Tài liệu 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)

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 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 Ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số : 60520116 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ BÁ KHANG Chủ tịch hội đồng: Khoa Sau Đại học: PGS.TS. Phạm Hùng Thắng Khánh Hòa - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tôi cũng xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. 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 LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................xi MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ...............................4 1.1. Tổng quan về xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng ........................................4 1.1.1. Lịch sử phát triển ngành công nghiệp ô tô ..................................................4 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.......................................................................................6 1.2. Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô ........................................................11 1.2.1. Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay..........................................................11 1.2.2. Ứng dụng vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, vận hành ô tô...13 1.3. Những yêu cầu cấp thiết về môi trường trong việc hướng đến sử dụng ô tô với nguồn năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời .............................................14 1.3.1. Ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ ô tô gây ra .........................14 1.3.2. Tác hại của các chất ô nhiễm....................................................................16 1.4. Kết luận..........................................................................................................18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ......................................21 2.1. Tổng quan về ô tô ..........................................................................................21 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế khung, vỏ và các hệ thống ô tô ..................22 2.2.1. Lực và momen tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động ................22 2.3. Ô tô sử dụng nguồn năng lượng điện, năng lượng mặt trời ............................27 2.3.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện ..................................................................27 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 3.6.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp............................76 3.6.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng Ru .......76 3.6.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông ..........................77 3.6.4. Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ ...................................................77 3.6.5. Bộ phận điều khiển tốc độ động cơ.........................................................79 3.7. Tính toán, thiết kế hệ thống phanh................................................................83 v 3.7.1. Yêu cầu đối với hệ thống phanh .............................................................83 3.7.2. Phân tích phương án thiết kế hệ thống phanh chính cho ô tô...................84 3.7.3. Tính toán xác định các thông số của hệ thống phanh. .............................87 3.7.4. Tính toán, thiết kế cơ cấu phanh .............................................................89 3.7.5. Thiết kế kỹ thuật hệ thống phanh ...........................................................99 3.8. Tính nguồn điện............................................................................................99 3.8.1. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy...........................................99 3.8.2. Bộ nạp điện ........................................................................................ 101 3.9. Tính toán, thiết kế hệ thống lái.................................................................... 102 3.9.1. Yêu cầu khi tính toán thiết kế hệ thống lái........................................... 102 3.9.2. Phân tích chọn hệ thống lái ................................................................ 103 3.9.3. Chọn hệ thống lái cho ô tô thiết kế ...................................................... 106 3.9.4. Chọn những thông số chủ yếu ............................................................. 107 3.9.5. Thiết kế kỹ thuật hệ thống lái ............................................................. 109 3.10. Phân tích lựa chọn hệ thống treo ............................................................. 109 3.10.1. Nhiệm vụ hệ thống treo ..................................................................... 109 3.10.2. Yêu cầu hệ thống treo........................................................................ 109 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 2.6: Sơ đồ nguyên lý ô tô điện.......................................................................... 27 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin lithium-không khí.............................. 28 Hình 2.8: Sơ đồ cấu tạo của ATmega32 ................................................................... 30 Hình 2.9: Cấu tạo pin mặt trời ................................................................................. 32 Hinh 2.10: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ..................................................... 32 Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của 1 tế bào pin mặt trời ........................................ 33 Hình 2.12: Sơ đồ phân loại vật liệu Composite ......................................................... 35 Hình 2.13: Một số dạng cốt thường gặp ................................................................... 35 Hình 2.14: Ô tô với vật liệu composite của hãng TaTa Motors ................................. 37 Hình 2.15: Cản ô tô bằng Composite của Công ty SX TM&DV Hợp Long Thành .......... 37 vii Hình 2.16: Các sản phẩm bằng vật liệu Composite (cản, nội thất) của Công ty TNHH MTV Hoàng Cương ................................................................................ 37 Hình 2.17: Sơ đồ thuật toán của chương trình RDM ................................................ 44 Hình 3.1: Khung hình chiếc thang ............................................................................ 47 Hình 3.2: Khung hình ống rỗng ............................................................................... 48 Hình 3.3: Khung gầm liền khối ................................................................................. 48 Hình 3.4: Khung gầm liền khối ULSAB .................................................................. 49 Hình 3.5: Khung gầm hình xương sống .................................................................... 50 Hình 3.6: Khung ô tô mô hình thiết kế ..................................................................... 53 Hình 3.7: Sơ đồ phân bố các nút trên khung ô tô trong RDM .................................... 54 Hình 3.8: Mô hình đặt lực trên khung xương ở chế độ phanh gấp ............................ 55 Hình 3.9: Biến dạng của khung xương khi ở chế độ phanh gấp ................................ 56 Hình 3.10: Biểu đồ lực dọc ở chế độ phanh gấp ....................................................... 56 Hình 3.11: Biểu đồ lực cắt ở chế độ phanh gấp ........................................................ 56 Hình 3.12: Biểu đồ mô men xoắn ở chế độ phanh gấp .............................................. 57 Hình 3.13: Biểu đồ mô men uốn ở chế độ phanh gấp ............................................... 57 Hình 3.14: Biểu đồ ứng suất ở chế độ phanh gấp ..................................................... 57 Hình 3.15: Mô tả lực ly tâm khi ô tô quay vòng ........................................................ 58 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 3.39: Van bán dẫn đóng mở bằng Mosfet ....................................................... 78 Hình 3.40: Giản đồ xung .......................................................................................... 78 Hình 3.41: Giản đồ tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh .............................. 79 Hình 3.42: Biểu tượng và ký hiệu điện trở ............................................................... 79 Hình 3.43: Ký hiệu và hình dạng biến trở ................................................................ 79 Hình 3.44: Tụ điện ................................................................................................... 80 Hình 3.45: Diode bán dẫn P - N ............................................................................. 80 Hình 3.46: Hình dạng van (mosfet) .......................................................................... 81 Hình 3.47: Sơ đồ khối của bộ phận điều khiển tốc độ động cơ ................................. 81 Hình 3.48: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ điện DC ............................... 82 Hình 3.49: Sơ đồ khối nguồn ................................................................................... 82 Hình 3.50: Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ ..................................................... 83 Hình 3.51: Hệ thống phanh dẫn động thủy lực ........................................................ 84 Hình 3.52: Các sơ đồ phân dòng .............................................................................. 85 Hình 3.53: Sơ đồ thông số kết cấu của cơ cấu phanh ................................................ 89 Hình 3.54: Sơ đồ xác định góc đặt δ của lực N1 khi áp suất phân bố đều .................. 90 Hình 3.55: Sơ đồ lực tác dụng lên guốc phanh ......................................................... 92 Hình 3.56: Sơ đồ xác định kích thước tấm ma sát .................................................... 93 Hình 3.57: Sơ đồ tính truyền động phanh.................................................................. 96 Hình 3.58: Sơ đồ mắc ắc quy .................................................................................. 100 Hình 3.59: Pin mặt trời trang bị cho ô tô mô hình ...................................................100 Hình 3.60: Bộ sạc điện từ pin mặt trời tới ắc quy .................................................... 101 Hình 3.61: Bộ sạc điện từ điện lưới tới ắc quy ........................................................ 101 ix Hình 3.62: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điện trên ô tô ......................................... 102 Hình 3.63: Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng ......................................................... 103 Hình 3.64: Cơ cấu lái trục vít con lăn ..................................................................... 103 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 2 NĐ-CP Nghị định của chính phủ 3 ĐH Đại học 4 TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh 5 USD 6 NLMT 7 ECM 8 Hybrid 9 V Volt 10 Ah Ampe giờ 11 PWM Pulse Width Modulation United State Dollar Đô la Mỹ Năng lượng mặt trời Electric Control Motor bộ điều khiển motor bằng điện tử Lai giữa hai loại động cơ vôn Phương pháp thay đổi độ rộng xung bằng cách điều chỉnh điện áp ra 12 ADC Analog Digital Converter Bộ nhận tín hiệu analog từ thiết bị ngoại vi của vi điều khiển 13 EVA Ethylene Vinyl Acetate Một loại hạt nhựa 14 R&D Research and Development Nghiên cứu và phát triển 15 EV Electric Vehicle Ô tô điện 16 AHSS Applicant Hiring Status System Thép cường độ cao 17 ULSAB UltraLight Steel Auto Body Một loại khung gầm liền khối 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên vô giá mà trái đất hàng tỷ năm tích lũy được. Nó cung cấp năng lượng cho những phương tiện giao thông, các nhà máy công nghiệp, sưởi ấm các toà nhà và sản sinh ra điện năng phục vụ đời sống con người. Hiện nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp. Trong đó, trữ lượng dầu mỏ được xác định khoảng (1184÷1342) tỉ thùng (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 CO2, ôxít sunphua (SOx), ôxít nitơ (NO2), methane (CH4),…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, CO2, NOx, 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. Hiện nay, việc kiểm soát khí thải phương tiện xe cơ giới tham gia giao thông tại các thành phố lớn là một yêu cầu cấp thiết. Chính phủ đã ban hành Quyết định số 249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005 quy định tiêu chuẩn khí thải tương đương mức Euro 2. Chỉ thị số 46/2004/CT-TTg và Nghị định số 23/2004/NĐ-CP của Chính phủ về việc loại bỏ ô tô quá hạn sử dụng. 2 Nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì sử dụng ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời và ô tô chạy bằng ắc qui điện là giải pháp triệt để nhất cho tình trạng ô nhiễm môi trường bởi khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới hiện nay. Trong thực tế nghiên cứu, hàng ngàn mẫu ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời được thiết kế và chế tạo. Tuy nhiên, tất cả chúng mới chỉ được coi là biểu tượng của khả năng và quyết tâm bảo vệ môi trường của con người. Còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật, kinh tế và xã hội cần giải quyết để ô tô điện mặt trời có thể trở thành phương tiện giao thông thông dụng trong tương lai. - Sử dụng vật liệu mới trong chế tạo vỏ ô tô: 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/galông (tương đương 1 lít xăng đi được 22km) (được áp dụng vào năm 2025), trong khi Liên minh châu Âu (EU) đặt mục tiêu cắt giảm lượng khí thải cácbon điôxít (CO) trung bình của các loại ôtô sản xuất trong khu vực khoảng 33% (2020), tương đương 95 g/km là rất khó khả thi. Kể từ khi động cơ đốt trong được ra đời cùng với vô số những cải tiến về mặt kỹ thuật cũng như công nghệ để đạt được những thành quả ngày nay: hệ thống phun xăng điện tử, thiết kế khí động học, hệ thống thu nạp năng lượng thừa…tất cả những điều này cũng khó có thể giúp động cơ có thể đạt được ngưỡng tiêu chuẩn mức tiêu thu nhiên liệu cũng như khí thải như yêu cầu trên. Đây thự sự là một thách thức đối với các nhà hoạch định. Và hướng đi mà các nhà sản xuất ô tô nghĩ tới để đạt được những yêu cầu trên là sự thay đổi trong vật liệu cấu thành của chiếc ô tô. Điều đó có nghĩa rằng nguyên vật liệu sản xuất ô tô phải có trọng lượng nhẹ hơn nhưng không làm tăng giá thành sản phẩm. Bởi lẽ, một phần 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 thân - vỏ xe ô tô mô hình. 5. Bố cục của luận văn Nội dung chính của luận văn được chia thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời, thân vỏ bằng composite. Chương 2: Cơ sở tính toán, thiết kế mô hình Chương 3: Tính toán, thiết kế khung, vỏ và các hệ thống của ô tô thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện. Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến 6. Giới hạn của đề tài Do thời gian và kinh phí có hạn nên đề tài tập trung tính toán, thiết kế cho một số bộ phận, hệ thống: Khung, hệ thống phanh, bộ phận điều khiển tốc độ động cơ, hệ thống truyền lực, các hệ thống còn lại chủ yếu là tính chọn. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1.1. Tổng quan về xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng 1.1.1. Lịch sử phát triển ngành công nghiệp ô tô [13] Đối với cuộc sống của con người, ô tô là phát minh mang tính cách mạng trong lịch sử ngành giao thông. Năm 1769, một kỹ sư người Pháp tên là Nicolas J Cugnot đã phát minh ra chiếc ô tô đầu tiên có thể chạy trên đường (hình 1.1). Trên thực tế, sản phẩm này là một chiếc máy kéo ba bánh sử dụng động cơ hơi nước được dùng trong quân đội. Tuy nhiên, hoạt động của chiếc ô tô ban đầu rất hạn chế, nó chỉ có thể chạy được liên tục trong vòng 15 phút. Ngoài ra, thiết kế của chiếc xe không phù hợp với việc di chuyển trên đường bởi vì động cơ hơi nước làm cho xe có kích 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 như biến mất do không thể cạnh tranh được với ô tô chạy động cơ đốt trong. Những năm 60, 70 của thế kỷ trước, ngành công nghiệp ô tô phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu: - Vấn đề năng lượng: Các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được. Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển,… - Môi trường đang bị ô nhiễm nghiêm trọng: Một trong những nguyên nhân chính làm môi trường bị ô nhiễm là khí thải từ các phương tiện giao thông (đặc biệt là ô tô). Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này vì nó không có khí thải. Do đó, trong thời kỳ này ô tô điện dần tìm lại được ưu thế của mình, các hãng ô tô đầu tư mạnh mẽ cho việc nghiên cứu, chế tạo các dòng ô tô điện. 6 Đến 1999, Kelly Hart chế tạo thành công chiếc Sunmobile - ô tô Năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới, chiếc xe này sử dụng cả 2 nguồn năng lượng là năng lượng mặt trời và sức đạp của bàn đạp. Sunmobile có thiết kế với 4 bánh xe, 2 chỗ ngồi, và bàn đạp xe đạp. Loại pin được sử dụng là Photovoltaic được lắp ở trên trần xe, vận tốc tối đa 30 km/h và chạy được quãng đường tối đa là 30 km với pin sạc đầy. Hình 1.3: Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên (Sunmobile) Hiện nay, ở các nước phát triển, ngành công nghiệp ô tô đang bị đình trệ do thị trường khá ảm đạm. Ngược lại, ở các nước đang phát triển như Ấn Độ và Brazil, mức tăng trưởng của ngành công nghiệp ô tô luôn cao hơn qua mỗi năm, do sức mua của thị trường ô tô trong nước ngày càng tăng. Bên cạnh thế mạnh là sản xuất dòng ô tô sử dụng động cơ đốt trong với cải tiến về công nghệ (khung, vỏ, động cơ, khung gầm,) thì dòng ô tô sạch (sử dụng nhiên liệu sinh học, pin nhiên nhiệu, năng lượng điện, năng lượng mặt trời,…) cũng được các hãng xe chú trọng nghiên cứu, phát triển. 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, hiệu suất của pin mặt trời thấp. 1.1.2.1. Trên thế giới 1) Hoa Kỳ Năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu ô tô điện Edison tại miền Nam California, Tổng thống Mỹ Barack Obama đã duyệt khoản chi 2,4 tỷ đô la cho việc nghiên cứu ô tô điện và được phân bổ như hình 1.6: Hình 1.5: Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 Từ cơ cấu khoản chi trên, ta thấy rằng nguồn năng lượng và hệ truyền động là những vấn đề then chốt trong nghiên cứu ô tô điện. 2) Châu Âu Xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất là những vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu. Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả nhiên liệu xăng và điện như tên gọi “hybrid”. Thuật ngữ “plug-in” cho biết rằng xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người dùng chỉ cần cắm điện vào nguồn lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên ngoài. Một số dòng xe hybrid đã được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid,…