Trong những năm gần đây ngành Cơ Điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử. Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên là việc làm cần thiết. Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việctheo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả. Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này. Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Xe đạp điện”. Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XE ĐẠP ĐIỆN Giáo viên hướng dẫn : ThS.Nhữ Quý Thơ Sinh viên thực : Nguyễn Đức Tiệp 2020605915 Nguyễn Thành Trung 2020606138 Lê Văn Truyền Hà Nội - 2023 2020606153 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6061.3 Tên nhóm: N16 Họ tên thành viên - Nguyễn Đức Tiệp - Nguyễn Thành Trung - Lê Văn Truyền Khóa: 15 MSV:2020605915 MSV:2020606138 MSV:2020606153 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm điện tử: Xe đạp điện Hoạt động sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ - Xác định vấn đề - Thiết lập cấu trúc chức - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc Nội dung 3: Thiết kế cụ thể - Xây dựng bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống - Phác thảo sản phẩm phần mềm CAD và/hoặc vẽ phác Áp dụng công cụ hỗ trợ: Mơ hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch tập lớn III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tập lớn theo thời gian quy định (từ ngày 08/05/2023 đến ngày 11/06/2023) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống điện tử tài liệu tham khảo Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA/TRUNG TÂM Ts Nguyễn Anh Tú GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ths Nhữ Quý Thơ Mục lục Phần 1: Tổng quan sản phẩm 1.1: Lịch sử đời xe đạp điện 1.2: Một số ứng dụng xe đạp điện Phần 2: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 2.1: Thiết lập danh sách yêu cầu Phần 3: Thiết kế sơ 3.1: Xác định vấn đề 3.2: Thiết lập cấu trúc chức 3.2.1: Chức tổng thể 3.2.2: Các chức 3.2.3: Tìm kiểm nguyên tắc làm việc .13 3.2.4: Kết hợp nguyên lý làm việc 16 3.2.5: Tổng hợp đánh giá biến thể 18 Phần 4: Thiết kế cụ thể .22 4.1: Thiết kế sơ 22 4.1.1: Tạo sơ đồ hệ thống .22 4.1.2: Nhóm chức 23 4.1.3: Bố trí hình học 24 4.1.4: Xác lập layout thơ,các phận thực chức 25 4.1.5: Bản vẽ lắp kết cấu khí xe đạp điện 27 4.2: Thiết kế chi tiết 28 4.2.1: Thiết kế khung xe 28 4.2.2: Thiết kế động 28 4.2.3: Pin 29 4.2.4: Bánh xe 30 4.2.5: Xích .30 4.2.6: Giảm sóc .31 4.2.7: Bộ điều khiển 31 4.2.8: Màn hình hiển thị 32 4.2.9: Đèn pha 32 4.2.10: Xy nhan .33 4.2.11: Còi .33 Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Xe đạp điện đầu tiền giới Hình 1.2 Xe đạp điện dùng pin Lithi-on Hình 4.1 Bố trí hình học 24 Hình 4.2 Layout thơ xe đạp điện 25 Hình 4.3 Bảng vẽ lắp xe đạp điện 27 Hình 4.4 Khung xe đạp điện 28 Hình 4.5 Động xe đạp điện .28 Hình 4.6 Pin xe đạp điện .29 Hình 4.7 Bánh xe đạp điện 30 Hình 4.8 Bộ truyền xích 30 Hình 4.9 Giảm xóc .31 Hình 4.10 Màn hình xe đạp điện 32 Hình 4.11 Đèn pha xe đạp điện .32 Hình 4.12 Xy nhan xe đạp điện .33 Hình 4.13 Còi báo 33 Lời mở đầu Trong năm gần ngành Cơ Điện tử có bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng sản phẩm điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp nâng cao suất lao động hạ giá thành sản phẩm Song song với trình phát triển yêu cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc môi trường khắc nghiệt với thời gian dài hệ thống điện tử Vì việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điện tử để đáp ứng yêu cầu việc làm cần thiết Sự phát triển hệ thống điện tử phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức tư việc lập kế hoạch cơng việctheo trình tự hợp lý để thiết kế hệ thống điện tử hoạt động ổn định, tối ưu hiệu Học phần rèn luyện cho sinh viên khả tư hệ thống, kỹ làm việc nhóm kiến thức nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập công việc sau Sau trình học tập tự tìm hiểu học phần, nhóm sinh viên lựa chọn hồn thành báo cáo tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm điện tử “Xe đạp điện” Đây đề tài hay có tính ứng dụng cao đời sống đồng thời sở cho nghiên cứu sản phẩm sau sinh viên Phần 1: Tổng quan sản phẩm 1.1: Lịch sử đời xe đạp điện Ngày 31 tháng 12 năm 1985, nhà sáng chế Ogden Bolton Jr công khai mẫu xe đạp chạy pin khơng có bánh động mẫu xe đạp điện xuất giới Năm 1987, nước Mỹ, Hosea W Libbey đăng ký quyền phát minh mẫu xe đạp điện riêng ơng, mẫu xe có động hiệu suất gấp đôi so với phiên động thiết kế nằm trung tâm trục bánh xe Hình 1.1 Xe đạp điện đầu tiền giới Sau trải qua nhiều trình phát triển thay đổi, xe đạp điện dần cải thiện hình thành Đặc biệt sau cơng nghệ tích hợp sử dụng pin NiMH, NiCd pin Li-ion có trọng lượng nhẹ hơn, dung lượng dày đặc Do đặc tính nên loại pin có thời gian tích điện dài hơn, độ bền pin cao Ngày nay, hầu hết xe đạp điện sạc điện bổ sung cho pin với cải tiến dành cho pin xe đạp điện, tượng chai pin hạn chế xuống mức thấp Hiện nay, có nhiều nước giới sản xuất xe đạp điện Đức, Nhật Bản, Trung Quốc … Ở thị trường Việt Nam nay, xe đạp điện đến từ Trung Quốc Nhật Bản chiếm thị phần lớn Có thể nhắc tới số thương hiệu xe đạp điện tiếng là: xe đạp điện Asama, Ambike, Vnbike, Giant Qua nhiều giai đoạn phát triển cải tiến, xe đạp điện hoàn thiện với nhiều chức đa dạng Sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, sau số mẫu xe đạp điện thị trường: Hình 1.2 Xe đạp điện dùng pin Lithi-on 1.2: Một số ứng dụng xe đạp điện Xe đạp điện phương tiện giao thơng có nguồn lượng tái tạo thân thiện với môi trường Đây giải pháp di chuyển thơng minh tiết kiệm chi phí cho nhiều người Sau số ứng dụng xe đạp điện: a) Di chuyển đô thị: Xe đạp điện lựa chọn thông minh cho việc di chuyển thị Chúng khơng gây khói bụi tiếng ồn, giúp giảm thiểu nhiễm khơng khí tiếng ồn thành phố Ngoài ra, với bùng nổ mạng lưới đường xe đạp, điều làm cho việc sử dụng xe đạp điện trở nên dễ dàng hết b) Tập thể dục giải trí: Xe đạp điện sử dụng phương tiện để tập thể dục giải trí Với việc tích hợp cơng nghệ xe đạp điện, người dùng tùy chỉnh chế độ điều khiển xe theo nhu cầu cá nhân, từ chế độ dễ dàng đến khó khăn, giúp cải thiện sức khỏe tăng cường thể lực c) Vận chuyển hàng hóa: Xe đạp điện sử dụng để vận chuyển hàng hóa nhỏ thành phố Với khả chuyên chở hàng hóa nhẹ nhàng linh hoạt, nhà vận chuyển sử dụng xe đạp điện để giao hàng cách nhanh chóng tiết kiệm chi phí d) Cho người khuyết tật: Xe đạp điện phương tiện vận chuyển lý tưởng cho người khuyết tật có giới hạn khả vận động Với loại xe đạp điện đặc biệt thiết kế cho người khuyết tật, người dùng điều khiển xe cách an toàn dễ dàng e) Sử dụng du lịch: Xe đạp điện phương tiện lại tuyệt vời cho chuyến du lịch ngắn hạn Với khả di chuyển linh hoạt tiết kiệm chi phí, xe đạp điện cho phép người dùng khám phá nhiều địa Phần 2: Phân tích nhiệm vụ thiết kế 2.1: Thiết lập danh sách yêu cầu Trước bắt đầu phát triển sản phẩm , cần phải làm rõ nhiệm vụ thiết kế cách chi tiết Dưới số yêu cầu cần có xe đạp điện: DANH SÁCH YÊU CẦU XE ĐẠP ĐIỆN THAY ĐỔI D W D D D D D D D D D D D D D D W D D D W D D D Hình dạng: Kích thước xe: • Khoảng cách trục bánh xe:1-1,2 m • Độ cao gầm xe:130-145mm • Chiều dài:1300-1700mm • Chiều rộng:600-680mm • Chiều cao:1000-1100mm • Chiều cao n xe:130-200mm Đường kính bánh xe: • Lốp: 480-490mm • Vành:330-350mm Lốp xe: • Trang bị lốp không săm • Đảm bảo độ bám đường Dây sạc:2-3 m Động lực học: • Vận tốc xe: 25-35km/h • Gia tốc:1-2 km/s • Thời gian tăng tốc từ đến vận tốc tối đa: 5-10 s Khối Lượng: • Trọng lượng xe:25-30kg • Chở vật nặng:100-120kg Năng lượng: • Điện áp: AC 220V • Tần số:50-60 Hz • Điên áp ắc quy :48V-12Ah • Cơng suất: 300-350W • Hệ thống bình ắc quy cung cấp điện An tồn: • Hệ thống: Bảo vệ q dịng q nhiệt,có tự ngắt sạc đầy pin • Vật liệu: Sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường 10 Nhận biết có Chống trộm 0.11 người tiếp xúc xe 0.25 0.1925 0.165 0.22 11 Định vị 0.15 0.099 0.0825 0.1485 12 Cảnh báo 0.3 0.264 0.198 0.231 13 Phanh 0.17 0.0765 0.0612 0.1377 0.25 0.18 0.2025 0.1575 14 Phanh an tồn 0.09 Chống bó má phanh 15 Ngắt điện động 0.58 0.3132 0.3654 10 0.522 16 Giảm tốc 0.3 0.198 0.264 0.297 17 Truyền động 0.7 0.616 0.462 0.539 18 Đánh lái 0.15 0.0525 0.045 0.06 Cân xe 0.35 0.1225 0.0875 0.14 Điều khiển 0.5 0.175 0.2 0.225 Đo tốc độ 0.4 0.288 0.192 0.224 0.6 0.432 0.384 0.336 19 Dẫn động Điều hướng tốt 0.11 0.05 20 21 22 Khống chế tốc độ ổn định 0.08 Phát động di chuyển 19 23 24 Khởi động xe nhanh Giảm xóc êm 0.05 25 26 Nâng đỡ 0.05 0.21 0.24 Tạo độ dao động 0.25 0.0875 0.075 0.1 Dập tắt dao động 0.75 0.3 0.225 0.2625 0.8 0.24 0.28 0.32 0.2 0.08 0.07 0.09 0.2 0.144 0.128 0.112 0.3 0.144 0.216 10 0.24 0.3 0.144 0.168 0.216 0.2 0.128 0.08 0.112 0.2 0.112 0.098 0.084 0.5 0.245 0.28 0.315 vật Điều khiển xy nhan bên trái Điều khiển đèn Đèn báo 0.08 hậu Điều khiển xy 30 nhan bên phải Đèn hậu 31 33 0.27 Nâng đỡ xe 28 32 Nâng đỡ người 27 29 0.03 Điều khiển chiếu Chiếu sáng tốt 0.07 sáng Phát sáng 20 Phản xạ ánh sáng 34 Hiển thị phần 35 trăm pin Hiển thị chế độ lái 36 Hiển thị vận tốc 37 Thông báo rõ 38 ràng xe 0.1 Hiển thị quãng đường di chuyển Hiển thị trạng thái 39 đèn báo Tổng 0.3 0.189 0.126 0.168 0.3 0.27 0.24 0.18 0.2 0.1 0.14 0.16 0.2 0.14 0.12 0.16 0.1 0.07 0.05 0.06 0.2 10 0.2 