Đồ án tốt nghiệp đề tài tính toán thiết kế chế tạo hệ thống truyền lực xe ô tô điện

Đồ án tốt nghiệp về tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền lực cho xe ô tô điện, hướng đến cải tiến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Nguyễn Văn Quyền
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Quốc Hiến
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Truyền Lực Xe Ô Tô Điện
• Loại tài liệu: Graduation project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Phú Thọ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Truyền Lực Xe Ô Tô Điện

Hệ thống truyền lực xe ô tô điện là một trong những thành phần quan trọng nhất quyết định hiệu suất và độ tin cậy của phương tiện. Khác với xe chạy động cơ đốt trong, xe ô tô điện sử dụng động cơ điện để chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Cấu trúc hệ thống truyền lực điện được thiết kế tối ưu hóa để giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất tổng thể. Tính toán thiết kế hệ thống truyền lực đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về các nguyên lý vật lý, yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn. Việc lựa chọn phương án thiết kế phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành, chi phí sản xuất và tính bền vững của xe. Ngày nay, khi vấn đề năng lượng và môi trường trở nên cấp bách, ô tô điện đang trở thành xu hướng phát triển chính của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.

1.1. Cấu Trúc Cơ Bản Của Hệ Thống Truyền Lực Điện

Hệ thống truyền lực trên xe ô tô điện bao gồm động cơ điện, hộp giảm tốc, trục các đăng, vi sai và bán trục. Động cơ điện có thể là loại DC (một chiều) hoặc AC (xoay chiều), mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Hộp giảm tốc giúp tối ưu hóa mô-men xoắn và tốc độ vòng quay. Cầu chủ động là nơi tập trung năng lượng từ động cơ được phân phối đến các bánh xe. Thiết kế này giúp nâng cao hiệu suất truyền động và độ bền của toàn bộ hệ thống.

1.2. Ưu Điểm So Với Xe Chạy Động Cơ Đốt Trong

Xe ô tô điện cung cấp nhiều lợi ích vượt trội: chi phí vận hành thấp, hiệu suất năng lượng cao (khoảng 85-90%), khí thải bằng không, và khả năng vận hành êm ái. Động cơ điện không cần thay dầu, không phát sinh khí thải độc hại, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn. Ngoài ra, xe điện có độ tin cậy cao do số lượng chi tiết chuyển động ít hơn, giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa đáng kể.

II. Tính Toán Thiết Kế Động Cơ Điện

Tính toán thiết kế động cơ điện là bước quan trọng để xác định công suất và mô-men xoắn cần thiết cho xe. Quá trình này cần xem xét nhiều yếu tố như khối lượng xe, độ dốc đường, tốc độ tối đa mong muốn và hiệu suất truyền động. Động cơ AC được ưa chuộng hơn trong ứng dụng xe điện hiện đại vì độ tin cậy cao và hiệu suất năng lượng tối ưu. Tính toán các đăng trong hộp giảm tốc đòi hỏi kiến thức vững chắc về cơ học ứng dụng và lý thuyết chuyển động. Ứng suất xoắn, ứng suất uốn và các yếu tố an toàn phải được tính toán chi tiết để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của động cơ.

2.1. Tính Toán Công Suất Và Mô Men Xoắn

Công suất cần thiết của động cơ điện được tính dựa trên lực kéo và vận tốc của xe. Công thức cơ bản: P = F × v, trong đó F là lực kéo (N) và v là vận tốc (m/s). Mô-men xoắn được xác định từ khối lượng và gia tốc mong muốn. Cần tính toán tổn thất ma sát, lực cản lăn bánh và lực cản không khí để có kết quả chính xác. Thiết kế phải đảm bảo xe có khả năng tăng tốc đủ nhanh và tốc độ tối đa phù hợp yêu cầu.

