58
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.4.9 Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ Trạng thái tiếp theo thì động cơ sẽ dẫn động MG1 quay, MG1 hoạt động như là 1 máy phát điện và nạp điện vào bình HV Hình 3.4.10:Động cơ dẫn động MG1 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh: Hình 3.4.11: Mối quan hệ về tốc độ khi động cơ dẫn động MG1 c. Khởi động (B), xe được dẫn động bởi MG2 59
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Khi động cơ của xe không hoạt động thi năng lượng để xe di chuyền chỉ được cung cấp từ MG2 .Ở quá trình này động cơ chính không hoạt động, MG1 quay trơn và không tạo ra điện. Hình 3.4.12 MG2 dẫn động bánh xe Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh: Hình 3.4.13: Mối quan hệ về tốc độ khi MG2 dẫn động bánh xe Khỏi động động cơ Trong khi xe chỉ hoạt động dựa trên MG2 mà yêu cầu cần tăng moment , thì MG1 sẽ hoạt động để khởi động động cơ .Ngoài ra nếu các bộ phận được theo dõi bởi ECU HV như tình trạng của bình ,nhiệt độ của bình , nhiệt độ nước làm mát động cơ và chế độ tải điện có sự chênh lệch với yêu cầu chỉ định thì MG1 được kích hoạt để khởi động động động cơ. 60
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.4.14 Khởi động động cơ khi xe đang được dẫn động bởi MG2 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.4.15: Mối quan hệ về tốc độ khi khởi động động cơ trong khi MG2 dẫn động bánh xe Ở trạng thái tiếp theo, động cơ sẽ dẫn động MG1 để phát điện cung cấp cho bình HV, nếu yêu cầu cần tăng moment thì động cơ sẽ dẫn động MG1 phát điện để chuyển sang chế độ tăng tốc nhẹ cùng với động cơ. Hình 3.3.16 Trạng thái động cơ dẫn động MG1 phát điện Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh 61
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.3.17: Mối quan hệ về tốc độ quay khi động cơ dẫn động MG1 phát điện và MG2 dẫn động bánh xe d. Chế độ tăng tốc nhẹ với động cơ © Trong quá trình tăng tốc nhẹ với động cơ lực của động cơ tạo ra sẽ được phân chia bởi bộ bánh răng hành tinh . Một phần được cung cấp trực tiếp ra các bánh xe và phần còn lại (phần chính) dùng để dẫn động MG1 tạo ra điện , thông qua bộ chuyển đổi điện ( inverter) cung cấp cho MG2 và MG2 tạo ra lực cung cấp cho bánh xe. Hình 3.3.18 Trạng thái tăng tốc nhẹ với động cơ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.19 Mối quan hệ về tốc độ quay khi tăng tốc nhẹ với động cơ e. Trong quá trình tải thấp (D) : 62
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Khi xe chạy ở chế độ tải thấp thì lực tạo ra bởi động cơ được phân phối bởi bộ bánh răng hành tinh.Một phần lực được cung cấp trực tiếp tới các bánh xe ,phần còn lại (phần chinh) được dùng để dẫn động MG1 tạo ra điện Hình 3.3.20 Trạng thái tải nhỏ Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.21 Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái tải nhỏ Trong quá trình đầy tải (E) : Khi xe chuyển từ chế độ tải thấp sang chế độ đầy tải thì hệ thông sẽ cung cấp thêm điện từ bình HV cho MG2 tạo thêm lực : Hình 3.3.22: Trạng thái đầy tải Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh 63
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.3.23: Mối quan hệ về tốc độ quay khi xe ở trạng thái đầy tải f. Trong quá trình giảm tốc (F) : Giảm tốc ở tay số D Khi xe hoạt đang hoạt động với tay số D và giảm tốc thì động cơ sẽ được tắt và lực tạo ra từ động cơ sẽ là zero. Vào thời điểm này bánh xe sẽ dẫn động MG2 và MG2 hoạt động như một máy phát và nạp điện vào bình HV Nếu mà xe giảm tốc từ tốc độ cao thì động cơ sẽ duy trì một tốc độ định mức và không dừng lại đột ngột, mục đích của việc này là để bảo vệ bộ bánh răng hành tình. Hình 3.3.24 Trạng thái giảm tốc ở tay số D Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.25 Mối quan hệ về tốc và chiều quay khi xe ở trạng thái giảm tốc ở tay số D Giảm tốc ở tay số “B” Khi xe dang hoạt động với tay số “B” và giảm tốc bánh xe dẫn động MG2, MG2 sẽ hoạt động như một máy phát điện để nạp cho bình HV đồng thời cung cấp điện cho MG1 vì vậy MG1 sẽ duy trì tốc độ động cơ để phanh bằng động cơ.Vào thời điểm đó nhiên liệu được cắt 64
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.3.26 Trạng thái giảm tốc ở tay số B Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.27: Mối quan hệ về chiều quay và tốc độ khi xe ở trạng thái giảm tốc ở tay số B g. Trong quá trình phanh Trong quá trình giảm tốc nếu người tài xế đạp bàn đạp phanh thì bộ điều khiển ECU sẽ tính toán lực hãm điện động tăng thêm và gửi tín hiệu tới HV ECU. Sau khi nhận được tín hiệu này thì HV ECU sẽ tăng lực hồi phục trong phạm vi của lực hãm điện động. Kết quả là MG2 sẽ tạo ra được một dòng điện để nạp vào bình HV k. Trong quá trình chạy lùi (G) : Dẫn động bởi MG2 Khi xe chạy lùi thì chỉ có MG2 cung cấp năng lượng.Vào thời điểm đó MG2 sẽ quay ngược lại, động cơ không hoạt động, MG1 quay bình thường và không tạo ra điện. Hình 3.3.28 Trạng thái xe chạy lùi 65
