Luận văn Thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐÀO TRỌNG CƯỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC CHO XE GẮN MÁY LAI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 0 4 4 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐÀO TRỌNG CƢỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC CHO XE GẮN MÁY LAI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 i
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐÀO TRỌNG CƢỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC CHO XE GẮN MÁY LAI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 Hƣớng dẫn khoa học: TS. LÊ THANH PHÚC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014 ii
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Đào Trọng Cƣờng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1979 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Trung Thành, Vũng Liêm, Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 69/33 Phó Cơ Điều, P3, Tp. Vĩnh Long Điện thoại cơ quan: 070 3960566 Điện thoại di động: 0902452279 E-mail: trongcuongtcn@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ 2005 đến 2007 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Ngành học: Cơ khí Động lực 2. Cao học: Hệ đào tạo: Tập trung chính qui - Thời gian đào tạo từ 2012 đến 2014 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí Động lực III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trƣờng Trung cấp nghề Từ 2007 đến 2009 Giáo viên khoa CKĐL Vĩnh Long Tổ Trƣởng bộ môn khoa Từ 2009 đến 2011 nt CKĐL Từ 2011 đến nay nt Phó Trƣởng khoa GTVT i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 11 năm 2014 Đào Trọng Cƣờng ii
6. CẢM TẠ Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy hướng dẫn TS Lê Thanh Phúc đã nhận hướng dẫn em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai”. Đây là một đề tài thực nghiệm và có ý nghĩa rất thiết thực. Kết quả đề tài là cơ sở để phát triển các sản phẩm xe gắn máy lai trong tương lai, khẳng định được năng lực ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo hoàn thiện các loại xe thân thiện với môi trường. Xin chân thành gởi lời cảm ơn đến quí thầy, cô giảng dạy đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quí báu trong hai năm học qua giúp chúng em có được những vốn kiến thức vô cùng bổ ích trong công tác cũng như trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Trung cấp nghề Vĩnh Long đã hỗ trợ cho tôi về thời gian và chi phí, sẵn sàng tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập bồi dưỡng chuyên môn. Cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã san sẻ phần trọng trách công việc và cổ vũ tôi trong thời gian học tập. Xin cảm ơn tất cả những người thân trong gia đình đã chăm sóc chu đáo cho tôi, luôn tiếp ứng kịp thời về vật chất lẫn tinh thần, giúp cho tôi vượt qua những khó khăn để thực hiện và hoàn tất công trình nghiên cứu này. Lần nữa tôi trân trọng ghi nhận những công lao quí báu của những người đã mang đến cho tôi. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 11 năm 2014 Đào Trọng Cường iii
7. TÓM TẮT    Trong bối cảnh khan hiếm nhiên liệu và giá dầu tăng cao, tình trạng ô nhiễm môi trƣờng do sự phát thải của phƣơng tiện giao thông cơ giới. Nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu – giảm ô nhiễm môi trƣờng trên xe gắn máy, tác giả đã thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai”. Đề tài đƣợc thực hiện tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2014. Trong đề tài này, tác giả đã lựa chọn một chiếc xe tay ga đã qua sử dụng hiệu Attila làm xe thực nghiệm. Tác giả đã nghiên cứu cải tạo và lắp ráp thêm hệ thống