Luận văn Thạc sĩ: thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Đào Trọng Cường
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Lực Cho Xe Gắn Máy Lai
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy

Thiết kế hệ thống truyền lực là một trong những công trình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực. Xe gắn máy đóng vai trò thiết yếu trong giao thông vận tải hiện đại, đặc biệt tại các nước đang phát triển. Với sự phát triển của công nghệ hybrid, việc thiết kế hệ thống truyền động lai giữa động cơ xăng và động cơ điện trở thành xu hướng tiên tiến. Luận văn ThS của Đào Trọng Cường tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (2014) đã đề xuất một giải pháp toàn diện cho vấn đề này. Nội dung nghiên cứu bao gồm lựa chọn các thành phần, tính toán động lực học và thi công thực nghiệm trên xe Attila. Công trình này góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm khí thải cho xe gắn máy lai.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng của xe hybrid

Xe hybrid là phương tiện sử dụng kết hợp hai loại động cơ: động cơ xăng và động cơ điện. Giải pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải độc hại. Xe gắn máy lai có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai nguồn động lực tùy thuộc vào điều kiện lái xe, từ đó tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

1.2. Xu hướng phát triển của công nghệ truyền động lai

Xu hướng phát triển xe hybrid được thúc đẩy mạnh bởi nhu cầu bảo vệ môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống truyền lực hybrid cho phép xe hoạt động ở chế độ cầm chừng, tốc độ thấp bằng động cơ điện, và chế độ tốc độ cao bằng động cơ xăng, mang lại hiệu quả tối ưu.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động trên xe gắn máy bao gồm các thành phần chính: động cơ xăng, động cơ điện, hộp truyền động, Accu (bộ pin), và mạch điều khiển. Sơ đồ truyền lực được thiết kế sao cho cơ cấu truyền động có thể chuyển đổi linh hoạt giữa hai nguồn động lực. Nguyên lý hoạt động dựa trên các chế độ vận hành khác nhau: chế độ cầm chừng sử dụng động cơ điện, chế độ tốc độ thấp kết hợp cả hai động cơ, chế độ tốc độ cao chủ yếu sử dụng động cơ xăng. Khi xe leo dốc hoặc cần công suất lớn, cả hai động cơ hoạt động đồng thời. Hệ thống điều khiển tự động sẽ quyết định chế độ hoạt động phù hợp nhất dựa trên tốc độ, tải trọng và điều kiện đường.

2.1. Cấu tạo của hộp truyền động trung gian

Hộp truyền động được thiết kế với các chi tiết chính: vỏ hộp, trục, bánh răng, khớp truyền động một chiều, và các tấm định vị. Các thành phần này được gia công chính xác để đảm bảo độ bền và hiệu suất truyền lực. Khớp truyền động một chiều cho phép truyền lực từ một chiều nhất định.

2.2. Nguyên lý chuyển đổi giữa hai nguồn động lực

Cơ chế chuyển đổi giữa động cơ xăng và động cơ điện được thực hiện thông qua mạch điều khiển tự động. Tùy theo tốc độ xe, tải trọng và mức pin, hệ thống sẽ quyết định sử dụng loại động cơ nào hoặc cả hai. Phương pháp này đảm bảo xe hoạt động với hiệu suất cao nhất.

III. Thiết kế hệ thống nguồn điện và tích trữ năng lượng

Hệ thống nguồn điện là yếu tố then chốt trong xe hybrid. Nó bao gồm máy phát điện xoay chiều, Accu chì axit kín, và mạch nạp thông minh. Máy phát điện được kích hoạt khi động cơ xăng chạy, sản sinh điện xoay chiều và sau đó được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều để nạp vào Accu. Accu loại kín VRLA được lựa chọn vì ưu điểm không yêu cầu bảo dưỡng, an toàn cao, và khả năng chịu rung động tốt. Quá trình điện hóa trong Accu tuân theo nguyên lý hóa học chứng kiến sự chuyển đổi giữa năng lượng hóa học và điện năng. Mạch nạp xung được áp dụng để tối ưu hóa thời gian nạp và tuổi thọ pin. Yêu cầu kỹ thuật của Accu bao gồm điện áp định mức, dung lượng, và khả năng cung cấp dòng điện lớn.

3.1. Cấu tạo và chức năng của Accu chì axit kín

Accu chì axit kín loại VRLA (Valve Regulated Lead Acid) có cấu tạo gồm các phần tử công suất chứa axit, hai cực dương âm, và một van điều chỉnh áp suất. So với Accu truyền thống, loại kín này có ưu điểm không xả khí, không cần nạp nước, an toàn hơn, và thích hợp cho các ứng dụng di động.

3.2. Phương pháp nạp và quản lý năng lượng

Phương pháp nạp xung sử dụng tín hiệu xung (PWM - Pulse Width Modulation) để điều chỉnh dòng nạp, giúp tối ưu hóa quá trình sạc và kéo dài tuổi thọ pin. Mạch điều khiển nạp thông minh theo dõi trạng thái pin liên tục để phòng tránh sạc quá và xả quá.

IV. Chọn lựa và điều khiển động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều (DC) được lựa chọn làm nguồn động lực phụ chính trong hệ thống vì các ưu điểm: khởi động mạnh, điều khiển tốc độ dễ dàng, và phù hợp với Accu. Phân loại động cơ DC bao gồm kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, và kích từ hỗn hợp. Đối với xe gắn máy, động cơ kích từ nối tiếp được ưu tiên vì khở động tức thời mạnh. Mức điện áp được chọn là 48V để cân bằng giữa công suất, an toàn và chi phí. Điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PWM (điều chế độ rộng xung) hoặc điều chỉnh từ thông tùy theo chế độ hoạt động. Cảm biến tiệm cận (Fotek PM12-02P-S) được lắp đặt để phát hiện vị trí bánh xe và truyền thông tin về bộ điều khiển.

4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ DC

Động cơ điện một chiều gồm một nam châm cố định, cuộn dây phần ứng (rotor), chổi than, và các linh kiện khác. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây trong từ trường, lực Lorentz tác động làm cuộn dây quay. Đặc tính động cơ DC kích từ nối tiếp là mô men khởi động rất cao, thích hợp cho xe gắn máy.

4.2. Phương pháp điều khiển tốc độ hiệu quả

Điều chế độ rộng xung (PWM) là phương pháp điều khiển tốc độ hiệu quả nhất, tiết kiệm năng lượng. Hệ thống điều khiển tự động nhận tín hiệu từ các cảm biến và bộ vi xử lý để điều chỉnh độ rộng xung, từ đó kiểm soát tốc độ động cơ chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 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 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: [phone] E-mail: trongcuongtcn@yahoo. 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 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. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 11 năm 2014 Đào Trọng Cƣờng ii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC .i LỜI CAM ĐOAN. ii CẢM TẠ .vi DANH SÁCH CÁC BẢNG .x DANH SÁCH CÁC HÌNH .xi Chƣơng 1 .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố .1 Tầm quan trọng của xe máy .2 Phát triển nguồn động lực sạch .3 Tổng quan về xe hybrid .1 Khái niệm chung .2 Phân loại ôtô hybrid .3 Xu hƣớng phát triển của xe hybrid .4 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .2 Mục đích của đề tài .3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .1 Nhiệm vụ của đề tài.2 Giới hạn của đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu và thực hiện .1 Hệ thống truyền động trên xe tay ga .1 Cấu tạo và sơ đồ truyền lực .2 Nguyên lý hoạt động .1 Động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng .2 Động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tốc độ thấp .3 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ trung bình .4 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ cao .5 Động cơ hoạt động ở chế độ tải nặng, leo dốc hoặc lên ga đột ngột .2 Nguồn điện trên xe gắn máy .1 Cấu tạo máy phát điện xoay chiều .2 Nguyên lý sinh ra điện .3 Nguồn điện xoay chiều đƣợc đổi thành điện một chiều .1 Nhiệm vụ và phân loại Accu .2 Phân loại Accu .2 Cấu tạo của Accu chì axit loại kín .1 Cấu tạo chung.2 Sự khác biệt cơ bản trong cấu tạo giữa VRLA và Accu truyền thống .3 Ƣu điểm của Accu kín kiểu SLA và VRLA .3 Quá trình điện hóa trong Accu chì axit loại kín .4 Chế độ nạp và phóng của Accu .1 Các phƣơng pháp nạp truyền thống .2 Nguyên lý phƣơng pháp nạp xung và mạch nạp .3 Kiểm tra nhận biết trạng thái nạp .4 Nguyên lý hoạt động và đặc tính của máy điện DC.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều .2 Phân loại và mô tả đặc tính động cơ điện một chiều .3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp .3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều .1 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện trở phụ mạch phần ứng .2 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng từ thông kích thích: .3 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện áp phần ứng: .4 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điều chế độ rộng xung: .5 Linh kiện điện tử .4 Cảm biến tiệm cận Fotek PM12-02P-S: .52 GIẢI PHÁP KỸ THUẬT .1 Chọn xe gắn máy thực nghiệm.1 Các thông số cơ bản của xe Attila đời 2002 .2 Cấu tạo cơ cấu truyền động trên xe Attila.2 Giải pháp phối hợp truyền động giữa động cơ điện và động cơ xăng .3 Chọn động cơ điện .1 Chọn loại động cơ điện .2 Chọn mức điện áp cấp cho động cơ điện .4 Chọn vị trí lắp đặt động cơ điện trên xe .5 Giải pháp truyền động từ động cơ điện đến bánh xe .6 Giải pháp điều khiển động cơ điện .7 Giải pháp khối lƣu trữ điện cấp cho động cơ điện .8 Tính toán các thông số động lực học của xe lai .67 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG .1 Xác định các vị trí cải tạo trên xe .2 Xác định thông số, lựa chọn Accu và bố trí Accu .1 Yêu cầu kỹ thuật của Accu .3 Bố trí Accu .3 Thiết kế và chế tạo cơ cấu truyền động của động cơ điện.1 Thiết kế và gia công hộp truyền động .1 Vỏ hộp truyền động.2 Chốt định vị :.3 Gia công trục và bánh răng của hộp truyền động trung gian : .2 Thiết kế và gia công khớp truyền động một chiều .3 Thiết kế và gia công các tấm định vị cơ cấu truyền động .4 Gia công chế tạo .1 Chọn vật liệu .5 Lắp ráp cơ cấu truyền động của động cơ điện .4 Cải tạo lốc máy.1 Cải tạo phần sau lốc máy .2 Cải tạo nắp hộp truyền động trên xe .3 Lắp cơ cấu truyền động vào xe .1 Sơ đồ khối các mạch điều khiển .2 Sơ đồ nguyên lý và chức năng từng khối .1 Khối GEAR BOX: .6 Khối so sánh và PID: .8 Khối MOTOR DRIVER: .9 Khối MOTOR POWER và khối Current Limiting: .3 Qui trình gia công và lắp đặt .101 THỰC NGHIỆM - KẾT LUẬN .1 Kiểm tra các bộ phận trƣớc khi chạy thực nghiệm .1 Kiểm tra cơ cấu truyền động của động cơ điện .2 Kiểm tra hoạt động của các mạch điện điều khiển động cơ điện.2 Chạy thử xe trên đƣờng và đo mức tiêu hao nhiên liệu .1 Điều kiện thử .3 Thử khoảng cách chạy ở chế độ lai liên tục .1 Tiến hành thử: .4 Thử tiêu hao năng lƣợng điện khi nạp lại Accu .1 Các bƣớc tiến hành thử: .5 Đo khối lƣợng xe hoàn chỉnh: .6 Thử an toàn các bộ phận điện .7 Thử mạch bảo vệ quá dòng .1 Tiến hành thử .108 TÀI LIỆU THAM KHẢO .110 ix 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 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 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.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.