Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm không khí đô thị ngày càng gia tăng và các quy chuẩn khí thải Euro 4, Euro 5 dần được siết chặt, ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đang chuyển dịch mạnh mẽ sang các giải pháp xanh. Theo ước tính từ các tổ chức năng lượng quốc tế, các phương tiện giao thông vận tải tiêu thụ hơn 60% lượng dầu mỏ tinh chế và phát thải khoảng 23% tổng lượng khí nhà kính toàn cầu. Ô tô thuần điện là định hướng dài hạn nhưng hiện vẫn gặp nhiều rào cản về dung lượng ắc quy hạn chế, thời gian sạc kéo dài và chi phí hạ tầng cao. Vì vậy, ô tô hybrid (kết hợp động cơ đốt trong và mô tơ điện) được xem là giải pháp quá độ tối ưu nhất để cân bằng giữa hiệu quả kinh tế, tính linh hoạt và bảo vệ môi trường.

Tại Việt Nam vào giai đoạn năm 2018, hầu hết các nghiên cứu về hệ thống truyền lực hybrid chỉ dừng lại ở mô phỏng phần mềm hoặc chế tạo các mô hình tĩnh phục vụ giảng dạy với kích thước thu nhỏ. Chưa có nhiều công trình tính toán, thiết kế chi tiết và chế tạo một bộ kết hợp công suất cơ khí hoàn chỉnh có thể ứng dụng trực tiếp trên phương tiện vận hành thực tế.

Nhằm giải quyết bài toán cấp thiết trên, luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính toán động lực học, thiết kế và chế tạo thực nghiệm bộ kết hợp công suất cơ khí kiểu kết nối mô-men cho ô tô hybrid 5 chỗ ngồi với cấu hình song song. Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Phương tiện nghiên cứu hướng đến các chỉ tiêu kỹ thuật xác định: tổng khối lượng toàn tải đạt 800 kg, vận tốc di chuyển cực đại 50 km/h và khả năng vượt góc dốc lớn hơn 20 độ. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học trong việc hoàn thiện phương pháp tính toán phân phối công suất đa nguồn và mang giá trị thực tiễn cao khi mở ra tiềm năng hoán cải các dòng xe ô tô truyền thống thành xe hybrid tiết kiệm từ 20% đến 30% nhiên liệu tiêu thụ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết động lực học ô tô, cơ học truyền động và cơ sở thiết kế máy. Hệ thống truyền lực hybrid được phân tích toàn diện dựa trên ba cấu hình cơ bản: nối tiếp, song song và hỗn hợp.

Trong cấu hình nối tiếp, động cơ đốt trong chỉ dẫn động máy phát để cấp điện cho mô tơ kéo, hiệu suất động cơ nhiệt có thể đạt xấp xỉ 37% do luôn làm việc ở điểm tối ưu nhưng năng lượng phải biến đổi qua hai lần trung gian (cơ năng sang điện năng rồi trở lại cơ năng). Cấu hình hỗn hợp như hệ thống phân phối công suất của dòng xe thương mại sử dụng bộ truyền hành tinh có cấu trúc phức tạp và hiệu suất truyền động qua nhánh điện chỉ đạt khoảng 70% so với 98% ở nhánh truyền động cơ khí thuần túy. Do đó, luận văn lựa chọn khung lý thuyết hệ thống truyền lực hybrid song song sử dụng bộ kết nối mô-men ba cổng với hai bậc tự do. Mô hình cơ học xác định mối quan hệ mô-men xoắn ngõ ra là hàm tuyến tính của mô-men động cơ đốt trong và mô-men động cơ điện thông qua các hệ số tỷ số truyền xác định, trong khi vận tốc góc của các nguồn được đồng bộ cơ khí chặt chẽ.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: bộ kết hợp công suất cơ khí, đặc tính kéo ngoài của động cơ xăng, chế độ phanh tái sinh thu hồi động năng, và trạng thái nạp ắc quy cưỡng bức. Phương trình cân bằng công suất kéo của ô tô được thiết lập cho 5 chế độ làm việc đặc trưng: thuần điện khi khởi hành, thuần động cơ nhiệt ở dải tốc độ ổn định, hybrid tăng tốc/vượt dốc khi cả hai nguồn cùng phát công suất, phanh tái sinh và nạp điện ắc quy khi xe dừng hoặc chạy không tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp giải tích giải toán động lực học và thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế.

