Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu toàn cầu và sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình chuyển dịch công nghệ trong ngành công nghiệp ô tô từ động cơ đốt trong (ICE) sang xe điện (EV). Lĩnh vực giao thông vận tải hiện đóng góp tới 23% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Trước áp lực từ các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt (như mục tiêu 95 g CO2/km của Liên minh Châu Âu hay Thỏa thuận Paris 2015 nhằm giới hạn mức tăng nhiệt độ dưới 2°C) cùng chiến dịch EV30 hướng tới 30% doanh số xe bán ra là xe điện vào năm 2030, việc phát triển các dòng xe thuần điện (PEV/BEV) trở thành hướng đi tất yếu.

Khác với động cơ đốt trong đòi hỏi hộp số nhiều cấp phức tạp (lên tới 7 cấp) để duy trì vùng làm việc tối ưu do đặc tính mô-men xoắn phẳng và chỉ hoạt động từ tốc độ không tải, động cơ điện sở hữu đặc tính vận hành vượt trội: cung cấp mô-men xoắn cực đại ngay từ dải tốc độ bằng 0 và duy trì dải công suất không đổi rộng ở tốc độ cao. Xu hướng động cơ điện hiện đại là nâng cao tốc độ quay (lên tới khoảng 16.000 vòng/phút) nhằm tối ưu hóa mật độ công suất, giảm kích thước và khối lượng. Tuy nhiên, tốc độ cao này đặt ra bài toán kỹ thuật phức tạp về thiết kế bộ truyền động giảm tốc: phải đáp ứng khả năng giảm tốc độ quay lớn, tăng mô-men xoắn, kiểm soát tiếng ồn ăn khớp (do không có tiếng ồn động cơ đốt trong che lấp), giảm tổn thất khuấy dầu và đảm bảo độ bền của các cặp bánh răng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về thị trường xe điện và các sơ đồ bố trí hệ thống truyền động trên ô tô điện (động cơ đặt dọc, đặt ngang, đặt ngoài bánh xe, đặt trong bánh xe).
  2. Phân tích kết cấu các cụm chi tiết trong hệ thống truyền động xe điện bao gồm: động cơ điện (PMSM, IM, SRM, BLDC), hệ thống điều khiển điện tử (VCU, bàn đạp ga kép, biến tần 3 pha 6 IGBT, bộ tăng áp Boost Converter, khối pin cao áp Li-ion kèm hệ thống quản lý sạc xả và rơ-le an toàn SMR) và hệ thống cơ khí (các loại hộp số 1 cấp, 2 cấp, CVT; bộ vi sai; bán trục).
  3. Tính toán thiết kế hệ thống truyền động cơ khí cho xe ô tô điện 5 chỗ dẫn động cầu sau dựa trên thông số kỹ thuật xe cơ sở Tesla Model S: xác định tỷ số truyền, tính toán tải trọng động lực học, tính toán độ bền tiếp xúc và uốn của các cặp bánh răng trụ răng nghiêng, tính toán kích thước hình học bộ vi sai đối xứng.
  4. Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks, bản vẽ 2D trên AutoCAD và tiến hành gia công, chế tạo mô hình vật lý hoàn chỉnh nhằm mô phỏng các chế độ vận hành thực tế (Drive, Eco, Sport, Reverse).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động ô tô điện, tập trung vào bộ truyền động giảm tốc cơ khí 2 cấp bánh răng song song kết hợp vi sai đối xứng và hệ thống điều khiển liên quan.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán lý thuyết cho xe ô tô điện 5 chỗ dẫn động cầu sau có công suất 310 kW, tốc độ động cơ 16.000 vòng/phút, vận tốc thiết kế 200 km/h; thực nghiệm chế tạo mô hình hoạt động trên nền tảng động cơ điện không chổi than (Brushless DC) và mạch điều khiển chuyên dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết về động lực học ô tô, tính toán chi tiết máy và điện tử công suất điều khiển phương tiện điện:

