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 Số 1/2016 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC 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 RESEARCH OF DESIGNING AND MANUFACTURING A CAR MODEL WITH COMPOSITE CAR BODY WHICH ELECTRIC AND SOLAR ENERGY SOURCES Phạm Tạo1, Lê Văn Thoại2, Lê Bá Khang3 Ngày nhận bài: 23/7/2015; Ngày phản biện thông qua: 26/8/2015; Ngày duyệt đăng: 15/3/2016 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu nội dung nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng 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 thành công mô hình xe 04 chổ ngồi, thân vỏ bằng vật liệu composit, sử dụng năng lượng điện và năng lượng 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 Trang, tỉnh Khánh Hòa. Từ khóa: năng lượng mặt trời, năng lượng điện, composite, ô tô điện,... ABSTRACT The article introduces the research of designing and manufacturing a car model using new energy sources. After analysing the theory, we have successfully designed and manufactured a four- seat car model with a composite car body, using electric and solar energy sources. This research is a prerequisite to manufacture commercial vehicles for tourism in Nha Trang city, Khanh Hoa province. Key word: Solar energy source, Electric energy source, Composite, ElectricVehicle,...etc I. ĐẶT VẤN ĐỀ (CH4),Những khí này là nguyên nhân gây ra Tốc độ khai thác sử dụng các nguồn nhiên tác hại to lớn đối với môi trường sống và ảnh liệu trên so với trữ lượng của chúng đang dấy hưởng trực tiếp đến chính con người như: Mưa lên hồi chuông cảnh báo về việc cạn kiệt năng axit, sự nóng lên toàn cầu, gây ra nhiều bệnh lượng hóa thạch trong tương lai. Vì vậy, việc tật, gây ra các tranh chấp trên toàn cầu,[1]. đa dạng hóa các nguồn năng lượng và tránh Trong các nguồn gây ô nhiễm không khí, sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một các chất do động cơ ô tô phát thải như CO, trong những mục tiêu hàng đầu của các nhà CO2, NOx, HC,..là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất, khoa học trên toàn thế giới. gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch như dầu, cũng như đến môi trường sinh thái, khí hậu. [1] than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2, Nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường ôxít sunphua (SOx), ôxít nitơ (NO2), methane thì sử dụng ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời 1 Phạm Tạo, 2Lê Văn Thoại: Cao học Kỹ thuật Cơ khí động lực 2012 - Trường Đại học Nha Trang 3 TS. Lê Bá Khang: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 117 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 và ô tô chạy bằng ắc qui điện là giải pháp triệt vật liệu Composite, sử dụng năng lượng để nhất. Trong thực tế nghiên cứu, hàng ngàn mặt trời và năng lượng điện phục vụ du mẫu ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời được lịch” để tổ chức thực hiện. thiết kế và chế tạo. Tuy nhiên, tất cả chúng mới II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU chỉ được coi là biểu tượng của khả năng và quyết tâm bảo vệ môi trường của con người. 1. Đối tượng nghiên cứu Còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật, kinh tế và xã Mô hình xe ô tô thân vỏ bằng vật liệu hội cần giải quyết để ô tô điện mặt trời có thể composite, sử dụng năng lượng mặt trời và trở thành phương tiện giao thông thông dụng năng lượng điện phục vụ du lịch. trong tương lai. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mặt khác, giảm chi phí nhiên liệu nhờ giảm Thiết kế mô hình xe 4 chỗ ngồi, thân - vỏ khối lượng của xe bằng việc sử dụng các loại bằng vật liệu Composite, sử dụng năng lượng vật liệu mới bền, nhẹ như composit sợi thủy tinh, mặt trời và năng lượng điện chạy với vận tốc thép siêu nhẹ , hợp kim nhôm,luôn được các tối đa 30 km. nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Cùng đồng hành với chương trình nghiên 3. Phương pháp nghiên cứu cứu mang nhiều ý nghĩa và tính thực tế của Tổng hợp lý thuyết, khảo sát thực tế các các nhà khoa học lĩnh vực ô tô trong nước, mẫu xe ô tô điện trên thị trường, từ đó triển chúng tôi chọn nội dung “Nghiên cứu thiết khai thiết kế, chế tạo mô hình, được tiến hành kế, chế tạo mô hình xe ô tô thân vỏ bằng theo các bước như hình 1: Hình 1. Phương pháp và trình tự thực hiện - Tính chọn động cơ điện và nguồn điện: các chế độ làm hoạt động của xe và công + Động cơ điện của ô tô mô hình được suất đủ lớn để khắc phục các lực cản sinh thiết kế được phải có đặc tính phù hợp với ra trong quá trình chuyển động của xe: 118 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 Lực cả lăn, lực cản dốc, lực ma sát, lực vận hành, tin cậy,ngoài ra còn có thể phục quán tính. vụ tốt cho đào tạo. Từ các yêu cầu trên, động cơ điện một + Các bộ phận, hệ thống chế tạo: Hệ thống chiều, kích từ nối tiếp, có chổi than hiệu NIKKO khung; Bộ phận giảm tốc động cơ điện; Bộ được chọn làm động cơ cho xe mô hình, với phận điều khiển tốc độ động cơ; Thân vỏ; Các các thông số: Công suất định mức 2kW, hiệu hệ thống còn lại chủ yếu là tính chọn và mua điện thế định mức 24V. các sản phẩm tương đương có trên thị trường + Nguồn điện được duy trì bởi năng lượng để lắp ráp. điện lưới nạp vào ắc qui 12V-65Ah mắc nối + Vật liệu chế tạo: thép cacbon, nhôm và tiếp khi xe đứng yên và được nạp thêm bởi composite cốt sợi thủy tinh. năng lượng điện từ 2 tấm pin mặt trời hiệu III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN TIDI-SUN có công suất 85W/tấm trong qua trình hoạt động của xe. 1. Thiết kế, lắp đặt các bộ phận, hệ thống xe Tốc độ xe (tốc độ quay của động cơ điện) ô tô mô hình Sau khi khảo sát thực tế chúng tôi tiến được điều khiển bằng phương pháp điều chế hành xây dựng, phân tích lựa chọn phương độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation). án và sử dụng phần mềm RDM để tính toán, Phương pháp này điều chỉnh điện áp ra tải, thiết kế khung vỏ, bố trí hệ thống động lực, lái, hay nói cách khác, là điều chế dựa trên sự thay phanh...cho xe mô hình thân vỏ bằng vật liệu đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự composite, sử dụng năng lượng mặt trời và thay đổi điện áp ra. Trong nghiên cứu này, tác năng lượng điện (trình bày trên hình 1), cụ thể: giả đã sử dụng vi điều khiển Atmega32 để điều - Công thức bánh xe: 4x2. khiển độ rộng của xung, dựa vào giá trị điện - Sử dụng điện 1 chiều từ ắc quy và pin áp đầu vào từ biến trở chân ga vi điều khiển năng lượng mặt trời. Atmega32 sẽ điều khiển tốc độ động cơ tỉ lệ - Vận tốc ô tô khoảng: 30 km/h. thuận với giá trị điện áp đầu vào. - Tải trọng: Chở được 4 người (kể cả tài : Khung, vỏ xe xế, tương đương 260kg). + Vỏ xe: Được thiết kế, chế tạo bằng vật - Khả năng vượt dốc: 10%. liệu Composite trên cơ sở tính chọn theo các Kích thước: [2] mẫu vỏ của các loại xe điện trên thị trường - Kích thước tổng thể L x W x H: 2712 x + Khung xe: Được chế tạo bằng thép 1420 x 1650 mm. cacbon thấp CT3, sau đó được kiểm nghiệm - Chiều dài cơ sở: 1500 mm. độ bền trong hai trường hợp: Phanh gấp và - Chiều rộng cơ sở: 1320 mm. quay vòng ngoặt bằng phần mềm RDM. - Khoảng sáng gầm: 240 mm. - Mô hình được chế tạo phải đảm bảo Vật liệu, khối lượng: các yêu cầu: Khung xe làm bằng thép cacbon nhẹ CT3, + Tuân thủ nghiêm ngặt, đầy đủ quy trình đảm bảo độ cứng vững, vỏ được làm bằng vật công nghệ trong chế tạo, lắp ráp, kiểm nghiệm, liệu Composite đảm bảo bền, tính thẩm mĩ. thử nghiệm xe mô hình. - Khối lượng toàn bộ xe: 578 kg. + Khi hoàn thành xe mô hình ngoài việc - Khối lượng bản thân: 318 kg. đảm bảo yêu cầu kết cấu, tính năng còn hướng - Khối lượng phân bố lên cầu trước: 289 kg. đến tiêu chí tính thẩm mỹ, thông thoáng, dễ - Khối lượng phân bố lên cầu sau: 289 kg. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 119 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 1. Bàn đạp phanh; 2. Xy lanh phanh chính; 3. Bàn đạp ga; 4. Óng dẫn dầu đến bộ chia; 5. Bộ chia dầu hệ thống phanh; 6. Ống dẫn dầu đến hệ thống phanh trước; 7. Bánh xe; 8. Ống dẫn dầu đến hệ thống phanh sau; 9. Bộ điều khiển tốc độ động cơ; 10. Bộ đảo chiều động cơ; 11. Ắc qui; 12. Động cơ điện; 13. Cầu chủ động; 14. Dây điện điều khiển; 15. Hộp lái trung gian; 16. Phanh tay; 17. Vô lăng; 18. Ghế ngồi; 19. Vỏ xe; 20. Pin mặt trời. Hình 2. Kết cấu tổng thể của xe ô tô mô hình Xe được dẫn động bằng động cơ điện một đường tròn. Các vệt quét sau song song, không chiều có công suất 2kW, cầu sau chủ động. chồng lên các vệt trước quá nhiều (chồng mép từ 3÷5mm), để đảm bảo độ đồng đều của lớp 2. Chế tạo thân vỏ, board mạch điều khiển gelcoat. [3] tốc độ động cơ: 2.1. Chế tạo thân vỏ bằng vật liệu composit sợi - Tạo các lớp gia cường bằng tay: Trải thủy tinh vải thủy tinh và thấm ướt resin. 2.1.1. Thiết bị, qui trình công nghệ chế tạo Sau khi lớp gelcoat đóng rắn (khô hoàn Dựa vào vị trí chịu lực của hệ thống thân vỏ toàn nhưng vẫn dính tay) thì tiến hành tạo các trên xe mô hình mà chế tạo vật liệu composite lớp gia cường. với các đặc tính (số lượng lớp gia cường) khác Lớp gia cường tiếp giáp với lớp gelcoat nhau. là MAT - vải với thủy tinh sợi ngắn, sắp xếp 2 - Chuẩn bị khuôn: Mặt khuôn phải sạch, ngẫu nhiên (0,2÷0,3) kg/m , các lớp tiếp theo là không có bất cứ tạp chất nào trên mặt khuôn. Roving - vải với thủy tinh sợi dài và được dệt Sau đó, bôi chất chống dính và chất tách khuôn thành tấm (0,36÷0,8) kg/m2. [3] lên khuôn, để khô tự nhiên. Resin dùng để tạo lớp, không pha màu. - Tạo lớp gelcoat: Gelcoat sau khi pha Resin được pha với chất xúc tác theo đúng trộn màu phải sử dụng ngay. Lớp gelcoat tỷ lệ, khuấy đều nhẹ nhàng, và phải sử dụng được quét bằng cọ mềm trên bề mặt khuôn. ngay sau khi pha. Các vết quết phải liền một vệt thẳng theo một Quy trình tạo lớp theo phương pháp bằng chiều nhất định, không quét theo đường cong, tay: Trải vải thủy tinh phủ kín bề mặt khuôn, 120 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 trên lớp gelcoat. Tiếp theo dùng con lăn lăn Bước 1: Tạo lớp bề mặt gelcoat resin đã hòa xúc tác lên vải thủy tinh. Trong Sau khi xử lý vệ sinh bề mặt khuôn, bôi quá trình lăn, ép nhẹ con lăn nhằm làm cho chất chống dính và chất tách khuôn lên khuôn resin thấm vào sợi thủy tinh, tạo sự liên kết các ta tiến hành quét lớp gelcoat đã pha màu lên lớp và tránh bọt khí. Cứ tiếp tục qui trình như bề mặt khuôn. trên cho đến khi đạt chiều dày sản phẩm mong Bước 2: Tạo lớp gia cường laminat muốn.