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.29 Mối quan hệ về tốc độ và chiều quay khi xe chạy ở trạng thái chạy lùi Khởi động động cơ Nếu xe chỉ hoạt động với MG2 bất cứ một bộ phận nào được theo dõi bởi HV ECU như tình trang bình ( SOC) nhiệt độ bình, nhiệt độ nước làm mát và tình trang tải điện chênh lệch với mức độ được định trước, thì MG1 sẽ hoạt động để khởi động động cơ. Hình 3.3.30: Trạng thái khởi động động cơ khi xe đang được dẫn động bởi MG2 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.31: Mối quan hệ về tốc độ và chiều quay khi xe ở trạng thái khởi động động cơ Ở trạng thái tiếp theo, động cơ dẫn động MG1 như một máy phát điện để nạp lại cho bình HV 66
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.3.32: Trạng thái động cơ dẫn động MG1 Đồ thị về chiều quay và tốc độ quay của bộ bánh răng hành tinh Hình 3.3.33 Mối quan hệ về tốc độ và chiều quay khi xe ở trạng thái động cơ dẫn động MG1 3.4.2. Cấu trúc cơ bản của hộp số 3.4.2.1. Tổng quát Hộp số gồm có các bộ phận sau bộ giảm chấn (damper), MG1, MG2, bộ bánh răng hành tinh, bộ giảm tốc (bộ giảm tốc gồm có xích truyền lực,bánh răng chủ động, bánh răng bị động, bánh răng truyền cuối, bánh răng dẫn động cuối ). Bộ bánh răng hành tinh, MG1, MG2, bánh xích dẫn động, Bộ giảm trấn được lắp đồng trục, lực truyền động được truyền từ bánh xích qua bộ giảm tốc thông qua xích dẫn động. Hình 4.4.1 Cấu tạo của hộp số Hybrid Bộ bánh răng hành tinh 67
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Công suất đầu ra của động cơ được chuyển đổi thông qua bánh răng hành tinh. Bộ bánh răng hành tinh phân chia lực từ động cơ thành hai phần, một phần dẫn động trực tiếp các bánh xe, phần còn lại dùng để dẫn động MG1 để tạo ra điện. Các phần của bánh răng hành tinh: Bánh răng mặt trời được nối với MG1, bánh răng bao nối với MG2, càng dẫn nối với động cơ. Hộp số Hybrid kết hợp hiệu quả hoạt động của hai loại lực , lực của động cơ và của MG2 phù hợp với điều kiện hoạt động của xe. Lực cơ bản được tạo ra bởi động cơ và được phân chia thành hai phần, một phần được cung cấp tới các bánh xe qua các bánh răng hành tinh trong hộp số và phần lực còn lại thì dùng để dẫn động MG1 làm cho MG1 phát điện .Hộp số Hybrid gồm có MG1, MG2 và bộ bánh răng hành tinh Hình 3.4.1 Hộp số xe Prius 3.4.2.2. Hoạt động cơ bản của hộp số: Hệ thống này kiểm soát các chế độ sau đây nhằm đạt được hiệu quả cao nhất phù hợp với các điều kiện hoạt động của xe. a. Cung cấp điện từ bình HV tới MG2 để tạo ra lực dẫn động bánh xe: 68
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.4.2: MG2 dẫn động bánh xe b. Khi bánh xe đang được dẫn động bởi động cơ thông qua bộ bánh răng hành tinh. Đồng thời MG1 cũng được dẫn động bởi động cơ qua bánh răng hành tinh để tạo ra điện cung cấp cho MG2. Hình 3.4.3 Động cơ và MG1 dẫn động bánh xe c. MG1 được dẫn động bởi động cơ thông qua các bánh răng hành tinh để nạp điện cho bình HV Hình 3.4.4: MG1 nạp điện cho bình acquy HV d. Khi xe giảm tốc thì năng lượng động lực từ các bánh xe sẽ được khôi phục và được chuyển thành năng lượng điện để nạp lại cho bình HV thông qua MG2 Hình 3.4.5: Bánh xe dẫn động MG2 nạp điện cho bình HV 3.5. Hệ thống phanh và trợ lực phanh 3.5.1 Tổng quát 69
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Xe Prius sử dụng hệ thống phanh điều khiển bằng điện tử. Hệ thống này tính toán lực phanh yêu cầu dựa trên góc quay của pedal và lực tác dụng của tài xế sau đó hệ thống điện tử này sẽ cung cấp lực phanh cần thiết ( bao gồm lực phanh diện động bởi MG2 và lực phanh được tạo ra bởi hệ thống thuỷ lực). ECU ECB này điều khiển hệ thống này thì được tích hợp trong ECU điều khiển chống trượt. Sơ đồ khối hoạt động hệ thống phanh: Hình 3.6.1 Sơ đồ khối của hệ thống phanh 3.5.2. Chức năng các bộ phận Hệ thống Các bộ phân điều khiển trong hệ thống Tóm tắt chức năng các bộ phận phanh Kết hợp điều Điều khiển phanh thuỷ lực để mà hồi phục năng khiển phanh lượng điện bằng cách tận dụng lực phanh điện điện động động Tăng cương VSV nhằm ngăn ngừa xe khỏi sự Tăng cường trượt ngang VSV (Enhanced Sự kết hơp giữa EPS và ECU để nâng cao tính ổn Vehicle Stabiliti ECB định lái trong quá trình giảm tốc cũng như các Control) system điều kiện làm việc khác của xe . Giúp ngăn ngừa các bánh xe không bị khoá cứng ABS khi phanh Thực hiện phân bổ lực phanh giữa bánh trước và EBD bánh sau để phù hợp với các điều kiện hoạt động 70
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực của xe. Tăng lực phanh nêu như bàn đạp phanh Trợ lực phanh không đủ hoặc khi thắng khẩn cấp Tăng lực phanh nêu lực phanh yêu cầu lớn 3.5.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống Tổng quát Lực hãm điện động là một lực cản được tạo ra được tạo ra bởi sự quay ngược chiều giữa MG2 và vi sai cầu xe .Lực cản này lớn thì cường độ dòng điện tạo ra lớn Hình 3.6.2Khi lực cản lớn thì dòng càng lớn Vi sai cầu xe và trục vi sai được nối với nhau bằng cơ cấu cơ khí . Khi bánh xe dẫn động MG2 thì nó hoạt động như một máy phát .và lực hãm điện động được truyền tới các bánh xe Nhờ vào việc áp dụng hệ thống THS-II công suất đầu ra của MG2 được tăng lên điều đó cải thiện được lực hãm điện động . Thêm vào đó sự phân bố lực phanh được cải thiện nhờ vào hệ thống ECB (phanh điện tử) đặc biệt là ổ những vùng sử dụng phanh điện động 71
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.6.3 Sự khác nhau giữa đời 04 và đời 03 Sự phân bố lực phanh Sự phân bố giữa lực phanh thuỷ lực và lực phanh điện động thì khác nhau tại những thời điểm và tốc độ của xe. Sự phân bố giữa lực phanh thuỷ lực và lực phanh điện động bằng cách điều khiển lực phanh thuỷ lực sao cho tổng lực phanh (phanh thuỷ lực và phanh điện động) phù hợp với yêu cầu của người lái . Nếu phanh điện động bị hỏng thì hiệu quả phanh vẫn được giữ nguyên nhờ phanh thuỷ lực. Hình 3.6.4 Sự phân bố lực phanh 3.5.4. Hoạt động của EBD ( Electronic Brake Distribution) Trước đây sự phân phối lực phanh là nhờ vào cơ cấu cơ khí nhưng ngày nay sự phân phối lực phanh được điểu khiển bởi điện tử thông qua ECU để phù hợp với chế độ lái xe. Sự phân phối lực phanh giữa bánh trước và bánh sau Nếu lực phanh được cung cấp khi xe di chuyển thẳng về phía trước ,hệ thống sẽ giảm tải và cung cấp cho các bánh xe sau. ECU điều khiển chống trượt sẽ được xác định tình trạng chế độ phân phối lực thông qua tín hiệu từ các cảm biến tốc độ và bộ chấp hành phanh sẽ phân lực phanh cho các bánh xe sau để điều khiển lực phanh một cách tối ưu. Ví dụ :khi có một lực phanh cung cấp tới các bánh xe sau trong quá trình phanh sẽ thay đổi hoặc không thay đổi lực phanhđể phù hợp với độ lớn của lực giảm tốc. 72
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Theo đó sự phân phối lực phanh tới các bánh sau sẽ được tối ưu hoá để mà tận dụng hiệu quả lực phanh của bánh sau dưới mọi điều kiện . Hình 3.6.5 Đường phân phối lực phanh Sự phân bố lực phanh bánh xe bên trái và bên phải. Khi xe đang di chuyển trên đường vòng mà ta cung cấp lực phanh thì bánh xe bên trong sẽ được giảm lực phanh và bánh xe bên ngoài sẽ được tăng lực phanh. ECU chống trượt xác định chế độ phanh thông qua tín hiệu từ các cảm biến tốc độ và cơ cấu chấp hành sẽ xác định lực phanh để phân phối cho các bánh xe bên trong và bên ngoài 3.5.5. Trợ lực phanh Hệ thống trợ lực phanh nhằm cung cấp thêm lực cho người lái khi phanh xe. Dựa trên tín hiệu áp lực từ xi lanh chính và cảm biến góc quay của bàn đạp phanh ECU sẽ tính toán được lực phanh mà người lái xe cần và bộ phận chấp hành phanh sẽ tăng áp lực trong xi lanh chính Hệ thống trợ lực phanh kết hợp với hệ thống ABS để chắc chắn rằng hệ thống phanh đạt hiệu suất cao nhất. Một điểm đặc biệt của hệ thống trợ lực phanh là thời điểm và mức độ của hệ thống phanh được thiết kế để chắc chắn rằng người lái xe sẽ không thấy bất kì sự hoạt động bất thường nào của hệ thống phanh .Khi người lái xe chủ động đạp lên bàn đạp phanh thì hệ thông sẽ giảm một lượng trợ lực được cung cấp. Trong trường hợp xe đầy tải và đòi hỏi một lực phanh lớn, và hệ thống phanh không cung cấp kịp thì hệ thống trợ lực phanh sẽ hoạt động để tăng lực phanh 73
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.6.7 Hệ thống có trợ lực và không có trợ lực Sự khác biệt giữa hiệu suất của xe có trợ lực phanh và xe không có trợ lực phanh . Hình 3.6.8 Sự khác biệt giữa xe có trợ lực và không trợ lực 3.5.6. Hoạt động của hệ thống phanh thường ( Điều khiển cùng với phanh điện động) 3.5.6.1.Tổng quát: Trong quá trình phanh valve chặn xi lanh chính sẽ chặn đường dầu từ xi lanh chính tới xi lanh bánh xe. Mạch dầu cung cấp áp suất tới xi lanh bánh xe thì độc lập với xi lanh chính. Áp suất từ xi lanh bánh xe không phải là nguồn trực tiếp để dẫn động xi lanh bánh xe hoạt động. ECU chống trượt tính toán lực phanh theo yêu cầu của tài xế, nhờ vào tín hiệu từ cảm biến áp suất xi lánh chính và cảm biến vị trí bàn đạp phanh. Sau đó ECU chống trượt sẽ tính toán giá trị lực phanh điện động đưa ra, mà không yêu cầu lực phanh thường, sau đó tín hiệu được gửi tới HV ECU. Nhờ vào nhận biết giá trị mà HV ECU sẽ tạo ra lực phanh.Vào cùng thời điểm HV ECU sẽ truyền giá trị thực tế của lực phanh điện động tới ECU chống trượt. ECU chống trượt sẽ kiểm soát valve solenoid để hệ thống phanh thuỷ lực sẽ tạo ra lực phanh. Sơ đồ hoạt động của hệ thống: 74