2.2. Lựa Chọn Động Cơ DC Hay AC

Động cơ DC đơn giản, dễ điều khiển nhưng yêu cầu bộ chỉnh điện phức tạp. Động cơ AC hiệu suất cao hơn, ít tây côn và ít bảo dưỡng, phù hợp xe ô tô điện hiện đại. Động cơ AC cung cấp mô-men xoắn ngay từ lúc khởi động, giúp gia tốc nhanh. Xu hướng hiện tại là sử dụng động cơ AC asynchronous với bộ điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

III. Tính Toán Thiết Kế Cầu Chủ Động

Cầu chủ động là nơi tập trung và phân phối lực truyền động đến bánh xe, do đó tính toán thiết kế cầu chủ động không thể bỏ qua. Hệ thống truyền lực chính bao gồm vi sai để cho phép bánh xe bên trong và bên ngoài quay với tốc độ khác nhau khi xe vào cua. Bán trục chịu lực xoắn lớn và yêu cầu tính toán ứng suất chi tiết. Cấu tạo cầu chủ động phải đảm bảo độ cứng cao, độ êm ái tốt và tuổi thọ dài. Quá trình tính toán cần xem xét lực tác động, điều kiện vận hành và yêu cầu an toàn theo tiêu chuẩn quốc tế.

3.1. Tính Toán Vi Sai Và Bán Trục

Vi sai giảm tốc và chia mô-men xoắn cho hai bánh xe. Tính toán vi sai cần xác định tỉ số giảm tốc phù hợp để cân bằng giữa tốc độ và mô-men xoắn. Bán trục chịu ứng suất xoắn lớn, cần tính toán ứng suất tối đa và an toàn hệ số. Độ bền bé gãy của bán trục phải được kiểm tra để tránh hỏng hóc. Vật liệu thép độ bền cao thường được sử dụng để tối ưu hóa trọng lượng và độ bền.

3.2. Yêu Cầu Và Phân Loại Cầu Chủ Động

Cầu chủ động phải đảm bảo tính an toàn, độ tin cậy cao và hiệu suất tối ưu. Có nhiều phương án bố trí khác nhau: động cơ tích hợp trên cầu hoặc truyền động trục các đăng. Mỗi cấu trúc có ưu nhược điểm riêng cần lựa chọn phù hợp dựa trên yêu cầu thiết kế cụ thể. Kiểm tra chất lượng sau lắp ráp và chạy thử trên đường là bước quan trọng để xác nhận độ tin cậy.

IV. Chế Tạo Lắp Ráp Và Bảo Dưỡng Hệ Thống

Chế tạo và lắp ráp hệ thống truyền lực đòi hỏi độ chính xác cao và kỹ năng lành nghề. Các chi tiết chính phải được gia công theo dung sai kỹ thuật chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất và độ bền. Cơ sở thiết kế chế tạo cần có máy móc hiện đại và quy trình kiểm soát chất lượng hoàn chỉnh. Kiểm tra chất lượng sau lắp ráp bao gồm kiểm tra trực quan, kiểm tra kích thước, kiểm tra chuyển động và chạy thử trên đường để xác nhận hiệu suất thực tế. Bảo dưỡng sửa chữa xe ô tô điện tương đối đơn giản nhờ ít chi tiết chuyển động, giúp giảm chi phí vận hành dài hạn.

4.1. Quy Trình Chế Tạo Và Kiểm Tra Chất Lượng

Chế tạo các chi tiết cần tuân theo bản vẽ kỹ thuật chính xác với dung sai quy định. Kiểm tra chất lượng tiến hành ở nhiều giai đoạn: kiểm tra nguyên liệu, kiểm tra trong quá trình gia công, kiểm tra sau lắp ráp. Kiểm tra chuyên sâu bao gồm đo kích thước, kiểm tra độ thẳng, kiểm tra độ cân bằng và kiểm tra chuyển động. Chạy thử trên đường thẳng và đường gồ ghề giúp phát hiện các lỗi tiềm ẩn. Mức độ kiểm tra phải tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

