QUAN VỀ HỆ THỐNG PHANH TÁI SINH
Giới thiệu chung
Hệ thống phanh ô tô là một phần quan trọng trong an toàn chủ động, chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành nhiệt năng, dẫn đến việc tiêu tốn nhiên liệu Mặc dù việc tiêu tán năng lượng này là đáng kể, hệ thống phanh cơ khí vẫn được sử dụng vì lý do an toàn Để khắc phục vấn đề này, hệ thống phanh tái sinh (RBS) đã được phát triển nhằm thu hồi và tái sử dụng năng lượng quán tính trong quá trình phanh hoặc giảm tốc, giúp tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ của cơ cấu phanh.
Hệ thống phanh tái sinh đã được nghiên cứu và áp dụng trên các dòng xe điện (EV), xe lai điện (HEV) và xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) Chức năng của hệ thống này là chuyển hóa năng lượng cơ năng thành điện năng để cung cấp cho mô tơ điện, hỗ trợ quá trình tăng tốc của xe Đối với ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong (CICE), phanh tái sinh cũng đã được áp dụng dưới nhiều hình thức, như thu hồi năng lượng trong quá trình phanh hoặc giảm tốc và tích trữ dưới dạng thủy lực cho xe tải lớn Ngoài ra, bánh đà được sử dụng để tích trữ năng lượng cơ năng cho xe đua F1 và xe du lịch nhỏ Tuy nhiên, việc nghiên cứu thu hồi năng lượng quán tính trong ô tô truyền thống vẫn còn hạn chế, mặc dù số lượng xe này trên thị trường rất phổ biến.
Đề tài "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô" nhằm mục đích tối ưu hóa việc thu hồi năng lượng quán tính trong quá trình phanh hoặc giảm tốc của xe Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp các thiết bị tích trữ năng lượng để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong ô tô.
Bài viết này tập trung vào việc thiết kế và tính toán các thông số của hệ thống thu hồi năng lượng, sử dụng bánh đà quán tính và máy phát điện để chuyển đổi cơ năng thành điện năng, nạp lại cho ắc quy phục vụ cho các phụ tải điện Mục tiêu là phát triển một giải thuật điều khiển hiệu quả giữa lực phanh tái sinh và lực phanh cơ khí, nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng trong khi vẫn đảm bảo an toàn và ổn định cho ô tô trong quá trình phanh hoặc giảm tốc Việc tính toán năng lượng thu hồi cũng nhằm thay thế một phần năng lượng từ máy phát điện chính trên xe, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ cho hệ thống phanh.
Tổng quan đề tài
Vấn đề nhiên liệu và ô nhiễm môi trường đang là thách thức lớn đối với các hãng sản xuất ô tô, khi năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm gia tăng Để giảm thiểu những vấn đề này, nhiều hãng xe đã phát triển xe điện và xe lai điện (HEV: Hybrid Electric Vehicle) Xe hybrid sử dụng hai nguồn động lực, bao gồm động cơ đốt trong (ICE) và thiết bị tích trữ năng lượng, và hiện nay, hệ thống này được chia thành ba kiểu truyền lực: nối tiếp, song song và hỗn hợp Tất cả các hệ thống hybrid đều bao gồm động cơ đốt trong, mô tơ điện, máy phát điện (MG) và ắc quy cao áp (HVB) Một trong những yếu tố chính giúp xe hybrid tiết kiệm nhiên liệu là khả năng tận dụng năng lượng tái tạo thông qua hệ thống phanh tái sinh năng lượng (RBS).
Để minh họa, giả sử một chiếc xe ô tô nặng 300kg đang di chuyển với tốc độ 72km/h Khi sử dụng hệ thống phanh thông thường để giảm tốc độ xuống còn 32km/h, năng lượng tiêu tốn được tính theo công thức E k = 1/2 mv² sẽ là 47,8 kJ, trong đó E k đại diện cho động năng.
Năng lượng của xe được xác định bởi khối lượng và vận tốc, và nếu năng lượng này được thu hồi và lưu trữ để sử dụng cho việc tăng tốc thay vì bị tiêu tán thành nhiệt và tiếng ồn ở phanh, chúng ta có thể thu hồi khoảng 25% năng lượng (tương đương 11,95 KJ từ 47,8 KJ) Lượng năng lượng này đủ để gia tốc xe từ 0 đến 32 km/h.
Hệ thống phanh tái sinh năng lượng đã tồn tại từ lâu và được áp dụng phổ biến trên tàu điện, nhờ vào việc sử dụng các mô tơ điện hoạt động như máy phát điện khi phanh Sự cải tiến trong công nghệ chế tạo và kỹ thuật điều khiển đã nâng cao hiệu suất của hệ thống này, cho phép giảm tới 37% năng lượng điện tiêu hao khi tàu điện sử dụng phanh tái sinh.
Ô tô sử dụng động cơ đốt trong khó có thể đạt hiệu suất tái sinh năng lượng như xe điện, do quá trình chuyển đổi năng lượng không thể phục hồi Hơn nữa, khối lượng ô tô nhỏ hơn tàu điện, dẫn đến năng lượng quán tính thấp hơn và lượng năng lượng thu hồi khi phanh cũng ít hơn Để cải thiện hiệu suất, cần có các thiết bị biến đổi và tích trữ năng lượng Nghiên cứu gần đây đã mô tả các hình thức tái tạo, biến đổi và tích trữ năng lượng khác nhau.
Hình 1.1: Các hướng nghiên cứu về công nghệ tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh [5]
Sau đây tác giả sẽ đi phân tích một số những tính năng cơ bản và ƣu/nhƣợc điểm của các hệ thống RBS đặc trƣng
1.2.1 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng
Kiểu tích trữ năng lượng này phổ biến trong xe điện (EV) và xe lai điện (HEV), cho phép lưu trữ năng lượng điện qua các thiết bị điều khiển Khi phanh, động năng được chuyển đổi thành điện năng và lưu vào ắc quy để sử dụng lại Mô tơ dẫn động hoạt động như một máy phát điện, tạo ra lực cản khi bánh xe quay, tương tự như mô men phanh Tuy nhiên, hiệu suất nạp của mô tơ điện thấp ở tốc độ thấp, do đó thường sử dụng hệ thống phanh cơ khí trong dải tốc độ này.
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lượng tái tạo khi phanh dưới dạng điện năng
Trên các xe điện, bộ chấp hành phanh RBS sử dụng mô tơ/máy phát hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, có khả năng làm việc với điện áp một chiều hoặc xoay chiều Thiết bị tích trữ năng lượng tái tạo trong quá trình phanh có thể là ắc quy, siêu tụ hoặc sự kết hợp của cả hai Hệ thống RBS với ắc quy thường được áp dụng cho xe điện (EV) và xe hybrid (HEV), đồng thời cần có bộ biến đổi điện (Inverter) để hoạt động hiệu quả.
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ converter [19]
Nhược điểm của việc tích trữ năng lượng bằng ắc quy là ắc quy chỉ cung cấp điện DC, trong khi các mô tơ điện lại sử dụng điện AC, do đó cần phải có bộ biến đổi (inverter và converter) Với điện áp và dòng điện lớn, các linh kiện công suất phải dẫn dòng lên đến 750A và điện áp 600V, kèm theo kỹ thuật điều khiển phức tạp và tuổi thọ ắc quy ngắn, dẫn đến giá thành cao cho các xe này Hơn nữa, mật độ tích trữ năng lượng trong thời gian ngắn của ắc quy thấp, trong khi quá trình giảm tốc hoặc phanh yêu cầu thời gian nạp điện lại ngắn, chỉ tính bằng giây, trong khi thời gian nạp của ắc quy lại mất hàng giờ Vì vậy, cần có sự phối hợp giữa ắc quy và siêu tụ để tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phanh tái sinh với siêu tụ
1.2.2 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lượng dưới dạng các bộ tích năng thủy lực
Các hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô trong nhiều năm Một bộ tích trữ thủy lực hình trụ có khả năng lưu trữ một lượng lớn dầu áp suất, hoạt động bằng cách nén khí Nitơ, một loại khí nhẹ và kinh tế, cung cấp năng lượng hiệu quả Hệ thống hybrid thủy lực bao gồm bộ tích năng, bình chứa dầu và bơm/mô tơ thủy lực, trong đó bơm có thể hoạt động như một mô tơ.
Hệ thống hybrid thủy lực, giống như xe điện, có hiệu suất kém ở tốc độ thấp do tổn hao cơ lớn Việc cải thiện dung lượng và cấu trúc của bộ tích trữ thủy lực cũng rất quan trọng để giảm trọng lượng Có hai kiểu cấu trúc hệ thống truyền lực hybrid thủy lực: kiểu thủy tĩnh thuần túy (tích hợp hay nối tiếp), dựa trên hộp số thủy tĩnh và yêu cầu một bơm cùng bơm/mô tơ Mô tơ/bơm hoạt động phụ thuộc vào xe và sẽ dẫn động xe khi có tác dụng của phanh tái sinh.