Về nguồn dữ liệu, đề tài sử dụng đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong (động cơ xăng dung tích nhỏ) kết hợp bảng đặc tính mô-men – tốc độ của mô tơ điện một chiều đồng bộ. Cỡ mẫu thực nghiệm là 01 mẫu chế tạo hoàn chỉnh của bộ kết hợp công suất được lắp đặt trực tiếp trên hệ khung bệ xe thử nghiệm TNUT Hybrid 5 chỗ ngồi (tổng tải trọng 800 kg). Phương pháp chọn mẫu là phương pháp mẫu thử kỹ thuật đơn lẻ có kiểm soát điều kiện biên, đại diện cho dòng xe con đô thị tải trọng nhẹ.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp kiểm nghiệm bền theo tiêu chuẩn thiết kế máy là nhằm đảm bảo độ chính xác tuyệt đối về khoảng cách trục, mô-đun răng, góc nghiêng và góc ăn khớp, triệt tiêu nguy cơ quá tải hay gãy vỡ răng khi chịu xung lực chuyển đổi nguồn. Toàn bộ thông số bền uốn và bền tiếp xúc của các cặp bánh răng ăn khớp ngoài được tính toán lặp để tìm ra kích thước và khối lượng nhỏ gọn nhất. Quá trình kiểm tra khả năng làm việc thực tế được thực hiện trên bệ thử chuyên dụng Chassis Dyno ELP300 tại phòng thí nghiệm chuyên ngành trong thời gian nghiên cứu năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng và chế tạo cụ thể:

  • Hoàn thiện bộ thông số hình học và động học của bộ kết hợp công suất: Xác định chính xác khoảng cách trục, mô-đun pháp tuyến và số răng cho hệ thống bánh răng trụ răng nghiêng ăn khớp ngoài. Kết quả kiểm nghiệm sức bền vật liệu cho thấy giá trị ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn thực tế của các bánh răng đều nhỏ hơn giới hạn cho phép từ 15% đến 22%, đảm bảo độ bền lâu dài dưới tải trọng khắc nghiệt.
  • Hiện thực hóa 5 chế độ làm việc linh hoạt trên cùng một cụm truyền lực: Ở chế độ thuần điện, xe khởi hành êm dịu mà không phát thải; ở chế độ kết hợp hybrid, mô-men tổng hợp tại trục sơ cấp hộp số tăng gấp 1,8 lần so với khi chỉ sử dụng một nguồn đơn lẻ, giúp xe dễ dàng leo dốc nghiêng trên 20 độ với tổng tải trọng 800 kg.
  • Thử nghiệm thành công trên bệ thử động lực học Chassis Dyno ELP300: Kết quả đo đạc cho thấy bộ kết hợp công suất hoạt động ổn định ở dải tốc độ từ 0 đến 50 km/h. Hiệu suất truyền động cơ khí của bộ kết nối bánh răng đạt trên 95%, giảm thiểu tối đa tổn thất nhiệt năng so với các bộ truyền biến đổi điện năng gián tiếp.
  • Đánh giá khả năng thu hồi năng lượng: Chế độ phanh tái sinh ghi nhận khả năng chuyển đổi khoảng 18% đến 25% động năng quán tính của xe khi giảm tốc thành điện năng nạp ngược lại cho cụm ắc quy lưu trữ.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện của luận văn khẳng định tính ưu việt của cấu hình hybrid song song dùng bộ kết nối mô-men trong điều kiện công nghệ chế tạo trong nước. Trong khi hệ thống phân phối công suất phức tạp kiểu Toyota Prius đòi hỏi công nghệ vi điện tử điều khiển bộ bánh răng hành tinh tinh vi và hai mô tơ điện công suất lớn, thì giải pháp kết nối mô-men hai trục bằng cặp bánh răng ăn khớp ngoài giúp giảm chi phí sản xuất đến hơn 60% mà vẫn đảm bảo đặc tính động lực học tương đương trên xe con đô thị.

Dữ liệu kiểm tra sức bền uốn và tiếp xúc được tổng hợp rõ ràng qua các bảng thông số kỹ thuật trong công trình (từ Bảng 3.1 đến Bảng 3.5), phản ánh chi tiết phân bố lực tiếp tuyến, lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng lên từng gối đỡ. Đồng thời, đường đặc tính mô-men – vận tốc thu được từ màn hình thiết bị Chassis Dyno ELP300 mô tả trực quan sự phối hợp mượt mà giữa đường công suất động cơ xăng và mô tơ điện. Sự sụt giảm tổn hao truyền động cơ khí khi sử dụng liên kết bánh răng trực tiếp đã giúp nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền lực, tạo tiền đề vững chắc để cải thiện tính kinh tế nhiên liệu từ 24% đến 32% so với xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống cùng dung tích xilanh.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thiết kế và thử nghiệm thực tế, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm hoàn thiện và phát triển hệ thống trong giai đoạn tiếp theo:

  • Tự động hóa hoàn toàn cơ cấu đóng cắt ly hợp và chuyển đổi chế độ vận hành: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trung tâm (ECU/HCU) tích hợp thuật toán logic mờ hoặc điều khiển tối ưu hóa theo thời gian thực. Mục tiêu giảm thời gian trễ khi chuyển đổi giữa chế độ điện và động cơ xăng xuống dưới 0,15 giây, thực hiện trong vòng 12 tháng bởi nhóm nghiên cứu cơ điện tử ô tô.
  • Tối ưu hóa vật liệu và giảm khối lượng kết cấu cơ khí: Áp dụng các loại thép hợp kim chất lượng cao kết hợp vỏ hộp bằng hợp kim nhôm đúc áp lực để giảm 20% tổng trọng lượng cụm kết hợp công suất, nâng cao tỷ số công suất trên khối lượng của phương tiện trước năm 2020 do các kỹ sư cơ khí chế tạo đảm nhiệm.
  • Triển khai đo đạc thực nghiệm trên các chu trình thử tiêu chuẩn đô thị: Đưa phương tiện thử nghiệm trên các chu trình lái tiêu chuẩn như NEDC hoặc WLTC để định lượng chính xác mức độ giảm phát thải khí độc hại (CO, HC, NOx) và lượng xăng tiết kiệm được với mục tiêu giảm phát thải ít nhất 25%, do phòng thí nghiệm động cơ và ô tô thực hiện.
  • Xây dựng quy trình chuẩn hóa phục vụ hoán cải phương tiện: Biên soạn tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và quy trình tháo lắp chuẩn để ứng dụng hoán cải các dòng xe ô tô 4 chỗ đến 7 chỗ chạy xăng truyền thống thành xe hybrid thân thiện môi trường, mục tiêu hoàn thiện bộ tiêu chuẩn trong vòng 24 tháng bởi sự phối hợp giữa viện nghiên cứu và các doanh nghiệp lắp ráp ô tô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính sau:

  • Cán bộ giảng dạy và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp tính toán cân bằng công suất đa nguồn, thiết kế hệ thống truyền lực xe lai và giáo trình phục vụ đào tạo đại học, sau đại học.
  • Học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô: Cung cấp case study thực tế về các bước tính toán hình học bánh răng, kiểm nghiệm độ bền cơ khí và quy trình lắp đặt, thử nghiệm xe hybrid trên bệ thử con lăn Chassis Dyno.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các nhà máy sản xuất ô tô: Ứng dụng mô hình bộ kết nối mô-men để phát triển các mẫu xe hybrid hạng nhẹ với chi phí thấp, tối ưu hóa không gian khoang động cơ cho các mẫu xe thương mại cỡ nhỏ.
  • Các đơn vị đăng kiểm và trung tâm hoán cải phương tiện giao thông: Tham khảo cơ sở lý thuyết và phương án kết nối cơ khí an toàn để đánh giá, cấp phép cho các dự án hoán cải ô tô cũ sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang hệ truyền động hybrid tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đề tài lại lựa chọn cấu hình hybrid song song thay vì hybrid nối tiếp hay hỗn hợp?
Hệ thống song song sử dụng bộ kết nối mô-men cơ khí có cấu trúc đơn giản, hiệu suất truyền lực cơ học cao đạt trên 95% và không đòi hỏi máy phát điện riêng biệt hay bộ vi sai hành tinh phức tạp như cấu hình hỗn hợp. Điều này phù hợp tối đa với năng lực chế tạo và điều kiện công nghệ tại Việt Nam.

Bộ kết hợp công suất dạng kết nối mô-men vận hành theo nguyên lý nào?
Thiết bị hoạt động dựa trên cơ cấu truyền động bánh răng 3 cổng với 2 bậc tự do. Mô-men xoắn đầu ra cung cấp đến các bánh xe chủ động bằng tổng đại số mô-men của động cơ đốt trong và mô tơ điện sau khi đã nhân với tỷ số truyền tương ứng của từng nhánh, cho phép cộng lực kéo tức thời khi xe cần tải lớn.

Luận văn đã kiểm nghiệm độ bền của những chi tiết cơ khí quan trọng nào?
Nghiên cứu đã thực hiện tính toán sức bền uốn và sức bền tiếp xúc cho toàn bộ các cặp bánh răng trụ răng nghiêng trong hộp kết hợp, đồng thời kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ võng của các trục truyền động, bảo đảm hệ số an toàn luôn vượt mức giới hạn cho phép từ 15% đến 22% dưới điều kiện tải trọng 800 kg.

Hệ thống hybrid trong nghiên cứu đáp ứng khả năng vận hành thực tế ra sao?
Qua thử nghiệm trên bệ Chassis Dyno ELP300 và bệ xe thực tế, hệ thống cho phép ô tô 5 chỗ đạt tốc độ thiết kế cực đại 50 km/h, vượt dốc lớn hơn 20 độ và thực hiện mượt mà các chu trình thu hồi năng lượng tái sinh khi phanh cũng như nạp điện cưỡng bức cho ắc quy.

Giải pháp thiết kế của luận văn có thể áp dụng hoán cải cho các dòng xe đang lưu hành không?
Hoàn toàn có thể áp dụng. Với kết cấu mô-đun cơ khí độc lập, bộ kết hợp công suất có thể lắp đặt xen vào giữa động cơ đốt trong nguyên bản và hộp số của các dòng xe du lịch hiện hữu, tạo giải pháp hoán cải xanh với chi phí thấp cho các đội xe thương mại.

Kết luận

  • Đề tài đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu xây dựng cơ sở khoa học và giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán, thiết kế động lực học cho bộ kết hợp công suất ô tô hybrid.
  • Chế tạo thành công cụm kết hợp công suất dạng mô-men cơ khí với độ bền uốn và bền tiếp xúc đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành trên xe 5 chỗ trọng tải 800 kg.
  • Thử nghiệm kiểm chứng thành công trên bệ thử Chassis Dyno ELP300, xác nhận 5 chế độ làm việc ổn định, hiệu suất truyền động đạt trên 95% và khả năng vượt dốc trên 20 độ ở vận tốc tối đa 50 km/h.
  • Đóng góp cốt lõi của luận văn là đã chuyển hóa các mô hình lý thuyết truyền lực hybrid phức tạp thành một sản phẩm cơ khí thực nghiệm hoàn chỉnh, mở ra hướng đi khả thi cho việc tự chủ công nghệ sản xuất và hoán cải phương tiện xanh trong nước.
  • Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, nhóm nghiên cứu khuyến nghị tiếp tục hoàn thiện mạch điều khiển tự động hóa ly hợp và nâng cấp vật liệu vỏ hộp để sớm thương mại hóa giải pháp, góp phần thúc đẩy giao thông bền vững tại Việt Nam.