[3] - Sau khi lớp gelcoat được thực hiện ở Khi gia công công đoạn này cần chú ý đến bước 1 đóng rắn (khô hoàn toàn nhưng hít tay) những đểm sau: - Bọt khí sẽ làm yếu lớp gia cường, cho thì tiến hành tạo các lớp laminat gia cường. nên phải đảm bảo resin thấm ướt đều để tránh bọt khí. - Các mối ghép gối đầu của vải thủy tinh nên so le nhau từ (3÷5) cm, các mối ghép của lớp sau phải cách xa mối ghép của lớp trước, tránh trùng lặp giữa các mối ghép. Chế tạo thử Trước khi bước vào quá trình chế tạo hệ thống thân vỏ, cần chế tạo các mẫu thử để kiểm nghiệm cơ tính của vật liệu composite nhằm chọn ra kết cấu vật liệu phù hợp nhất. Ta tiến hành thử nghiệm với loại vật liệu composite Hình 3: Thân vỏ xe mô hình sau khi hoàn thiện có quy cách như sau: - Vải thủy tinh bề mặt tiếp giáp với lớp Gelcoat/MAT CSM 225/MAT CMS 225/WR gelcoat là loại MAT cát ngắn CSM mỏng mềm 360/Gelcoat (2 Mat -1 Vải) có khối lượng 0,225 kg/m2. Tiến hành trải MAT Thiết bị thử Cơ tính của vật liệu làm vỏ xe được chế CSM 225 lên bề mặt gelcoat. Tiếp theo sử 2 tạo thử được kiểm tra trên máy kiểm nghiệm dụng roving dệt WR có khối lượng 0,8 kg/m cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model H50KS để tiếp tục cho lớp vật liệu kế tiếp. tại Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy - Trường Các lớp gia cường tiếp theo: Tùy thuộc vào Đại học Nha Trang. yêu cầu sản phẩm mà ta có thể chọn số lượng 2.1.2. Tiến hành chế tạo và loại vật liệu cho các lớp gia cường tiếp theo. Bảng 1. Vật liệu cho quá trình chế tạo Bước 3: Lấy sản phẩm ra khỏi khuôn khung vỏ composite Sau khi resin lỏng liên kết với các lớp sợi TT Vật liệu Đơn vị Số lượng thủy tinh và đóng rắn hoàn toàn thì sản phẩm 1 Gelcoat Kg 35 composite hoàn tất, tiến hành lấy sản phẩm ra 2 Matit Kg 20 khỏi khuôn. 3 WR 360 Kg 8 Bước 4: Lắp ráp thân vỏ composite vào xe mô hình 4 WR 800 Kg 10 Sau khi đã có sản phẩm composite dạng 5 MAT CSM 225 Kg 6 tấm phẳng hoặc dạng uống cong theo yêu cầu 6 Resin Kg 45 chế tạo, tiến hành ốp các tấm composite lên 7 Mek Kg 1 khung xe tạo thành hệ thống vỏ cho xe mô - Chuẩn bị vật liệu cho quá trình chế tạo hình, cụ thể: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 121 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 - Lắp lược đặt từng tấm composite vào Sử dụng matit để làm kín các khe hở giữa đúng vị trí khung sườn của chúng như thiết kế. các tấm Composite khi lắp vào khung xe, Sau - Cố định từng khung sườn tạm thời vào đó, sử dụng giấy nhám thô mài phá, tiếp đến vỏ nhờ một lớp keo resin ở một số vị trí cục bộ dung nhám tinh để đánh bóng. Cuối cùng ta trên thân khung xe, với các vị trí đặc biệt ta có tiến hành phun sơn (màu sơn phải cùng với thể dùng đinh tán nhôm để ghép nối. màu của vỏ xe) tại các điểm vừa gia công. Bước 5: Hoàn thiện thân vỏ xe 2.2. Thiết kế, chế tạo mạch điện điều khiển tốc Sau khi gia công thô hệ thống vỏ xe, ta bắt độ động cơ điện đầu công đoạn gia công tinh. Đây là công đoạn 2.2.1. Mạch điện điều khiển tốc độ động đem lại nét thẩm mỹ cho xe. cơ điện Hình 4. Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ [4] Khi người vận hành tác động vào chân 2.2.2. Khối nguồn ga, giá trị biến trở thay đổi dẫn đến điện áp Dùng điện trở công suất đưa ra một điện áp vào chân ADC4 thay đổi theo. Dựa vào giá 24VDC và điện áp chuẩn 5VDC, nhằm giữ cho trị đầu vào ADC4, vi điều khiển thay đổi độ điệ n á p ổ n đị nh để cấp cho mạch chính hoạ t rộng xung thông qua chân OUT01 tác động độ ng, các tụ điện được bố trí trong mạch nhằm đến transistor công suất Q7 để thay đổi tốc mục đích lọc nhiễu tần số cao trên đường mạch, độ động cơ điện. đưa ra điện áp ổn định được trình bày ở hình 5. Hình 5. Sơ đồ khối nguồn [4] 122 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 2.2.3. Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ DC 2.3. Lắp ráp, điều chỉnh và hoàn thiện mô hình - Hình thức tổ chức lắp ráp xe mô hình: xe được lắp ráp theo hình thức di động tự do. Đây là hình thức tổ chức lắp ráp mà tại mỗi vị trí lắp ráp được thực hiện hoàn chỉnh một nguyên công lắp ráp. - Chia nhỏ việc lắp ráp mô hình xe thành các đơn vị lắp, chia thành từng nhóm lắp, từ Hình 6. Sơ đồ khối nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện đó ta có một sơ đồ lắp ráp tổng thể. Trong số Bộ điều khiển đọc giá trị từ biến trở chân ga các chi tiết của một đơn vị lắp, ta tìm chi tiết cơ liên tục để từ đó thay đổi tốc độ động cơ theo thời sở, rồi gá lắp các chi tiết khác lên chi tiết cơ sở gian thực. Nếu giá trị đọc từ biến trở quá nhỏ thì theo một thứ tự nhất định. giá trị đầu ra sẽ bằng 0 để đảm bảo hoạt động tối ưu cho bộ công suất và động cơ điện. 2.4. Thử nghiệm và bàn luận Đã tổ chức thử nghiệm, điều chỉnh hoàn chỉnh, thành công mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện. Xe hoạt động ổn định, an toàn, tin cậy chở được 4 người (kể cả người Hình 7. Mô hình xe ô tô sau khi hoàn thiện lái) với 2 chế độ thử, cụ thể: Bảng 2. Kết quả thử nghiệm các chế độ của xe ô tô mô hình Tốc độ xe Thời gian xe chạy Số người (cả TT Chế độ thử nghiệm (km/h) được (giờ) người lái) 1 Xe chạy trên đường bằng 30 1,38 4 2 Xe chạy trên đường dốc (10%) 16 0,75 4 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Thiết kế, chế tạo thành công mạch điện điều khiển tốc độ động cơ điện bằng phương pháp 1. Kết quả đạt được - Sản phẩm nghiên cứu mô hình xe ô tô băm xung, sử dụng vi điều khiển Atmega 32. thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng - Mô hình xe ô tô thân vỏ bằng vật liệu lượng mặt trời và năng lượng điện đáp ứng đủ composite được chế tạo tại Trường Đại học tính năng của ô tô, đạt vận tốc tối đa 30 km/h Nha Trang đã đạt được một số kết quả bước trên địa hình bằng phẳng và có khả năng leo đầu đáng khích lệ, có thể ứng dụng phục vụ dốc với độ dốc khoảng 10%, đạt vận tốc 16km. đào tạo, nghiên cứu. Mô hình có tính trực - Khắc phục được vấn đề ô nhiễm môi quan, giúp sinh viên tiếp cận và ứng dụng trường do xe ô tô mô hình sử dụng năng lượng kiến thức của các học phần chuyên ngành điện lưới và năng lượng điện mặt trời không Công nghệ Kỹ thuật ô tô vào một phương tiện phát thải các chất độc hại. xe ô tô cụ thể. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 123 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2016 2. Hạn chế 3. Kiến nghị Tốc độ tối đa của xe mô hình còn thấp, khả Để có thể ứng dụng mô hình này vào thực năng leo dốc hạn chế. Khi chuyển động chưa tế cần trang bị, bổ sung thêm các yếu tố sau: thật sự êm dịu do tận dụng một số chi tiết, bộ - Tăng dung lượng ắc qui và công suất pin phận cũ trong hệ thống treo, lái; Dung lượng mặt trời để tăng thời gian hoạt động của xe. ắc qui nhỏ; Hiệu suất nạp năng lượng từ pin - Thay thế các chi tiết, bộ phận cũ trong hệ mặt trời cũng chưa cao. thống treo, lái,để tăng sự êm dịu của xe. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Văn Ga (2006), Ô tô và ô nhiễm môi trường, NXB Giáo dục. 2. Bộ Giao thông vận tải (1999), Tiêu chuẩn ngành số 22TCN 256 – 99, Hà Nội. 3. Nguyễn Đăng Cường (2006), Composite sợi thủy tinh và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật. 4. Lê Văn Doanh (2007), Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật. 124 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG