Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM BỘ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRANG BỊ TRÊN MÔ HÌNH XE HYBRID KIỂU HỖN HỢP STUDY ON DESIGN, FABRICATION, TESTING OF POWER SPLIT DIVICE EQUIPMENT ON MODEL SERIES-PARALLEL HYBRID ELECTRIC VEHICLE Nguyễn Trí Thành1, Nguyễn Văn Nhận2 Ngày nhận bài: 12/12/2014; Ngày phản biện thông qua: 29/01/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TÓM TẮT Bài báo này tóm tắt kết quả quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm bộ phân phối công suất trang bị trên mô hình xe hybrid kiểu hỗn hợp. Mô hình bộ phân phối công suất được gắn lên mô hình ô tô hybrid 2 chỗ ngồi, phục vụ đào tạo tại Trường Đại học Nha Trang. Từ khóa: Bộ phân phối công suất; Ô tô hybrid; Ô tô lai; Ô tô hybrid kiểu hỗn hợp ABSTRACT This paper summarizes findings on the design, fabrication, testing of power splitting divice equipment on model series-parallel hybrid vehicle. Model power split divice get mounting up model of two-passenger hybrid cars to serve teaching at Nha Trang University. Keywords: Power split divice; Hybrid car; Hybrid vehicle; Series-parallel hybrid electric vehicle I. ĐẶT VẤN ĐỀ hành tinh đóng vai trò như một bộ chia công suất có Xe hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, nhiệm vụ chia công suất từ động cơ chính của xe được kết hợp giữa động cơ chạy bằng năng lượng thành hai thành phần có thể gọi là phần dành cho cơ thông thường (xăng, Diesel…) với động cơ điện và phần dành cho điện. Các bánh răng hành tinh có lấy năng lượng điện từ một ắc - quy cao áp. Điểm thể truyền công suất đến động cơ chính, động cơ đặc biệt là ắc - quy được nạp điện với cơ chế nạp điện-máy phát và các bánh xe chủ động trong hầu “thông minh” như khi xe phanh, xuống dốc…, gọi là hết các điều kiện khác nhau. Giá của các bánh răng quá trình phanh tái tạo năng lượng. Nhờ vậy mà xe hành tinh liên kết với ICE (động cơ nhiệt) và được có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi vận hành bằng xem như đầu vào của hộp số, bánh răng mặt trời động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng liên kết với MG1 (mô tơ điện - máy phát 1), vành điện để dùng khi cần thiết [3]. răng liên kết với MG2 (mô tơ điện - máy phát 2) [2]. Xe hybrid kiểu hỗn hợp được trang bị một cơ Ở Việt Nam, xe hybrid được nhập khẩu nguyên cấu đặc biệt có tên gọi là bộ phân phối công suất chiếc. Bộ PSD trong hệ động lực của xe hybrid đã (Power split divice – PSD). PSD có cấu trúc và hoạt được các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật, sinh viên, động tương tự như một hộp số bánh răng hành tinh. học viên cao học… quan tâm nghiên cứu từ đầu Các bánh răng hành tinh hoạt động như một cơ những năm 2000. Tuy nhiên, việc thiết kế, chế tạo cấu truyền động biến đổi liên tục. Cụm bánh răng hoàn chỉnh bộ PSD hiện rất cần đầu tư thời gian và 1 2 Nguyễn Trí Thành: Cao học Cơ khí động lực 2012 – Trường Đại học Nha Trang PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận: Trường Đại học Nha Trang 138 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 công sức. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, thử nghiệm không đồng bộ, không đảm bảo tính năng kỹ thuật bộ phân phối công suất trang bị trên mô hình xe (thực tế rất khó tìm kiếm các chi tiết bộ phận của bộ hybrid kiểu hỗn hợp là bước tiếp theo quan trọng phân phối công suất trên thị trường vì xe loại này rất trong việc sử dụng thiết bị, kỹ thuật, công nghệ trong ít và mới chưa có hư hỏng đáng kể). nước để chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm, và hỗ trợ - Không chủ động, việc tính toán, chế tạo các nghiên cứu sâu hơn về kết cấu, nguyên lý bộ PSD. chi tiết khác phụ thuộc vào việc tìm kiếm các chi tiết II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng: Bộ phân phối công suất lắp đặt trên xe hybrid Vật liệu, thiết bị: Thép C45, Máy CNC, Máy tính PC…vv Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp lý thuyết từ đó ứng dụng vào thiết kế, chế tạo, thử nghiệm mô hình. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Thiết kế 1.1. Cơ sở thiết kế: - Tính toán đảm bảo bền, đảm bảo kết cấu, nguyên lý của bộ phân phối công suất trong hệ động lực xe hybrid kiểu hỗn hợp. - Các tiêu chuẩn qui định cho việc thiết kế kỹ thuật, thiết kế chế tạo v.v... 1.2. Chọn phương án a. Phương án 1: Chế tạo theo mẫu của nhà sản xuất * Ưu điểm: - Giảm thời gian thiết kế. - Chi tiết mới đúng tiêu chuẩn nhà sản xuất ôtô - Có khả năng cải hoán lắp ráp vào mô hình tổng thành xe tại Bộ môn Cơ điện tử. * Nhược điểm - Kết cấu mẫu là khối đóng kín rất khó quan sát, khó tháo rời. - Giá thành mua khối kết cấu mẫu rất cao, phải đặt hàng thời gian lâu dài. b. Phương án 2: Cải hoán sử dụng các chi tiết có sẵn trên thị trường * Ưu điểm Kinh phí thực hiện thấp. * Nhược điểm - Các chi tiết vừa được chọn, vừa chế tạo nên có sẵn trên thị trường. - Chưa thể hiện được tính sáng tạo về mặt thiết kế. c. Phương án 3: Thiết kế và chế tạo mới toàn bộ mô hình Với phương án này, việc thiết kế, chế tạo mới các chi tiết mô hình bộ phân phối công suất dựa trên tính toán và tự thiết kế... Đây là phương án đòi hỏi người thiết kế phải có kiến thức lý thuyết, cũng như kinh nghiệm thực tế mới chế tạo được mô hình. * Ưu điểm - Do thiết kế, chế tạo mới hoàn toàn nên các chi tiết đồng bộ - Chủ động về mặt thời gian chế tạo - Đảm bảo được tính ổn định và độ bền trong việc khai thác sử dụng mô hình - Tiếp cận, tận dụng được thiết bị, công nghệ kỹ thuật, kinh nghiệm của cơ sở sản xuất * Nhược điểm - Cần phải tìm kiếm công ty chế tạo tin cậy có kinh nghiệm, trang thiết bị hiện đại để gia công các chi tiết đúng như thiết kế, bản vẽ kỹ thuật,… d. Lựa chọn phương án Dựa vào 3 phương án đề xuất và phân tích ưu nhược ở trên và điều kiện thực tế thì cả hai phương án 1 và 2 không thể thực hiện vì thời gian thực hiện ngắn, khó có thể lựa chọn được chi tiết phù hợp hoặc chi phí đặt hàng nhập khẩu quá cao. Phương án 3 thể hiện tính hợp lý cao, do đảm bảo được hầu hết các chỉ tiêu kỹ thuật đã đưa ra, phù hợp với trình độ kỹ thuật công nghệ, thiết bị tại cơ sở và kinh phí của cá nhân . Vậy phương án 3 là phương án được chọn để chế tạo mô hình. 1.3. Thiết kế kỹ thuật: Được trình bày bằng các bản vẽ kỹ thuật như sau: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 139 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Hình 1. Các bánh răng bộ PSD Hình 2. Các trục bộ PSD 140 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Số 3/2015 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản 2. Chế tạo - Trước hết xác lập các bãn vẽ chế tạo chi tiết, cụm máy...trên cơ sở các bãn vẽ kỹ thuật đã có. - Lựa chọn vật liệu (thép chế tạo CT45), thiết bị (máy CNC, máy cắt dây, máy lăn răng bao hình...), qui trình công nghệ đi kèm thiết bị nói trên ... - Tiến hành chế tạo, nhiệt luyện theo qui trình (Bánh răng trung tâm: 1 cái; Bánh răng hành tinh: Số 3/2015 4 cái; Bánh răng bao 1 cái; 3 trục chính, 4 trục phụ, bạc lót và một cần C). - Kiểm tra, đánh giá chất lượng theo yêu cầu kỹ thuật (độ vững chắc của kết cấu, độ đồng tâm, độ ăn khớp các bánh răng, độ êm dịu, nhẹ nhàng...vv). Kết quả chế tạo được các sản phẩm trình bày trên hình 3. Hình 3. Cụm ăn khớp bánh răng trung tâm - bánh răng hành tinh – bánh răng bao 3. Lắp đặt, thử nghiệm 3.1. Lắp đặt Các cụm lắp ghép trình bày trên hình 3. Lắp đặt mô hình bộ phân phối công suất vào mô hình xe hybrid trình bày trên hình 4 [1]. Hình 4. lắp đặt cân chỉnh bộ PSD lên mô hình xe hybrid Trong đó: 1- Động cơ đốt trong; 2- Mô hình bộ phân phối công suất; 3- Máy phát điện MG1; 4- Động cơ điện MG2. 3.2. Thử nghiệm theo 6 chế độ a, Chế độ hoạt động MG2 Bước 1 : Đóng ly hợp điện từ 1 để tăng thêm momen cảng cho động cơ đốt trong Bước 2  : Điều khiển động cơ điện MG2 cho động cơ hoạt động Bước 3  : Đo tốc độ số vòng quay đầu ra của bánh xe b, Chế độ hoạt động tăng tốc nhẹ với động cơ xăng Bước 1 : Tắt nguồn động cơ điện MG2 Bước 2 : Điều khiển động cơ đốt trong hoạt động Bước 3  : Đo tốc độ số vòng quay đầu ra của bánh xe c, Chế độ hoạt động chạy tốc độ thấp ổn định Bước 1 : Đo điện áp của ắc qui Bước 2 : Điều khiển động cơ đốt trong hoạt động Bước 3 : Đo tốc độ số vòng quay máy phát MG1 Bước 4: Đo tốc độ số vòng quay đầu ra của bánh xe d, Chế độ hoạt động tăng tốc hoàn toàn Bước 1 : Điều khiển động cơ đốt trong cho động cơ hoạt động với tốc độ cao Bước 2 : Điều khiển MG1 cho hoạt động Bước 3  : Điều khiển động cơ điện MG2 cho hoạt động với tốc độ tối đa Bước 4  : Đo tốc độ số vòng quay đầu ra của bánh xe e, Chế độ hoạt động chạy ở tốc độ cao ổn định Bước 1  : Đóng ly hợp điện từ 2 để ngắt máy phát MG1 không hoạt động Bước 2 : Điều khiển động cơ đốt trong hoạt động Bước 3: Điều khiển động cơ điện MG2 hoạt động Bước 4  : Đo tốc độ số vòng quay đầu ra của bánh xe f, Chế độ hoạt động chạy ở tốc độ tối đa Bước 1: Điều khiển động cơ đốt trong hoạt động Bước 2: Điều khiển MG1 hoạt động( MG1 hoạt động ở chế độ động cơ điện) Bước 3: Điều khiển động cơ điện MG2 hoạt động Bước 4: Đo tốc độ số vòng quay đầu ra của bánh xe 3.3. Kết quả thử nghiệm Sau khi lắp đặt mô hình bộ phân phối công suất lên mô hình xe hybrid 2 chỗ, cho xe hoạt động ở tất cả các chế độ, sử dụng thiết bị đo được các thông số kỹ thuật trình bày trên bảng 1: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 141 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Bảng 1. Thử nghiệm các chế độ hoạt động của bộ phân phối công suất (PSD) Các chế độ hoạt động nĐCĐT (vòng/ phút) nMG1 (vòng/ phút) Chế độ MG2 nMG2 ( vòng/ phút ) nĐầu ra (vòng/ phút) 1500 1500 Tăng tốc nhẹ với động cơ xăng 1500 4500 1200 1000 Chạy tốc độ thấp ổn định 1950 4970 1350 1300 Tăng tốc hoàn toàn 3000 6530 1500 1500 Chạy ở tốc độ cao ổn định 4200 1500 3850 Chạy ở tốc độ tối đa 4500 1500 4120 7150 Giảm tốc hoặc phanh - Kết quả thu được cho thấy, trong các chế độ hoạt động của mô hình xe hybrid, khi sử dụng phối hợp cả 2 nguồn động lực (nhiệt, điện) thì tốc độ xe cao hơn so với khi sử dụng từng nguồn động lực riêng lẻ. 1.2. Hạn chế IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ của xe hybrid. 1. Kết quả đạt được và hạn chế 1.1. Kết quả đạt được - Phân tích và chon phương án, tính toán, thiết kế bộ phân phối công suất - PSD. - Đã sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao như máy cắt dây, máy CNC, máy lăn răng bao hình, máy xọc vạn năng chuyên dùng để chế tạo thành công bộ PSD. - Đã lắp đặt hoàn chỉnh bộ phân phối công suất chế tạo được lên mô hình xe hybrid tại Trường Đại học Nha Trang và thử nghiệm đạt kết quả bước đầu. - Tốc độ tối đa của xe còn thấp, do công suất của động cơ nhiệt và động cơ điện còn nhỏ. - Chưa thực hiện được nhiều chế độ điều khiển - Chưa đo được mômên trên các trục của bộ PSD (thử nghiệm chủ yếu về tốc độ). 2. Kiến nghị Để phát triển mô hình có tính ứng dụng nhiều  trong thực tế thì cần cải tiến về kết cấu và bổ sung thêm các yếu tố: - Sử dụng động cơ nhiệt và động cơ điện với công suất lớn hơn để tăng tốc độ của xe. - Sử dụng ly hợp điện từ với công suất lớn hơn để tăng ma sát làm độ bám tăng lên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Định (2013), Nghiên cứu thiết kế, bố trí hệ thống động lực trên ôtô hybrid 2 chỗ, phục vụ tại Trường Đại học Nha Trang, Luận văn Thạc sĩ, Khoa Kỹ thuật giao thông, Trường Đại học Nha Trang. 2. Bùi Văn Ga - Nguyễn Quân (2008), Thiết kế, bố trí hệ thống động lực trên ôtô hybrid 2 chỗ ngồi, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng. 3. http://www.hybridcars.com/ Toyota Prius/ Power split divice. 142 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG