(Luận văn thạc sĩ) thiết kế hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai

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: 0902452279

E-mail:
II. 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. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ 2007 đến 2009

Nơi công tác
Trƣờng Trung cấp nghề

Vĩnh Long

Từ 2009 đến 2011

nt

Từ 2011 đến nay

nt

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên khoa CKĐL
Tổ Trƣởng bộ mơn khoa
CKĐL
Phó Trƣởng khoa GTVT

i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác.

Tp. 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 ..................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ..................................................................................................................iv
ABSTRACT ................................................................................................................v
MỤC LỤC ..................................................................................................................vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................................xi
Chƣơng 1 .....................................................................................................................1
TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc đã công bố ............................................................................................1
1.1.1 Tầm quan trọng của xe máy .......................................................................1
1.1.2 Phát triển nguồn động lực sạch ..................................................................2
1.1.3 Tổng quan về xe hybrid .............................................................................3
1.1.3.1 Khái niệm chung ..................................................................................3
1.1.3.2 Phân loại ôtô hybrid .............................................................................4
1.1.3.3 Xu hƣớng phát triển của xe hybrid ......................................................8
1.1.4 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .............................................9
1.1.4.1 Trong nƣớc ...........................................................................................9
1.1.4.2 Ngồi nƣớc .........................................................................................10
1.2 Mục đích của đề tài .........................................................................................12
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ......................................................................12
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................12
1.3.2 Giới hạn của đề tài ...................................................................................13

1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu và thực hiện ............................................................ 13
Chƣơng 2 ...................................................................................................................14
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................ 14
2.1 Hệ thống truyền động trên xe tay ga ............................................................... 14
2.1.1 Cấu tạo và sơ đồ truyền lực ......................................................................14
2.1.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................15
2.1.2.1 Động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng ............................................15
2.1.2.2 Động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tốc độ thấp ....................15
2.1.2.3 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ trung bình ..................................16
2.1.2.4 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ cao .............................................17
2.1.2.5 Động cơ hoạt động ở chế độ tải nặng, leo dốc hoặc lên ga đột ngột .18
2.2 Nguồn điện trên xe gắn máy ...........................................................................18

vi


2.2.1 Cấu tạo máy phát điện xoay chiều ...........................................................18
2.2.2 Nguyên lý sinh ra điện .............................................................................19
2.2.3 Nguồn điện xoay chiều đƣợc đổi thành điện một chiều ..........................20
2.3 Accu ................................................................................................................20
2.3.1 Nhiệm vụ và phân loại Accu ....................................................................20
2.3.1.1 Nhiệm vụ ............................................................................................ 20
2.3.1.2 Phân loại Accu ...................................................................................21
2.3.2 Cấu tạo của Accu chì axit loại kín ...........................................................23
2.3.2.1 Cấu tạo chung.....................................................................................23
2.3.2.2 Sự khác biệt cơ bản trong cấu tạo giữa VRLA và Accu truyền thống
........................................................................................................................25
2.3.2.3 Ƣu điểm của Accu kín kiểu SLA và VRLA ......................................26
2.3.3 Quá trình điện hóa trong Accu chì axit loại kín .......................................26
2.3.4 Chế độ nạp và phóng của Accu ................................................................ 27

2.3.4.1 Các phƣơng pháp nạp truyền thống ...................................................27
2.3.4.2 Nguyên lý phƣơng pháp nạp xung và mạch nạp ................................ 29
2.3.4.3 Kiểm tra nhận biết trạng thái nạp .......................................................31
2.4 Nguyên lý hoạt động và đặc tính của máy điện DC...........................................31
2.4.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều ............................................................... 31
2.4.1.1 Phần tĩnh (stator) ................................................................................32
2.4.1.2 Phần quay (rotor) ..............................................................................33
2.4.2 Phân loại và mơ tả đặc tính động cơ điện một chiều ............................... 33
2.4.2.1 Phân loại ............................................................................................. 33
2.4.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp ............36
2.4.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ..............................................39
2.4.3.1 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện trở phụ mạch phần ứng ..39
2.4.3.2 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng từ thơng kích thích: ................41
2.4.3.3 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điện áp phần ứng: ...................43
2.4.3.4 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng điều chế độ rộng xung: ..........44
2.5 Linh kiện điện tử ............................................................................................. 46
2.5.1 IC LM2907: .............................................................................................. 46
2.5.2 IC TL084: .................................................................................................47
2.5.3 IC TL494: .................................................................................................48
2.5.4 Cảm biến tiệm cận Fotek PM12-02P-S: ..................................................50
2.5.5 IC PC923: .................................................................................................51
2.5.6 IC PC817: .................................................................................................51
Chƣơng 3 ...................................................................................................................52
GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ..........................................................................................52
3.1 Chọn xe gắn máy thực nghiệm........................................................................52
3.1.1 Các thông số cơ bản của xe Attila đời 2002 ...........................................53
3.1.2 Cấu tạo cơ cấu truyền động trên xe Attila................................................55
3.2 Giải pháp phối hợp truyền động giữa động cơ điện và động cơ xăng ............56
3.3 Chọn động cơ điện ..........................................................................................56

vii


3.3.1 Chọn loại động cơ điện ............................................................................56
3.3.2 Chọn mức điện áp cấp cho động cơ điện .................................................59
3.4 Chọn vị trí lắp đặt động cơ điện trên xe ..........................................................60
3.5 Giải pháp truyền động từ động cơ điện đến bánh xe .....................................62
3.6 Giải pháp điều khiển động cơ điện ............................................................... 63
3.7 Giải pháp khối lƣu trữ điện cấp cho động cơ điện ........................................63
3.8 Tính tốn các thơng số động lực học của xe lai ..............................................64
Chƣơng 4 ...................................................................................................................67
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ......................................................................................67
4.1 Xác định các vị trí cải tạo trên xe ....................................................................67
4.2 Xác định thơng số, lựa chọn Accu và bố trí Accu ..........................................68
4.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của Accu .......................................................................68
4.2.2 Chọn Accu ................................................................................................ 68
4.2.3 Bố trí Accu ............................................................................................... 69
4.3 Thiết kế và chế tạo cơ cấu truyền động của động cơ điện. ............................. 70
4.3.1 Thiết kế và gia công hộp truyền động ......................................................70
4.3.1.1 Vỏ hộp truyền động............................................................................70
4.3.1.2 Chốt định vị :......................................................................................72
4.3.1.3 Gia công trục và bánh răng của hộp truyền động trung gian : ...........72
4.3.2 Thiết kế và gia công khớp truyền động một chiều ...................................75
4.3.3 Thiết kế và gia công các tấm định vị cơ cấu truyền động ........................77
4.3.4 Gia công chế tạo .......................................................................................79
4.3.4.1 Chọn vật liệu ......................................................................................79
4.3.5 Lắp ráp cơ cấu truyền động của động cơ điện .........................................80
4.4 Cải tạo lốc máy................................................................................................ 81
4.4.1 Cải tạo phần sau lốc máy .........................................................................81
4.4.2 Cải tạo nắp hộp truyền động trên xe ........................................................83

4.4.3 Lắp cơ cấu truyền động vào xe ................................................................ 84
4.5.1 Sơ đồ khối các mạch điều khiển ............................................................... 85
4.5.2 Sơ đồ nguyên lý và chức năng từng khối .................................................86
4.5.2.1 Khối GEAR BOX: .............................................................................86
4.5.2.2 Khối SENSOR1: ................................................................................86
4.5.2.3 Khối SENSOR2: ................................................................................86
4.5.2.4 Khối FVC1: ........................................................................................86
4.5.2.5 Khối FVC2: ........................................................................................87
4.5.2.6 Khối so sánh và PID: .........................................................................90
4.5.2.7 Khối PWM: ........................................................................................96
4.5.2.8 Khối MOTOR DRIVER: ...................................................................96
4.5.2.9 Khối MOTOR POWER và khối Current Limiting: ...........................97
4.5.3 Qui trình gia cơng và lắp đặt ..................................................................100
Chƣơng 5 .................................................................................................................101
THỰC NGHIỆM - KẾT LUẬN .............................................................................101
5.1 Thực nghiệm .................................................................................................101

viii


5.1.1 Kiểm tra các bộ phận trƣớc khi chạy thực nghiệm ................................101
5.1.1.1 Kiểm tra cơ cấu truyền động của động cơ điện ...............................101
5.1.1.2 Kiểm tra hoạt động của các mạch điện điều khiển động cơ điện........101
5.1.2 Chạy thử xe trên đƣờng và đo mức tiêu hao nhiên liệu .........................103
5.1.2.1 Điều kiện thử ....................................................................................103
5.1.2.2 Kết quả: ............................................................................................104
5.1.3 Thử khoảng cách chạy ở chế độ lai liên tục ...........................................105
5.1.3.1 Tiến hành thử: ..................................................................................105
5.1.3.2 Kết quả: ............................................................................................105
5.1.4 Thử tiêu hao năng lƣợng điện khi nạp lại Accu .....................................105

5.1.4.1 Các bƣớc tiến hành thử: ...................................................................105
5.1.4.2 Kết quả: ............................................................................................106
5.1.5 Đo khối lƣợng xe hoàn chỉnh: ................................................................106
5.1.6 Thử an toàn các bộ phận điện ................................................................106
5.1.7 Thử mạch bảo vệ quá dòng ....................................................................106
5.1.7.1 Tiến hành thử ...................................................................................106
5.1.7.2 Kết quả .............................................................................................106
5.2 Kết luận .........................................................................................................107
5.3 Khuyến nghị ..................................................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................109
PHỤ LỤC ................................................................................................................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
1.1.1 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 thơng chính của
ngƣời dân vẫn là xe máy [1].
Theo chiến lƣợc đảm bảo an tồn giao thơng 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 thơng, nhất là hồn
chỉnh hệ thống vận chuyển giao thơng 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 thơng thì theo
các cơ quan chức năng đây chỉ là quan điểm ngắn hạn và khơng khả thi. Bởi vì
khơng thể hạn chế nhu cầu đi lại của ngƣời dân bằng mô tơ, xe máy mà chƣa có
phƣơng tiện giao thơng phù hợp để thay thế, đồng thời các loại hình cơng cộng nhƣ
đƣờng sắt đô thị, tàu điện ngầm, xe buýt thì chƣa đáp ứng kịp nhu cầu giao thơng
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.
1.1.2 Phát triển nguồn động lực sạch
Hiện nay, bảo vệ mơi 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 ngun nhân gây ơ nhiễm mơi 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 thơng 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 hồn tồn vào nguồn năng lƣợng này. Do đó chúng ta cần tìm ra
những nguồn năng lƣợng mới thay thế cho dầu mỏ song song với việc nghiên cứu
cải tiến động cơ nâng cao hiệu suất để tiết kiệm năng lƣợng. Trong những năm gần
đây đã có nhiều nghiên cứu cải tiến nhƣ:
-

Nghiên cứu hồn thiện q trình cháy động cơ Diesel.

-

Cải tiến hệ thống đánh lửa thƣờng sang đánh lửa điều khiển điện tử; hệ thống

cung cấp nhiên liệu sử dụng chế hịa khí sang phun xăng điều khiển điện tử.
-

Nghiên cứu sử dụng nhiều loại nhiên liệu thay thế nhƣ: LPG (Liquidfied

Petroleum Gas), methanol, ethanol, fuel cell, biodiesel, khí thiên nhiên, điện và
năng lƣợng mặt trời.
-

Nguồn động lực lai (hybrid).

2


Các giải pháp trên đều có những ƣu và nhƣợc điểm riêng. Trong đó, hai giải
pháp đƣợc đánh giá tốt nhất hiện nay là loại xe điện (electric vehicles) và xe sử

dụng pin nhiên liệu (fuel-cell electric Vehicles). Đối với hai loại xe này có ƣu điểm
là hồn tồn khơng gây ô nhiễm môi trƣờng, hiệu quả cao và cung cấp moment lớn
ở tốc độ thấp. Tuy nhiên chúng chƣa đƣợc sử dụng phổ biến vì cịn tồn tại một số
vấn đề cần phải giải quyết đó là khoảng cách hoạt động ngắn, thời gian sạc điện kéo
dài, thiếu nơi sạc điện và giá thành cao, thiếu nơi tiếp hydrogen cho xe sử dụng pin
nhiên liệu. Đây là những nguyên nhân chính mà tại sao xe điện và xe sử dụng pin
nhiên liệu chƣa thể thay thế xe sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ truyền thống.
Hiện nay một xu hƣớng rất nổi bật là trang bị nguồn động lực lai (hybrid)
trên các loại phƣơng tiện giao thơng. Trong đó sử dụng động cơ lai là sự kết hợp từ
các động cơ thành phần tạo đƣợc hiệu suất cao, đồng thời hạn chế khí lƣợng thải
gây ơ nhiễm mơi trƣờng. Do đó mà cơng nghệ xe lai (hybrid) đã đƣợc các hãng sản
xuất xe trên thế giới tập trung nghiên cứu.
1.1.3 Tổng quan về xe hybrid
1.1.3.1 Khái niệm chung
Hybrid là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, kết hợp giữa động cơ đốt trong
(sử dụng nhiên liệu xăng hoặc diesel) với động cơ sử dụng các nguồn năng lƣợng
khác (năng lƣợng điện, nhiệt, khí).
Trong phạm vi đề tài này chỉ bàn về dịng ơtơ hybrid nhiệt - điện (kết hợp
giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) là loại ơtơ hybrid thơng dụng nhất hiện
nay. Điển hình là dòng xe hybrid kết hợp giữa một động cơ đốt trong với động cơ
điện, năng lƣợng điện từ một Accu cao áp. Bộ điều khiển điện tử sẽ điều khiển hoạt
động của động cơ điện và động cơ đốt trong, cũng nhƣ khi nào vận hành đồng bộ cả
hai động cơ và khi nào nạp điện vào Accu. Điểm đặc biệt là Accu đƣợc nạp điện với
cơ chế nạp “thông minh” khi xe phanh và xuống dốc, gọi là quá trình phanh tái tạo
năng lƣợng. Nhờ vậy mà xe có thể tiết kiệm đƣợc nhiên liệu khi vận hành bằng
động cơ điện, đồng thời Accu cũng đƣợc nạp điện.

3

Hình 1.1: Một mẫu xe hybrid của hãng Toyota [2]
1.1.3.2 Phân loại ôtô hybrid
* Theo thời điểm phối hợp công suất
-

Chỉ sử dụng motor điện ở tốc độ chậm: Khi ôtô bắ t đầ u khởi hành , motor

điện sẽ hoa ̣t đô ̣ng cung cấ p công suất giúp xe chuyể n đô ̣ng và tiếp tục tăng dần lên
với tốc độ khoảng 25 mph (1,5 km/h) trƣớc khi động cơ xăng tự khởi động. Để tăng
tốc nhanh từ điểm dừng, động cơ xăng đƣợc khởi động ngay lập tức để có thể cung
cấp cơng suất tối đa. Ngồi ra, motor điện và động cơ xăng cũng hỗ trợ cho nhau
khi điều kiện lái yêu cầu nhiều công suất nhƣ khi leo dốc, leo núi hoặc vƣợt qua xe
khác. Do motor điện đƣợc sử dụng nhiều ở tốc độ thấp, nên loại này có khả năng
tiết kiệm nhiên liệu khi lái ở đƣờng phố hơn là khi đi trên đƣờng cao tốc. Toyota
Prius và Ford Escape Hybrid là hai dịng điển hình thuộc loại này.
-

Phối hợp khi cần cơng suất cao: Motor điện hỗ trợ động cơ xăng chỉ khi điều

kiện lái yêu cầu nhiều công suất, nhƣ trong quá trình tăng tốc nhanh từ điểm dừng,
khi leo dốc hoặc vƣợt qua xe khác, cịn trong điều kiện bình thƣờng xe vẫn chạy
bằng động cơ xăng. Do đó, những chiếc hybrid loại này tiết kiệm nhiên liệu hơn khi
đi trên đƣờng cao tốc vì khi đó động cơ xăng ít bị gánh nặng nhất. Điển hình là
Honda Civic Hybrid và Honda Insight thuộc loại thứ hai. Cả hai loại này đều lấy
công suất từ Accu khi motor điện đƣợc sử dụng và đƣơng nhiên nó sẽ làm yếu cơng

4


suất của Accu. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid không cần phải cắm vào một nguồn

điện để sạc bởi vì nó có khả năng tự sạc.
* Theo cách phối hợp công suất giữa động cơ nhiệt và động cơ điện
-

Kiểu nối tiếp: Động cơ điện truyền lực đến các bánh xe chủ động, công việc

duy nhất của động cơ nhiệt là sẽ kéo máy phát điện để phát ra điện năng nạp cho
Accu hoặc cung cấp cho động cơ điện .

Hình 1.2 : Hệ thống hybrid nối tiếp [3]
Dịng điện sinh ra chia làm hai phần, một để nạp Accu và một sẽ dùng chạy
động cơ điện. Động cơ điện ở đây cịn có vai trị nhƣ một máy phát điện (tái sinh
năng lƣợng) khi xe xuống dốc và thực hiện quá trình phanh.

Hình 1.3 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp [3]
+ Ƣu điểm: Động cơ đốt trong sẽ không khi nào hoạt động ở chế độ không tải
nên giảm đƣợc ô nhiễm môi trƣờng. Động cơ đốt trong có thể chọn ở chế độ hoạt

5


động tối ƣu, phù hợp với các loại ôtô. Mặt khác động cơ nhiệt chỉ hoạt động nếu xe
chạy đƣờng dài quá quãng đƣờng đã quy định dùng cho Accu. Sơ đồ này có thể
khơng cần hộp số.
+ Nhƣợc điểm: Kích thƣớc và dung tích Accu lớn hơn so với tổ hợp ghép
song song. Động cơ đốt trong luôn làm việc ở chế độ nặng nhọc để cung cấp nguồn
điện cho Accu nên dễ bị quá tải.
-

Kiểu song song: Dòng năng lƣợng truyền tới bánh xe chủ động đi song song.

Cả động cơ nhiệt và motor điện cùng truyền lực tới trục bánh xe chủ động với mức
độ tùy theo các điều kiện hoạt động khác nhau. Ở hệ thống này động cơ nhiệt đóng
vai trị là nguồn năng lƣợng truyền moment chính cịn motor điện chỉ đóng vai trị
trợ giúp khi tăng tốc hoặc vƣợt dốc.
Kiểu này không cần dùng máy phát điện riêng do động cơ điện có tính năng
giao hốn lƣỡng dụng sẽ làm nhiệm vụ nạp điện cho Accu trong các chế độ hoạt
động bình thƣờng, ít tổn thất cho các cơ cấu truyền động trung gian. Nó có thể khởi
động động cơ đốt trong và dùng nhƣ một máy phát điện để nạp điện cho ắc-quy.
+ Ƣu điểm: Công suất của ôtô sẽ mạnh hơn do sử dụng cả hai nguồn năng
lƣợng, mức độ hoạt động của động cơ điện ít hơn động cơ nhiệt nên dung lƣợng
bình Accu nhỏ và gọn nhẹ, trọng lƣợng bản thân của xe nhẹ hơn so với kiểu ghép
nối tiếp và hỗn hợp.
+ Nhƣợc điểm: Động cơ điện cũng nhƣ bộ phận điều khiển motor điện có
kết cấu phức tạp, giá thành đắt và động cơ nhiệt phải thiết kế cơng suất lớn hơn kiểu
lai nối tiếp. Tính ơ nhiễm mơi trƣờng cũng nhƣ tính kinh tế nhiên liệu không cao.

6


Hình 1.4 : Hệ thống hybrid song song [3]

Hình 1.5 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song [3]

-

Kiểu hỗn hợp : Hệ thống này kết hợp cả hai hệ thống nối tiếp và song song

nhằm tận dụng tối đa các lợi ích đƣợc sinh ra. Hệ thống lai này có một bộ phận gọi
là "thiết bị phân chia công suất" chuyển giao một tỷ lệ biến đổi liên tục công suất

của động cơ nhiệt và động cơ điện đến các bánh xe chủ động. Tuy nhiên xe có thể
chạy theo "kiểu êm dịu" chỉ với một mình động cơ điện. Hệ thống này chiếm ƣu thế
trong việc chế tạo xe hybrid.

7


Hình 1.6 : Hệ thống hybrid hỗn hợp [3]

Hình 1.7 : Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp [3]
1.1.3.3 Xu hƣớng phát triển của xe hybrid
Ngày nay một trong những tiêu chí đƣợc đặt lên hàng đầu đối với các hãng
sản xuất xe trên thế giới là tiêu chí thân thiện với mơi trƣờng, tuy nhiên các xe chạy
bằng nhiên liệu truyền thống thƣờng gây nhiều ô nhiễm, làm cho môi trƣờng ngày
một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Mặt khác nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng
cạn kiệt. Vì những lý do đó địi hỏi các nhà sản xuất xe phải nghiên cứu, chế tạo các
loại xe thân thiện với môi trƣờng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống,
đây cũng là một vấn đề đƣợc quan tâm nhất hiện nay.
Chính vì vậy ngƣời ta rất mong đợi sự có mặt của các dịng xe hybrid. Và sau
khi những chiếc xe hybrid đầu tiên xuất hiện nó đã cho thấy tính hiệu quả về kinh tế
và thân thiện với mơi trƣờng. Có thể nói, cơng nghệ hybrid là chìa khóa mở cửa tiến

8


vào kỷ ngun mới của những chiếc ơ tơ, đó là ơ tơ khơng gây ơ nhiễm mơi trƣờng
hay cịn gọi là ô tô sinh thái.
1.1.4 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.1.4.1 Trong nƣớc
Hiện nay ở trong nƣớc vẫn chƣa thấy xuất hiện một kiểu xe gắn máy hybrid

nào đƣợc thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mang nhãn hiệu Việt Nam phù hợp với điều
kiện sử dụng trong nƣớc. Tuy nhiên có một số đề tài nghiên cứu về xe gắn máy
hybrid nhƣ:
-

“Thiết kế xe máy hybrid”, tác giả Bùi Văn Ga – Nguyễn Quân – Nguyễn

Hƣơng, tạp chí khoa học và cơng nghệ Đại học Đà Nẵng số 4(33).2009 [4].
Đây là đề tài nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xe gắn máy hybrid đƣợc
thực hiện tại Đại học Đà Nẵng. Bánh xe trƣớc và bánh xe sau đƣợc dẫn động trực
tiếp bằng hai động cơ điện có cơng suất lần lƣợt 500W và 1000W. Động cơ nhiệt
chạy bằng LPG đƣợc cải tạo từ động cơ tĩnh tại ngun thuỷ chạy bằng xăng có
cơng suất 2000W làm nhiệm vụ nạp điện cho bình Accu và hỗ trợ công suất cho xe
gắn máy khi cần thiết. Xe có thể tận dụng năng lƣợng phanh để nạp điện cho accu.
Hệ thống điều khiển điện tử đƣợc thiết kế cho phép xe gắn máy phối hợp công suất
các động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau.
Theo kết quả thử nghiệm cho thấy xe đạt đƣợc tốc độ 55km/h khi chạy bằng
điện, thấp hơn khoảng 10% so với cơng suất tính tốn. Bình LPG chứa 1kg nhiên
liệu và 4 bình Accu N12V-35AH nạp đầy xe có thể chạy đƣợc 160km. Hệ thống
động lực hybrid điện - LPG cho phép xe gắn máy đạt mức độ phát thải ô nhiễm
EURO IV.
-

“Nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt động cơ lai trên xe gắn máy”, tác giả Phạm

Quốc Phong, Trƣờng đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, 2007 [5].
Sản phẩm của đề tài là động cơ lai, kết hợp giữa động cơ xăng có dung tích
xy lanh 97cm3 trên xe wave và động cơ điện 60VDC. Động cơ xăng đóng vai trị
chủ yếu và hoạt động khi xe chạy ở tốc độ 40 km/h trở lên, động cơ điện hoạt động

9


ở tốc độ thấp hơn 40 km/h. Ngoài ra, động cơ điện dùng để khởi động cho động cơ
xăng và nạp điện cho Accu. Sự trao đổi moment giữa 2 động cơ này thông qua một
ly hợp điện từ. Ly hợp đƣợc điều khiển đóng ngắt nhờ vào các tín hiệu điều khiển.
Cả 2 động cơ đƣợc điều khiển chung tay ga. Các tín hiệu điều khiển động cơ đƣợc
lấy từ hệ thống điện của xe gắn máy. Xe nặng hơn xe nguyên bản 30 kg. Accu đƣợc
cung cấp từ 03 nguồn điện: điện từ máy phát, điện tiết kiệm từ quá trình phanh nạp
và nguồn điện dân dụng. Theo kết quả thử nghiệm, xe phát huy đƣợc hiệu quả cao
trong khu vực tiếp giáp giữa nội và ngoại thành hay vùng có đơng dân cƣ.
1.1.4.2 Ngồi nƣớc
Một số nƣớc nhƣ Nhật, Anh và Thái Lan đã chế tạo và tung ra thị trƣờng
một số mẫu xe máy hybrid. Điển hình hãng Honda đã giới thiệu mẫu xe lai
“scooter” với khả năng giảm khí thải gây ơ nhiễm mơi trƣờng và tiết kiệm nhiên
liệu. Xe lai này kết hợp hoạt động của một động cơ đốt trong phun xăng điện tử
50cc và một động cơ điện kiểu xoay chiều đồng bộ gắn trực tiếp vào bánh sau của
xe. Hệ thống sử dụng một bình Accu niken-hyđro để lƣu trữ năng lƣợng. Khi chạy
trên đƣờng bằng trong thành phố, động cơ điện sẽ dẫn động xe chạy với tốc độ đạt
30 km/h. Khi cần lực phát động lớn nhƣ tăng tốc hoặc lên dốc thì động cơ đốt trong
sẽ kết hợp với động cơ điện thông qua bộ truyền động đai vô cấp để tăng thêm công
suất kéo. Để tận dụng năng lƣợng, khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc thì động cơ điện
sẽ trở thành máy phát điện nạp điện vào Accu. Mẫu xe này có hiệu suất rất cao và
giảm đƣợc 37% nồng độ CO trong khí thải so với xe gắn máy cùng cơng suất.

Hình 1.9: eCycle hybrid [6]

Hình 1.8: Honda hybrid scooter

10

Xe eCycle hybrid với động cơ 250cc, trọng lƣợng nhẹ, ít gây ô nhiễm môi
trƣờng cũng nhƣ khả năng phanh tái sinh năng lƣợng đạt hiệu quả cao. Khả năng
tăng tốc từ 0 – 100 km/h trong thời gian 6 giây và tốc độ tối đa 120 km/h. Tiêu thụ
nhiên liệu 50 km/lít với lƣợng phát sinh khí thải rất thấp. Khối hybrid của eCycle
đạt đƣợc công suất 42 V x 400 A = 16800 W, khối lƣu trữ điện của chiếc xe này bao
gồm ba Accu 14 V. Các bánh xe mâm đúc bằng nhơm đƣờng kính 40 cm, hộp số
hai tốc độ và dẫn động bằng xích. Khối lƣợng của chiếc xe máy hybrid eCycle
khoảng 100 kg.
Một loại xe gắn máy lai khác đƣợc Công ty FUSEN của Thái Lan sản xuất là
chiếc FA – 801 ( Hybrid 80CC – 500 W ). Xe chạy bằng một động cơ điện có cơng
suất 500 W và một động cơ đốt trong dung tích 80cc. Khi xe hoạt động ở tốc độ
dƣới 35 km/h, động cơ điện sẽ hoạt động. Khi xe đạt tốc độ 35 km/h, hộp điều khiển
điện tử sẽ khởi động động cơ đốt trong và ngắt động cơ điện. Khi tốc độ xe thấp
hơn 35 km/h, hệ thống điều khiển điện tử lại điều khiển cho xe hoạt động bằng động
cơ điện. Trên tay lái của xe có nút chọn chế độ chạy xe ở 2 trạng thái: chế độ chạy
điện và chế độ chạy lai (hybrid). Loại xe này có các ƣu điểm:
Tiết kiệm nhiên liệu và giảm sự ô nhiễm môi trƣờng khi chạy ở chế độ lai
(hybrid).
Hoạt động êm và không ô nhiễm môi trƣờng khi chạy ở chế độ xe điện.
Các đặc tính kỹ thuật của xe:
-

Cơng suất động cơ điện: 500 W có thể kéo xe chạy đạt 50 km/h, quãng
đƣờng xe chạy hết bình Accu là 90km.

-

Bộ nguồn Accu: 12V – 17 AH x 4 bình.

-

Nạp lại Accu: 1,8 A trong thời gian từ 4 – 6 giờ.

-

Tốc độ cực đại của xe đạt: 90 km/h.

11


Hình 1.10: Mẫu xe FA – 801 (Hybrid 80CC – 500 W) [6]
1.2 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm hệ thống truyền lực cho xe gắn máy lai
chạy bằng năng lƣợng điện và xăng trên xe tay ga. Đề tài tiếp tục làm cơ sở cho việc
thiết kế và chế tạo một kiểu xe gắn hybrid có hiệu suất sử dụng năng lƣợng cao, tiết
kiệm nhiên liệu và hạn chế ơ nhiễm mơi trƣờng. Có thể nói đề tài này là bƣớc cơ sở
cho việc thiết kế và sản xuất một mẫu xe gắn máy hybrid hoàn chỉnh chạy bằng điện
và xăng với mục tiêu hƣớng tới là: Tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm mơi trƣờng,
tạo ra mặt hàng cơng nghiệp đặc thù có tính cạnh tranh và góp phần phát triển ngành
cơng nghiệp sản xuất xe máy trong nƣớc.
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
-

Nghiên cứu về lý thuyết hệ thống truyền động trên xe tay ga.

12

-

Nghiên cứu, tính tốn, lựa chọn nguồn động lực lai (động cơ điện).

-

Tính tốn, thiết kế, gia cơng chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh cơ cấu truyền

động lai của động cơ điện.
-

Kiểm tra thực nghiệm, đánh giá kết quả của xe cải tạo.

1.3.2 Giới hạn của đề tài
Đề tài đƣợc nghiên cứu dựa trên nguyên tắc kế thừa và phát triển tiếp những
kết quả đã có đƣợc. Chỉ thực hiện cải tiến trên loại xe tay ga đã qua sử dụng có sẵn
trên thị trƣờng. Ngƣời thực hiện đề tài sẽ khơng tính tốn, thiết kế lại kết cấu, hệ
thống truyền động và điều khiển của loại xe này mà chỉ mơ phỏng, tính tốn thiết kế
và lắp đặt thêm một hệ thống truyền động bằng năng lƣợng điện trên xe để cùng
phối hợp hoạt động với động cơ xăng.
Vì phải lắp ráp và bổ sung thêm một số bộ phận vào một chiếc xe gắn máy
đã có sẵn nên ít nhiều phải có sự thay đổi về hình dáng và tính tiện nghi của xe nền.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu và thực hiện
-

Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập thông tin về các loại xe hybrid, xe

điện, xe gắn máy và điều khiển tự động qua các phƣơng tiện truyền thông.
-

Tham khảo ý kiến các chuyên gia.

-

Sử dụng các phần mềm Microsoft Office, AutoCAD, Pro ENGINEER và

Protues 7.8 để thực hiện lập trình điều khiển, lập các bảng vẽ gia công, lắp ghép và
mô phỏng cơ cấu trên xe.
-

Phƣơng pháp thực nghiệm: thực hiện gia công để cải tiến, chế tạo và lắp đặt

các chi tiết trong cơ cấu truyền động lai, sử dụng các thiết bị kiểm tra đo kiểm các
thông số trên sản phẩm đối chiếu với các tính tốn ban đầu và điều chỉnh lại cho
hợp lý hơn. Đồng thời rút ra kết luận làm cơ sở cho việc cải tiến sản phẩm sau này.
-

So sánh và đánh giá kết quả vận hành ở các mức tốc độ khác nhau trên một

địa hình cụ thể để đƣa ra một hệ số hiệu chỉnh phù hợp và an toàn nhất.

13


Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống truyền động trên xe tay ga
2.1.1 Cấu tạo và sơ đồ truyền lực

Hình 2.1: Cấu tạo và sơ đồ truyền lực [7]
1. Trục khuỷu

6. Trục sơ cấp của hộp giảm tốc (hộp cầu)

2. Má puli sơ cấp di động

7. Nồi li hợp

3. Con lăn li tâm

8. Má li hợp (bố ba càng)

4. Má puli sơ cấp cố định

9. Dây đai V

5. Má puli thứ cấp di động

10. Má puli thứ cấp cố định

14


2.1.2 Nguyên lý hoạt động
2.1.2.1 Động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng

Hình 2.2: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ cầm chừng [7]
Lúc này tốc độ động cơ còn thấp, lực kéo và chuyển động của động cơ đƣợc

truyền từ trục khuỷu qua puli sơ cấp, dây đai V, puli thứ cấp và tới cụm má ma sát
(bố ba càng). Tuy nhiên do lực li tâm của cụm ma sát nhỏ chƣa thắng đƣợc lực lò xo
của các má ma sát nên má ma sát không tiếp xúc với vỏ nồi li hợp. Vì vậy, lực kéo
và chuyển động không đƣợc truyền tới bánh xe sau, xe không chuyển động.
2.1.2.2 Động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tốc độ thấp

Hình 2.3: Sơ đồ truyền lực ở chế độ khởi động và tốc độ thấp [7]
15


Khi tăng tốc độ động cơ lên khoảng 2.700 – 3.000 v/ph, lúc này lực li tâm
của cụm ma sát đủ lớn và thắng đƣợc lực lò xo kéo nên các má ma sát văng ra và
tiế p xúc với n ồi li hợp. Nhờ lực ma sát giữa các má ma sát và nồi ly hợp, nên lực
kéo và chuyển động đƣợc truyền qua bộ bánh răng giảm tốc tới bánh xe sau và xe
bắt đầu chuyển động. Tại thời điểm này, dây đai V có vị trí nằm trong cùng ở puli
sơ cấp và vị trí ngồi cùng của puli thứ cấp. Tỉ số truyền của bộ truyền lúc này là
lớn nhất nên lực kéo ở bánh xe sau đủ lớn để xe khởi hành từ trạng thái dừng và
tăng tốc lên.
2.1.2.3 Động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ trung bình

Hình 2.4: Sơ đồ truyền lực ở tốc độ trung bình [7]
Tiếp tục tăng tốc độ động cơ lên, do lực li tâm lớn làm các con lăn ở puli sơ
cấp văng ra xa hơn, ép má puli sơ cấp di động tiến về phía puli sơ cấp cố định và
chèn dây đai V ra xa tâm hơn. Vì độ dài dây đai khơng đổi nên phía puli thứ cấp,
dây đai sẽ di chuyển vào gần tâm cho đến khi nó cân bằng với lực ép của lò xo nén
lớn ở puli thứ cấp. Nhƣ vậy, tỉ số truyền động của bộ truyền sẽ giảm dần và tốc độ
của puli thứ cấp sẽ tăng dần lên làm tăng tốc độ của xe.

16