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

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2016<br /> <br /> KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE Ô TÔ THÂN VỎ<br /> BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI<br /> VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH<br /> RESEARCH OF DESIGNING AND MANUFACTURING A CAR MODEL<br /> WITH COMPOSITE CAR BODY WHICH ELECTRIC AND SOLAR ENERGY SOURCES<br /> Phạm Tạo1, Lê Văn Thoại2, Lê Bá Khang3<br /> Ngày nhận bài: 23/7/2015; Ngày phản biện thông qua: 26/8/2015; Ngày duyệt đăng: 15/3/2016<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo giới thiệu nội dung nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng<br /> mới. Trên cơ sở phân tích, tổng hợp lý thuyết từ đó triển khai thiết kế, chế tạo mô hình chúng tôi đã chế tạo<br /> thành công mô hình xe 04 chổ ngồi, thân vỏ bằng vật liệu composit, sử dụng năng lượng điện và năng lượng<br /> mặt trời. Kết quả này là tiền đề để có thể tiến tới chế tạo xe thương mại phục vụ du lịch tại thành phố Nha<br /> Trang, tỉnh Khánh Hòa.<br /> Từ khóa: năng lượng mặt trời, năng lượng điện, composite, ô tô điện,...<br /> ABSTRACT<br /> The article introduces the research of designing and manufacturing a car model using new energy<br /> sources. After analysing the theory, we have successfully designed and manufactured a four- seat car model<br /> with a composite car body, using electric and solar energy sources. This research is a prerequisite to<br /> manufacture commercial vehicles for tourism in Nha Trang city, Khanh Hoa province.<br /> Key word: Solar energy source, Electric energy source, Composite, ElectricVehicle,...etc<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Tốc độ khai thác sử dụng các nguồn nhiên<br /> liệu trên so với trữ lượng của chúng đang dấy<br /> lên hồi chuông cảnh báo về việc cạn kiệt năng<br /> lượng hóa thạch trong tương lai. Vì vậy, việc<br /> đa dạng hóa các nguồn năng lượng và tránh<br /> sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một<br /> trong những mục tiêu hàng đầu của các nhà<br /> khoa học trên toàn thế giới.<br /> Bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch như dầu,<br /> than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2,<br /> ôxít sunphua (SOx), ôxít nitơ (NO2), methane<br /> 1<br /> <br /> 3<br /> <br /> (CH4),…Những khí này là nguyên nhân gây ra<br /> tác hại to lớn đối với môi trường sống và ảnh<br /> hưởng trực tiếp đến chính con người như: Mưa<br /> axit, sự nóng lên toàn cầu, gây ra nhiều bệnh<br /> tật, gây ra các tranh chấp trên toàn cầu,…[1].<br /> Trong các nguồn gây ô nhiễm không khí,<br /> các chất do động cơ ô tô phát thải như CO,<br /> CO2, NOx, HC,..là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất,<br /> gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người<br /> cũng như đến môi trường sinh thái, khí hậu. [1]<br /> Nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường<br /> thì sử dụng ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời<br /> <br /> Phạm Tạo, 2Lê Văn Thoại: Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực 2012 - Trường Đại học Nha Trang<br /> TS. Lê Bá Khang: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 117<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> và ô tô chạy bằng ắc qui điện là giải pháp triệt<br /> để nhất. Trong thực tế nghiên cứu, hàng ngàn<br /> mẫu ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời được<br /> thiết kế và chế tạo. Tuy nhiên, tất cả chúng mới<br /> chỉ được coi là biểu tượng của khả năng và<br /> quyết tâm bảo vệ môi trường của con người.<br /> Còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật, kinh tế và xã<br /> hội cần giải quyết để ô tô điện mặt trời có thể<br /> trở thành phương tiện giao thông thông dụng<br /> trong tương lai.<br /> Mặt khác, giảm chi phí nhiên liệu nhờ giảm<br /> khối lượng của xe bằng việc sử dụng các loại<br /> vật liệu mới bền, nhẹ như composit sợi thủy tinh,<br /> thép siêu nhẹ , hợp kim nhôm,…luôn được các<br /> nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm.<br /> Cùng đồng hành với chương trình nghiên<br /> cứu mang nhiều ý nghĩa và tính thực tế của<br /> các nhà khoa học lĩnh vực ô tô trong nước,<br /> chúng tôi chọn nội dung “Nghiên cứu thiết<br /> kế, chế tạo mô hình xe ô tô thân vỏ bằng<br /> <br /> Số 1/2016<br /> vật liệu Composite, sử dụng năng lượng<br /> mặt trời và năng lượng điện phục vụ du<br /> lịch” để tổ chức thực hiện.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> Mô hình xe ô tô thân vỏ bằng vật liệu<br /> composite, sử dụng năng lượng mặt trời và<br /> năng lượng điện phục vụ du lịch.<br /> 2. Mục tiêu nghiên cứu<br /> Thiết kế mô hình xe 4 chỗ ngồi, thân - vỏ<br /> bằng vật liệu Composite, sử dụng năng lượng<br /> mặt trời và năng lượng điện chạy với vận tốc<br /> tối đa 30 km.<br /> 3. Phương pháp nghiên cứu<br /> Tổng hợp lý thuyết, khảo sát thực tế các<br /> mẫu xe ô tô điện trên thị trường, từ đó triển<br /> khai thiết kế, chế tạo mô hình, được tiến hành<br /> theo các bước như hình 1:<br /> <br /> Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện<br /> <br /> - Tính chọn động cơ điện và nguồn điện:<br /> + Động cơ điện của ô tô mô hình được<br /> thiết kế được phải có đặc tính phù hợp với<br /> <br /> 118 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> các chế độ làm hoạt động của xe và công<br /> suất đủ lớn để khắc phục các lực cản sinh<br /> ra trong quá trình chuyển động của xe:<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Lực cả lăn, lực cản dốc, lực ma sát, lực<br /> quán tính.<br /> Từ các yêu cầu trên, động cơ điện một<br /> chiều, kích từ nối tiếp, có chổi than hiệu NIKKO<br /> được chọn làm động cơ cho xe mô hình, với<br /> các thông số: Công suất định mức 2kW, hiệu<br /> điện thế định mức 24V.<br /> + Nguồn điện được duy trì bởi năng lượng<br /> điện lưới nạp vào ắc qui 12V-65Ah mắc nối<br /> tiếp khi xe đứng yên và được nạp thêm bởi<br /> năng lượng điện từ 2 tấm pin mặt trời hiệu<br /> TIDI-SUN có công suất 85W/tấm trong qua<br /> trình hoạt động của xe.<br /> Tốc độ xe (tốc độ quay của động cơ điện)<br /> được điều khiển bằng phương pháp điều chế<br /> độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation).<br /> Phương pháp này điều chỉnh điện áp ra tải,<br /> hay nói cách khác, là điều chế dựa trên sự thay<br /> đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự<br /> thay đổi điện áp ra. Trong nghiên cứu này, tác<br /> giả đã sử dụng vi điều khiển Atmega32 để điều<br /> khiển độ rộng của xung, dựa vào giá trị điện<br /> áp đầu vào từ biến trở chân ga vi điều khiển<br /> Atmega32 sẽ điều khiển tốc độ động cơ tỉ lệ<br /> thuận với giá trị điện áp đầu vào.<br /> Khung, vỏ xe:<br /> + Vỏ xe: Được thiết kế, chế tạo bằng vật<br /> liệu Composite trên cơ sở tính chọn theo các<br /> mẫu vỏ của các loại xe điện trên thị trường<br /> + Khung xe: Được chế tạo bằng thép<br /> cacbon thấp CT3, sau đó được kiểm nghiệm<br /> độ bền trong hai trường hợp: Phanh gấp và<br /> quay vòng ngoặt bằng phần mềm RDM.<br /> - Mô hình được chế tạo phải đảm bảo<br /> các yêu cầu:<br /> + Tuân thủ nghiêm ngặt, đầy đủ quy trình<br /> công nghệ trong chế tạo, lắp ráp, kiểm nghiệm,<br /> thử nghiệm xe mô hình.<br /> + Khi hoàn thành xe mô hình ngoài việc<br /> đảm bảo yêu cầu kết cấu, tính năng còn hướng<br /> đến tiêu chí tính thẩm mỹ, thông thoáng, dễ<br /> <br /> Số 1/2016<br /> vận hành, tin cậy,…ngoài ra còn có thể phục<br /> vụ tốt cho đào tạo.<br /> + Các bộ phận, hệ thống chế tạo: Hệ thống<br /> khung; Bộ phận giảm tốc động cơ điện; Bộ<br /> phận điều khiển tốc độ động cơ; Thân vỏ; Các<br /> hệ thống còn lại chủ yếu là tính chọn và mua<br /> các sản phẩm tương đương có trên thị trường<br /> để lắp ráp.<br /> + Vật liệu chế tạo: thép cacbon, nhôm và<br /> composite cốt sợi thủy tinh.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Thiết kế, lắp đặt các bộ phận, hệ thống xe<br /> ô tô mô hình<br /> Sau khi khảo sát thực tế chúng tôi tiến<br /> hành xây dựng, phân tích lựa chọn phương<br /> án và sử dụng phần mềm RDM để tính toán,<br /> thiết kế khung vỏ, bố trí hệ thống động lực, lái,<br /> phanh...cho xe mô hình thân vỏ bằng vật liệu<br /> composite, sử dụng năng lượng mặt trời và<br /> năng lượng điện (trình bày trên hình 1), cụ thể:<br /> - Công thức bánh xe: 4x2.<br /> - Sử dụng điện 1 chiều từ ắc quy và pin<br /> năng lượng mặt trời.<br /> - Vận tốc ô tô khoảng: 30 km/h.<br /> - Tải trọng: Chở được 4 người (kể cả tài<br /> xế, tương đương 260kg).<br /> - Khả năng vượt dốc: 10%.<br /> Kích thước: [2]<br /> - Kích thước tổng thể L x W x H: 2712 x<br /> 1420 x 1650 mm.<br /> - Chiều dài cơ sở: 1500 mm.<br /> - Chiều rộng cơ sở: 1320 mm.<br /> - Khoảng sáng gầm: 240 mm.<br /> Vật liệu, khối lượng:<br /> Khung xe làm bằng thép cacbon nhẹ CT3,<br /> đảm bảo độ cứng vững, vỏ được làm bằng vật<br /> liệu Composite đảm bảo bền, tính thẩm mĩ.<br /> - Khối lượng toàn bộ xe: 578 kg.<br /> - Khối lượng bản thân: 318 kg.<br /> - Khối lượng phân bố lên cầu trước: 289 kg.<br /> - Khối lượng phân bố lên cầu sau: 289 kg.<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 119<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2016<br /> <br /> 1. Bàn đạp phanh;<br /> 2. Xy lanh phanh chính;<br /> 3. Bàn đạp ga;<br /> 4. Óng dẫn dầu đến bộ chia;<br /> 5. Bộ chia dầu hệ thống phanh;<br /> 6. Ống dẫn dầu đến hệ thống phanh trước;<br /> 7. Bánh xe;<br /> 8. Ống dẫn dầu đến hệ thống phanh sau;<br /> 9. Bộ điều khiển tốc độ động cơ;<br /> 10. Bộ đảo chiều động cơ;<br /> 11. Ắc qui;<br /> 12. Động cơ điện;<br /> 13. Cầu chủ động;<br /> 14. Dây điện điều khiển;<br /> 15. Hộp lái trung gian;<br /> 16. Phanh tay;<br /> 17. Vô lăng;<br /> 18. Ghế ngồi;<br /> 19. Vỏ xe;<br /> 20. Pin mặt trời.<br /> Hình 2. Kết cấu tổng thể của xe ô tô mô hình<br /> <br /> Xe được dẫn động bằng động cơ điện một<br /> chiều có công suất 2kW, cầu sau chủ động.<br /> 2. Chế tạo thân vỏ, board mạch điều khiển<br /> tốc độ động cơ:<br /> 2.1. Chế tạo thân vỏ bằng vật liệu composit sợi<br /> thủy tinh<br /> 2.1.1. Thiết bị, qui trình công nghệ chế tạo<br /> Dựa vào vị trí chịu lực của hệ thống thân vỏ<br /> trên xe mô hình mà chế tạo vật liệu composite<br /> với các đặc tính (số lượng lớp gia cường) khác<br /> nhau.<br /> - Chuẩn bị khuôn: Mặt khuôn phải sạch,<br /> không có bất cứ tạp chất nào trên mặt khuôn.<br /> Sau đó, bôi chất chống dính và chất tách khuôn<br /> lên khuôn, để khô tự nhiên.<br /> - Tạo lớp gelcoat: Gelcoat sau khi pha<br /> trộn màu phải sử dụng ngay. Lớp gelcoat<br /> được quét bằng cọ mềm trên bề mặt khuôn.<br /> Các vết quết phải liền một vệt thẳng theo một<br /> chiều nhất định, không quét theo đường cong,<br /> <br /> 120 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> đường tròn. Các vệt quét sau song song, không<br /> chồng lên các vệt trước quá nhiều (chồng mép<br /> từ 3÷5mm), để đảm bảo độ đồng đều của lớp<br /> gelcoat. [3]<br /> - Tạo các lớp gia cường bằng tay: Trải<br /> vải thủy tinh và thấm ướt resin.<br /> Sau khi lớp gelcoat đóng rắn (khô hoàn<br /> toàn nhưng vẫn dính tay) thì tiến hành tạo các<br /> lớp gia cường.<br /> Lớp gia cường tiếp giáp với lớp gelcoat<br /> là MAT - vải với thủy tinh sợi ngắn, sắp xếp<br /> ngẫu nhiên (0,2÷0,3) kg/m2, các lớp tiếp theo là<br /> Roving - vải với thủy tinh sợi dài và được dệt<br /> thành tấm (0,36÷0,8) kg/m2. [3]<br /> Resin dùng để tạo lớp, không pha màu.<br /> Resin được pha với chất xúc tác theo đúng<br /> tỷ lệ, khuấy đều nhẹ nhàng, và phải sử dụng<br /> ngay sau khi pha.<br /> Quy trình tạo lớp theo phương pháp bằng<br /> tay: Trải vải thủy tinh phủ kín bề mặt khuôn,<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> trên lớp gelcoat. Tiếp theo dùng con lăn lăn<br /> resin đã hòa xúc tác lên vải thủy tinh. Trong<br /> quá trình lăn, ép nhẹ con lăn nhằm làm cho<br /> resin thấm vào sợi thủy tinh, tạo sự liên kết các<br /> lớp và tránh bọt khí. Cứ tiếp tục qui trình như<br /> trên cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm mong<br /> muốn.[3]<br /> Khi gia công công đoạn này cần chú ý đến<br /> những đểm sau:<br /> - Bọt khí sẽ làm yếu lớp gia cường, cho<br /> nên phải đảm bảo resin thấm ướt đều để tránh<br /> bọt khí.<br /> - Các mối ghép gối đầu của vải thủy tinh<br /> nên so le nhau từ (3÷5) cm, các mối ghép của<br /> lớp sau phải cách xa mối ghép của lớp trước,<br /> tránh trùng lặp giữa các mối ghép.<br /> Chế tạo thử<br /> Trước khi bước vào quá trình chế tạo hệ<br /> thống thân vỏ, cần chế tạo các mẫu thử để<br /> kiểm nghiệm cơ tính của vật liệu composite<br /> nhằm chọn ra kết cấu vật liệu phù hợp nhất. Ta<br /> tiến hành thử nghiệm với loại vật liệu composite<br /> có quy cách như sau:<br /> Gelcoat/MAT CSM 225/MAT CMS 225/WR<br /> 360/Gelcoat (2 Mat -1 Vải)<br /> Thiết bị thử<br /> Cơ tính của vật liệu làm vỏ xe được chế<br /> tạo thử được kiểm tra trên máy kiểm nghiệm<br /> cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model H50KS<br /> tại Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy - Trường<br /> Đại học Nha Trang.<br /> 2.1.2. Tiến hành chế tạo<br /> Bảng 1. Vật liệu cho quá trình chế tạo<br /> khung vỏ composite<br /> TT<br /> <br /> Vật liệu<br /> <br /> Đơn vị<br /> <br /> Số lượng<br /> <br /> 1<br /> <br /> Gelcoat<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 35<br /> <br /> 2<br /> <br /> Matit<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 20<br /> <br /> 3<br /> <br /> WR 360<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 8<br /> <br /> 4<br /> <br /> WR 800<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> MAT CSM 225<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 6<br /> <br /> 6<br /> <br /> Resin<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 45<br /> <br /> 7<br /> <br /> Mek<br /> <br /> Kg<br /> <br /> 1<br /> <br /> - Chuẩn bị vật liệu cho quá trình chế tạo<br /> <br /> Số 1/2016<br /> Bước 1: Tạo lớp bề mặt gelcoat<br /> Sau khi xử lý vệ sinh bề mặt khuôn, bôi<br /> chất chống dính và chất tách khuôn lên khuôn<br /> ta tiến hành quét lớp gelcoat đã pha màu lên<br /> bề mặt khuôn.<br /> Bước 2: Tạo lớp gia cường laminat<br /> - Sau khi lớp gelcoat được thực hiện ở<br /> bước 1 đóng rắn (khô hoàn toàn nhưng hít tay)<br /> thì tiến hành tạo các lớp laminat gia cường.<br /> <br /> Hình 3: Thân vỏ xe mô hình sau khi hoàn thiện<br /> <br /> - Vải thủy tinh bề mặt tiếp giáp với lớp<br /> gelcoat là loại MAT cát ngắn CSM mỏng mềm<br /> có khối lượng 0,225 kg/m2. Tiến hành trải MAT<br /> CSM 225 lên bề mặt gelcoat. Tiếp theo sử<br /> dụng roving dệt WR có khối lượng 0,8 kg/m2<br /> để tiếp tục cho lớp vật liệu kế tiếp.<br /> Các lớp gia cường tiếp theo: Tùy thuộc vào<br /> yêu cầu sản phẩm mà ta có thể chọn số lượng<br /> và loại vật liệu cho các lớp gia cường tiếp theo.<br /> Bước 3: Lấy sản phẩm ra khỏi khuôn<br /> Sau khi resin lỏng liên kết với các lớp sợi<br /> thủy tinh và đóng rắn hoàn toàn thì sản phẩm<br /> composite hoàn tất, tiến hành lấy sản phẩm ra<br /> khỏi khuôn.<br /> Bước 4: Lắp ráp thân vỏ composite vào<br /> xe mô hình<br /> Sau khi đã có sản phẩm composite dạng<br /> tấm phẳng hoặc dạng uống cong theo yêu cầu<br /> chế tạo, tiến hành ốp các tấm composite lên<br /> khung xe tạo thành hệ thống vỏ cho xe mô<br /> hình, cụ thể:<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 121<br /> <br />