truyền động từ một động cơ điện DC có công suất 400 W để cùng phối hợp moment quay với động cơ xăng dẫn động bánh xe sau. Cụ thể là khi xe hoạt động thì cả hai động cơ xăng và động cơ điện cùng truyền moment quay đến trục của bánh xe sau. Tuy nhiên động cơ xăng đóng vai trò là nguồn năng lƣợng truyền moment chính còn động cơ điện chỉ đóng vai trò hỗ trợ. Động cơ điện hoạt động bằng nguồn năng lƣợng từ bình Accu và đƣợc điều khiển bằng các vi mạch điện tử. Khối lƣu trữ điện gồm 2 bình Accu 12 V – 26 Ah dùng để cung cấp điện cho động cơ điện. Các bình Accu này đƣợc nạp từ nguồn điện dân dụng. Toàn bộ hệ thống truyền động của động cơ điện đƣợc thiết kế là một cụm chi tiết rời, có thể lắp ráp dễ dàng vào xe máy. Sau khi lắp thêm hệ thống truyền động, xe nặng hơn xe nguyên bản 23 kg. Sau khi đã lắp ráp hoàn chỉnh và tiến hành chạy thử nghiệm kết quả cho thấy: Xe hoạt động ổn định và an toàn, tiết kiệm nhiên liệu khoảng 20% so với xe ban đầu chỉ chạy bằng động cơ xăng. iv
8. ABSTRACT    In the context of scarcity of fuel and rising oil prices, environmental pollution is increasing due to emissions from motor vehicles. With the view to fuel economy - reducing environmental pollution on the motorcycle, the author has carried out the topic "Design powertrain for hybrid motorcycle." The research is done at the University of Technical Education Ho Chi Minh City in 2014. In the research, the author has chosen a used scooter Attila for experiment . The author has researched and assembled an improvement drivetrain from a DC electric motor with the power of 400 W to cooperate with the gasoline engine torque driving the rear wheels. When the scooter is operating, both gasoline engine and electric motor torque are transmitted to the rear wheel axis. However, the gasoline engine serves as the main source of energy whereas torque from the electric motor plays a supporting role. The electric motor operates using battery power controlled by electronic circuits. The power source consists of two battery 12 V - 26 Ah used to provide power to the electric motor. The battery power is charged from the househood electricity net. The entire drivetrain of the electric motor is designed as a cluster of separated details which can be easily installed in the motorbike. After the modification, the scooter weighs 23 kg more than the original one, the experiments show that the scooter operates stably and safely, fuel saving is about 20% compared with the initial scooter powered by gasoline engines. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi Chƣơng 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 1 1.1.1 Tầm quan trọng của xe máy 1 1.1.2 Phát triển nguồn động lực sạch 2 1.1.3 Tổng quan về xe hybrid 3 1.1.3.1 Khái niệm chung 3 1.1.3.2 Phân loại ôtô hybrid 4 1.1.3.3 Xu hƣớng phát triển của xe hybrid 8 1.1.4 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 9 1.1.4.1 Trong nƣớc 9 1.1.4.2 Ngoài nƣớc 10 1.2 Mục đích của đề tài 12 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 12 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 12 1.3.2 Giới hạn của đề tài 13 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu và thực hiện 13 Chƣơng 2 14 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Hệ thống truyền động trên xe tay ga 14 2.1.1 Cấu tạo và sơ đồ truyền lực 14 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 15 2.1.2.1 Động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng 15 2.1.2.2 Động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tốc độ thấp 15 2.1.2.3 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ trung bình 16 2.1.2.4 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ cao 17 2.1.2.5 Động cơ hoạt động ở chế độ tải nặng, leo dốc hoặc lên ga đột ngột . 18 2.2 Nguồn điện trên xe gắn máy 18 vi
10. 2.2.1 Cấu tạo máy phát điện xoay chiều 18 2.2.2 Nguyên lý sinh ra điện 19 2.2.3 Nguồn điện xoay chiều đƣợc đổi thành điện một chiều 20 2.3 Accu 20 2.3.1 Nhiệm vụ và phân loại Accu 20 2.3.1.1 Nhiệm vụ 20 2.3.1.2 Phân loại Accu 21 2.3.2 Cấu tạo của Accu chì axit loại kín 23 2.3.2.1 Cấu tạo chung 23 2.3.2.2 Sự khác biệt cơ bản trong cấu tạo giữa VRLA và Accu truyền thống 25 2.3.2.3 Ƣu điểm của Accu kín kiểu SLA và VRLA 26 2.3.3 Quá trình điện hóa trong Accu chì axit loại kín 26 2.3.4 Chế độ nạp và phóng của Accu 27 2.3.4.1 Các phƣơng pháp nạp truyền thống 27 2.3.4.2 Nguyên lý phƣơng pháp nạp xung và mạch nạp 29 2.3.4.3 Kiểm tra nhận biết trạng thái nạp 31 2.4 Nguyên lý hoạt động và đặc tính của máy điện DC 31 2.4.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 31 2.4.1.1 Phần tĩnh (stator) 32 2.4.1.2 Phần quay (rotor) 33 2.4.2 Phân loại và mô tả đặc tính động cơ điện một chiều 33 2.4.2.1 Phân loại 33 2.4.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp 36 2.4.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 39 2.4.3.1 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện trở phụ mạch phần ứng 39 2.4.3.2 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng từ thông kích thích: 41 2.4.3.3 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện áp phần ứng: 43 2.4.3.4 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điều chế độ rộng xung: 44 2.5 Linh kiện điện tử 46 2.5.1 IC LM2907: 46 2.5.2 IC TL084: 47 2.5.3 IC TL494: 48 2.5.4 Cảm biến tiệm cận Fotek PM12-02P-S: 50 2.5.5 IC PC923: 51 2.5.6 IC PC817: 51 Chƣơng 3 52 GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 52 3.1 Chọn xe gắn máy thực nghiệm 52 3.1.1 Các thông số cơ bản của xe Attila đời 2002 53 3.1.2 Cấu tạo cơ cấu truyền động trên xe Attila 55 3.2 Giải pháp phối hợp truyền động giữa động cơ điện và động cơ xăng 56 3.3 Chọn động cơ điện 56 vii
11. 3.3.1 Chọn loại động cơ điện 56 3.3.2 Chọn mức điện áp cấp cho động cơ điện 59 3.4 Chọn vị trí lắp đặt động cơ điện trên xe 60 3.5 Giải pháp truyền động từ động cơ điện đến bánh xe 62 3.6 Giải pháp điều khiển động cơ điện 63 3.7 Giải pháp khối lƣu trữ điện cấp cho động cơ điện 63 3.8 Tính toán các thông số động lực học của xe lai 64 Chƣơng 4 67 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 67 4.1 Xác định các vị trí cải tạo trên xe 67 4.2 Xác định thông số, lựa chọn Accu và bố trí Accu 68 4.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của Accu 68 4.2.2 Chọn Accu 68 4.2.3 Bố trí Accu 69 4.3 Thiết kế và chế tạo cơ cấu truyền động của động cơ điện. 70 4.3.1 Thiết kế và gia công hộp truyền động 70 4.3.1.1 Vỏ hộp truyền động 70 4.3.1.2 Chốt định vị : 72 4.3.1.3 Gia công trục và bánh răng của hộp truyền động trung gian : 72 4.3.2 Thiết kế và gia công khớp truyền động một chiều 75 4.3.3 Thiết kế và gia công các tấm định vị cơ cấu truyền động 77 4.3.4 Gia công chế tạo 79 4.3.4.1 Chọn vật liệu 79 4.3.5 Lắp ráp cơ cấu truyền động của động cơ điện 80 4.4 Cải tạo lốc máy 81 4.4.1 Cải tạo phần sau lốc máy 81 4.4.2 Cải tạo nắp hộp truyền động trên xe 83 4.4.3 Lắp cơ cấu truyền động vào xe 84 4.5.1 Sơ đồ khối các mạch điều khiển 85 4.5.2 Sơ đồ nguyên lý và chức năng từng khối 86 4.5.2.1 Khối GEAR BOX: 86 4.5.2.2 Khối SENSOR1: 86 4.5.2.3 Khối SENSOR2: 86 4.5.2.4 Khối FVC1: 86 4.5.2.5 Khối FVC2: 87 4.5.2.6 Khối so sánh và PID: 90 4.5.2.7 Khối PWM: 96 4.5.2.8 Khối MOTOR DRIVER: 96 4.5.2.9 Khối MOTOR POWER và khối Current Limiting: 97 4.5.3 Qui trình gia công và lắp đặt 100 Chƣơng 5 101 THỰC NGHIỆM - KẾT LUẬN 101 5.1 Thực nghiệm 101 viii
12. 5.1.1 Kiểm tra các bộ phận trƣớc khi chạy thực nghiệm 101 5.1.1.1 Kiểm tra cơ cấu truyền động của động cơ điện 101 5.1.1.2 Kiểm tra hoạt động của các mạch điện điều khiển động cơ điện 101 5.1.2 Chạy thử xe trên đƣờng và đo mức tiêu hao nhiên liệu 103 5.1.2.1 Điều kiện thử 103 5.1.2.2 Kết quả: 104 5.1.3 Thử khoảng cách chạy ở chế độ lai liên tục 105 5.1.3.1 Tiến hành thử: 105 5.1.3.2 Kết quả: 105 5.1.4 Thử tiêu hao năng lƣợng điện khi nạp lại Accu 105 5.1.4.1 Các bƣớc tiến hành thử: 105 5.1.4.2 Kết quả: 106 5.1.5 Đo khối lƣợng xe hoàn chỉnh: 106 5.1.6 Thử an toàn các bộ phận điện 106 5.1.7 Thử mạch bảo vệ quá dòng 106 5.1.7.1 Tiến hành thử 106 5.1.7.2 Kết quả 106 5.2 Kết luận 107 5.3 Khuyến nghị 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 PHỤ LỤC 110 ix
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Điện thế và dung lƣợng một số loại Accu 23 Bảng 2.2: Bảng đối chiếu trạng thái Accu 31 Bảng 4.1: Thông số và kích thƣớc cơ bản của Accu 68 x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Một mẫu xe hybrid của hãng Toyota 4 Hình 1.2 : Hệ thống hybrid nối tiếp 5 Hình 1.3 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp 5 Hình 1.4 : Hệ thống hybrid song song 7 Hình 1.5 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song 7 Hình 1.6 : Hệ thống hybrid hỗn hợp 8 Hình 1.7 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp 8 Hình 1.9: eCycle hybrid 10 Hình 1.8: Honda hybrid scooter 10 CC Hình 1.10: Mẫu xe FA – 801 (Hybrid 80 – 500 W) 12 Hình 2.1: Cấu tạo và sơ đồ truyền lực 14 Hình 2.2: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ cầm chừng 15 Hình 2.3: Sơ đồ truyền lực ở chế độ khởi động và tốc độ thấp 15 Hình 2.4: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ trung bình 16 Hình 2.5: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ cao 17 Hình 2.6: Sơ đồ truyền lực ở chế độ tải nặng , leo dốc hoặc lên ga đột ngột 18 Hình 2.7: Cấu tạo máy phát điện trên xe Attila 19 Hình 2.8: Accu kiểu SLA. 22 Hình 2.9: Cấu tạo chung một loại Accu axit chì loại kín 24 Hình 2.10: Cấu tạo Accu axit chì loại kín kiểu VRLA của GS Battery 25 Hình 2.11: Các quá trình điện hóa trong Accu chì axit loại kín 27 Hình 2.12: Đặc tuyến dòng điện nạp Accu phƣơng pháp truyền thống 27 Hình 2.13: Đặc tuyến dòng nạp theo phƣơng pháp 2 nấc 28 Hình 2.14: Nguyên lý phƣơng pháp nạp xung 29 Hình 2.15: Mặt cắt dọc và cắt ngang của động cơ điện một chiều điển hình 32 Hình 2.16: Sơ đồ đấu dây động cơ điện 34 Hình 2.17: Sơ đồ nối dây động cơ điện kích từ độc lập và song song 34 Hình 2.18: Đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập 36 Hình 2.19: Sơ đồ đấu dây động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 37 Hình 2.20: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ động cơ điện DC kích từ nối tiếp 37 Hình 2.21: Sơ đồ đấu dây động cơ điện kích từ hỗn hợp 38 Hình 2.22: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ động cơ điện kích từ hỗn hợp 39 Hình 2.23: Điều khiển tốc độ động cơ điện kích từ song song 40 Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ điện kích từ nối tiếp 41 Hình 2.25: Nguyên lý điều chỉnh bằng từ thông của động cơ điện một chiều 42 Hình 2.26: Đặc tính điều chỉnh bằng từ thông của động cơ điện một chiều 42 Hình 2.27: Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ động cơ điện bằng điện áp phần ứng 44 Hình 2.28: Điều chế độ rộng xung 45 Hình 3.1: Mẫu xe Attila chọn làm thực nghiệm 53 xi
15. Hình 3.2: Cấu tạo cơ cấu truyền động của xe Attila 55 Hình 3.3: Ảnh chụp động cơ điện tại cửa hàng bán động cơ điện tại Tp.HCM 57 Hình 3.4: Một số loại động cơ điện của hãng Sanyo Denki 58 Hình 3.5: Đƣờng đặc tính động cơ điện 59 Hình 3.6: Vị trí lắp động cơ điện nhìn ngang 61 Hình 3.7: Vị trí lắp động cơ điện nhìn từ phía sau 61 Hình 3.8: Sơ đồ khối cơ cấu truyền động của động cơ điện 62 Hình 4.1: Các vị trí cải tạo trên xe Attila 67 Hình 4.2: Accu Delkor NT50-N24MF 69 Hình 4.3: Bản vẽ gia công mặt bên ngoài của hộp truyền động 71 Hình 4.4: Bản vẽ gia công mặt bên trong của hộp truyền động 71 Hình 4.5: Sơ đồ khối hai mặt bên của hộp truyền động 72 Hình 4.6: Chốt định vị 72 Hình 4.7: Bản vẽ lắp cơ cấu truyền động xe Attila 73 Hình 4.8: Các trục và bánh răng của hộp truyền động sau khi cải tạo 74 Hình 4.9: Sơ đồ khối hộp truyền động trung gian sau khi gia công và lắp ráp 74 Hình 4.10: Ly hợp khởi động trên xe máy 75 Hình 4.11: Bản vẽ lắp ly hợp khởi động trên xe máy 76 Hình 4.12: Sơ đồ khối khớp truyền động một chiều sau khi cải tạo 76 Hình 4.13: Bản vẽ lắp khớp truyền động một chiều sau khi cải tạo 77 Hình 4.14: Tấm định vị lắp với hộp bánh răng 78 Hình 4.15: Tấm định vị lắp với động cơ điện 78 Hình 4.16: Chốt định vị M14 78 Hình 4.17: Sơ đồ khối cơ cấu truyền động của động cơ điện sau khi lắp ráp 81 Hình 4.18: Bản vẽ lắp lốc máy xe Attila 82 Hình 4.19: Phần sau của lốc máy trƣớc khi cải tạo 82 Hình 4.20: Phần sau của lốc máy sau khi cải tạo 83 Hình 4.21: Nắp hộp truyền động trƣớc khi cải tạo 83 Hình 4.22: Nắp hộp truyền động sau khi cải tạo 84 Hình 4.23: Cơ cấu truyền động của động cơ điện sau khi lắp vào xe 85 Hình 4.24: Sơ đồ khối các mạch điều khiển 85 Hình 4.25: Cảm biến tiệm cận Fotek PM12-02P-S 86 Hình 4.26: Sơ đồ nguyên lý khối FVC1 87 Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý khối so sánh và PID 91 Hình 4.28: Sơ đồ nguyên lý khối PWM 96 Hình 4.29: Sơ đồ nguyên lý khối công suất và bảo vệ quá dòng 97 Hình 4.30: Các mạch điện và Accu sau khi lắp vào xe 100 Hình PL -1: Bản vẽ lắp cơ cấu truyền lực của động cơ điện 110 Hình PL - 2: Hình dáng của xe sau khi cải tạo 111 Hình PL - 3: Bảng thông số kỹ thuật động cơ điện 111 xii
16. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 1.1.1 Tầm quan trọng của xe máy Mặc dù đã có khá lâu, nhƣng hiện nay xe máy vẫn là loại phƣơng tiện xuất hiện nhiều nhất trên các con đƣờng ở nƣớc ta từ thành thị cho đến nông thôn. Qua nghiên cứu khảo sát cho thấy đến năm 2020 phƣơng tiện giao thông chính của ngƣời dân vẫn là xe máy [1]. Theo chiến lƣợc đảm bảo an toàn giao thông đƣờng bộ quốc gia đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030, để phát triển cơ sở hạ tầng giao thông một cách bền vững thì cần phát triển các loại giao thông công cộng nhƣ hệ thống đƣờng sắt, tàu điện ngầm, tàu trên cao và hệ thống xe buýt tốc hành. Giao thông công cộng phải trở thành phƣơng tiện giao thông chủ yếu trong đô thị và vùng ngoại ô ở thành phố lớn giống nhƣ ở các thành phố tại các nƣớc tiên tiến trên thế giới. Tuy nhiên để đáp ứng đƣợc chiến lƣợc này cần phải có thời gian và tốn rất nhiều ngân sách, do đó trƣớc mắt chỉ có thể từng bƣớc cải thiện cơ sở hạ tầng giao thông, nhất là hoàn chỉnh hệ thống vận chuyển giao thông công cộng trong các thành phố lớn. Đối với các quan điểm cho rằng nên hạn chế sử dụng mô tô, xe máy ngay lập tức để giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, giảm kẹt xe và tai nạn giao thông thì theo các cơ quan chức năng đây chỉ là quan điểm ngắn hạn và không khả thi. Bởi vì không thể hạn chế nhu cầu đi lại của ngƣời dân bằng mô tô, xe máy mà chƣa có phƣơng tiện giao thông phù hợp để thay thế, đồng thời các loại hình công cộng nhƣ đƣờng sắt đô thị, tàu điện ngầm, xe buýt thì chƣa đáp ứng kịp nhu cầu giao thông hiện nay. 1
17. Ở nƣớc ta hiện nay thì dễ dàng nhìn thấy ở mọi đối tƣợng, ngành nghề và độ tuổi đa số đều sử dụng mô tô, xe máy để làm phƣơng tiện giao thông chủ yếu. Ở các khu đô thị hiện nay mô tô, xe máy là phƣơng tiện đƣợc ngƣời dân sử dụng nhiều nhất bởi sự cơ động, chiếm ít diện tích và phù hợp với hạ tầng. Vì vậy phát triển ô tô xe máy là một yêu cầu khách quan và cần thiết, nên cần có những nghiên cứu để phát triển loại phƣơng tiện này một cách hoàn hảo phù hợp với những yều cầu thực tế của cộng đồng xã hội. 1.1.2 Phát triển nguồn động lực sạch Hiện nay, bảo vệ môi trƣờng đƣợc coi là tiêu chí hàng đầu. Hiện tƣợng hiệu ứng nhà kín, sự nóng lên của trái đất và hiện tƣợng băng tan là những vấn đề có tính cấp thiết đối với các quốc gia. Có nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng, trong đó sự phát thải của phƣơng tiện giao thông cơ giới là một trong những tác nhân lớn. Do đó, cần thiết phải hạn chế sự ô nhiễm môi trƣờng do các phƣơng tiện giao thông gây ra bằng cách tìm ra các nguồn năng lƣợng thân thiện với môi trƣờng, không gây ô nhiễm hoặc ít gây ô nhiễm đến môi trƣờng để trang bị trên các phƣơng tiện giao thông. Hơn nữa, sự khủng hoảng dầu mỏ do chiến tranh thƣờng xuyên xảy ra ở các nƣớc Trung đông và Bắc phi đã làm cho giá dầu tăng cao, cho nên cần hạn chế sự phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lƣợng này. Do đó chúng ta cần tìm ra những nguồn năng lƣợng mới thay thế cho dầu mỏ song song với việc nghiên cứu cải tiến động cơ nâng cao hiệu suất để tiết kiệm năng lƣợng. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu cải tiến nhƣ: - Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel. - Cải tiến hệ thống đánh lửa thƣờng sang đánh lửa điều khiển điện tử; hệ thống cung cấp nhiên liệu sử dụng chế hòa khí sang phun xăng điều khiển điện tử. - Nghiên cứu sử dụng nhiều loại nhiên liệu thay thế nhƣ: LPG (Liquidfied Petroleum Gas), methanol, ethanol, fuel cell, biodiesel, khí thiên nhiên, điện và năng lƣợng mặt trời. - Nguồn động lực lai (hybrid). 2
18. Các giải pháp trên đều có những ƣu và nhƣợc điểm riêng. Trong đó, hai giải pháp đƣợc đánh giá tốt nhất hiện nay là loại xe điện (electric vehicles) và xe sử dụng pin nhiên liệu (fuel-cell electric Vehicles). Đối với hai loại xe này có ƣu điểm là hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trƣờng, hiệu quả cao và cung cấp moment lớn ở tốc độ thấp. Tuy nhiên chúng chƣa đƣợc sử dụng phổ biến vì còn tồn tại một số vấn đề cần phải giải quyết đó là khoảng cách hoạt động ngắn, thời gian sạc điện kéo dài, thiếu nơi sạc điện và giá thành cao, thiếu nơi tiếp hydrogen cho xe sử dụng pin nhiên liệu. Đây là những nguyên nhân chính mà tại sao xe điện và xe sử dụng pin nhiên liệu chƣa thể thay thế xe sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ truyền thống. Hiện nay một xu hƣớng rất nổi bật là trang bị nguồn động lực lai (hybrid) trên các loại phƣơng tiện giao thông. Trong đó sử dụng động cơ lai là sự kết hợp từ các động cơ thành phần tạo đƣợc hiệu suất cao, đồng thời hạn chế khí lƣợng thải gây ô nhiễm môi trƣờng. Do đó mà công nghệ xe lai (hybrid) đã đƣợc các hãng sản xuất xe trên thế giới tập trung nghiên cứu. 1.1.3 Tổng quan về xe hybrid 1.1.3.1 Khái niệm chung Hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, kết hợp giữa động cơ đốt trong (sử dụng nhiên liệu xăng hoặc diesel) với động cơ sử dụng các nguồn năng lƣợng khác (năng lƣợng điện, nhiệt, khí). Trong phạm vi đề tài này chỉ bàn về dòng ôtô hybrid nhiệt - điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) là loại ôtô hybrid thông dụng nhất hiện nay. Điển hình là dòng xe hybrid kết hợp giữa một động cơ đốt trong với động cơ điện, năng lƣợng điện từ một Accu cao áp. Bộ điều khiển điện tử sẽ điều khiển hoạt động của động cơ điện và động cơ đốt trong, cũng nhƣ khi nào vận hành đồng bộ cả hai động cơ và khi nào nạp điện vào Accu. Điểm đặc biệt là Accu đƣợc nạp điện với cơ chế nạp “thông minh” khi xe phanh và xuống dốc, gọi là quá trình phanh tái tạo năng lƣợng. Nhờ vậy mà xe có thể tiết kiệm đƣợc nhiên liệu khi vận hành bằng động cơ điện, đồng thời Accu cũng đƣợc nạp điện. 3
19. Hình 1.1: Một mẫu xe hybrid của hãng Toyota [2] 1.1.3.2 Phân loại ôtô hybrid * Theo thời điểm phối hợp công suất - Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm: Khi ôtô bắt đầu khởi hành , motor điện sẽ hoaṭ đôṇ g cung cấp công suất giúp xe chuyển đôṇ g và tiếp tục tăng dần lên với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trƣớc khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng đƣợc khởi động ngay lập tức để 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 nhƣ khi leo dốc, leo núi hoặc vƣợt qua xe khác. Do motor điện đƣợc sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đƣờng phố hơn là khi đi trên đƣờng cao tốc. Toyota Prius và Ford Escape Hybrid là hai dòng điển hình thuộc loại này. - Phối hợp khi cần công suất cao: Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất, nhƣ trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng, khi leo dốc hoặc vƣợt qua xe khác, còn trong điều kiện bình thƣờng xe vẫn chạy bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi đi trên đƣờng cao tốc vì khi đó động cơ 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 Accu khi motor điện đƣợc sử dụng và đƣơng nhiên nó sẽ làm yếu công 4
20. suất của Accu. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc. * Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện - 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 ra điện năng nạp cho Accu hoặc cung cấp cho động cơ điện . Hình 1.2 : Hệ thống hybrid nối tiếp [3] Dòng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp Accu và một sẽ dùng chạy động cơ điện. Động cơ điện ở đây còn có vai trò nhƣ một máy phát điện (tái sinh năng lƣợng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh. Hình 1.3 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp [3] + Ƣu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải nên giảm đƣợc ô nhiễm môi trƣờng. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt 5
21. động tối ƣu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe chạy đƣờng dài quá quãng đƣờng đã quy định dùng cho Accu. Sơ đồ này có thể không cần hộp số. + Nhƣợc điểm: Kích thƣớc và dung tích Accu 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 Accu nên dễ bị quá tải. - Kiểu song song: Dòng năng lƣợng 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 lƣợng truyền moment chính còn motor điện chỉ đóng vai trò trợ giúp khi tăng tốc hoặc vƣợt dốc. Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng giao hoán lƣỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho Accu trong các chế độ hoạt động bình thƣờng, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian. Nó có thể khởi động động cơ đốt trong và dùng nhƣ một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy. + Ƣu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng lƣợng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lƣợng bình Accu nhỏ và gọn nhẹ, trọng lƣợng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép nối tiếp và hỗn hợp. + Nhƣợc điểm: Động cơ điện cũng nhƣ 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 trƣờng cũng nhƣ tính kinh tế nhiên liệu không cao. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4