4.2. Bảo Dưỡng Và Sửa Chữa Xe Ô Tô Điện

Bảo dưỡng kỹ thuật của xe ô tô điện tập trung vào kiểm tra hệ thống điện, pin lưu trữ, động cơ điện và hệ thống truyền lực. Công việc bảo dưỡng chính bao gồm kiểm tra nước làm mát, kiểm tra độ cân bằng bánh xe, kiểm tra hệ thống phanh và kiểm tra các kết nối điện. Sửa chữa các hỏng hóc cần được thực hiện kịp thời để tránh ảnh hưởng hiệu suất và an toàn. Chi phí bảo dưỡng của xe điện thấp hơn xe xăng dầu do ít chi tiết phối hợp và không cần thay dầu động cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống truyền lực xe ô tô điện Trang 11 sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước. Vì vậy, có thể nói ôtô hoạt động bằng pin nhiên liệu là ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Ôtô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Khó khăn vì vậy liên quan đến lưu trữ hydro dưới áp suất cao.

Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pile nhiên liệu nhưng hệ thống như vậy rất cồng kềnh và phức tạp. Tuy nhiên ngày nay người ta đã thành công trong chế tạo các loại pile nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhưng việc áp dụng phương án này trên xe vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phương án làm giảm ô nhiễm khác, pile nhiên liệu chạy ôtô vẫn còn là loại nhiên liệu “xa xỉ” và “cao cấp”. Ngày nay người ta thấy rằng nếu sử dụng pin nhiên liệu để chạy ôtô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%. Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT).

Ưu điểm: + Ô tô năng lượng mặt trời được xếp vào dạng ô tô sạch. + Hoạt động rất êm, hiệu suất cao, ít bảo trì, bảo dưỡng. + Năng lượng mặt trời là vô tận và quá trình sản sinh ra nó không gây ô nhiễm. Nhược điểm: + Giá thành cao + Khả năng gia tốc của ô tô bị hạn chế.

+ Cơ sở hạ tầng cho ô tô năng lượng mặt trời vẫn chưa có. + Không chủ động được năng lượng mặt trời trong việc sử dụng, phụ thuộc điều kiện thời tiết. + Hiệu suất của pin mặt trời thấp. Nguyên lý cơ bản của xe sử dụng năng lượng mặt trời: Xe năng lượng mặt trời là xe điện với nguồn điện được cung cấp từ pin quang điện qua hấp thu ánh sángmặt trời và tạo ra dòng điện.

Sơ đồ nguyên lý xeđiện mặt trời gồm: động cơ điện, bộ điều khiểnmotor bằng điện tử (Electronic ControlModule - ECM), tấm pin mặt trời, bộ điều khiểnsạc, bộ nguồn (bình điện), hệ thống cáp, vỏ xe, khung xe, nước mát xe, dầu bôi trơn,hệ phanh tái sinh, phanh cơ khí, hệ thống treo, lái và bộ chuyển đổiđiện quang. Động cơ điện:Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động. Có hai loại động cơ điện (motor)thông dụng sử dụng trên xe NMLT: Động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC).Động cơ DC dễ điều khiển và rẻ hơn, nhưng kích thước và trọng Chương 1: Tổng quan đề tài Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống truyền lực xe ô tô điện Trang 12 lượng lớn hơn động cơ AC. Động cơ AC thường đạt được hiệu suất cao và phạm vi hoạt động rộng, nhưng các mạch điện tử phức tạp và giá thành cao hơn.

Bình điện (Ắc quy): Bình điện của xe NLMT phải có mật độ năng lượng cao,năng lượng cung cấp ổn định cho động cơ điện với đặc tính phóng điện lớn, đảm bảo tốt việctăng tốc và khả năng leo dốc của xe. Bình điện xe NLMT phải có tuổi thọ cao, ít bảo trì, bảodưỡng và có độ an toàn cơ học cao. Ngoài ra, loại bình điện này phải có khả năng tái chế theo các tiêu chuẩn về môi trường. Hiện nay có các loại: Ắc quy axít chì, Ắc quy NiMH, Ắc quy Li-ion, Ắc quy Li-Polyme.

Khi chọn bình điện cần xét đến các đặc tính quan hệ giữa năng lượng và công suất, sự thay đổi điện trở nội theo nhiệt độ, khả năng xả dòng xung và đặc tính nạp, xả. Mặt trời Tấm pin năng lượng Bộ điều khiển sạc Motor Bộ pin Điều khiển Motor Bánh xe chủ động Hình 1. Sơ đồ hệ thống truyền động sử dụng NLMT. Pin mặt trời:Là loại pin phát sinh điện áp khi được chiếu sáng, chủ yếu là pinSilic hoặc Selen.

Hiệu suất của pin quang áp hiện nay khoảng (3 – 17)%.Pin Năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất là loại đa tinh thể silicon.Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời,mộtpin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt. Bộ điều khiển motor bằng điện tử:Để đảm bảo cho xe hoạt động cần có mạch điều khiển động cơ điện. Mạch này có chức năng: Cấp dòng điều khiển động cơ điện chuyển động theo tốc độ mong muốn, đảm bảo đổi chiều động cơ điện cho trường hợp lùi xe, Chương 1: Tổng quan đề tài Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống truyền lực xe ô tô điện Trang 13 đảm bảo tương quan vận tốc của 2 bánh xe chủ động trong và ngoài khi xe quay vòng.

Mạch điều khiển động cơ điện Bộ chuyển đổi điện quang: Là một quy trình điện phân, dòng điện phát ra bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời để phân ly nước thành Hydro và Oxy. Quy trình thông dụng nhất là sử dụng một chuổi các pin nối tiếp nhau, mỗi pin là một cặp bán dẫn quang điện được nhúng trong dung dịch điện phân và được phân cách bằng một màng ngăn. Màng ngăn này cho phép các ion truyền qua nhưng lại ngăn các khí trộn với nhau. Hệ thống này có hiệu suất tối đa khoảng 8 - 12%.

Kết luận: Như vậy khi mà vấn đề về năng lượng và môi trường đang hết sức nóng, thì vấn đề nghiên cứu và tìm hướng giải quyết là điều cấp bách. Ô tô sử dụng năng lượng điện là loại ô tô có nhiều ưu điểm và nó đang góp phần quan trọng trong việc giải quyết vấn đề này. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xe ô tô điện 1. Cấu tạo Hiện nay, ô tô điện được sử dụng ngày càng rộng rãi và biến.

Bởi xe ô tô điện không thải khí CO2 gây ô nhiễm môi trường. Hơn thế nữa, các bộ phận cấu tạo xe ô tô điện có chuyển động ít hơn 90% so với các bộ phận cấu tạo của các loại xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong trên thị trường. Cấu tạo chung của ô tô điện hiện nay đều bao gồm những bộ phận sau đây: Chương 1: Tổng quan đề tài Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống truyền lực xe ô tô điện Trang 14 Động cơ điện: Một trong những bộ phận quan trọng của xe ô tô điện. Bộ phận này đảm nhận chức năng chính là cung cấp năng lượng cho xe.

Trên thị trường, động cơ điện có thể là loại 1 chiều hoặc xoay chiều. Thông thường động cơ xoay chiều sẽ được lắp đặt vào ô tô điện phổ biến hơn. Cấu tạo chung của ô tô điện Biến tần: Thiết bị này có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện 1 chiều thành xoay chiều. Biến tần được lắp đặt để thay đổi tốc độ quay của động cơ.

Việc này được thực hiện thông qua điều chỉnh tần số của dòng điện xoay chiều. Ngoài ra, thông qua việc điều chỉnh biên độ của tín hiệu biến tần để tùy chỉnh mô-men xoắn hoặc công suất của động cơ. Pin và bộ sạc pin: Pin trong ô tô điện là bộ phận dùng để lưu trữ năng lượng cho xe chạy. Để xe điện có thể vận hành được thì pin phải được sạc đầy.

Loại pin được sử dụng để lắp đặt trong ô tô điện là lithium. Sử dụng pin loại này vì nó có tỷ lệ xả thải thấp, ít gây ô nhiễm môi trường. Bộ sạc pin với chức năng kiểm soát mức điện áp của pin. Việc này được thực hiện thông qua điều chỉnh tốc độ sạc trên ô tô.

Hơn thế nữa, bộ sạc pin có có khả năng theo dõi nhiệt độ của pin giúp duy trì tuổi thọ của pin. Bộ điều khiển: Bộ phận này được ví von như bộ não của xe ô tô điện. Chức năng của bộ phận này là quản lý, kiểm soát tất cả các thông số kỹ thuật, tốc độ của xe. Cáp sạc: Cáp sạc đặt bên trong xe ô tô điện, được sử dụng để sạc pin cho tô tô tại các điểm sạc công cộng hoặc tại nhà.

Ở những nơi có điểm sạc nhanh, sẽ có loại cáp sạc riêng biệt để bạn có thể sử dụng. Nguyên lý hoạt động Chương 1: Tổng quan đề tài Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống truyền lực xe ô tô điện Trang 15 Có thể hiểu đơn giản nguyên lý hoạt động của ô tô điện là sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau của dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC). Với dòng điện xoay chiều, các electron sẽ chuyển hướng theo chu kỳ, còn dòng điện một chiều, các electron chỉ chuyển động theo một hướng duy nhất. Tất cả các loại xe ô tô điện đều sử dụng dòng điện một chiều.

Tuy nhiên, khi cần cung cấp lực kéo cho xe, năng lượng của dòng điện một chiều phải được chuyển hóa thành dòng điện xoay chiều nhờ bộ biến tần. Nguyên lý hoạt động của ô tô điện cụ thể như sau: Bước 1: Khi đạp ga khởi động xe thì nguồn điện cung cấp cho xe sẽ ngay lập tức chuyển từ dòng điện 1 chiều sang dòng điện xoay chiều. Bước 2: Bàn đạp ga sẽ gửi tín hiệu tới bộ điều khiển của xe mục đích là điều chỉnh tốc độ xe, từ đó thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều từ bộ biến tần tới động cơ. Bước 3: Khi động cơ xe đã được kết nối sẽ làm quay các bánh xe bằng bánh răng.

Bước 4: Nếu đạp phanh xe và giảm tốc thì động cơ xe ô tô điện sẽ biến thành máy phát điện, tạo ra năng lượng và năng lượng đó sẽ nạp lại pin. Phạm vi hoạt động: Tuỳ vào mỗi loại xe mà phạm vi hoạt động của ô tô điện sẽ khác nhau ở mỗi lần sạc đầy pin. Điều này phụ thuộc vào dung tích pin, trọng lượng, kích thước và công suất trong quá trình sản xuất. Ví dụ phạm vi hoạt động của một số dòng xe điện phổ biến nhất hiện nay: Xe VF 34: Thời gian sạc đầy VF e34 khoảng 8 - 10 tiếng, phạm di chuyển khoảng 285km VF 8: Cả 2 dòng VF 8 Eco và VF 8 Plus có thời gian sạc pin siêu nhanh (10 - 70%) là khoảng 24 phút.

Quãng đường đi được sau 1 lần sạc đầy của VF 8 Eco là 420km, với VF 8 Plus là 400km. VF 9: Thời gian sạc siêu nhanh (10 - 70%) ở VF 9 Eco và VF 9 Plus là 26 phút. Quãng đường VF 9 Eco chạy được sau 1 lần sạc đầy là 438km, đối với VF 9 Plus là 423km.