ĐỒ ÁN THIẾT KẾ TỔNG THỂ ÔTÔ ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ...

MỤC LỤC

MỤC LỤC.. 1

LỜI NÓI ĐẦU.. 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.. 4

1.1. Sự khác biệt giữa xe điện sử dụng năng lượng mặt trời và xe tiết kiệm nhiên liệu  4

1.2. Nguyên lý chung của xe điện có sử dụng năng lượng mặt trời 5

1.3. Các mẫu xe hiện có. 6

1.3.1 Sự phát triển của ô tô điện trên thế giới 6

1.3.2 Ô tô điện ở Việt Nam.. 9

1.4. Lựa chọn phương án thiết kế. 11

1.4.1 Các yêu cầu đối với xe thiết kế. 11

1.4.2 Thiết kế tuyến hình. 12

1.4.3 Ắc quy. 13

1.4.4 Pin năng lượng mặt trời 15

1.4.5 Động cơ. 16

2.3.1 Hệ thống truyền lực. 17

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỔNG THỂ.. 19

2.1. Bố trí tổng thể. 19

2.2. Xác định các thông số kích thước và trọng lượng. 20

2.2.1 Khung xe. 20

2.2.2 Tấm pin năng lượng mặt trời 25

2.2.3 Ắc quy. 26

2.2.4 Các hệ thống khác. 27

2.2.5 Động cơ. 27

2.2.6 Phân bố trọng lượng ô tô. 29

2.3. Lựa chọn các hệ thống khác cho xe. 33

2.3.2 Hệ thống treo. 33

2.3.3 Hệ thống phanh. 35

2.3.4 Hệ thống lái 36

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KÉO.. 38

3.1. Đặc tính động cơ điện kéo. 38

3.2. Tính toán động lực học kéo. 40

3.2.1 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo của xe khi sử dụng động cơ điện. 40

3.2.2 Xây dựng đặc tính nhân tố động lực học. 42

3.2.3 Xây dựng đồ thị cân bằng công suất 43

3.2.4 Xây dựng đồ thị gia tốc. 44

3.2.5 Xây dựng đồ thị thời gian tăng tốc. 46

3.2.6 Khả năng leo dốc của ô tô. 48

KẾT LUẬN.. 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 51

MỞ ĐẦU

   Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô hiện đại luôn phải đối mặt với hai vấn đề lớn là sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu truyền thống và ô nhiễm môi trường. Một trong những phương pháp để giải quyết hai vấn đề này là chúng ta phải chế tạo được những mẫu xe sử dụng nguồn nhiên liệu sạch, tái tạo và dưới sự gợi ý của PGS. TS. Nguyễn Văn Bang em đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế ô tô điện có sử dụng năng lượng mặt trời” làm đề tài tốt nghiệp với mong muốn có thể góp một phần nào đó giúp giải quyết những vấn đề trên.

   Mục tiêu của đề tài là thiết kế ra một chiếc ô tô điện có sử dụng năng lượng mặt trời, hoạt động trong công viên hoặc những khu vui chơi chở được một người và một người lái, có vận tốc tối đa là 40 km/h, khả năng vượt dốc α = 10%.

   Phương pháp nghiên cứu: Tổng hợp những kiến thức đã được học và sử dụng thêm các tài liệu tham khảo để thiết kế ra một chiếc xe ô tô điện có sử dụng năng lượng mặt trời phù hợp với điều kiện đường xá, khí hậu ở Việt Nam hiện nay.

   Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng do kiến thức và thời gian có hạn, thiếu kinh nghiệm thực tế, đồ án thiết kế này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: PGS.TS.……......... cùng các thầy cô trong bộ môn Cơ khí ô tô bằng thiện chí và nhiệt tình nghề nghiệp đã chỉ bảo và hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài.

                                                                                                   …., Ngày … tháng … năm 20…                                                       

                                       Sinh viên thực hiện

                                      ……………..

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1.1. Sự khác biệt giữa xe điện sử dụng năng lượng mặt trời và xe tiết kiệm nhiên liệu

Hiện nay, để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn nhiên liệu, ngành công nghiệp ô tô có hai phương pháp tiếp cận:

- Chế tạo những mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu.

- Chế tạo những mẫu xe sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo, thân thiện với môi trường.

Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm khác nhau, và để thấy rõ được lợi thế của từng phương pháp, chúng ta đi vào phân tích sự khác biệt giữa xe tiết kiệm nhiên liệu và xe sử dụng nhiên liệu tái tạo, cụ thể ở đây là xe điện sử dụng năng lượng mặt trời.

+ Sự khác biệt về hệ thống năng lượng

Xe tiết kiệm nhiên liệu vẫn sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống: xăng, dầu diesel…

Xe điện sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng điện từ năng lượng mặt trời và lưới điện dân dụng được tích trữ trong bình ắc quy. Ngoài ra trên xe điện sử dụng năng lượng mặt trời còn có thêm bộ phận quản lý năng lượng để điều tiết việc sạc ắc quy và hệ thống pin năng lượng mặt trời được đặt trên nóc xe.

+ Sự khác biệt về nguồn động lực

Xe tiết kiệm nhiên liệu vẫn sử dụng động cơ đốt trong với những hệ thống được cải tiến để đảm bao xe tiêu thụ ít nhiên liệu hơn.

Xe điện năng lượng mặt trời sử dụng động cơ điện. Động cơ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp động cơ thông qua bộ băm điện áp.

 Với những sự khác biệt trên, xe điện sử dụng năng lượng mặt trời sẽ giải quyết được triệt để hai bài toán: cạn kệt nguồn năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường. Trong tương lai, khi khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại, xe điện sử dụng năng lượng mặt trời hoàn toàn có thể trở thành sản phẩm chủ đạo của ngành công nghiệp ô tô hiện đại.

1.2. Nguyên lý chung của xe điện có sử dụng năng lượng mặt trời

Sơ đồ nguyên lý xe điện mặt trời gồm: động cơ điện, bộ điều khiển motor bằng điện tử, tấm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, bộ nguồn (bình điện), hệ thống cáp, vỏ xe, khung xe, hệ thống phanh, treo, lái và các hệ thống điện trên xe.

Nguyên lý làm việc: Động cơ điện được cung cấp nguồn từ ắc quy, thông qua hệ thống truyền lực truyền momen tới bánh xe chủ động. Động cơ được điều khiển bởi một bộ điều khiển động cơ riêng biệt, nó lấy tín hiệu từ bàn đạp ga để xác định tốc độ tương ứng, để lùi xe dùng mạch đảo chiều dòng điện để đảo chiều quay động cơ. Ắc quy được nạp điện từ hai nguồn: tấm pin năng lượng mặt trời và nguồn điện dân dụng. Những hệ thống khác trên xe hoạt động tương tự như một chiếc ô tô bình thường.

+ Bộ điều khiển sạc: Là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời.

+ Động cơ điện: Cung cấp mô men cho bánh xe chủ động. Có hai loại động cơ điện (motor) thông dụng sử dụng trên ô tô có sử dụng năng lượng mặt trời: Động cơ điện xoay chiều (AC) và động cơ điện một chiều (DC).

+ Bình điện (Ắc quy): Trên xe điện ắc quy là nguồn năng lượng chính, dùng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện và cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải khác ngay cả khi động cơ điện không làm việc.

+ Pin mặt trời: Là loại pin phát sinh điện áp khi được chiếu sáng, nguồn điện để nạp cho ắc quy.

+ Bộ điều khiển motor bằng điện tử: Mạch này có chức năng cấp dòng điều khiển động cơ điện chuyển động theo tốc độ mong muốn, đảm bảo đổi chiều động cơ điện cho trường hợp lùi xe, đảm bảo tương quan vận tốc của 2 bánh xe chủ động trong và ngoài khi xe quay vòng.

1.3. Các mẫu xe hiện có

1.3.1. Sự phát triển của ô tô điện trên thế giới

Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra xe điện đầu tiên. Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotsmen Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện. 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.

Như vậy xe điện đã được phát triển từ khá lâu. Thậm chí chúng còn thông dụng hơn xe chạy xăng vào thời kỳ đầu của xe hơi. Có nhiều hãng sản xuất xe điện vào thời đó như Babcock Electric (1916 - 1912), Baker Electric (1899 - 1916), Ohio Electric (1908 - 1918)… Detroit Electric là nhà sản xuất xe điện nổi tiếng nhất và tồn tại lâu nhất, từ 1907 đến tận 1942.

Đến đầu thế kỷ 20, với những tiến bộ vượt bậc về công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô, cùng với việc người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới, thì giá thành của một chiếc xe điện lớn hơn rất nhiều so với những chiếc xe chạy bằng xăng. Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe chạy động cơ đốt trong.

Tuy nhiên, bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu: vấn đề về năng lượng và vấn đề về ô nhiễm môi trường. Với những ưu điểm của mình, ô tô điện được coi là giải pháp tối ưu cho cả hai vấn đề lớn trên. Vì vậy, từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây ô tô điện càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới.

Sau đây là một số mẫu xe điện đã từng được nghiên cứu và phát triển:

- Năm 1974 chiếc xe Serbing - Vanguard Citicar có giới hạn chạy 80 km và tốc độ tối đa 45 km/h đã tạo nên một cơn sốt xe cỡ nhỏ. Sau đó, tập đoàn Commuter Vehicles đã mua lại thiết kế Citicar và đổi tên là Commuta - Car. Với 4.300 chiếc được tiêu thụ, Citicar, hay Comuta-car, hiện đang giữ kỷ lục về lượng xe điện sản xuất trong lịch sử ngành ô tô.

- Năm 2004, Chrysler đã đầu tư vào hãng sản xuất xe điện Global Electric Motocar và cho ra đời NEV (Neighborhood electric vehicle). Mặc dù chỉ có vận tốc tối đa 40 km/h và giới hạn chạy 48 km nhưng những chiếc xe của GEM được ứng dụng khá rộng rãi và phù hợp yêu cầu của nhiều loại hình công việc: Đi dạo tuần tra đường phố hoặc công viên, chở khách du lịch, bán hàng lưu động, sử dụng trong bệnh viện, sân bay hay sân gôn…Đến nay, hơn 35 nghìn chiếc GEM đã được sản xuất và tiêu thụ và tiềm năng của GEM vẫn còn rất lớn.

- 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.

1.3.2. Ô tô điện tại Việt Nam

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.

Trong vài năm trở lại đây, một số sản phẩm xe điện mang tính thử nghiệm đã được nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và những nhà sáng chế không chuyên. Một số sản phẩm mang tính sao chép đơn thuần, chế tác lại về mẫu mã và sau đó cũng không tiếp tục phát triển. Có thể kể ra một số sản phẩm do người Việt tự thiết kế và chế tạo:

- Năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - thành phố Hồ Chí Minh đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chứa 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V - 800W, 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần.

- Xe điện dùng trong công viên của hãng Mai Linh.

- Tháng 3 - 2012, các sinh viên Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Ô tô (thuộc Khoa Kỹ thuật Giao thông của Trường đại học Nha Trang) bắt đầu nghiên cứu chế tạo mô hình ô tô sử dụng ánh sáng mặt trời kết hợp với năng lượng điện với tổng chi phí hơn 40 triệu đồng. Các thông số kỹ thuật của ô tô như sau:

Trên xe có động cơ điện 1100 W.

Xe sử dụng hai tấm pin năng lượng mặt trời ( mỗi tấm có kích thước 1200 x 540 x 35 mm), công suất pin 85 Wp.

Xe sử dụng ắc quy loại 12V - 35Ah.

Xe chở được 2 người.

Có thể chạy với tốc độ tối đa 30 km/h.

Cung cấp sức mạnh cho xe là động cơ điện 3 kW, năng lượng tích trữ trong 5 khối ắc quy nước, có tùy chọn loại lithium-ion. Tốc độ tối đa của xe khoảng 40 Km/h. Nếu chạy đều ở tốc độ này, Dolphin đi hết quãng đường 120 km mỗi lần sạc. Cổng sạc phía đuôi xe trực tiếp kết nối với nguồn điện gia đình 220V.

Ta thấy, trong khi thế giới đã có những bước tiến lớn trong công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam cho đến nay vẫn đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này. Nếu không nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta sẽ lại tiếp tục bị lệ thuộc vào thế giới.

1.4. Lựa chọn phương án thiết kế

1.4.1. Các yêu cầu đối với xe thiết kế

- Số chỗ ngồi: 2 (đủ cho 2 người sử dụng xe phục vụ mục đích cá nhân).

- Vận tốc: Vận tốc cực đại của xe thiết kế  Vmax = 40km/h.

- Điều kiện đường: xe chạy trong công viên hoặc các khu vui chơi nên chọn loại đường xe chạy là bê tông nhựa tốt.

+ Hệ số cản lăn: 0,015                      

+ Hệ số bám: 0,7

+ Độ dốc: 10%

- Đảm bảo yêu cầu cơ bản đối với ô tô: Khả năng mang tải, khả năng gia tốc, giảm tốc, dừng, khởi động dễ dàng, khả năng quay vòng, khả năng vượt dốc (trong 1 giới hạn nào đó), độ ổn định.

- Thuận lợi cho bố trí hệ thống truyền lực, sàn xe thấp, mở rộng tầm nhìn của người lái, thoáng mát, lên xuống thuận lợi, trọng lượng kết cấu nhỏ.

- Ngoài ra, cần phải đảm bảo được an toàn giao thông và có mức tiêu hao năng lượng thấp.

1.4.2. Tuyến hình xe

10.Vị trí để hành lý; 11. Bộ điều khiển tấm pin.

1.4.3. Ắc quy

- Ắc quy chì - axít:

Ắc quy chì - axít là một trong những kiểu ắc quy đầu tiên trên thế giới, nó được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, vận hành an toàn. Tuy nhiên, loại ắc quy này có mật độ năng lượng thấp nên rất nặng, tuổi thọ kém (thường là 3 năm với điều kiện vận hành đúng tiêu chuẩn), nạp chậm và khó tái chế.

- Ắc quy Lithium - ion:

Ắc quy Lithium - Ion là dòng ắc quy đang được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô điện đang và sắp được thương mại hóa vì nó có mật độ năng lượng cao nhất trong các loại ắc quy, khả năng nạp nhanh tốt (30 phút có thể nạp được 80%), tuổi thọ cao (có thể lên tới 10 năm). Cho đến nay, đây là loại ắc quy được sử dụng phổ biến nhất cho ô tô điện trong nghiên cứu và trong công nghiệp.

- Pin nhiên liệu - Fuel Cell:

Trên phương diện hóa học, Fuel Cell được cấu tạo dựa nguyên lý: oxy và hydro phản ứng tạo ra nước và giải phóng điện năng. Theo đánh giá, Fuel Cell là loại nguồn có mật độ năng lượng cao nhất có thể sử dụng cho ô tô điện. Với nhiều ưu điểm về mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu là nguồn khí tự nhiên vô tận (oxy và hydro), Fuel Cell rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay. Tuy vậy, công nghệ này đến giờ vẫn chưa được đưa vào các sản phẩm thương mại. Một trong những vấn đề quan trọng là tính an toàn. Nếu xảy ra sự cố, bình khí hydro lớn sẽ nổ không khác gì một quả bom thực sự.

- Siêu tụ điện Ultra - Capacitor:

Tụ điện tích trữ điện năng không phải bằng phản ứng hóa học như ắc quy mà bằng các tương tác vật lý giữa các điện cực và điện tích. Bởi vậy, tụ điện có khả năng phóng và nạp điện rất nhanh so với ắc quy. Siêu tụ, bản chất là tụ điện, vẫn giữ được đặc tính này, do đó siêu tụ có mật độ công suất rất lớn. Bên cạnh đó, điện dung lớn tới hàng nghìn Fara cho phép siêu tụ tích trữ một lượng điện năng lớn, điều này cho phép siêu tụ có thể hoạt động như một nguồn chứa năng lượng trong khi các tụ điện thông thường chỉ có vai trò là phần tử phóng - nạp trong quá trình trao đổi năng lượng.

Với công nghệ tại thời điểm hiện tại, siêu tụ điện chưa đủ khả năng cung cấp nguồn cho ô tô điện chạy trên một quãng đường dài như ắc quy hay fuel cell. Nó chỉ được dùng như một nguồn phụ, đặc biệt hữu dụng trong quá trình hãm tái sinh năng lượng do có khả năng nạp rất nhanh.

Kết luận: với điều kiện thực tế tại Việt Nam và yêu cầu đặt ra đối với xe thiết kế ta chọn phương án sử dụng ắc quy Lithium – Ion là phương án tối ưu nhất.

1.4.4. Pin năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời được xem là giải pháp hữu hiệu trong việc giải quyết bài toán tìm kiếm và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế, bởi nó là nguồn năng lượng vô tận và không gây ô nhiễm môi trường. Năng lượng mặt trời được biểu hiện dưới dạng nhiệt năng và quang năng được dùng trong các ứng dụng trực tiếp như sưởi ấm, chiếu sáng…Tuy còn sử dụng giới hạn nhưng năng lượng mặt trời là nhân tố chính của năng lượng tái tạo hứa hẹn là nguồn cung cấp điện cho tương lai.

Hiện nay trên thị trường phổ biến hai loại pin năng lượng mặt trời là monocrystalline (đơn tinh thể) và polycrystalline (đa tinh thể). Một tế bào monocrystalline gồm một thỏi tinh thể duy nhất, một tế bào polycrystalline chứa nhiều cấu trúc tinh thể. Cả hai loại pin đều được làm từ các thỏi silic nhưng ở monocrystalline yêu cầu độ tinh khiết cao hơn, do đó mà monocrystalline cũng có hiệu suất tốt hơn.

Kết luận: Vì pin năng lượng mặt trời là một hệ thống quan trọng, cung cấp năng lượng cho xe nên ta cần chọn tấm pin có hiệu suất cao nhất. Do đó, monocrystalline là phương án được lựa chọn mặc dù giá thành của nó cao hơn polycrystalline.

1.4.5. Động cơ

Theo phương pháp cung cấp năng lượng thì động cơ điện được phân ra làm động cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC). Từ hai loại động cơ điện này, tùy theo cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành mà người ta lại phân chia ra thành các loại khác nhau như sau: 

- Động cơ điện một chiều (DC) có ưu điểm là dễ dàng điều khiển được vận tốc, có khả năng cung cấp mômen khởi động cao và giá thành rẻ. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là kích thước và khối lượng lớn.

- Động cơ điện xoay chiều (AC) có ưu điểm chính là đạt được hiệu suất cao, phạm vi hoạt động rộng. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là các mạch điện tử điều khiển động cơ phức tạp.

Kết luận: Qua các phân tích ở trên ta chọn loại động cơ một chiều (DC) cho xe thiết kế. Hiện nay, động cơ điện một chiều có hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than. Loại có chổi than thì tuổi thọ không cao, trong quá trình vận hành đòi hỏi phải bảo dưỡng chổi than, còn động cơ điện một chiều không chổi than có rất nhiều ưu điểm nhưng giá thành rất cao. Vì vậy xét về mặt kinh tế thì ta chọn loại động cơ điện một chiều có chổi than làm nguồn động lực cho xe thì giá thành của xe sẽ giảm, bên cạnh đó vẫn đảm bảo được các đặc tính kỹ thuật cần thiết cho xe thiết kế.

1.4.6. Hệ thống truyền lực

Để đơn giản kết cấu ta chọn cầu trước dẫn hướng còn cầu sau chủ động. Mặt khác, do đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều gần giống với đường đặc tính kéo lý tưởng của ô tô, đồng thời động cơ điện có thể đổi chiều quay dễ dàng nên chúng ta có thể thiết kế hệ thống truyền lực mà không cần hộp số như ở động cơ đốt trong. 

- Phương án a: Động cơ được cố định trên khung xe, chuyển động quay của trục động cơ được truyền đến bộ vi sai thông qua trục các đăng rồi truyền tới bánh xe. Do có sử dụng thêm trục các đăng nên phương án này sẽ làm tăng khối lượng của ô tô và làm giảm hiệu suất truyền động.

- Phương án b: Động cơ được cố định trên cầu sau và chuyển động quay của trục động cơ được truyền trực tiếp đến vi sai thông qua cặp bánh răng trụ ăn khớp ngoài. Phương án này đơn giản, giảm được khối lượng tuy nhiên phải thiết kế thêm bộ truyền bánh răng trụ.

- Phương án c: Truyền động vi sai được thay thế bằng cách sử dụng hai động cơ điện. Mỗi động cơ dẫn động một bánh xe và hoạt động ở một tốc độ khác nhau khi chiếc xe chuyển hướng hay quay vòng. Phương án này đòi hỏi phải sử dụng động cơ có tốc độ thấp và mô men xoắn lớn để khởi động và tăng tốc xe.

- Phương án d: Loại bỏ hoàn toàn truyền động bánh răng giữa động cơ điện và bánh xe chủ động, đầu ra roto của một động cơ điện tốc độ thấp đặt bên trong bánh xe có thể được kết nối trực tiếp với các bánh xe. Việc kiểm soát tốc độ của động cơ điện tương đương với việc kiểm soát tốc độ của bánh xe, và vì thế tốc độ của xe được điều khiển. Tuy nhiên, việc sắp xếp đòi hỏi các động cơ điện phải có mộtmô-men xoắn cao hơn để khởi động và tăng tốc xe.

Trong các phương án trên ta lựa chọn phương án b do nó các ưu điểm: khối lượng nhẹ, hiệu suất cao, kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp để bảo trì bảo dưỡng. Do khối lượng của xe không quá lớn nên để đơn giản ta dùng loại bán trục giảm tải 1/2.

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ TỔNG THỂ

2.1. Bố trí tổng thể

Sơ đồ bố trí tổng thể xe điện sử dụng năng lượng mặt trời

1. Ắc quy; 2.Tay lái; 3. Ghế ngồi; 4. Tấm pin mặt trời; 5. Động cơ điện; 6. Hộp giảm tốc; 7. Vi sai; 8. Vị trí để hành lý; 9. Đèn; 10.Kính xe; 11. Bộ điều khiển tấm pin

2.2. Xác định các thông số kích thước và trọng lượng

2.2.1. Khung xe

a. Đặc điểm của khung xe

- Vật liệu làm khung: Thép hợp kim có ứng suất uốn cho phép là:

[s]=170,04 ÷ 222,36 (N/mm2)

Thép o 40x80x2 có khối lượng là: 3,62 kg/m

Thép o 20x40x1 có khối lượng là: 0,86 kg/m

Thép o 20x20x1 có khối lượng là: 0,55 kg/m

- Khung xe có kết cấu như sau:

Tổng khối lượng bao gồm khung, sàn xe và vỏ xe là: 40+10= 50 kg

b. Tính bền khung xe

Để kiểm nghiệm bền khung xe ta sử dụng phương pháp Ossatures trong phần mềm RDM. Phương pháp này cho phép ta nghiên cứu các bài toán tĩnh và động với kết cấu khung dàn theo phương pháp phần tử hữu hạn với các giả thiết khi nghiên cứu:  

+ Các khung được tạo thành bởi các thanh thẳng.

+ Chuyển vị bé và vật liệu là đẳng hướng.

+ Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính.

+ Trọng tâm và tâm cắt tiết diện trùng nhau.

Sau quá trình tính toán ta có kết quả tình bền khung như sau:

- Khung xe ở chế độ tải trọng tĩnh và đầy tải:

Ứng suất lớn nhất trên khung là: 49,93 N/mm2< [su] = 170,04 ÷ 222,36 (N/mm2).     

Vậy khung xương thiết kế đủ bền khi ô tô ở chế tải trọng tĩnh và đầy tải.

Ứng suất lớn nhất trên khung là: 67,96 N/mm2< [su] = 170,04 ÷ 222,36 (N/mm2).     

Vậy khung xương thiết kế đủ bền khi ô tô phanh gấp.

- Khung xe ở chế độ quay vòng

Ứng suất lớn nhất trên khung là 69,61 N/mm2< [su] = 170,04 ÷ 222,36 (N/mm2).     