  1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

    • Lý thuyết động lực học chuyển động ô tô: Thiết lập phương trình cân bằng lực kéo $F_k \ge F_a + F_{rr} + F_g$, trong đó $F_a$ là lực cản không khí, $F_{rr}$ là lực cản lăn của lốp và $F_g$ là lực cản lên dốc. Xác định bán kính lăn động lực học $r_d$ dựa trên ký hiệu lốp 245/35R21 với hệ số biến dạng $\lambda = 0{,}945$.
    • Lý thuyết thiết kế chi tiết máy: Ứng dụng phương pháp tính toán sức bền tiếp xúc $[\sigma_H]$ và sức bền uốn $[\sigma_F]$ theo tiêu chuẩn thiết kế máy công dụng chung cho bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng thép C45 thường hóa (độ rắn bánh nhỏ 250 HB, bánh lớn 235 HB), xác định khoảng cách trục $a_w$, mô-đun pháp tuyến $m_n$, hệ số tải trọng $K_H, K_F$, góc nghiêng răng $\beta$.
    • Lý thuyết điện tử công suất: Mô hình nghịch lưu 3 pha DC-AC sử dụng cầu 6 IGBT với góc dẫn $180^\circ$ chia thành 6 trạng thái chuyển mạch lệch pha $60^\circ$; nguyên lý mạch nâng áp DC-DC Boost Converter; nguyên lý cảm biến vị trí bàn đạp ga mạch kép dùng cầu phân áp chiết áp.

  2. Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đánh giá ưu nhược điểm của các loại động cơ điện dùng trên ô tô (PMSM, BLDC, IM, SRM, DC chổi than) và các cấu hình hộp số (1 cấp, 2 cấp ly hợp kép, 2 cấp hành tinh, CVT).
    • Phương pháp tính toán giải tích: Tính toán phân bố tỷ số truyền chung $i_g \approx 10$ cho 2 cặp bánh răng ăn khớp, tính toán kiểm nghiệm ứng suất mỏi cơ học và xác định thông số hình học của cụm vi sai nón đối xứng ($q = 2$ bánh răng hành tinh).
    • Phương pháp mô hình hóa CAD: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D (vỏ hộp số 2 nửa, trục truyền, cụm bánh răng, khung đỡ) và AutoCAD để xuất bản vẽ kỹ thuật 2D.
    • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Gia công cơ khí khung vỏ, lắp ráp cụm truyền động bánh răng, đấu nối mạch điều khiển động cơ Brushless, kiểm tra vận hành thực tế ở 4 chế độ.

  3. Nguồn dữ liệu:

    • Thông số kỹ thuật thực tế của dòng xe thương mại Tesla Model S (kích thước, trọng lượng, động cơ 416 Hp/310 kW, mô-men xoắn 600 Nm, hệ thống pin Li-ion 18650 công suất 85 kWh, biến tần, hệ thống rơ-le SMR).
    • Tiêu chuẩn tính toán sức bền chi tiết máy và sổ tay kỹ thuật cơ khí ô tô.

Thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình

Hệ thống truyền động và điều khiển được thiết kế tích hợp giữa hệ thống cơ khí chính xác và hệ thống điều khiển điện tử công suất:

Hệ thống điều khiển và điện tử công suất

  • Bàn đạp ga: Sử dụng 2 cảm biến chiết áp độc lập hoạt động song song với nguồn cấp 5V. Tín hiệu điện áp của chiết áp 1 luôn gấp đôi chiết áp 2 nhằm tạo tín hiệu kép đối chiếu, tăng độ tin cậy và chống lỗi sai lệch tín hiệu gửi về VCU.
  • Bộ điều khiển trung tâm (VCU): Tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến ga, hệ thống quản lý pin (BMS) và ECU chống trượt để tính toán mô-men xoắn yêu cầu; điều khiển hệ thống làm mát pin cao áp. VCU tích hợp 2 bộ xử lý tín hiệu số: DSP chính (điều khiển động cơ, điều phối mô-men xoắn) và DSP phụ (Pedal Monitor - giám sát an toàn độc lập, ngắt tạo mô-men xoắn nếu phát hiện sai lệch dòng điện, tốc độ hoặc tín hiệu bàn đạp ga).
  • Bộ biến tần (Inverter): Biến tần 3 pha DC-AC công suất 250 kW, điện áp pin 350V nâng lên điện áp vào biến tần 800V, sử dụng 6 van IGBT điều khiển đóng ngắt theo 6 chế độ chu kỳ (mỗi chế độ lệch nhau $60^\circ$) để cấp dòng xoay chiều 3 pha cho stato động cơ.
  • Hệ thống pin và mạch an toàn: Khối pin Li-ion 18650 gồm 16 mô-đun (mỗi mô-đun 25V, tổng 7.920 cell). Mạch nguồn cao áp được kiểm soát bằng cụm rơ-le chính (SMR) gồm 3 rơ-le: SMR1 nối qua điện trở hạn dòng nạp ban đầu (chống xung dòng đột biến), sau đó SMR2 đóng để dẫn dòng chính và SMR1 ngắt; SMR3 điều khiển cực âm. Khi bảo dưỡng, phích cắm an toàn (Service Plug) được tháo rời để ngắt vật lý mạch pin ở vị trí trung tâm.

Hệ thống truyền động cơ khí

Hệ thống sử dụng cơ cấu hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng trụ răng nghiêng bố trí 3 trục song song, đầu vào và đầu ra nằm lệch phía giúp tối ưu không gian lắp đặt bộ pin và vi sai cầu sau.

Bộ phận / Cặp truyền động Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán
Cặp bánh răng sơ cấp Khoảng cách trục ($a_{w1}$) 100 mm
Mô-đun pháp tuyến ($m_n$) 2 mm
Số răng bánh dẫn / bị dẫn ($z_1 / z_2$) 30 / 72 răng
Chiều rộng vành răng ($b_{w1}$) 52 mm
Tỷ số truyền sơ cấp ($u_1$) 2,4
Góc nghiêng răng ($\beta$) 13,73°
Đường kính vòng chia ($d_1 / d_2$) 65,8 mm / 148,23 mm
Đường kính vòng đỉnh ($d_{a1} / d_{a2}$) 68,76 mm / 151,19 mm
Đường kính vòng đáy ($d_{f1} / d_{f2}$) 32,8 mm / 145,23 mm
Cặp bánh răng thứ cấp Khoảng cách trục ($a_{w2}$) 170 mm
Mô-đun pháp tuyến ($m_n$) 2 mm
Số răng bánh dẫn / bị dẫn ($z_1 / z_2$) 24 / 97 răng
Chiều rộng vành răng ($b_{w2}$) 39,4 mm
Tỷ số truyền thứ cấp ($u_2$) 4,045
Góc nghiêng răng ($\beta$) 14,53°
Đường kính vòng chia ($d_1 / d_2$) 75 mm / 265 mm
Đường kính vòng đỉnh ($d_{a1} / d_{a2}$) 87 mm / 276 mm
Đường kính vòng đáy ($d_{f1} / d_{f2}$) 63 mm / 252 mm
Bộ vi sai nón đối xứng Số bánh răng hành tinh ($q$) 2
Mô-đun pháp tuyến sơ bộ ($m_s$) 5 mm
Số răng bán trục / hành tinh ($z_b / z_h$) 18 / 15 răng
Góc côn chia bánh hành tinh ($\delta_h$) 39,8°
Góc côn chia bánh bán trục ($\delta_b$) 50,2°
Chiều dài đường sinh côn chia ($L_e$) 17,4 mm
Chiều dài đường sinh trung bình ($L_m$) 49,3 mm
Mô-men xoắn tính toán ($M_o$) 1880,34 Nm

Tổng tỷ số truyền của toàn bộ hệ truyền động đạt được là $u = u_1 \times u_2 = 2{,}4 \times 4{,}045 \approx 9{,}71$ (phù hợp với tỷ số truyền 9.73:1 của xe cơ sở Tesla Model S).

Chế tạo và vận hành mô hình thực nghiệm

  • Mô hình vật lý gồm: động cơ điện không chổi than (Brushless DC), vỏ hộp số gia công chia làm 2 phần (phần gá động cơ và phần chứa cụm bánh răng - vi sai), bán trục, khớp nối, khung giá đỡ hoàn thiện và hộp điều khiển điện tử tích hợp công tắc chọn chế độ.
  • Mô hình được kiểm tra và vận hành thành công qua 4 chế độ:
    • Chế độ Drive: Vận hành tiến tiêu chuẩn theo dải điều khiển bàn đạp ga.
    • Chế độ Eco: Giới hạn dòng điện và công suất nhằm mô phỏng trạng thái tiết kiệm năng lượng.
    • Chế độ Sport: Tối ưu độ nhạy đáp ứng ga và cho phép đạt công suất cực đại nhanh nhất.
    • Chế độ Reverse: Đảo thứ tự pha điều khiển biến tần để động cơ quay ngược, thực hiện lùi xe không cần cơ cấu số lùi cơ khí.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động ô tô điện

Chương này phân tích bối cảnh phát triển xe điện toàn cầu, các quy định cắt giảm khí thải CO2 và thị phần xe điện giai đoạn 2010–2016 (với Na Uy và Trung Quốc dẫn đầu). Tác giả so sánh chi tiết đường đặc tính cơ của động cơ đốt trong (công suất tăng theo số vòng quay, cần hộp số nhiều cấp) và động cơ điện (mô-men xoắn cực đại ngay từ 0 vòng/phút, dải công suất không đổi rộng). Chương 1 cũng hệ thống hóa 6 kiểu cấu hình hệ thống truyền lực xe điện: kiểu truyền thống (dùng ly hợp, hộp số, vi sai cũ), kiểu động cơ đặt dọc, kiểu động cơ đặt ngang, kiểu truyền lực đặt ngoài bánh xe (2 động cơ riêng), kiểu động cơ đặt trong bánh xe có giảm tốc hành tinh và kiểu truyền lực trực tiếp trong bánh xe không cần bộ giảm tốc.

Chương 2: Kết cấu bộ truyền động

Nội dung chương đi sâu vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hai phân hệ chính: hệ thống điều khiển và hệ thống cơ khí.

  • Phân tích 4 loại động cơ điện: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM - mật độ công suất cao nhất, hiệu suất dải tốc độ thấp tối ưu), Động cơ DC không chổi than (BLDC), Động cơ cảm ứng không đồng bộ (IM - tin cậy, không cần đất hiếm, phù hợp xe hiệu năng cao như Tesla) và Động cơ từ trở chuyển mạch (SRM).
  • Phân tích nguyên lý làm việc của bàn đạp ga 2 chiết áp, cấu trúc điều khiển VCU, bộ biến tần DC-AC 3 pha tải hình sao dẫn $180^\circ$ qua 6 chế độ chuyển mạch của IGBT, bộ chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) phục vụ sạc xả và phanh tái sinh, khối pin Li-ion 18650 và hệ thống rơ-le SMR (SMR1, SMR2, SMR3).
  • Đánh giá các phương án hộp số cho xe điện: Hộp số 1 cấp (kết cấu tối giản, hiệu suất cao nhưng động cơ phải làm việc ở cả vùng hiệu suất thấp), Hộp số 2 cấp ly hợp kép (tránh ngắt quãng mô-men xoắn, mở rộng vùng làm việc), Hộp số 2 cấp bánh răng hành tinh và Hộp số vô cấp CVT (làm việc êm nhưng tổn thất ma sát đai lớn). Phân tích cấu tạo bộ vi sai mở, vi sai hạn chế trượt LSD, khớp nối bán trục Rzeppa (vận tốc góc không đổi cho phía bánh xe) và khớp nối chạc ba (cho phía vi sai).

Chương 3: Tính toán thiết kế bộ truyền động xe điện, ô tô điện

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán cơ học dựa trên xe cơ sở Tesla Model S (trọng lượng 2.534 kg, động cơ PMSM 310 kW, mô-men xoắn 600 Nm, tốc độ cực đại 16.000 vòng/phút, vận tốc tối đa 200 km/h).

  • Xác định bán kính động lực học lốp ($r_d = 0{,}3326$ m), tính toán lực cản chuyển động ($F_a, F_{rr}, F_g$) và xác định tỷ số truyền tổng thể $i_g \approx 10$.
  • Lựa chọn giải pháp bố trí hộp số 2 cấp bánh răng trụ răng nghiêng 3 trục song song làm bằng thép C45 thường hóa.
  • Tính toán chi tiết cặp bánh răng sơ cấp: xác định ứng suất tiếp xúc cho phép sơ bộ $[\sigma_H] = 746{,}18$ MPa, ứng suất uốn cho phép $[\sigma_F] = 241{,}71$ MPa, khoảng cách trục $a_{w1} = 100$ mm, mô-đun $m = 2$ mm, số răng $z_1 = 30, z_2 = 72$, góc nghiêng $\beta = 13{,}73^\circ$, tỷ số truyền $u_1 = 2{,}4$.
  • Tính toán cặp bánh răng thứ cấp: khoảng cách trục $a_{w2} = 170$ mm, mô-đun $m = 2$ mm, số răng $z_1 = 24, z_2 = 97$, góc nghiêng $\beta = 14{,}53^\circ$, tỷ số truyền $u_2 = 4{,}045$.
  • Tính toán kích thước bộ vi sai đối xứng: $q = 2$ bánh răng hành tinh, $m_s = 5$ mm, số răng bán trục $z_b = 18$, số răng hành tinh $z_h = 15$, góc côn chia $\delta_h = 39{,}8^\circ, \delta_b = 50{,}2^\circ$, mô-men xoắn tính toán $M_o = 1880{,}34$ Nm.

Chương 4: Thiết kế, chế tạo mô hình

Chương cuối cùng tập trung vào việc hiện thực hóa mô hình thí nghiệm:

  • Xây dựng bản vẽ mô hình 3D tổng thể cụm truyền động và vỏ hộp số 2 nửa trên phần mềm SolidWorks.
  • Chế tạo và gia công các chi tiết cơ khí: khung đỡ kim loại, cụm vỏ hộp số, các đăng, bán trục và cụm bánh răng.
  • Lắp ráp hệ thống mạch điện điều khiển gồm động cơ điện không chổi than (Brushless), hộp điều khiển trung tâm, hệ thống dây dẫn, công tắc nguồn và chọn chế độ.
  • Vận hành thử nghiệm và ghi nhận kết quả hoạt động ổn định của mô hình trên 4 chế độ vận hành: Drive, Eco, Sport và Reverse.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập được quy trình tính toán thiết kế hoàn chỉnh cho cụm hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng trụ răng nghiêng và bộ vi sai đối xứng dùng cho ô tô điện tốc độ cao (16.000 vòng/phút), đạt tổng tỷ số truyền $u \approx 9{,}71$, đồng bộ với dải vận hành của động cơ 310 kW.
  • Hoàn thiện bộ hồ sơ thiết kế 3D (SolidWorks) và bản vẽ chế tạo 2D (AutoCAD) cho toàn bộ kết cấu vỏ hộp số 2 nửa, trục truyền động và khung giá đỡ.
  • Chế tạo thành công mô hình vật lý hoạt động hoàn chỉnh, kiểm nghiệm thực tế khả năng chuyển mạch và điều khiển tốc độ/chiều quay động cơ qua 4 chế độ vận hành (Drive, Eco, Sport, Reverse).

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Đề xuất cấu trúc hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng nghiêng bố trí 3 trục song song có đầu vào và đầu ra lệch phía, giúp thu gọn kích thước cụm truyền động, giảm chiều dài bán trục và tối ưu hóa không gian chứa bộ pin cao áp.
  • Ứng dụng giải pháp an toàn kép cho mạch điều khiển thông qua cấu trúc cảm biến bàn đạp ga 2 chiết áp lệch áp và VCU tích hợp 2 chip DSP (DSP chính điều khiển, DSP phụ Pedal Monitor giám sát ngắt mô-men độc lập).
  • Sử dụng quy trình đóng ngắt rơ-le SMR 3 giai đoạn kết hợp điện trở hạn dòng nạp để loại bỏ xung dòng xâm nhập (inrush current) bảo vệ hệ thống pin Li-ion.

Đóng góp của đồ án

Đề tài đã kết nối giữa lý thuyết tính toán chi tiết máy truyền thống với yêu cầu kỹ thuật đặc thù của xe điện hiện đại (tốc độ cao, tỷ số truyền cố định, đảo chiều quay điện tử). Đồ án không dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết mà đã chế tạo thành công mô hình phần cứng trực quan phục vụ công tác giảng dạy, học tập và mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động xe điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Trong phần tính toán tải trọng động lực học, tác giả đưa ra một số giả thiết đơn giản hóa như: chưa tính đến hiệu suất truyền tải chi tiết trong phương trình lực kéo sơ bộ; bỏ qua vận tốc gió ngược khi xe chạy ở tốc độ tối đa; giả định $\cos\alpha \approx 1$ do góc dốc nhỏ ($\alpha < 16{,}7^\circ$).
    • Mô hình vật lý chế tạo sử dụng động cơ điện không chổi than (Brushless DC) công suất nhỏ nhằm mục đích mô phỏng nguyên lý điều khiển và cơ cấu truyền động, chưa chịu tải trọng và mô-men xoắn thực tế của xe thật.
    • Chưa phân tích sâu về bài toán động lực học bôi trơn vung tóe/bôi trơn cưỡng bức và tổn thất khuấy dầu ở dải tốc độ cực cao (16.000 vòng/phút), cũng như việc kiểm soát rung động - tiếng ồn (NVH).

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Nghiên cứu thiết kế hệ thống bôi trơn áp lực và tối ưu hóa biên dạng răng bánh răng nhằm triệt tiêu tiếng ồn ăn khớp ở tốc độ cao.
    • Nghiên cứu ứng dụng bộ vi sai điện tử (Electronic Differential / Torque Vectoring) sử dụng 2 động cơ độc lập điều khiển bánh xe thay cho bộ vi sai cơ học nhằm giảm khối lượng và nâng cao tính ổn định khi quay vòng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Giao thông:

  • Phần tính toán thiết kế cơ khí (Chương 3): Cung cấp phương pháp và các bước tính toán chi tiết, cụ thể cho bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng 2 cấp và bộ vi sai ô tô điện theo tiêu chuẩn Chi tiết máy.
  • Phần phân tích hệ thống điện - điện tử (Chương 2): Là tài liệu tham khảo rõ ràng về cấu hình biến tần 6 IGBT, cấu trúc VCU 2 DSP và mạch bảo vệ pin SMR.
  • Phần chế tạo mô hình (Chương 4): Cung cấp giải pháp thực tế cho việc thiết kế, gia công mô hình giảng dạy và mô phỏng thực hành các chế độ lái xe điện trong các phòng thí nghiệm ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn thiết kế hộp giảm tốc tỷ số truyền cố định thay vì hộp số nhiều cấp như trên xe động cơ đốt trong?
Trả lời: Do động cơ điện có đặc tính cung cấp mô-men xoắn cực đại ngay từ dải tốc độ thấp (0 vòng/phút) và duy trì công suất không đổi trên dải tốc độ rất rộng (lên tới 16.000 vòng/phút). Hộp giảm tốc cố định giúp tối giản kết cấu, loại bỏ bộ ly hợp/đồng tốc, giảm trọng lượng, tránh ngắt quãng mô-men xoắn khi chuyển số và nâng cao hiệu suất truyền động.

2. Tỷ số truyền và thông số kích thước cơ bản của 2 cặp bánh răng trong hộp số được tính toán như thế nào?
Trả lời: Hệ thống gồm 2 cặp bánh răng trụ răng nghiêng:

  • Cặp sơ cấp: khoảng cách trục $a_{w1} = 100$ mm, mô-đun $m = 2$ mm, số răng $z_1 = 30, z_2 = 72$, tỷ số truyền $u_1 = 2{,}4$.
  • Cặp thứ cấp: khoảng cách trục $a_{w2} = 170$ mm, mô-đun $m = 2$ mm, số răng $z_1 = 24, z_2 = 97$, tỷ số truyền $u_2 = 4{,}045$.
    Tổng tỷ số truyền chung là $u = 2{,}4 \times 4{,}045 \approx 9{,}71$.

3. Mạch cảm biến bàn đạp ga và bộ điều khiển VCU được thiết kế để đảm bảo an toàn như thế nào?
Trả lời: Bàn đạp ga sử dụng 2 cảm biến chiết áp song song với nguồn cấp 5V, trong đó tín hiệu chiết áp 1 luôn gấp đôi chiết áp 2 để đối chiếu sai lệch. VCU tích hợp 2 chip xử lý: DSP chính điều khiển động cơ và DSP phụ (Pedal Monitor) độc lập giám sát; nếu phát hiện sai lệch dòng điện, tốc độ hoặc tín hiệu bàn đạp ga, DSP phụ sẽ lập tức ngắt toàn bộ việc tạo mô-men xoắn.

4. Trình tự đóng ngắt của cụm rơ-le chính (SMR) trong khối pin cao áp diễn ra như thế nào?
Trả lời: Cụm SMR gồm 3 rơ-le: khi cấp nguồn, rơ-le SMR1 (có gắn điện trở hạn dòng) và SMR3 (cực âm) đóng trước để ngăn dòng đột biến (inrush current); tiếp theo SMR2 đóng để dẫn dòng chính và SMR1 ngắt ra. Khi tắt nguồn, SMR2 và SMR3 lần lượt ngắt theo thứ tự để đảm bảo an toàn điện áp.

5. Mô hình thực nghiệm được chế tạo gồm các bộ phận nào và thử nghiệm những chế độ vận hành nào?
Trả lời: Mô hình gồm động cơ điện Brushless DC, cụm vỏ hộp số 2 nửa thiết kế trên SolidWorks, bộ truyền bánh răng - vi sai, bán trục, khung đỡ và hộp điều khiển. Mô hình đã vận hành thử nghiệm thành công 4 chế độ: Drive (chạy tiến bình thường), Eco (tiết kiệm năng lượng), Sport (tăng tốc nhanh) và Reverse (chạy lùi bằng cách đảo chiều quay biến tần).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đinh Quang Phú Trí đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán, thiết kế hệ thống truyền động cơ khí 2 cấp bánh răng song song kết hợp vi sai cho xe ô tô điện đô thị dựa trên thông số kỹ thuật xe cơ sở Tesla Model S. Nghiên cứu đã hệ thống hóa sâu sắc các giải pháp điện tử công suất (biến tần 3 pha 6 IGBT, VCU 2 DSP, mạch bảo vệ pin SMR) và chi tiết máy trong hệ truyền động xe điện tốc độ cao. Kết quả chế tạo mô hình thực nghiệm vận hành ổn định qua 4 chế độ lái khẳng định tính khả thi của thiết kế và mang lại giá trị tham khảo học thuật, thực tiễn cao cho chuyên ngành Cơ khí Ô tô.