Hình 1.5: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng thủy lực kiểu nối tiếp [34]
Cấu trúc này cho phép phanh tái sinh và lưu trữ năng lượng vào bộ tích năng, năng lượng này sẽ được sử dụng để dẫn động xe khi tăng tốc thông qua hộp số.
Kiểu tiếp theo là hệ thống song song, yêu cầu chỉ một bơm hoặc mô tơ đơn kết hợp với hộp số CVT có tỷ số truyền thay đổi liên tục Khi sử dụng hộp số này, động cơ luôn hoạt động hiệu quả hơn.
Hệ thống hybrid thủy lực song song kết nối với hệ thống truyền lực để dẫn động bánh xe, cho phép xe hoạt động ngay cả khi hệ thống thủy lực bị hỏng Bộ phân phối công suất thủy cơ bao gồm hai bộ phận thủy tĩnh có hành trình thay đổi, một thiết bị phân phối công suất và một bộ tích năng, giúp tích trữ năng lượng phanh tái sinh và khởi động động cơ xăng hiệu quả Nếu được điều khiển tốt, hệ thống này có thể tiết kiệm nhiên liệu hơn so với hệ thống nối tiếp Hệ thống hybrid thủy lực song song được trang bị các bơm/mô tơ thủy lực trên hộp số, hỗ trợ động cơ xăng khi tăng tốc nhưng không cho phép động cơ tắt máy khi xe không di chuyển, dẫn đến việc động cơ luôn hoạt động Tuy nhiên, hệ thống này không mang lại nhiều ưu điểm về tiết kiệm nhiên liệu và chủ yếu được sử dụng trên một số ít xe tải nặng, không phổ biến trên xe du lịch.
Hình 1.6: Hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng thủy lực kiểu song song [34]
Hệ thống tích trữ năng lượng thủy lực có ưu điểm dễ vận hành và khả năng thu hồi công suất cao Tuy nhiên, do kết cấu của các bộ chấp hành thủy lực thường lớn, hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu không cao khi áp dụng cho xe tải trọng nhỏ.
Hệ thống này thường được áp dụng cho các xe tải trọng lớn [19]
1.2.3 Hệ thống RBS với kiểu tích trữ năng lƣợng bằng bánh đà (Flywheel)
Năng lượng tích trữ trong bánh đà được tính theo công thức E=1/2 J* ω², trong đó J là mô men quán tính và ω là tốc độ góc Năng lượng này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay, vì vậy việc tăng tốc độ sẽ cho phép tích trữ nhiều năng lượng hơn Để bánh đà hoạt động hiệu quả như một thiết bị tích trữ năng lượng, nó cần được quay với tốc độ rất cao và đặt trong môi trường chân không để giảm lực cản Trên thế giới hiện nay, có hai hãng sản xuất bánh đà siêu tốc dựa trên công nghệ KERS, đó là Flybrid và Williams Hybrid Power Bánh đà của Flybrid là hệ thống cơ khí đơn giản, có thể kết nối với các bộ phận quay trong hệ thống truyền lực, từ trục động cơ đến vi sai, và thường được sử dụng với hộp số vô cấp CVT hoặc hộp số truyền thống để tối ưu hóa chi phí.
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng bánh đà [36]
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Các nghiên cứu về hệ thống phanh tái tạo năng lƣợng trên thế giới
Các nghiên cứu gần đây về hệ thống phanh tái sinh đã tập trung vào nhiều khía cạnh quan trọng, bao gồm tính toán và mô phỏng năng lượng thu hồi khi phanh, phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và phanh cơ khí, cũng như phát triển các thuật toán điều khiển và tối ưu hóa lực phanh tái sinh Ngoài ra, vấn đề quản lý năng lượng phanh tái sinh cũng được nghiên cứu sâu rộng Những nghiên cứu này được áp dụng cho nhiều loại xe khác nhau, bao gồm xe điện (EV), xe lai điện (HEV) và xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống Bài viết sẽ phân tích một số công trình tiêu biểu ứng dụng trên các dòng xe này.
1.3.2 Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên xe HEV và EV
Hiện nay, nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh trên xe điện và xe lai điện đang tập trung vào nhiều hướng khác nhau Đối với xe điện, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc thu hồi năng lượng khi phanh, phân phối lực phanh giữa hệ thống phanh tái sinh và phanh cơ khí, cũng như phát triển các thuật toán điều khiển để tối ưu hóa lực phanh tái sinh Một nghiên cứu tiêu biểu sử dụng phần mềm AMESim cho thấy khả năng thu hồi năng lượng từ hệ thống phanh tái sinh có thể cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của xe điện lên đến 30% khi áp dụng cho xe có bốn bánh chủ động Các tác giả G Le Solliec, A Chasse, và M Geamanu cũng đã nghiên cứu các thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa năng lượng thu hồi trong khi vẫn đảm bảo phân phối lực phanh một cách hiệu quả nhất.
[12, 16] Với các tác giả Jinhyun Park , Houn Jeong , In Gyu Jang và Sung-
Ho Hwang đã sử dụng MATLAB/Simulink và CarSim để mô phỏng điều khiển phân phối mô men phanh cho xe điện thông qua phương pháp điều khiển lô gíc mờ Đối với xe lai điện HEV, nghiên cứu gần đây tập trung vào tính toán năng lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái sinh, phát triển các thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa năng lượng thu hồi khi phanh, đồng thời đảm bảo tuân thủ các quy luật phân phối lực phanh và quản lý phân phối năng lượng phanh tái sinh Các nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này bao gồm công trình nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh.
Nghiên cứu của các tác giả XIAO Wen-yong, WANG Feng và ZHUO Bin đã đưa ra 16 tắc tối ưu hóa lực phanh cho xe HEV Đồng thời, tác giả Sanketh S Shetty cũng nghiên cứu về thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái tạo năng lượng cho xe HEV bằng mạng thần kinh nhân tạo Kết quả mô phỏng cho thấy có thể thu hồi từ 30% đến 37% năng lượng trong quá trình phanh, tùy thuộc vào chu trình mô phỏng.
Tác giả Piranavan Suntharalingam đã thực hiện nghiên cứu về việc thu hồi và quản lý năng lượng phanh tái sinh trên xe HEV, sử dụng siêu tụ (Ultra Capacitor) để lưu trữ năng lượng trong quá trình phanh Kết quả thực nghiệm cho thấy năng lượng thu hồi được dao động từ 16,33% đến 17,46%, tùy thuộc vào tốc độ giảm tốc khi phanh của xe.
1.3.3 Hệ thống phanh tái sinh áp dụng trên các dòng xe có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống
Hệ thống phanh tái tạo năng lượng sử dụng bánh đà đã được nghiên cứu từ những năm 1940, với Oerlikon (Thụy Sĩ) phát triển một thiết bị tích trữ năng lượng đặc biệt cho xe buýt, sử dụng bánh đà bằng thép nặng 1500kg, đạt tốc độ tối đa 3000 vòng/phút, cho phép xe di chuyển khoảng 6km Vào những năm 1960, công ty Garrett Air Research cũng đã nghiên cứu và sản xuất bánh đà cho hệ thống phanh tái sinh, phục vụ cho xe buýt và xe thương mại.
Vào năm 1986, General Motors (GM) đã mở rộng nghiên cứu và thiết kế bánh đà cho xe hybrid kiểu cơ khí, với động cơ đốt trong và bánh đà kết hợp, đạt tốc độ quay 12.000 vòng/phút và năng lượng tích trữ lên tới 60Wh, tích hợp hệ thống hộp số CVT Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm không đạt yêu cầu, dẫn đến việc dự án không được tiếp tục Trong những thập niên 80, công ty Layland Bus tại Anh đã thành công trong việc thử nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng kiểu cơ khí với bánh đà làm bằng vật liệu composite và hộp số CVT.
Sau đây là một số nghiên cứu tiêu biểu gần đây về ứng dụng bánh đà trong việc tích trữ năng lƣợng khi phanh:
Nghiên cứu của các tác giả Jefferson and Ackerman[25]
Năm 1996, Jefferson và Ackerman đã thiết kế và thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh với bánh đà composite có mô men quán tính 1.05 kg.m², kết hợp với hộp số CVT KOPP có tỷ số truyền liên tục từ 9.5-1 Bánh đà được thử nghiệm ở tốc độ từ 440 đến 4200 vòng/phút, cho thấy khả năng thu hồi năng lượng lên đến 100kJ tại 4200 vòng/phút Việc sử dụng bánh đà này trong thử nghiệm cho xe điện chạy trên đường ray đã giúp tiết kiệm năng lượng khoảng 24%.
Hình 1.16: Sơ đồ thử nghiệm của các tác giả Jefferson and Ackerman [25]
Nghiên cứu của tác giả R.J.Hayes [26]
Vào năm 1999, dự án nghiên cứu Flywheel Battery (FWB) cho xe buýt điện tại trung tâm nghiên cứu cơ điện tử của Đại học Texas đã được triển khai Nghiên cứu này áp dụng công nghệ bánh đà để nạp lại ắc quy, cung cấp năng lượng cho mô tơ điện nhằm tăng tốc xe Bánh đà được chế tạo từ composite, có công suất 2kWh, kết hợp với mô tơ và máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu cùng ổ bi từ.
Trong thời gian gần đây, Viện Nghiên cứu Công nghệ Liên bang Thụy Sỹ (ETH) đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống truyền lực Hybrid song song, bao gồm các thành phần như động cơ đốt trong, mô tơ/máy phát điện và bánh đà, nhằm phát triển hệ thống phanh tái sinh hiệu quả.
Hệ thống truyền lực bao gồm 18 hộp số CVT và ắc quy 5kWh đã được thử nghiệm với nhiều chế độ lái khác nhau, như chỉ sử dụng động cơ ICE hoặc kết hợp giữa mô tơ và bánh đà Hệ thống điều khiển nạp năng lượng cho bánh đà thông qua động cơ đốt trong và quá trình phanh tái sinh Sau khi thử nghiệm trên băng thử, hệ thống được tích hợp và kiểm tra trên xe, cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu giảm gần một nửa so với xe không sử dụng năng lượng điện từ phanh tái sinh theo chu trình châu Âu (ECE-R15/04).
Hình 1.17: Sơ đồ thử nghiệm của của tác giả R.J.Hayes [26]
Zero Inertia Powertrain at Eindhoven University (2001-06)
Dự án EcoDrive, thực hiện tại trường Đại học công nghệ Eindhoven từ năm 2001 đến 2006, giới thiệu khái niệm hệ thống truyền lực mới mang tên "The Zero Inertia powertrain (ZI)" Mục tiêu của dự án là cải thiện hiệu suất nhiên liệu cho xe thông qua việc điều khiển chia sẻ tải trọng với động cơ Hệ thống này tối ưu hóa các chế độ hoạt động của động cơ bằng cách sử dụng hộp số CVT và bộ bánh đà để tích trữ năng lượng.
Hình 1.18: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh ZI [7]
Hệ thống truyền lực "Idle Stop and Go" là một ứng dụng tiên tiến cho phép xe hoạt động ở chế độ start-stop, trong đó động cơ có thể tắt khi năng lượng từ bánh đà được giải phóng để dẫn động xe Khi phanh, bánh đà sẽ được nạp lại và tích trữ năng lượng, từ đó giúp giảm tiêu hao nhiên liệu cho xe.
Nghiên cứu của Ayala đã thiết kế và thử nghiệm một hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà, cho phép lưu trữ năng lượng trong quá trình phanh Hệ thống này sử dụng bánh đà sợi carbon với mô men quán tính 0.11 kg.m², kết hợp với bộ bánh răng hành tinh kép (PGS) để kết nối với hệ thống truyền lực của xe truyền thống.
Hình 1.19: Sơ đồ hệ thống tích trữ năng lƣợng khi phanh bằng cơ khí [27]
Hệ thống hoạt động với ba chế độ: chế độ trung gian, chế độ phanh tái sinh và chế độ tăng tốc nhờ bánh đà Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống này giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu của xe và giảm khí thải ô nhiễm môi trường nhờ vào việc giảm thời gian hoạt động của động cơ đốt trong.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xác định công suất và lực phanh cần thiết
Để thiết kế và tính toán các thông số cho bộ thu hồi năng lượng khi phanh, trước tiên cần phân tích động lực học và công suất phanh cần thiết cho xe Ta sẽ xem xét phương trình động lực học tổng quát của ô tô khi di chuyển trên đường, đặc biệt là khi xe đang xuống dốc với góc dốc θ và động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng, không có lực kéo tại bánh xe chủ động Các lực tác động lên xe sẽ được mô tả như trong hình vẽ.
Hình 2.1: Các lực tác dụng lên xe
Khi xe xuống dốc và ly hợp được ngắt, phương trình cân bằng lực kéo cho phép toàn bộ lực quán tính của xe được truyền vào bộ thu hồi năng lượng.
Với: F a là lực cản gió [N];ρ là mật độ không khí (kg/m 3 ); C D là hệ số cản gió; V là vận
27 tốc của xe [m/s]; Vwind là vận tốc của gió chống lại sự di chuyển của xe [m/s]
Với: F f1 , F f2 : lực cản lăn ở các bánh xe trước, sau [N]
Trong công thức tính toán liên quan đến xe, khối lượng xe được ký hiệu là m (kg), gia tốc trọng trường là g (m/s²), góc dốc được biểu thị bằng θ (độ), chiều cao trọng tâm xe là h_g (m), và khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió tới mặt đường là h_a (m).
F F fmg f là hệ số cản lăn phụ thuộc vào nhiều nhân tố khác nhau nhƣ:
Tính chất cơ lý và trạng thái của mặt đường, cùng với mức độ biến dạng khi bánh xe lăn, là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn.
Tải trọng tác dụng lên bánh xe là trọng lượng của bánh xe ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số cản lăn Khi tải trọng tăng, biến dạng của lốp và mặt đường cũng tăng, dẫn đến hệ số cản lăn và lực cản lăn gia tăng.
Vật liệu chế tạo lốp và áp suất không khí trong lốp cũng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn
Mômen xoắn tác dụng lên bánh xe chủ động càng lớn sẽ làm tăng hệ số cản lăn Khi trị số mômen xoắn Mk tăng, các thớ lớp không chỉ biến dạng hướng kính mà còn biến dạng tiếp tuyến, dẫn đến tổn thất nội ma sát trong lốp tăng lên và hệ số cản lăn cũng tăng theo.
Các yếu tố như lực ngang Fy, góc lệch bên và góc nghiêng của bánh xe so với mặt thẳng đứng đều có ảnh hưởng tiêu cực đến hệ số cản lăn của bánh xe.
Tốc độ xe là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hệ số cản lăn Thực nghiệm cho thấy, khi tốc độ ôtô dưới 80 km/h (22 m/s), hệ số cản lăn gần như không thay đổi và được tính theo công thức với một đoạn đường là: f1 ≈ f2 ≈ f = const.
Khi tốc độ xe vượt quá 22,2 m/s (80 km/h), hệ số cản lăn sẽ tăng lên rõ rệt do khả năng đàn hồi của các lớp tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường không kịp phục hồi Điều này dẫn đến việc chỉ một phần nhỏ năng lượng tiêu hao do biến dạng được trả lại Hơn nữa, khi tốc độ xe tăng, tốc độ biến dạng cũng gia tăng, làm tăng nội ma sát trong lốp Vì vậy, hệ số cản lăn trong trường hợp này được xác định theo công thức cụ thể.
Với: f 0 – hệ số cản lăn ứng với tốc độ chuyển động của xe v – Vận tốc chuyển động của ôtô tính theo m/s
Giá trị của f 0 cho một số loại đường xem ở bảng 2.1
- Đặc biệt, trong trường hợp ôtô chuyển động trên đường nhựa bêtông và đường nhựa tốt, hệ số cản lăn còn có thể xác định theo công thức:
Bảng 2.1: Hệ số cản lăn của các loại mặt đường
Hệ số cản lăn f 0 cho các loại đường tương ứng với vận tốc v ≤ 22,2 m/s (80 km/h) như sau: Đường nhựa tốt có hệ số cản thấp nhất, tiếp theo là đường nhựa bê tông, đường rải đá, đường đất khô, đường đất sau khi mưa, đường cát, và cuối cùng là đất sau khi cày có hệ số cản cao nhất.
- Giả sử xe đang chuyển động với vận tốc V t Khi xe phanh hoặc giảm tốc thì ta có phương trình cân bằng lực như sau:
F p1 , F p2 : là lực phanh tác dụng lên cầu trước, cầu sau [N]
- Công suất phanh tại thời điểm bất kì đƣợc tính theo công thức [23]:
P p (t) là công suất phanh yêu cầu [W]
V t là vận tốc xe tạo thời điểm t [m/s]
- Công suất phanh của các bánh xe trước, sau [23]:
Đối với các xe được thiết kế với hệ thống phanh tái tạo năng lượng, việc sử dụng hệ thống phanh cơ khí ở bánh xe chủ động là cần thiết để đảm bảo an toàn Do đó, lực phanh Fp2 có thể được tính theo công thức (2.9) [23].
- Công suất phanh tái sinh đối với cầu sau chủ động:
Giả sử xe đang phanh với vận tốc đầu là U và vận tốc cuối là V Do đó, sự biến đổi về động năng đƣợc tính theo công thức [23]:
( ) (2.13) Với: ΔE là sự giảm của động năng [J]; EU, E V là động năng tại thời điểm U và V
Xác định các thông số của bộ thu hồi năng lƣợng quán tính của xe khi phanh
Theo mô hình nghiên cứu đã đề xuất, các thông số của bộ thu hồi năng lượng bao gồm tỷ số truyền của bộ truyền động bánh răng hành tinh, kích thước bánh đà (mô men quán tính), công suất máy phát điện và bộ điều khiển điện tử.
Phương pháp xác định mô men quán tính và tốc độ góc của bánh xe chủ động trong quá trình phanh hoặc giảm tốc được thực hiện dựa trên các phương trình động lực học và thông số của xe thí nghiệm, với tốc độ thử nghiệm giới hạn từ 80 km/h trở xuống Sau khi xác định các giá trị này, SimDriveline trong Matlab Simulink được sử dụng để mô phỏng thử nghiệm ở các chế độ khác nhau và lựa chọn hợp lý các thông số về tỷ số truyền cũng như kích thước bánh đà Xe Toyota Hiace, với các thông số cơ bản được trình bày trong bảng 2.2, được chọn làm đối tượng nghiên cứu, tính toán và thực nghiệm.
Bảng 2.2: Thông số cơ bản của xe Toyota Hiace
Các thông số cơ bản Giá trị
Kích thước và trọng lượng chính
Chiều dài cơ sở(mm) 2570
Chiều rộng cơ sở(mm) 1430
Trọng lƣợng bản thân xe(kg) 1905
Tốc độ tối đa (km/h) 145
Tính năng cơ độngTốc độ tối đa ở các tay số Số 1 32
Công suất tối đa (kW/rpm) 74/5400
Mômen xoắn cực đại (Nm/rpm) 165/2600
Tỷ số truyền ở từng tay số
Tỷ số truyền bộ truyền lực cuối
Diện tích cản chính diện (m 2 ) 2.325
2.2.1 Xác định mô men quán tính của xe trong quá trình phanh hoặc giảm tốc
Để xác định mô men quán tính của xe khi phanh hoặc giảm tốc, cần xem xét lực quán tính của xe đang chuyển động, trừ đi các lực cản như lực cản gió và lực cản lăn Khi xe bắt đầu giảm tốc, mô men tác động vào bánh xe chủ động (đối với xe cầu sau chủ động) sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Mô men tại bánh xe chủ động = Mô men quán tính của xe + Mô men cản dốc – Mô men cản lăn – Mô men cản gió
M f f mg cos r b với r b là bán kính bánh xe
Mô men quán tính (M j) của xe được xác định dựa trên bánh xe chủ động, bao gồm mô men quán tính của chuyển động tịnh tiến và các chi tiết quay trong hệ thống truyền lực như động cơ, ly hợp, hộp số, trục các đăng và bánh xe chủ động Để tính toán mô men quán tính của xe, cần xác định lực quán tính trong trường hợp này.
- Lực quán tính F j tác động lên ô tô khi chuyển động sẽ là:[37]
Trong đó lực quán tính chuyển động tịnh tiến F j ' đƣợc xác định nhƣ sau :
F j là lực quán tính của các chi tiết chuyển động quay, phụ thuộc vào số lượng các chi tiết trong hệ thống Lực này được xác định theo công thức cụ thể.
I e – mômen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác của động cơ quy dẫn về trục khuỷu;
I n – mômen quán tính của chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực
34 đối với trục quay của chính nó
Mômen quán tính của bánh xe chủ động đối với trục quay của nó được ký hiệu là i b, trong khi tỷ số truyền của hệ thống truyền lực được ký hiệu là i t Tỷ số truyền từ chi tiết quay thứ n đến bánh xe chủ động được ký hiệu là i n Hiệu suất của hệ thống truyền lực được ký hiệu là η t, và hiệu suất từ chi tiết quay thứ n đến bánh xe chủ động được ký hiệu là η n.
Từ đây ta có lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là:
Với: I là mô men quán tính tổng cộng của các chi tiết chuyển động quay tính từ động cơ tới bánh xe chủ động
Do đó lực quán tính tổng cộng của xe sẽ là:
Suy ra mô men quán tính tổng cộng của xe quy về bánh xe chủ động đƣợc xác định theo công thức:
Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động là yếu tố quan trọng trong việc xác định chính xác mô men quán tính của xe.
35 phục vụ cho việc tính toán ta phải đi xác định hệ số i Hệ số i có thể xác định theo 2 cách:
1 Xác định I theo công thức thực nghiệm
- Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay quy dẫn về bánh xe chủ động đƣợc xác định theo công thức sau:[39]
Mô men quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết quay khác được xác định theo trục khuỷu thông qua một công thức cụ thể.
( ) 2 2.20 e cgi fw c cr c cyl fw
Với: Icgi là mô men quán tính của trục khuỷu và các chi tiết gắn trên trục [kg.m 2 ];
Mô men quán tính của bánh đà (I fw) được tính bằng kg.m², trong khi khối lượng trục khuỷu (m c) và khối lượng đầu to thanh truyền (m cr) được đo bằng kg Bán kính quay của trục khuỷu (Rc) được tính bằng mét, và số xi lanh của động cơ được ký hiệu là n cyl.
- Mô men quán tính của hộp số I h đƣợc xác định theo công thức[39]
Mô men quán tính của trục sơ cấp của hộp số (trục ly hợp) được ký hiệu là I I [kg.m²], trong khi mô men quán tính của trục trung gian là I II [kg.m²] Tỉ số truyền của cặp bánh răng ăn khớp trong hộp số được ký hiệu là i a Mô men quán tính của bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp là I zk [kg.m²], và tỉ số truyền tương ứng của hộp số với cặp bánh răng gài số thứ k là i k Số lượng bánh răng quay trơn trên trục thứ cấp được ký hiệu là m, trong khi mô men quán tính của bánh răng số lùi là I l [kg.m²] Cuối cùng, tỉ số truyền của các bánh răng số lùi từ trục sơ cấp đến bánh răng số lùi thường xuyên có quan hệ động học với bánh răng trên trục trung gian được ký hiệu là i l.
Việc xác định hệ số khối lượng quay là một quá trình phức tạp, do đó nhiều nghiên cứu thường áp dụng công thức thực nghiệm để xác định giá trị i.
i h : Tỉ số truyền của hộp số
Bảng 2.3: Tính i theo công thức thực nghiệm
Xác định I theo thực nghiệm
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu đáng tin cậy, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành xác định độ bền bằng phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm này được thực hiện trên bệ thử con lăn tại phòng thí nghiệm ô tô thuộc Khoa cơ khí động lực.
Bảng 2.4: Thông số của bệ thử
Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 ru-lô 800 mm
Khoảng cách lớn nhất giữa 2 ru-lô 2300 mm Đường kính bánh xe nhỏ nhất để thử nghiệm 12’’ Đường kính ru-lô 318 mm
Khoảng cách 2 trục lăn 540 mm
Khí nén Tối đa 8 bar
Cung cấp năng lƣợng 230 V/ 50 Hz
Tốc độ kiểm tra Tốc độ tối đa 260 km/h
Công suất bánh xe Tối đa 260 kW
Lực kéo Tối đa 6 kN
Kiểm tra độ chính xác 2 %
Hình 2.2: Thử nghiệm trên bệ thử xe
Trong điều kiện thử nghiệm, xe được đặt trên bệ thử con lăn với bánh xe chủ động (bánh sau) trên con lăn Xe sẽ hoạt động ở từng tay số khác nhau, và khi đạt tốc độ cực đại, thiết bị sẽ đo công suất kéo tại bánh xe chủ động (đường đặc tính số 1) Sau đó, khi nhả ga và ngắt ly hợp, lực quay của bánh xe sẽ là lực quán tính của hệ thống truyền lực và con lăn, được thể hiện qua đường đặc tính công suất cản (đường đặc tính số 2) Thiết bị đo sẽ ghi nhận công suất cản vào con lăn, tương ứng với công suất quán tính của hệ thống truyền lực, từ đó suy ra công suất của động cơ (đường đặc tính số 3) như minh họa trong hình 2.3.
Hình 2.3: Màn hình hiện thị đo
Dựa trên kết quả đo ta có:
qt qt 2.23 qt qt t qt qt qt b b t t
Trong quá trình thử nghiệm, vận tốc xe (v) được đo bằng km/h, trong khi công suất kéo của con lăn (P) được tính bằng kW và lực kéo của con lăn (F) được xác định bằng N thông qua bệ thử Các tham số khác như mô men ngoại lực tác động lên bánh xe chủ động (M) tính bằng Nm và gia tốc góc của bánh xe chủ động (ε) tính bằng m/s² được xác định gián tiếp từ các thông số đo (F, v) của bệ thử.
Với: M k , M c , ε k , ε c - lần lƣợt là mô men ngoại lực và gia tốc góc bánh xe chủ động khi con lăn tăng tốc và giảm tốc
Bảng 2.5: Bảng kết quả tính i theo thực nghiệm
Tay số Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5
Hình 2.4 : Công suất kéo và công suất cản ở từng tay số
Bảng 2.6: Bảng so sánh i lý thuyết và thực nghiệm
Số 1 Số 2 Số 3 Số 4 Số 5
Tỷ lệ thực nghiệm so lý thuyết (%) 7.91 1.69 0.41 0.47 0.66
Kết quả so sánh giữa phương pháp tính toán lý thuyết và thực nghiệm cho hệ số khối lượng quay cho thấy sự chênh lệch không đáng kể, dưới 8% Vì vậy, kết quả từ thực nghiệm sẽ được sử dụng để mô phỏng và tính toán trong các nghiên cứu tiếp theo.