BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
PHẠM TẠO NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE Ô TÔ
THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
PHỤC VỤ DU LỊCH (PHẦN THIẾT KẾ) LUẬN VĂN THẠC SĨ Khánh Hòa - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
PHẠM TẠO
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE Ô TÔ
Tác giả Phạm Tạo
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn cũng như để có được kết quả như ngày
hôm nay, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động
viên và hướng dẫn của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp .
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Lê Bá Khang, người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin cảm ơn Quí Thầy/Cô Khoa Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Giao
thông, Viện Công nghệ chế tạo Tàu thủy và Xưởng Cơ khí Trường Đại học Nha
Trang đã tạo điều kiện thuận lợi và cung cấp những kiến thức bổ ích để tôi hoàn thành
luận văn.
Dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc rằng đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót
và có những hạn chế nhất định. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của Quí
Thầy/Cô và bạn bè để đề tài hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa 12/2014
Phạm Tạo
iii
MỤC LỤC
Trang
2.3.2. Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) 31
2.4. Vật liệu composite sử dụng chế tạo khung vỏ ô tô 34
iv
2.4.1. Định nghĩa và phân loại 34
2.4.2. Ứng dụng vật liệu composite chế tạo khung vỏ ô tô 36
2.4.3. Cấu trúc vật liệu composite 38
2.4.4. Các thông số cơ bản của nền và cốt 41
2.5. Sử dụng phần mềm chuyên ngành trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô 41
2.5.1. Các phần mềm phổ biến trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô 41
2.5.2. Sử dụng phần mềm RDM trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô mô
hình 43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KHUNG, VỎ VÀ CÁC HỆ THỐNG CỦA Ô TÔ THÂN
VỎBẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH 45
3.1. Mục đích, yêu cầu và các bộ phận, hệ thống xe mô hình cần tính toán, thiết kế 45
3.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung ô tô và các hệ thống 45
3.3. Tính toán, thiết kế khung ô tô 46
3.3.1. Phương pháp chung 46
3.3.2. Tính toán, thiết kế khung ô tô mô hình 47
3.3.3. Tính toán khối lượng khung 52
3.4. Tính toán, thiết kế vỏ 61
3.4.1. Phân tích lựa chọn hình dáng vỏ 61
3.4.2. Thiết kế kỹ thuật vỏ xe 65
3.5. Tính toán, thiết kế hệ thống truyền lực 65
3.5.1. Phân tích và chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực cho ô tô thiết kế 65
3.5.2. Phân tích các phương án bố trí hệ thống truyền lực trên ô tô 66
3.5.3. Tính toán và chọn động cơ điện. 67
3.5.4. Phân tích, chọn truyền lực chính 73
3.6. Tính toán, thiết kế bộ phận điều khiển động cơ DC 75
3.10.3. Chọn hệ thống treo 110
3.10.4. Chọn các bộ phận hệ thống treo 112
3.10.5. Hệ thống treo được chọn 112
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113
4.1. Kết luận 113
4.2. Kiến nghị 113
vi
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Ô tô đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ hơi nước 4
Hình 1.2: Ô tô điện đầu tiên trên thế giới 5
Hình 1.3: Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên (Sunmobile) 6
Hình 1.4: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời của hãng Siemens 6
Hình 1.5: Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 7
Hình 1.6: Xe năng lượng mặt trời của sinh viên ĐH Cần Thơ 9
Hình 1.7: Xe chạy bằng NLMT của ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM 9
Hình 1.8: Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời của sinh viên
ngành ô tô Đại học Nha Trang 10
Hình 1.9: Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe khi va chạm phía trước 11
Hình 1.10: Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe khi va chạm sườn 11
Hình 1.11: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí λ 14
Hình 1.12: Hiệu ứng nhà kính 18
Hình 2.1: Cấu trúc tổng quát của ô tô 21
Hình 2.2: Lực và momen tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động lên dốc, tăng
tốc (trong mặt phẳng dọc) 22
Hình 2.3: Sự phân bố trọng trọng lượng của xe 23
Hình 2.4: Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước 24
Hình 2.5: Sơ đồ biểu diễn lực kéo 26
Hình 3.16: Mô hình đặt lực ở chế độ quay vòng 58
Hình 3.17: Biến dạng của khung xương ở chế độ quay vòng 58
Hình 3.18: Biểu đồ lực dọc ở chế độ quay vòng 58
Hình 3.19: Biểu đồ lực cắt ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.20: Biểu đồ mô mem xoắn ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.21: Biểu đồ mô men uốn ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.23: Mô tả lực cản khí động học của ô tô 62
Hình 3.24: Các mẫu ô tô du lịch 4 chỗ ngồi trên thị trườngvỏ bằng vật liệu Composite 64
Hình 3.25: Vỏ ô tô không chịu tải 64
Hình 3.26: Vỏ ô tô chịu nửa tải 65
Hình 3.27: Cấu hình hệ thống truyền lực cho ô tô điện 66
Hình 3.28: Các loại lực tác dụng lên ô tô 68
Hình 3.29: Các loại động cơ điện 70
viii
Hình 3.30: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện 71
Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 72
Hình 3.32: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện 73
Hình 3.33: Bố trí hệ thống truyền lực của ô tô mô hình 74
Hình 3.34: Sơ đồ bán trục giảm tải
1
/
2
75
Hình 3.35: Đường đặc tính khi điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp 76
Hình 3.36: Đường đặc tính khi điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở 76
Hình 3.37: Đường đặc tính khi điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông 77
Hình 3.38: Đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM 77
Hình 3.65: Cơ cấu lái trục vít chốt quay 104
Hình 3.66: Cơ cấu lái trục vít - cung răng 105
Hình 3.67: Dẫn động lái 3 khâu 106
Hình 3.68: Dẫn động lái 6 khâu 106
Hình 3.69: Sơ đồ dẫn động lái 107
Hình 3.70: Các thông số của hình thang lái 107
Hình 3.71: Sơ đồ quay vòng của ô tô 108
Hình 3.72: Hệ thống treo độc lập 110
Hình 3.73: Phương án chọn hệ thống treo trước 111
Hình 3.74: Hệ thống treo phụ thuộc 111
Hình 3.75: Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp lá 111
Hình 3.76: Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng lò xo trụ 111 x
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 3.1: Bảng tính toán tổng khối lượng ô tô mô hình 53
Bảng 3.2: Thông số hệ số cản theo các loại hình dạng thân ô tô khác nhau 63
xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT
Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa của từ
1 CT-TTg Chỉ thị của thủ tướng
(theo số liệu thống kê của cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ EIA trong giai đoạn
2007 - 2009) trong khi sản lượng tiêu thụ hàng năm là 85,896 triệu thùng/ngày.
Tốc độ khai thác sử dụng các nguồn nhiên liệu trên so với trữ lượng của chúng
đang dấy lên hồi chuông cảnh báo về việc cạn kiệt năng lượng hóa thạch trong tương
lai. Vì vậy, việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng và tránh sự phụ thuộc vào năng
lượng hóa thạch là một trong những mục tiêu hàng đầu của các nhà khoa học trên toàn
thế giới.
Bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ
thải ra CO
2
, ôxít sunphua (SO
x
), ôxít nitơ (NO
2
), methane (CH
4
),…Những khí này là
nguyên nhân gây ra tác hại to lớn đối với môi trường sống và ảnh hưởng trực tiếp đến
chính con người như: Mưa axit, sự nóng lên toàn cầu, gây ra nhiều bệnh tật, gây ra các
tranh chấp trên toàn cầu…
Trong các nguồn gây ô nhiễm không khí, ô nhiễm do động cơ đốt trên ô tô phát
thải là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất. Trong quá trình hoạt động, động cơ đốt trong ô tô
thải ra các chất gây ô nhiễm như CO, CO
2
, NO
x
, HC, Ngoài việc gây ô nhiễm trực
tiếp, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp để tạo
ra các tác nhân khác, gây ảnh hưởng xấu đến con người cũng như đến môi trường sinh
thái, khí hậu.
nhiên liệu tiêu thụ và khí thải sinh ra khi động cơ hoạt động được dùng để thắng lực
cản do tự trọng của xe gây nên.
Các công nghệ gần đây đã được phát triển như là thép siêu nhẹ (HSS) hay sợi
pôlyme các-bon (CFRP) đã tiêu tốn khá nhiều chi phí cho các nhà sản xuất. Nhu cầu
về một loại vật liệu vừa nhẹ, bền, có khả năng chống chọi va đập phải được cân bằng
với các yêu cầu khác về tối đa hóa ứng dụng của dây chuyền sản xuất hiện tại và vấn
đề này cũng đặt ra câu hỏi liên quan đến việc tiếp cận với nhưng vật liệu hoàn toàn xa
lạ của quy trình sản xuất hiện nay hay nguồn cung cho các loại vật liệu đó
3
Với những phân tích trên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô
hình xe ô tô thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và
năng lượng điện phục vụ du lịch” (phần thiết kế) để thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế mô hình xe 4 chỗ ngồi, thân - vỏ bằng vật liệu Composite, sử dụng
năng lượng mặt trời và năng lượng điện.
3. Phương pháp và trình tự nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm
Trình tự nghiên cứu:
- Khảo sát yêu cầu kỹ thuật của xe ôtô điện.
- Tính toán các yếu tố lực tác động lên xe, các yêu cầu về tốc độ của xe, từ đó
thiết kế sơ bộ mô hình.
- Xây dựng phương án chế tạo mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt ra.
- Tính toán thiết kế khung, vỏ và các hệ thống dựa vào yêu cầu kỹ thuật của xe.
- Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh mô hình.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời, điện và ứng dụng năng lượng mặt trời,
điện cho ô tô.
- Cơ sở lý thuyết và tính toán khung vỏ, các hệ thống của mô hình.
- Vật liệu Composite, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu Composite vào chế tạo
thước rất lớn và nặng. Hình 1.1: Ô tô đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ hơi nước
Vào khoảng những năm 1832 -1839, Robert Anderson người Scotland đã phát
minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên. Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là
Thomas Davenport và Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử
dụng cho ô tô điện. Đến năm 1865, Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao
khả năng lưu trữ điện trong pin, giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường
dài hơn. Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ
thống giao thông vào cuối thế kỷ 18.
5
Chiếc xe đua La Jamais Contente (1899) Edison và chiếc xe Detroit (1914)
Hình 1.2: Ô tô điện đầu tiên trên thế giới
Đến đầu thế kỷ XX, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt
trong do những nguyên nhân chính sau:
- Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến
việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu. Vấn đề nhiên liệu
cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản.
- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750 USD,
trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD.
- Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô có
những tiến bộ vượt bậc: Charles Kettering đã phát minh ra hệ thống khởi động cho xe
chạy xăng, ngành công nghiệp ô tô cuối cùng cũng đã đến tuổi trưởng thành, với số
lượng lớn ô tô được sản xuất bằng dây chuyền lắp ráp của nhà máy sản xuất ô tô của
Henry Ford bởi Henry Ford vào năm 1914. Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần
1.1.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển về xe ô tô sử dụng năng lượng điện kết
hợp 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 sáng mặt trời và tạo ra dòng điện.
Hình 1.4: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời của hãng Siemens
7
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.
+ 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, h
iệu suất của pin mặt trời thấp.
Trong giới nghiên cứu, các trường ĐH lớn ở Nhật đều có những phòng thí
nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện. Trung tâm nghiên cứu dưới sự lãnh đạo
của giáo sư Yoichi Hori (sau đây gọi tắt là Hori-Lab) tại viện khoa học công nghiệp.
Trường ĐH Tokyo là một trong những đơn vị tiên phong nghiên cứu về xe điện tại
Nhật Bản. Những nghiên cứu của Hori-Lab tập trung vào 2 lĩnh vực chính: Điều khiển
chuyển động (Motion Control) và Hệ thống năng lượng cho xe (Vehicle Power
System).
Lĩnh vực điều khiển chuyển động được thực hiện với những nhánh sau:
- Điều khiển chuyển động bám mặt đường.
- Điều khiển ổn định động học thân xe trên cơ sở quan sát các biến trạng thái và
quan sát nhiễu.
- Điều khiển hệ thống lái.
Lĩnh vực nghiên cứu hệ thống năng lượng cho xe được tập trung vào hai
nhánh chính:
- Sử dụng công nghệ siêu tụ điện (Ultra-capacitor) tích trữ năng lượng.
- Sử dụng công nghệ truyền tải điện không dây (Wireless Power Transmission).
Các nghiên cứu của Hori-Lab đều được thực nghiệm trên hệ thống xe điện thí
nghiệm xây dựng tại trung tâm gồm xe UOT Electric March I, II sử dụng nguồn ắc
quy và hệ thống xe điện nhỏ COMS 1, 2, 3 chạy hoàn toàn bằng siêu tụ điện.
4) Hàn Quốc và Trung Quốc
Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác mạnh
mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc viện khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc
(KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình hoạt
9
động (OnLine Electric Vehicle - OLEV). Các sản phẩm xe bus điện thuộc dự án này đang
chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và công viên Grand Seoul.
Tại Thượng Hải, Trung Quốc, xe bus điện sử dụng siêu tụ của hãng SINAUTEC đang
gây tiếng vang mạnh mẽ. Siêu tụ được nạp nhanh chóng tại mỗi điểm dừng của xe bus.
1.1.2.2. Tại Việt Nam
lượng mặt trời của ĐH Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Cần Thơ, Đại học Nha Trang, nhà
sáng chế Trần Văn Tâm,…rất đáng được khích lệ và biểu dương. Tuy nhiên, những
chiếc xe này được chế tạo với phương pháp thủ công, chưa có hàm lượng khoa học và
quy trình công nghệ.
Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới thì
tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa
học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách. Ở Việt Nam chưa hề có một
nghiên cứu nào thực sự bài bản, khoa học và mang tính hệ thống về ô tô điện. Chúng ta
cần nhanh chóng đầu tư, triển khai nghiên cứu lĩnh vực này nếu không muốn bị lệ thuộc
vào thế giới.
11
1.2. Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô [14]
1.2.1. Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay
Vỏ ô tô thể hiện cá tính của người sử dụng mà còn chứa đựng những công nghệ
tiên tiến hàng đầu trong ngành công nghệ chế tạo ô tô hiện nay. Đó là công nghệ vật
liệu, gia công, lắp ráp, chống ồn, an toàn,…mang lại cảm giác thỏa mái, chắc chắn,
thanh thoát cho người tiêu dùng.
+ Vật liệu truyền thống quan trọng nhất trong thành phần cấu tạo vỏ ô tô là
thép. Sự kết hợp tinh tế giữa thép và các loại vật liệu khác như composite và kim loại
nhẹ là lựa chọn tối ưu cho vỏ ô tô trên dòng phổ thông, bởi chi phí sản xuất thấp,
nguồn nguyên liệu dồi dào. Tuy nhiên, vật liệu thép làm tăng khối lượng của ô tô dẫn
đến tăng suất tiêu hao nhiên liệu, rất khó định hình (với các loại thép thông thường, có
độ cứng cao) .Vì thế, thành phần thép trong ô tô được cắt giảm đáng kể, việc này đòi
hỏi các nhà khoa học vật liệu nghiên cứu vật liệu thay thế thép thông thường bằng thép
nano có độ cứng vững cao nhưng dễ định hình, tạo thuận lợi cho quá trình gia công để
tạo ra các sản phẩm chất lượng cao.
+ Hợp kim nhôm: Vật liệu nhôm được áp dụng đã cung cấp giải pháp kỹ thuật
lý tưởng, bởi mật độ hạt của nó chỉ bằng một phần ba của thép và đặc biệt là đáp ứng
vật liệu chịu lực tốt hơn
Theo quan điểm của các nhà sản xuất ô tô, mức tiêu thụ nhiên liệu do Chính phủ
Liên bang Hoa Kỳ đặt ra là 54,5 dặm/gallon (tương đương 1l xăng/22km) là quá khắt
khe và khó khả thi, trong khi thời hạn chót cho tiêu chuẩn đó là năm 2025. Nó đồng
nghĩa với việc nguyên vật liệu sản xuất ô tô phải có trọng lượng nhẹ hơn với giá rẻ hơn.
Đây là một thách thức đối với các nhà khoa học, nhà đầu tư trong lĩnh vực ô tô.
Các công nghệ gần đây đã được phát triển như là thép siêu nhẹ (HSS) hay sợi
pôlyme các-bon (CFRP) đã tiêu tốn khá nhiều chi phí cho các nhà sản xuất. Nhu cầu về
một loại vật liệu vừa nhẹ, bền, có khả năng chống chọi va đập phải được cân bằng với
các yêu cầu khác: Dây chuyền sản xuất, nguồn cung cho các loại vật liệu hiện nay,…
+ Vật liệu nhẹ
Ngày nay, trong ô tô, các chi tiết bộ phận làm từ thép chiếm ¾ khối lượng xe,
phần lớn là thép lá nhẹ. Tỷ lệ thép trong vật liệu cũng ngày càng giảm đi theo từng
mẫu xe mỗi năm do thành phần nhôm và phi kim (khoảng 8%) và nhựa (khoảng 11%)
được kết hợp trong những mẫu ô tô đời mới.
Gần đây, chuyên gia hàng đầu của Volkswagen khẳng định: Chúng tôi chọn vật
liệu đúng và đặt nó vào đúng chỗ của nó. Nhưng câu hỏi đặt ra là, vật liệu nào được
gọi là vật liệu “đúng”.
Copyright: Tài liệu đại học ©