- 1 -

Chương 1
Tổng quan

1. 1 Đặt vấn đề
Hiện nay với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao, trong khi đó
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần. Chính vì điều đó đã đòi hỏi con
người cần phải nỗ lực nghiên cứu các nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn
năng lượng hóa thạch. Từ đó, có rất nhiều nguồn năng lượng mới ra đời đem lại hiệu
quả rất lớn. Không dừng lại ở đó, con người tiếp tục nghiên cứu và đặt ra những yêu
cầu về nguồn năng lượng mới cao hơn, thân thiện với môi trường hơn.
Đã có rất nhiều nguồn năng lượng sạch ra đời như: năng lượng gió, năng lượng
mặt trời Tất cả đều dựa trên nguyên tắc chung là thu hồi các nguồn năng lượng vô
ích trở thành có ích phục vụ cho con người.
Nhận thấy Việt Nam là một nước có mật độ lưu thông cao, xe chạy trên đường
đã sinh ra một công vô ích, xuất phát từ ý tưởng trên thì giải pháp “ Thiết kế thanh
giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông ” đã ra đời và sẽ góp phần tạo nên
một nguồn năng lượng mới để phục vụ cho con người. Hiện nay thì Việt Nam vẫn
chưa thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu hồi năng lượng trên đường giao
thông, mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo thành công thanh giảm tốc được lắp đặt
trên đường có khả năng thu hồi được nguồn năng lượng sinh ra từ các phương tiện
giao thông thành điện năng phục vụ cho thắp sáng đèn đường, các tín hiệu giao thông,
thắp sáng biển báo
1.2 Lịch sử phát triển của đề tài
1.2.1 Ngoài nước
Hiện nay, ở Anh đã thiết kế và chế tạo thành công một loại thanh giảm tốc có
khả năng tạo ra dòng điện mỗi khi có xe chạy ngang qua tác động lên bề mặt kim loại
[8]. Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc chuyển động lên xuống của tấm kim loại
sẽ làm vận hành bộ phận phát điện nằm bên dưới và tùy theo trọng lượng của chiếc xe
- 2 -

- Chi phí rẻ
- Hệ thống phải hoạt động có hiệu quả
- Lắp đặt đơn giản và có tính áp dụng cao
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông hoạt động
hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí cho nên hệ thống hoạt động hoàn toàn dựa vào tác
động của xe và không tốn nguyên liệu để hoạt động.
Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu các loại hình dạng, tiêu chuẩn của các loại thanh
giảm tốc khác nhau, các loại đường và phương tiện tham gia giao thông nhằm đưa ra
phương án hợp lý nhất khi thiết kế chế tạo.
Thời gian nghiên cứu từ tháng 08 đến tháng 12 năm 2012
Địa điểm nghiên cứu tại trường Đại học Lạc Hồng, thanh giảm tốc được thiết kế
để lắp đặt tại cổng trường, ngay vị trí quét thẻ xe máy. - 4 -

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính toán, thiết kế, chế tạo theo từng giai đọan, sau đó
tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất.
Khảo sát thực tế, tìm hiểu hình dạng, chức năng các lọai thanh giảm tốc, kế thừa
những ưu điểm của các đề tài trên thế giới, tìm cách khắc phục những khuyết điểm để
áp dụng vào thiết kế đề tài
Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế hình dáng thanh giảm
tốc trên lý thuyết, thiết kế các cơ cấu truyền động, cơ cấu tăng tốc cho máy phát điện
Giai đọan tiếp theo là tiến hành chế tạo
Giai đoạn cuối là đưa vào kiểm nghiệm hệ thống, tìm ra những phương án chưa
hợp lý từ đó sửa chữa và thay đổi phương án thiết kế kịp thời.
1.6 Cấu trúc của đề tài
Trong đề tài này gồm những nội dung sau:


2.2 Giới thiệu máy phát điện ( Dynamo)
2.2.1 Khái niệm
Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, thông thường sử
dụng nguyên lý cảm ứng điện từ.
Dynamo là máy phát điện đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho công
nghiệp. Dynamo sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi năng lượng quay cơ
học thành dòng điện xoay chiều.

Hình 2.3: Dynamo trong xe ôtô tải Huyndai
2.2.2 Cấu tạo của máy phát điện ( Dynamo)
Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cấu tĩnh mà nó tạo ra từ trường mạnh và
một cuộn dây quay. Ở các máy phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam
châm vĩnh cửu, đối với các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện.

Hình 2.4: Cấu tạo của dynamo xe đạp
- 7 -

2.3 Giới thiệu về Bánh đà
2.3.1 Khái niệm
Bánh đà là một thiết bị cơ khí quay được sử dụng để lưu trữ năng lượng quay.
Bánh đà có mô-men quán tính lớn, và do đó chống lại sự thay đổi tốc độ quay.
Lượng năng lượng được lưu trữ trong một bánh đà tỉ lệ với bình phương tốc độ
quay của nó. Năng lượng được chuyển giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô-
men xoắn đối với nó, do đó gây ra tốc độ quay của nó, và do đó năng lượng lưu trữ
của nó, gia tăng.
Ngược lại, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men
xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm.
2.3.2 Tác dụng của bánh đà
Chúng cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng không liên tục.Ví

bánh đà xe máy, bánh đà trong xe hơi, bánh đà trong máy cưa gỗ….

Hình 2.5: Bánh đà cưa gỗ

Hình 2.6: Bánh đà trong xe ôtô
2.4 Tỷ số truyền
Tỷ số truyền dự kiến ban đầu của toàn bộ hệ thống là 12 lần. Tuy nhiên đề giải
bài toán phân phối tỷ số truyền, hợp lý hơn cả là xuất phát từ một số chỉ tiêu quan
trọng nhất để xây dựng các hàm mục tiêu và chọn phương pháp thích hợp để giải bài
- 9 -

toán tối ưu đa mục tiêu thỏa mãn đồng thời các chỉ tiêu quan trọng như khối lượng
nhỏ nhất, kích thước nhỏ gọn nhất.
Bảng 2.1 Bảng phân phối tỷ số truyền [1]
TST của
hộp u
h
6
HGT
khai
triển
u
1
u
2
u
1
u
2
HGT

3,39
6,07
3,29
5,69
3,51
6,48
3,39
6,07
3,63
6,86
3,50
6,42
3,74
7,23
3,59
6,77
3,84
7,60
3,68
7,12
3,94
7,96
3,77
7,45
4,03

 Công thức tính tỷ số truyền:




phần sau:

- 10 -

2.4.1 Hộp tăng tốc
2.4.1.1 Khái niệm
Trong hệ dẫn động cơ khí thường sử dụng các bộ truyền bánh răng hoặc trục vít
dưới dạng một tổ hợp biệt lập gọi là hộp tăng tốc.
Hộp tăng tốc là cơ cấu truyền động ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi
và được dùng để tăng vận tốc góc và giảm mômen xoắn. Một loại cơ cấu tương tự
nhưng được dùng để giảm vận tốc góc và tăng mômen xoắn được gọi là hộp giảm tốc.
Hộp tăng tốc được sử dụng rộng rãi trong các ngành cơ khí, luyện kim, hóa chất,
trong công nghiệp đóng tàu
2.4.1.2 Phân loại
Tùy theo tỉ số truyền chung của hộp tăng tốc, người ta phân ra: hộp tăng tốc một
cấp và hộp tăng tốc nhiều cấp.
Tùy theo loại truyền động trong hộp tăng tốc phân ra: hộp tăng tốc bánh răng trụ,
hộp tăng tốc bánh răng côn hoặc côn – trụ, hộp tăng tốc trục vít, trục vít – bánh răng
hoặc bánh răng – trục vít.
2.4.1.3 Cấu tạo
Ở đây nhómsử dụnghộp tăng tốc một cấp tốc độ, được cấu tạo từ hai bánh răng
thẳng có tỉ số truyền dự kiến là 4.

Hình 2.7: Bánh răng trong công nghiệp

- 11 -

2.4.2 Bộ truyền xích
Trong hệ thống tăng tốc thì nhóm sẽ sử dụng bộ truyền xích của xe đạp.
2.4.2.1 Cấu tạo

Bạc đạn có nhiệm vụ tạo khớp quay cho trục. Gồm 4 bộ phận chính: vòng ngoài,
vòng trong, con lăn và vòng cách

Hình 2.11 Cấu tạo của bạc đạn
- 13 -

2.5.3 Bạc đạn tiết kiệm năng lượng ( SKF)
Giảm hao phí năng lượng trong động cơ điện với vòng bi cầu tiết kiệm năng
lượng của SKF. Với những thiết kế mới cải tiến tối ưu: vòng cách bằng vật liệu tổng
hợp đặc biệt, mỡ chất lượng cao loại ma sát thấp của SKF và kích thước bao hình theo
tiêu chuẩn ISO hoàn toàn có thể thay thế những loại thông thường (có cùng mã hiệu),
bạc đạn tiết kiệm năng lượng của SKF sẽ giúp cho hệ thống:

Hình 2.12 Bạc đạn SKF
Tăng hiệu suất động cơ điện.
Tăng gấp đôi tuổi thọ vòng bi
Giảm moment ma sát từ 30-50%
Tăng tốc độ quay.
Giảm nhiệt độ vận hành
Chính vì những ưu điểm này nên nhóm nghiên cứu đã sử dụng bạc đạn do hãng
SKF sản xuất, đường kính ngoài 40mm, đường kính trong 17mm.
Khi thiết kế toàn bộ hệ thống nhóm đã sử dụng sáu bạc đạn cho ba trục của hệ
thống.
2.6 Vi điều khiển ATMEGA8
2.6.1 Đặc điểm và tính năng
+ Hiệu suất cao, tiết kiệm điện
- 14 -

+ Hoàn thiện cấu trúc RISC
- 130 lệnh hiệu quả - thực thi tất cả các chu kì đồng hồ đơn

- 8 kênh, 10 bit ADC: 8 kênh đầu cuối đơn, 7 kênh khác nhau (vi phân), 2 kênh
khác nhau với bộ khuyếch đại lập trình được tại 1x, 10x, 200x.
- Bit định hướng với 2 dây giao diện nối tiếp
- Lập trình kép các USARTs nối tiếp
- Giao diện nối tiếp SPI chủ tớ
- Lập trình timer Watchdog với bộ dao động trên chip
- Bộ so sánh tương tự trên chip
+ Các tính năng đặc biệt của bộ vi xử lý
- Thiết lập bật lại nguồn và lập trình lại khi phát hiện nguồn yếu (brown-out)
- Hiệu chỉnh bộ dao động RC bên trong
- Ngắt nguồn trong và ngoài
- 6 chế độ chờ (sleep): Idle nghỉ, giảm ồn ADC, tiết kiệm điện (power-saver),
ngắt điện, chế độ chờ (standby), chế độ chờ mở rộng.
- Phần mềm lựa chọn tần số xung nhịp
+ Cổng vào ra và dạng đóng gói
- 23 ngõ vào ra lập trình được
- 28 chân TQFP và 32 khối QFN/MLF
+ Điện áp hoạt động
- 2,7 – 5,5V Atmega 8L
- 16 -

- 4,5 – 5,5V atmega 8
+ Mức tốc độ xung nhịp
- 0 -8 MHz Atmega 8L
- 0 -16 MHz Atmega 8
2.6.2 Cấu hình chân Hình 2.13 Chân ra của Atmega 8
Atmega 8 là bộ vi xử lý CMOS điện áp thấp dựa trên nền kiến trúc AVR RISC

- Chi phí để chế tạo ra máy phát điện cao, nguyên liệu khó kiếm và chế tạo phức
tạp
- Bộ truyền lớn dẫn đến kích thước của hệ thống rất lớn
- 18 -

- Tuối thọ của hệ thống không cao
3.2.2 Ý tưởng thứ hai
Máy phát điện được sử dụng ở đây gồm hai bộ phận mâm lửa và bánh đà trong
xe máy. Cũng sẽ sử dụng cơ cấu bánh răng nghiêng để chuyển lực từ phương thẳng
đứng sang chuyển động quay.
Bộ phận tăng tốc được thiết kế đơn giản kết hợp với sử dụng thêm một bánh đà
để tăng thêm quán tính và làm đều chuyển động của máy phát.
Thiết kế bộ truyền xích của xe đạp để tăng tốc độ và máy phát có thể quay theo
quán tính của hệ.
Ưu điểm của ý tưởng:
- Hệ thống không sử dụng năng lượng, không gây ô nhiễm, thân thiện với môi
trường
- Hoạt động tương đối ổn định
- Kích thước nhỏ gọn, thuận tiện việc di chuyển và lắp ráp
- Chi phí chế tạo máy phát rẻ, dễ kiếm.
- Giảm thời gian sạc
- Tuổi thọ cao
Nhược điểm:
- Hiệu suất sẽ không được cao
- Yêu cầu về độ chính xác khi gia công cơ khí cao
3.2.3 Chọn phương án tối ưu và hiệu quả nhất
Trong quá trình thiết kế ý tưởng trên lý thuyết nhóm nhận thấy ý tưởng thứ hai là
có tính khả thi cao nhất và hoạt động có hiệu quả nhất bởi có nhiều ưu điểm trong việc
tính toán trên lý thuyết.
3.3 Phương án thiết kế cơ khí

Ở trên
mặt đất
Ở dưới
mặt đất

Hình 3.2: Hình dạng và kích thước của hệ thống
100
350
300
350

Hình 3.3: Hình dạng và kích thước của thanh giảm tốc
3.3.3 Lựa chọn máy phát điện
Máy phát điện sẽ được chế tạo với các yêu cầu sau:
+ Kích thước nhỏ gọn
+ Giá thành tương đối rẻ
- 21 -

+ Hiệu suất cao
+ Phổ biến, dễ làm
Các loại máy phát điện ( dynamo) mà nhóm nghiên cứu chọn:
 Dynamo xe ôtô
Kích thước phù hợp với yêu cầu hệ thống, tuy nhiên tốc độ của dynamo loại xe
ôtô quá lớn mà hệ thống không thể đáp ứng được, phải đạt từ 15vòng/ giây thì mới
sinh ra được điện áp đủ sạc cho acquy

Hình 3.4: Dynamo xe oto
 Máy phát điện tự chế

Hình 3.5: Máy phát điện tự chế 1 pha

Hình 3.8: Bánh răng nghiêng và thanh kim loại có răng nghiêng
Bánh răng được chế tạo từ thép tôi cải thiện ( tôi rồi ram ở nhiệt độ cao), thép
thường hóa hoặc thép đúc để chế tạo bánh răng. Độ rắn bề mặt răng HB<350, để tăng
khả năng chạy mòn của răng ta chọn độ rắn bề mặt răng theo [1, bảng 6.1, trang 92]
Bánh răng: Thép C50 thường hóa, 
















.

Hình 3.9: Hình dạng và kích thước bánh răng nghiêng
Thanh kim loại cũng được chế tạo từ thép tôi cải thiện. Chiều dài thanh thép là
230mm, rộng 20mm, dày 15mm, phần răng ăn khớp dài 40mm.
- 24 -

40
230


Hình 3.12: Sơ đồ hệ thống

F
200
100
230
80
Ø120
Ø60

Hình 3.13: Sơ đồ tính toán lực tác động
3.4.1 Mối quan hệ giữa moment xoắn ngoại lực với công suất và số vòng
quay




với 


vận tốc góc rad/s

Trích đoạn Kết quả thực nghiệm

---