Vậy khung xương thiết kế đủ bền khi ô tô quay vòng.

2.2.2. Tấm pin năng lượng mặt trời

Loại pin năng lượng mặt trời được lựa chọn để lắp trên xe là loại monocrystaline  100W của hãng Shenzhen Sungold Solar Co.,Lt với những thông số kỹ thuật.

Dựa vào diện tích mái thiết kế, ta chọn lắp đặt 4 tấm pin Sungold monocrystalline 100W.

Trên nóc xe được bố trí thêm bộ điều khiển định hướng tấm pin để tận dụng tối đa cường độ bức xạ mặt trời.

Tổng khối lượng của các tấm pin và hệ thống tự động điều chỉnh: 10,4.4+ 10,4= 52 Kg

2.2.3. Ắc quy

Sau quá trình tính toán đối với xe thiết kế ta chọn bình ắc quy có dung lượng 100 (Ah). Hiện nay có các loại: ắc quy axít chì, ắc quy NiMH, ắc quy Li-ion, ắc quy Li- Polyme. Đối với một chiếc xe chạy năng lượng mặt trời thì yếu tố trọng lượng rất quan trọng. Do đó, mặc dù giá thành cao so với các loại khác nhưng trọng lượng của ắc quy Li- Polyme nhỏ hơn so với các loại khác có cùng dung lượng. Dựa vào các yếu tố nêu trên ta chọn 4 ắc quy loại  Howell HW-12V 100Ah với những thông số kỹ thuật như sau:

2.2.4. Các hệ thống khác trên xe

Kích thước ghế ngồi:

- Chiều rộng : 450 mm và chiều cao: 200 mm

- Khoảng cách vành tay lái đến đệm ngồi: 200 mm

- Góc nghiêng đệm ngồi: 50-70

- Góc nghiêng đệm tựa: 95 – 1000

- Chiều cao đệm tựa không lớn hơn 530 mm

Vì xe ô tô điện sử dụng năng mặt trời thiết kế sử dụng các hệ thống, các tổng thành tương tự như ô tô con nên về mặt khối lượng ta có thể lấy theo khối lượng các hệ thống tổng thành của ô tô con.

Trong đó:

- Khối lượng của ghế: 5 kg

- Khối lượng của cầu trước và bánh xe: 40 kg

- Khối lượng của cầu sau và bánh xe: 60 kg

- Khối lượng của hệ thống lái: 7 kg

2.2.5. Động cơ

Với các thông số về kích thước và khối lượng của các hệ thống đã được chọn, tiến hành tính toán công suất cần thiết của động cơ:

Chọn sơ bộ khối lượng động cơ là 20 kg, như vậy ta có khối lượng toàn bộ xe là 438 kg.

Phương trình cân bằng lực kéo như sau: 

Pk = Pf + Pi + Pω + Pj               (2.1)

+ Lực cản lăn được tính:

Pf = f.(Z1 + Z2) = f.Gtb.cosα=0,015.4296,8.cos6o = 64 (N)

 Gtb=438.9,81= 4296,8 N là tổng trọng tải của xe

+ Lực cản lên dốc: Pi = Gtb.sinα= 4296,8.0,1 =429,68 (N)

+ Lực cản không  khí: Pω = k.F.v2= 0,3.2,7.11,112= 100(N)

+ Lực quán tính:  Pj = Gtb.a với a là gia tốc của xe. Chọn gia tốc a = 1(m/s2)

Pj = 438.1 = 438 (N).

Từ những tính toán trên, thay các giá trị tính được vào biểu thức (2.1) ta có:

Pk=  64 + 429,68 + 100 + 438 = 1032 (N)

Trong thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc, lực cần thiết của động cơ ở hai trường hợp này được tính lại là:

Pfi = Pf + Pi = 64 + 429,68 = 493,68(N)

Pfω = Pf + Pω = 64 + 100 = 164 (N)

Ta có thể chọn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ, khi đó  Pfω=164(N) và vận tốc của xe v = 11,11(m/s). Ta có công suất cản của xe lúc này là:

Neω = Pfω. v = 164. 11,11 = 1822,04 (W)

Công suất cực đại yêu cầu của động cơ:

Nect = Neω / η= 1822,04/0,95 = 1917,9 (W)

Chọn động cơ lắp trên xe ứng với công suất cực đại yêu cầu Ne max:

Ne max = (1,1-1,25). Ne ct = 2109,7- 2397,3 (W)

Vì vậy để đảm bảo xe đạt được các thông số thiết kế, chúng ta chọn động cơ điện có công suất 2200W.

Động cơ được chọn là loại động cơ điện một chiều có chổi than DC-48 2.2 Series (kích từ nối tiếp) của Trung Quốc được thiết kế dành riêng cho xe điện với những thông số kỹ thuật như sau:

2.2.6. Phân bố trọng lượng ô tô

Sự phân bố trọng lượng lên các trục của ô tô thiết kế khi không tải và khi có tải được xác định trên cơ sở giá trị các thành phần trọng lượng và vị trí tác dụng của chúng lên các trục của ô tô.

Việc bố trí các chi tiết, cụm tổng thành trên xe cần đảm bảo yêu cầu phân bố tải trọng giữa hai cầu là bằng nhau hoặc gần bằng nhau và chiều cao trọng tâm xe càng nhỏ càng tốt để đảm bảo cho xe ổn định. Nhưng không được quá nhỏ vì sẽ ảnh hưởng đến khoảng sáng gầm xe.

Từ sơ đồ tính toán ta có:

+ Tọa độ trọng tâm ô tô khi không tải:

a0 = X0 = 1038 (mm)              

b0 = L – a0 =1711- 1038= 673 (mm)

hg = Z0 + 235 = 505 + 235 = 740 (mm)

Z01 = 288. 673/1711 = 113 (kG)      

Z02 = 175 (kG)

+ Tọa độ trọng tâm ô tô khi đầy tải:

a = X = 972 (mm)                  

b = L – a = 1711 – 972  = 739 (mm)

hg = Z + 235 = 541 + 235 = 776 (mm)

Z1= 438.739/1711 = 189 (kG)       

Z2= 438 – 189 = 249 (kG)

2.3. Lựa chọn các hệ thống khác cho xe

2.3.1. Hệ thống treo

Để chọn được hệ thống treo phù hợp cho xe thiết kế ta phân tích ưu - nhược điểm của các loại hệ thống treo:

- Hệ thống treo phụ thuộc được sử dụng phổ biến trên tất cả các loại ôtô. Nó có ưu điểm là: Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ trong khi vẫn đảm bảo được các yêu cầu cần thiết, nhất là đối với những xe có tốc độ chuyển động không lớn. Tuy nhiên nó có nhược điểm là ảnh hưởng đến tính ổn định ngang, dẫn đến hiện tượng trượt và sinh ra mômen con quay lớn ( Mcq).

- Hệ thống treo độc lập được sử dụng chủ yếu ở cầu trước các ôtô du lịch. Nó có ưu điểm là: Cho phép tăng độ võng tĩnh và động của hệ thống treo, nhờ đó tăng được độ êm dịu chuyển động, giảm được hiện tượng dao động các bánh xe dẫn hướng do hiệu ứng mômen con quay, tăng được khả năng bám đường, do đó tăng được tính điều khiển và ổn định của xe. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là phức tạp và đắt tiền khi sử dụng ở các cầu chủ động. Vì thế các ôtô du lịch hiện đại thường dùng hệ thống treo phụ thuộc ở cầu sau. Hệ thống treo độc lập ở các cầu chủ động chỉ sử dụng trên các ôtô có tính cơ động cao.

Kết luận: Với cơ sở phân tích như trên, cùng với đặc điểm, mục đích sử dụng của xe thiết kế ta chọn hệ thống treo phụ thuộc bộ phận đàn hồi nhíp lá cho cả treo trước và treo sau.

2.3.3. Hệ thống phanh

- Cơ cấu phanh: chọn cơ cấu phanh đĩa cho phanh trước và cơ cấu phanh tang trống cho phanh sau.

-  Dẫn động phanh: chọn dẫn động thủy lực cho hệ thống phanh chính và dẫn động cơ khí cho phanh tay.     

- Phương án điều khiển phanh bằng bàn đạp. Đây là phương án thông dụng nhất, việc điều khiển vừa thuận tiện, vừa tạo được lực bàn đạp lớn, đồng thời hành trình bàn đạp cho phép cũng lớn.

2.3.4. Hệ thống lái

Trên cơ sở phân tích đặc điểm chính của một số loại cơ cấu lái, dẫn động lái thường dùng cho ô tô du lịch cỡ nhỏ cùng với yêu cầu của hệ thống lái trên xe thiết kế phải đơn giản nhỏ gọn, dễ bố trí, ta chọn hệ thống lái cho ô tô điện có sử dụng năng lượng mặt trời 

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KÉO

3.1. Đặc tính động cơ điện kéo

- Đặc tính động cơ là các đường công suất và mômen theo tốc độ động cơ

- Động cơ DC- 48 2.2 Series đã chọn có các thông số kỹ thuật như sau :

· Công suất định mức: Ndm= 2,2 KW

· Số vòng quay định mức: ndm= 2000 Vòng/phút

· Momen định mức: MN= 10,8 N.m

- Ta có hệ số thích ứng theo mômen được xác định:  KM = Mmax/MN    

  Trong đó:

Mmax - Mômen lớn nhất được sinh ra của động cơ điện hay chính là mômen tại số vòng quay mà tại đó động cơ bắt đầu đạt công suất cực đại (N.m).

MN - Mômen định mức của động cơ điện (N.m)

Đối với động cơ điện một chiều kích từ kiểu nối tiếp: KM = (2÷2,5). Ta chọn KM = 2,5. Hoặc được viết theo hệ số: l = = = 0,4.

Trong đó:

nN - Là số vòng quay mà tại đó động cơ đạt công suất cực đại (v/ph).

ndm -Là số vòng quay định mức của động cơ điện (vòng/phút).

- Khi tốc độ góc của động cơ: ω≤ ωN, Me = conts; Ne = Me.we (W)

- Khi tốc độ góc của động cơ: ω≥ ωN,  Ne = conts; Me = Ne/we (N.m)

3.2. Tính toán động lực học kéo

3.2.1. Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo của xe khi sử dụng động cơ điện             

Me - Mômen xoắn của động cơ điện (N.m)

it - Tỷ số truyền động từ động cơ đến bánh xe chủ động, it= 4,39

htl - Hiệu suất truyền động từ động cơ điện đến bánh xe chủ động

htl= 0,97

Rbx - Bán kính bánh xe chủ động (m), Rbx= 232,5 mm

v- Tốc độ tính tiến của xe (m/s)

- Lực cản tổng cộng: PΣc = Pf + Pw (N)

Khi đã có đặc tính mômen của động cơ điện và tỷ số truyền của hệ thống truyền động, ta có thể dễ dàng xây dựng đặc tính lực kéo của xe khi chỉ sử dụng nguồn động lực là động cơ điện.

3.2.3. Xây dựng đồ thị cân bằng công suất

Công suất được truyền đến các bánh xe chủ động: NK= Ne.htl

Tổng các công suất cản chuyển động khi oto chuyển động ổn định: =Nf+Ni+NW=N +NW=G(f+i).V+KFV3

Khi ô tô chuyển động ổn định trên đường bằng: =G.f.V+K.F.V3

3.2.5. Xây dựng đồ thị thời gian tăng tốc

Thời gian tăng tốc của oto từ tốc độ v1 đến tốc độ v2 là:

3.2.6. Khả năng leo dốc của ô tô

Độ dốc cực đại được xác định theo hai trường hợp là lực cản cân bằng với lực bám và lực cản cân bằng với lực kéo cực đại của động cơ điện (ứng với mô men kéo cực đại). Sau đó so sánh và chọn giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị tìm được. 

Theo điều kiện không trượt trơn của lực bám, ô tô có thể leo lên được độ dốc tối đa có góc bằng 34,40.

MMmax =  27 (Nm) - Là mô men cực đại của động cơ điện

 iH = 4,39 - Là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực

 rbx = 0,2325(m) - Là bán kính bánh xe

 h = 0,97 - Là hiệu suất của hệ thống truyền lực.

Giải ra được a  80 hay độ dốc 14%. Như vậy độ dốc cực đại mà xe có thể leo được là 14%.

KẾT LUẬN

   Trong thời gian làm Đồ án tốt nghiệp vừa qua, em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo: PGS.TS…..…….... Từ đó, em đã tổng hợp được nhiều kiến thức hữu ích từ những môn học mà em đã được các Thầy cô truyền đạt cho dưới mái trường Giao thông để vận dụng vào trong đề tài của mình.

   Tuy nhiên, với kiến thức hạn hẹp cũng như những tài liệu mà em tìm kiếm được vẫn còn đôi chút sai sót. Em mong các thầy hướng dẫn chỉ bảo thêm cho em để em được củng cố kiến thức từ đó rút kinh nghiệm cho những công việc cho cuộc sống sau này.

   Trong đồ án tốt nghiệp này em đã làm được những vấn đề cơ bản như: Thực hiện thiết kế tổng thể xe, thiết kế mới khung gầm xe dựa trên việc tính toán độ bền của khung gầm thông qua phần mềm RDM 6.16, chọn lựa cách bố trí hợp lí các hệ thống, tổng thành trên ô tô điện có sử dụng năng lượng mặt trời, tính toán được động lực học kéo của xe

   Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn cơ khí ô tô và đặc biệt em xin cảm ơn thầy giáo: PGS.TS…..…….... đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Bùi Văn Ga (2009), Khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng biogas, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng.

[2]. Nguyễn Tiến Nguyên (2006), Báo cáo đề tài 52C-01-01 về tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam, Viện khí tượng thủy văn.

[3]. Tạ Văn Đa (2008), Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam, Viện Khoa học khí tượng thủy văn và môi trường.

[4]. Dương Việt Dũng (2008), Các nguồn năng lượng thay thế, NXB Đại học Bách khoa Đà nẵng.

[5]. Đỗ Văn Dũng (2007), Trang bị điện & điện tử trên ô tô hiện đại, NXB Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM.

[7]. Lê Văn Tụy (2011), Bài giảng môn học Ô tô hybrid, NXB Đại học Bách khoa Đà Nẵng.

[8]. James Larminie (2003), Electric and Vehicle Technology Explained.

[9]. Mehrdad Ehsani, Ymin Gao, Ali emadi (2010), Modern electric, hybrid electric and fuel cell vehicles.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"