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 3.6.23 Sơ đồ hoạt động của hệ thống phanh thường ( điều khiển cùng với phanh điện dộng) 3.5.6.2.Tăng áp suất: ECU chống trượt tính toán chỉ tiêu áp suất thuỷ lực ở xi lanh bánh xe để phù hợp với tín hiệu nhận từ cảm biến áp suất xi lanh chính và cảm biến vị trí bàn dập ga .ECU chống trượt sẽ so sánh tín hiệu từ cảm biến xi lanh bánh xe với chỉ tiêu áp suất xi lanh bánh xe. Nếu chỉ tiêu áp suất xi lanh bánh xe thấp thì ECU chống trượt sẽ tăng áp suất trong bộ chấp hành phanh. Hình 3.6.24 Mạch tăng áp Cách thức hoạt động Các bộ phận các bộ phận Valve solenoid chặn xi lanh chính ON (close) (1),(2) Port (A),(B) (3),(4) Valve solenoid cung cấp áp suất ON(mở một nửa) 75
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực (5),(6) Port © ,(D),(E),(F) Valve solenoid giảm áp (7),(9) OFF(close) Port (G),(I) (8) Val solenoid giảm áp ON (Close) (10) Port (H),(J) Valve solenoid cắt bộ nhận biết vị trí bàn đạp (11) phanh ON (Open) Port (K) 3.5.6.3 Trạng thái giữ : ECU chống trượt tính toán giá trị áp suất ở xi lanh bánh xe (tương đương với lực thắng yêu cầu của tài xế ) nó phù hợp với tín hiệu nhận biết được từ cảm biến áp suất xi lanh chính và cảm biến vị trí bàn đạp phanh. ECU chống trượt so sánh tín hiệu từ áp suất xi lanh bánh xe với giá trị áp suất xi lanh bánh xe. Nếu chúng bằng nhau thì ECU chống trượt sẽ điều khiển bộ chấp hành phanh ở trạng thái giữ . Hình 3.6.25 Trạng thái giữ Cách thức hoạt động Các bộ phận các bộ phận Valve solenoid chặn xi lanh chính ON (close) (1),(2) Port (A),(B) Valve solenoid cung cấp áp suất (3),(4) OFF(close) (5),(6) Port © ,(D),(E),(F) 76
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Valve solenoid giảm áp (7),(9) OFF (close) Port (G),(I) Val solenoid giảm áp (8) ON (close) (10) Port (H),(J) Valve solenoid cắt bộ nhận biết vị trí bàn đạp phanh (11) ON (Open) Port (K) 3.5.6.4Trạng thái giảm áp ECU chống trượt tính toán chỉ tiêu áp suất ở xi lanh bánh xe (tương đương với lực phanh yêu cầu của người lái) nó phù hợp với tín hiệu nhận biết được từ cảm biến áp suất xi lanh bánh xe và cảm biến vị trí bàn đạp phanh. ECU chống trượt so sánh tín hiệu áp suất xi lanh bánh xe với chỉ tiêu áp suất xi lanh bánh xe. Nếu áp suất trong xi lanh bánh xe cao hơn thì ECU chống trượt sẽ giảm áp suất trong bộ chấp hành phanh ,điều đó làm áp suất trong xi lanh bánh xe giảm xuống. Hình 3.6.26 Mạch giảm áp Cách thức hoạt động Các bộ phận các bộ phận Valve solenoid chặn xi lanh chính ON (close) 77
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực (1),(2) Port (A),(B) (3),(4) Valve solenoid cung cấp áp suất OFF(close) (5),(6) Port © ,(D),(E),(F) Valve solenoid giảm áp (7),(9) ON (mỏ một nửa) Port (G),(I) (8) Val solenoid giảm áp ON (mỏ một nửa) (10) Port (H),(J) Valve solenoid cắt bộ nhận biết vị trí bàn (11) đạp phanh ON (Open) Port (K) 78
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ XE ĐIỆN 4.1. Giới thiệu về xe điện Xe điện (EV) sử dụng một motor điện để cung cấp lực kéo và dùng ắc quy, pin nhiên liệu, siêu tụ cùng với bánh đà làm nguồn cung cấp năng lượng. Xe điện có nhiều ưu điểm hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong (ICEV) như: không có khí xả, hiệu suất cao, không sử dụng đến dầu mỏ và hoạt động êm dịu, không ồn. Nguyên lý hoạt động và chức năng của EV và ICEV thì tương đương nhau, như được miêu tả ở tài liệu lý thuyết cơ bản về ô tô. Tuy nhiên có vài điểm khác nhau giữa ICEV và EV, như sử dụng thùng nhiên liệu thay vì ắc quy, ICE thay vì motor điện, và yêu cầu về hộp số khác nhau. Ta sẽ tập trung vào phương pháp thiết kế hệ thống truyền lực và nghiên cứu các bộ phận then chốt gồm motor kéo và thiết bị tích trữ năng lượng. 4.2. Cấu trúc xe điện 4.2.1. Cấu tạo chung Trước đây, EV chủ yếu được chuyển đổi từ ICEV bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu bằng một động cơ điện dẫn động và ắc quy cung cấp điện trong khi các bộ phận khác được giữ nguyên, được thể hiện trong Hình 4.1. Kiểu EV này có nhiều hạn chế như trọng lượng xe lớn, độ linh hoạt kém, tính năng hoạt động giảm, điều đó làm cho kiểu EV này ít được sử dụng. EV hiện đại được thiết kế lại khung sườn. Điều đó làm thõa mãn các yêu cầu về cấu trúc thống nhất của EV và làm cho EV linh hoạt hơn. Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của xe điện. Một hệ thống dẫn động điện được miêu tả khái quát trên (Hình 4.2). Hệ thống bao gồm 4 cụm chính: cụm motor điện, nguồn năng lượng chính và nguồn các hệ thống phụ. - Cụm động cơ điện gồm một bộ điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện tử công suất, motor điện, bộ truyền lực cơ khí và bánh xe dẫn động. 79
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực - Cụm nguồn năng lượng thì có nguồn năng lượng, bộ điều khiển năng lượng, bộ nạp năng lượng. - Cụm nguồn các hệ thống phụ gồm nguồn cho cụm cơ cấu lái, cụm điều khiển điều hòa không khí và các hệ thống phụ khác. Hình 4.2: Cấu trúc tổng quan xe EV Dựa vào tín hiệu đầu vào từ bàn đạp ga và bàn đạp phanh, bộ điều khiển trung tâm sẽ cung cấp đúng các tín hiệu điều khiển đến bộ chuyển đổi công suất điện tử, bộ phận này có chức năng điều chỉnh dòng công suất giữa motor điện và nguồn điện. Dòng công suất ngược lại là do hệ thống phanh nạp của EV và năng lượng nạp này có thể được giữ lại trong nguồn năng luợng. Hầu hết các ắc quy của EV cũng các như siêu tụ và bánh đà đều có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng nạp này. Bộ điều khiển năng lượng phối hợp với bộ điều khiển trung tâm để điều khiển hệ thống phanh nạp và tái tạo năng lượng của quá trình phanh. Nó cũng làm việc cùng với bộ nạp lại năng lượng để điều khiển nạp lại và kiểm tra tính hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng. Nguồn năng lượng phụ thì cần thiết để cấp nguồn tại mức điện áp khác cho tất cả các hệ thống phụ trên EV, đặc biệt là hệ thống điều hòa và cụm nguồn cơ cấu lái. 4.2.2. Các phương án bố trí trên xe điện EV có thể có các cấu trúc khác nhau do có sự thay đổi trong đặc điểm của hệ thống truyền động điện và nguồn năng lượng, được thể hiện trên Hình 4.4. 80
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.3 : Cấu trúc của xe EV - Phương án (a): thể hiện cấu trúc của phương án đầu tiên, trong phương án này một motor điện thay thế cho động cơ đốt trong với bộ truyền lực được giữ nguyên. Nó bao gồm một motor điện, một ly hợp, một hộp số bánh răng, và một vi sai. Ly hợp và hộp số thường có thể thay thế bằng hộp số tự động. Ly hợp được dùng để kết nối hoặc ngắt dòng công suất từ motor điện đến các bánh xe chủ động. Hộp số thay đổi tốc độ– công suất (mômen) cho phù hợp với yêu cầu về tải trọng . - Phương án (b): Với motor có công suất không đổi trong phạm vi tốc độ rộng, thì trong hệ bánh răng cố định có thể thay thế cho một hộp số đa cấp và không cần có li hợp. Cấu trúc này có đặc điểm là kích thước gọn, khối lượng giảm và điều khiển rễ dàng. - Phương án (c): Hệ thống truyền lực tương tự với phương án (b), một motor điện, hệ bánh răng cố định và vi sai có thể được tích hợp thành một một cụm trong khi hai đầu trục hai bên dẫn động các bánh hai bên tương ứng. Cả hệ thống truyền lực trở nên đơn giản hơn và gọn gàng hơn. - Phương án (d): Vi sai cơ khí được thay thế bằng hai motor kéo độc lập. Mỗi motor dẫn động một bên bánh xe và hoạt động tại tốc độ khác nhau khi xe chạy qua vòng cua. - Phương án (e): Để làm đơn giản hơn hệ thống truyền lực, motor kéo có thể được đặt cạnh bánh xe. Sự bố trí đó được gọi là dẫn động tại bánh xe. Một hệ bánh răng hành tinh mỏng được dùng để giảm tốc độ động cơ xuống và tăng mômen kéo cho motor. Hệ bánh răng thành tinh có ưu điểm là cho tỷ số giảm tốc cao cũng như một sự bố trí thẳng hàng từ trục vào tới trục ra. - Phương án (f): Loại bỏ toàn cơ cấu cơ khí giữa motor điện và bánh xe chủ động, thay vào đó đầu ra rotor của motor điện tốc độ thấp đặt trong bánh xe chủ động 81
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực và được nối trực tiếp dẫn động bánh xe. Điều khiển tốc độ motor điện tức là điều khiển tốc độ bánh xe và do đó điều khiển tốc độ xe. Tuy nhiên, sự bố trí này yêu cầu motor điện phải có momen xoắn cao để khởi động và tăng tốc cho xe. 4.3. Ttruyền lực xe điện Đặc tính hoạt động của xe thường được đánh giá qua thời gian tăng tốc của xe, tốc độ cực đại, và khả năng leo dốc. Trong thiết kế hệ thống truyền động, công suất riêng của motor và các thông số của hộp số cần được quan tâm đầu tiên để đảm bảo tính vận hành chính xác. Thiết kế tất cả các thông số này phụ thuộc hầu hết vào đặc tuyến công suất (mômen) – tốc độ của motor kéo, như đã đề cập ở chương 2, và sẽ được bàn luận trong chương này. 4.3.1. Motor kéo (động cơ điện) 4.3.1.1. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc cơ bản của motor kéo(động cơ điện dùng trên xe điện) 4.3.1.1.1. Động cơ điện một chiều (DC) Các motor điện một chiều (DC) dẫn động đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu thay đổi tốc độ thường xuyên như thường xuyên khởi động, phanh, và đảo chiều. Có rất nhiều motor DC đã được lắp đặt trên rất nhiều các ứng dụng làm động cơ kéo điện khác nhau bởi vì sự trưởng thành về công nghệ của nó và phương pháp điều khiển đơn giản. Hình 4.4. Mặt cắt dọc và cắt ngang của động cơ điện một chiều điển hình. 1. Ổ bi 10. Cổ góp 2. Trục 11. Cực từ chính 4. Nắp 12. Dây quấn cực từ chính 4. Cánh quạt 13. Lõi sắt phần ứng 5. Vỏ máy 14. Cực từ phụ 6. Cực từ 15. Dây quấn cực từ phụ 7. Lõi sắt phần ứng 16. Vỏ máy (mạch từ) 8. Dây quấn phần ứng 17. Dây quấn phần ứng 82
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực 9. Chổi than 18. Rãnh phần ứng a. Cấu tạo động cơ điện một chiều: Phần chính của động cơ điện một chiều gồm 4 phần chính: phần tĩnh (stator) với cực từ, phần quay (roto) với dây quấn, cổ góp với chổi điện. + Phần tĩnh (stator) Stator còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ, vừa là vỏ máy và các cực từ có dây quấn kích từ. Stato gồm các phần sau: − Cực từ chính Cực từ chính tạo ra từ trường, gồm có lõi sắt từ và dây quấn kích từ quấn xung quanh. Lõi sắt cực từ thường làm bằng những lá thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày từ 0,5 ÷ 1 mm ép chặt, hoặc thép cacbon hay thép nguyên khối ở động cơ điện cỡ nhỏ. Cực từ được bắt chặt vào vỏ máy bằng các bu-lông. Dây quấn kích từ là dây đồng cách điện và có tẩm sơn cách điện cả cuộn dây kích từ. Các cuộn kích từ mắc nối tiếp nhau. Đối với các động cơ điện một chiều loại nhỏ, cực từ chính thường làm bằng nam châm vĩnh cửu. − Mạch từ (gông từ) Mạch từ nối liền các cực từ, và tạo thành vỏ máy. Trong các động cơ điện cỡ nhỏ và vừa thường dùng thép tấm hoặc vỏ gang. − Cực từ phụ Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và gắn vào vỏ bằng bu-lông. Tác dụng của cực từ phụ được nói rõ trong phần sau. Ở động cơ cỡ nhỏ, có thể không dùng cực từ phụ, mà người ta gắn chổi than ở vị trí trung tính vật lý. − Các bộ phận khác Chổi điện (chổi than): Để đưa dòng điện vào phần quay, thường làm bằng than graphit. Chổi than nằm trong hộp có lò xo ép chổi than lên cổ góp. Hộp chổi than cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể điều chỉnh xê dịch được để chổi đúng vị trí. Nắp: Bảo vệ động cơ, và lắp ổ bi đỡ trục máy. + Phần quay (rotor) Phần quay (rotor) của động cơ điện một chiều thường gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. − Lõi thép phần ứng Lõi thép phần ứng để dẫn từ, làm bằng các tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện hai mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Trên các lá thép có sẵn rãnh để đặt dây dẫn, và có thể có những lỗ thông gió dọc trục để làm nguội dây quấn và lõi sắt như trình bày ở Hình 4.5. Trên động cơ lớn thì có rãnh thông gió ngang trục. Trên động cơ điện cỡ nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Loại động cơ lớn 83
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực thì giữa trục và lõi thép có đặt giá rôto, tiết kiệm được thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng rotor. Lỗ thông gió Rãnh phần dọc trục ứng Hình 4.5. Cấu tạo một lá thép phần ứng. − Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng là dây đồng bọc cách điện, và phải cách điện tốt với lõi thép, dây quấn là phần sinh ra sức điện động. Loại động cơ điện nhỏ (công suất vài kW) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong động cơ điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Khi động cơ quay, do tác dụng của lực ly tâm, dây quấn có thể bung ra, nên phải đai chặt dây quấn, hoặc ở miệng rãnh thường dùng nêm (bằng tre, gỗ hay nhựa bakelit) để đè chặt. − Cổ góp Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều): Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện với nhau, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor, đuôi vành góp hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp như thể hiện ở Hình 4.6. − Các bộ phận khác Trục máy: Trên trục có đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Cánh quạt: Lắp trên trục máy, dùng để quạt gió làm nguội động cơ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào, gió qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy. Một số động cơ nhỏ có thể không có cánh quạt. 84
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Hình 4.6. Kết cấu phiến đổi chiều và cổ góp của động cơ điện một chiều b. Phân loại Động cơ điện một chiều thường được phân loại theo cách kích thích từ, gồm có các loại sau: − Động cơ điện kích từ độc lập: Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác, không liên hệ với phần ứng của máy (Hình 4.7 a); hoặc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. − Động cơ điện kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng (Hình 4.7 b). − Động cơ điện kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng (Hình4. 7 c). − Động cơ điện kích từ hỗn hợp: Gồm hai dây quấn kích từ, chủ yếu là dây quấn kích từ song song, và dây quấn kích từ nối tiếp (Hình 4.7 d). Hình 4.7: Các phương pháp cấp dòng kích từ. 4.3.1.1.2. Động cơ DC không chổi than dùng nam châm vĩnh cửu a. Khái quát Bằng cách dùng các nam châm vĩnh cửu năng lượng cao làm bộ phận kích từ cho một motor nam châm vĩnh cửu có thể là một tiềm năng cho mật độ công suất cao, tốc độ cao và hiệu suất hoạt động cao. Các ưu điểm nổi bật trên khá hấp dẫn để ứng dụng cho EV và HEV. Trong hệ thống motor sử dụng nam châm vĩnh cửu thì motor DC không chổi than (BLCD) là ứng cử viên hứa hẹn nhất cho EV và HEV. 85
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực b. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Một hệ thống dẫn động motor BLDC bao gồm một máy điện DC, một bộ điều khiển cơ bản DSP, và một bộ biến đổi điện tử . Hình 4.5: Motor BLDC Thực chất, nguyên lý hoạt động của nó là nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 4 pha với rotor được làm từ các nam châm đất hiếm được sắp xếp như trên hình. Bộ biến đổi điển sẽ biến nguồn DC thành nguồn xoay chiều 4 pha để lợi dụng các ưu điểm rất lớn của động cơ điện xoay chiểu 4 pha. Từ trường sẽ được tạo ra trong các khe hở từ và cắt qua các cuộn dây mang dẫn điện của stator tạo nên lực từ tác dụng lên cuộn dây. Do cuộn dây được cố định cho nên rotor quay, tốc độ quay của rotor là tốc độ quay tương đối của rotor và stator. c. Điều khiển dẫn động động cơ điện BLDC Trong các ứng dụng trên ô tô kéo, mômen được sinh ra được dựa trên yêu cầu của người lái xe thông qua bàn đạp ga và bàn đạp phanh. Vì vậy, điều khiển mômen là một yêu cầu cơ bản trong điều khiển motor BLDC. Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển motor BLDC. (Hình 4.6) cho thấy sơ đồ khối của hệ thống dẫn động motor BLDC. Dòng điện I* là dòng điện được cấp từ yêu cầu của mômen T * thông qua bộ điều khiển mômen. Bộ điều khiển dòng và bộ chỉnh lưu nhận dòng tín hiệu I * từ các cảm biến vị trí và dòng này sẽ qua bộ chuyển đổi thành tín hiệu. Các tín hiệu này được gửi đến bộ biến 86
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực đổi 4 pha để bộ này biến đổi dòng DC thành dòng 4 pha tương ứng cho sự hoạt động của máy điện, minh họa ở hình trên. d. Ưu nhược điểm của motor BLCD * Các ưu điểm chính của motor BLCD: - Hiệu suất cao: Các motor BLDC là các motor có hiệu quả cao nhất. Đó là do sử dụng các nam châm vĩnh cửu để kích từ, nó không tiêu thụ công suất. Không có vành góp điện và các chổi than vì vậy tổn thất cơ thấp và nhờ vậy hiệu suất cao hơn. - Gọn: Các nam châm có mật độ năng lượng cao được giới thiệu trong thời gian gần đây (nam châm đất hiếm) cho phép đạt đến mật độ từ trường rất cao trong motor BLDC. Điều này làm cho nó có thể đáp ứng mômen cao, và nó cho phép motor nhỏ hơn và nhẹ hơn. - Dễ điều khiển: Motor BLDC có thể được điều khiển dễ dàng như motor DC bởi vì nhiều phương pháp điều khiển dễ dàng được chấp nhận thông qua hoạt động của motor. - Dễ làm mát: Không có dòng trong rotor. Vì vậy, rotor của motor BLDC không bị nóng. Chỉ có stator sinh ra nhiệt và nó dễ dàng được làm mát hơn rotor vì nó không chuyển động và một phần là do nó nằm ở mặt ngoài motor. - Yêu cầu bảo đưỡng thấp, tuổi thọ lâu đời và ổn định bền bỉ: Không có chổi than và các cơ cấu cơ chuyển động làm cho nhu cầu bảo dưỡng thường xuyên trở nên không cần thiết và hạn chế các hư hỏng xay ra. Tuổi thọ lâu đời nhờ vào sự cách điện tốt, các bạc đỡ và nam châm có tuổi thọ dài. - Tiếng ồn thấp: Không có tiêng ồn của sự chỉnh lưu bởi vì nó được chỉnh lưu bằng mạch điện tử và không có cơ khí. Bộ chỉnh lưu với tần số dẫn động đủ cao để hiệu chỉnh các sung âm tần số cao. Nhược điểm của motor BLDC - Giá thành: Các nam châm đất hiếm có giá thành cao hơn rất nhiều so với các loại nam châm khác và kết quả là giá thành của motor tăng lên. - Phạm vi công suất giới hạn không đổi: Một phạm vi công suất không đổi rộng quyết định hiệu suất cao của xe. Nam châm vĩnh cửu của motor BLDC thì không thể làm cho motor đạt được tốc độ cao hơn hai lần so với tốc độ cơ bản. - An toàn: Các nam cham vĩnh cửu có thể là mối nguy hiểm trong cấu trúc của motor bởi vì chúng có thể hút các vật liệu kim loại. - Khả năng tốc độ cao: Cấu trúc để gắn các nam châm vĩnh cửu không chịu được tốc độ quay cao bởi vì nó bị giới hạn về tính bền cơ giữa phần khung rotor và các nam châm vĩnh cửu. - Các lỗi trong khi dẫn động motor BLDC: Bởi vì các nam châm vĩnh cửu nằm trên rotor nên các motor BLDC có các mối nguy cơ chính trong trường hợp bị ngắn 87
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực mạch của bộ biến đổi. Thật vậy, sự quay của rotor luôn tạo ra năng lượng và tạo ra một suất điện động cảm ứng trong mạch các cuộn dây. Một dòng điện lớn chạy trong các cuộn dây sẽ tạo ra mômen lớn có xu hướng hãm sự quay của rotor lại. Sự nguy hiểm xảy ra khi một hoặc nhiều bánh xe bị hãm, nếu bánh xe sau bị hãm mà các bánh trước vẫn quay thì xe sẽ bị quay. Còn nếu bánh trước bị hãm thì tài xế sẽ bị mất lái. Nếu chỉ một bên bánh bị hãm nó sẽ sinh ra mômen xoay có xu hướng làm xoay xe và sẽ rất khó để điều khiển. Thêm vào đó dòng điện lớn từ sự ngắn mạch bộ biến đổi điện sẽ là nguy cơ làm nam châm mất từ tính và phá hủy các nam châm vĩnh cửu 4.3.1.2. Phanh điện động cơ điện một chiều Trạng thái phanh điện của động cơ là trạng thái động cơ sinh ra mômen điện từ ngược với chiều quay mà rôto đang có, nhằm một trong các mục đích sau: - Dừng hệ thống truyền động điện. - Giữ cho hệ thống đứng yên khi hệ thống đang chịu một lực có xu hướng gây chuyển động. - Giảm tốc độ hệ thống truyền động điện. - Giữ cho hệ thống truyền động điện làm việc với một tốc độ ổn định. Khi hãm điện, trục động cơ không bị phần tử nào tì vào, chỉ có mômen điện từ tác dụng vào rôto động cơ để cản lại chuyển động quay của rôto. Có ba trạng thái hãm điện động cơ: hãm tái sinh (hãm có hoàn trả năng lượng về lưới), hãm ngược và hãm động năng. a. Phanh tái sinh Trạng thái phanh tái sinh của động cơ xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω 0), tương ứng sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn (E > Uư), do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ: I ư= (U – Eư) / Rưt < 0, mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều ω, động cơ biến thành bộ hãm. Hình 4.7: Đặc tính phanh tái sinh. 88
Trường ĐHSPKT Hưng Yên – Khoa Cơ Khí Động Lực Ở trạng thái này, cơ năng trên trục động cơ chuyển thành điện năng trả về nguồn, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với nguồn Uư. Đường biểu diễn đặc tính phanh tái sinh được biểu diễn trên (Hình 4.7) (với động cơ kích từ độc lập) là đường kéo dài đặc tính cơ của động cơ điện nằm ở góc phần tư thứ II (khi động cơ quay thuận) và ở góc phần tư thứ IV (khi động cơ quay ngược). Tại các góc phần tư này, đặc tính cơ hãm tái sinh có tốc độ |ω|>|ω 0| và mômen ngược dấu với tốc độ của động cơ. b. Phanh ngược Phanh ngược xảy ra khi động cơ (dưới tác dụng của thế năng hoặc động năng tích lũy trong cơ cấu công tác) quay ngược chiều tốc độ không tải lý tưởng. Hãm ngược có thể xảy ra hai trường hợp: a. Trường hợp nguồn DC đổi dấu Thực hiện bằng cách đảo vị trí đấu dây nguồn DC vào mạch phần ứng. Khi đó, sức điện động E và nguồn DC có cùng dấu sẽ gây ra dòng điện hãm rất lớn. Do đó, để hạn chế dòng điện và mômen phanh, cần lắp điện trở phụ mắc nối tiếp mạch phần ứng khi đấu trở lại vào nguồn. Quá trình hãm dừng động cơ được minh họa trên (Hình 4.8). Động cơ chịu tác dụng mômen hãm ngược trong giai đoạn 2–4. Hình 4.11: Sơ đồ đấu dây và đặc tính cơ khi hãm ngược Do đặc tính cơ có M ≠ 0 lúc ω = 0, nên cần ngắt nguồn ra khỏi động cơ để tránh hiện tượng động cơ tiếp tục quay theo chiều ngược lại. Hãm ngược được ưu tiên sử dụng khi đảo chiều quay động cơ. b. Trường hợp nguồn DC Trường không đổi dấu Phanh ngược xảy ra khi thực hiện thả tải (trường hợp xe điện đổ dốc). Vận tốc động cơ điện ngược chiều vận tốc không tải của đặc tính cơ. Tương tự như trường hợp trên, cần thực hiện lắp điện trở phụ vào mạch phần ứng. Trên (Hình 4.11), đặc tính phanh ngược xảy ra trong đoạn 4–5 và vận tốc động cơ xác lập tại vị trí lớn để giữ cân bằng với mômen tải trọng. Điện trở phụ phần ứng phải tính toán để mômen phanh động cơ đủ lớn giữ cân bằng với mômen tải. Phanh ngược có hiệu suất thấp vì công suất phanh và công suất từ nguồn chuyển sang dạng nhiệt tiêu hao trên điện trở, nên chỉ dùng đến trong những trường hợp cần thiết. 89