0.16 0.18 7.4427 6.9031 8.0362 Qua trình đánh giá ta thấy biến thể số có điểm đánh giá cao xếp hạng tổng thể tốt Điều chứng tỏ biến thể tối ưu tốt tiêu chí đề Biến thể đại diện cho giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể 21 Phần 4: Thiết kế cụ thể 4.1: Thiết kế sơ 4.1.1: Tạo sơ đồ hệ thống 22 4.1.2: Nhóm chức 23 4.1.3: Bố trí hình học Hình 4.1 Bố trí hình học 24 4.1.4: Xác lập layout thô,các phận thực chức Đây bước quan trọng việc thiết kế lớp sản phẩm Từ khối chức tổng hợp được, nhóm thiết kế tiến hành bố trí hình học cho sản phẩm xe đạp điện việc xây dựng phác thảo biểu thị rõ vị trí hình học tương đối khối sản phẩm cho sản phẩm hoạt động cách thuận tiện Sau định hình layout vị cho phận, ta tiến hành ghép nhóm cho số phận có chung thiết kế để bố trí hình học có bố trí hình học tương quan layout sau: Hình 4.2 Layout thơ xe đạp điện Với nhóm phận thiết kế có vài chi tiết chung tương quan hình học vị trí với Do ta xếp nhóm có phận chung nhóm thiết kế với Bảng thể mô tả số chức nhiệm vụ đặt cho nhóm thiết kế: Bảng Bảng nhiệm vụ nhóm STT Tên nhóm Bộ phận Nhóm an tồn 25 Tay phanh Phanh ABS Dây phanh Khung xe Giảm sóc Vỏ xe Nhóm kết cấu Chân chống Móc treo đồ Chắn bùn Yên xe, giỏ xe Củ sạc Nhóm lượng Pin Aptomat Nhóm an tồn điện Rơ le Cầu trì Động Bánh xe Nhóm điều khiển di chuyển xe Xích Tay ga, ghi đơng Bàn đạp Dây ga Vi xử li Nhóm chống trộm Chìa khố, khố Cảm biến tiệm cận Định vị GPS Nút nhấn Nhóm thơng báo Đèn Cịi Xy nhan Nhóm hiển thị Màn hình LCD 26 Việc thiết kế định hình sản phẩm địi hỏi qua nhiều khâu quy trình khác từ đưa râ sản phẩm hồn thiện đáp ứng nhu cầu thị trường mục tiêu thiết kế ban đầu Quy trình mơ tả q trình thực theo sơ đồ tống quát sau 4.1.5: Bản vẽ lắp kết cấu khí xe đạp điện Qua quy trình xác định layout sơ vẽ lắp xe đạp điện xây dựng dựa bố trí khơng gian thiết kế cho phù hợp: Hình 4.3 Bảng vẽ lắp xe đạp điện Chú thích: Động Khung xe Pin Bánh xe Xích Bàn đạp Ghi đơng n Giảm sóc 10 Giỏ xe 11 Giá đỡ giỏ xe 27 Hình thể chuyển động xe đạp điện , động quay dẫn động xích truyền động cho hai bánh tạo nên di chuyển Cùng với điều hướng ghi đông (7) dẫn hướng chuyển động cho xe 4.2: Thiết kế chi tiết 4.2.1: Thiết kế khung xe Hình 4.4 Khung xe đạp điện Khung xe phận quan trọng xe đạp điện , nơi chịu lực xe Đo cứng vững máy phụ thuộc nhiều vào độ cứng vững khung máy Đối với kết cấu khung máy dành cho xe đạp điện, chịu tải trọng lớn nên thiết kế khung xe thép không gỉ nhằm tiết kiệm giá cả, dẽ tháo lắp sửa chữa qua trình lắp máy Có thể chịu tải trọng tối đa 150kg 4.2.2: Thiết kế động Hình 4.5 Động xe đạp điện 28 Công suất động :1000W Hiệu điện :48V Cường độ dòng điện I=P/U=1000/48 = 20.83 (A) Vận tốc tối đa động cơ: 500vòng/phút 4.2.3: Pin Hình 4.6 Pin xe đạp điện Dung lượng pin: 80Ah Hiệu điện :48V Trọng lượng pin:2kg/1 pin Xe đạp điện loại pin 12V( điện áp xe 48V) dung lượng bình 80Ah số kWh cho lần sạc là: 48 Volts * 80 Amp-giờ/1000 = 3.84kWh Chất liệu vỏ: nhựa ABS Chất liệu lõi: Lythium-ion 29 4.2.4: Bánh xe Hình 4.7 Bánh xe đạp điện Đường kính bánh xe: 50cm Sử dụng lốp đặc Sử dụng đũa: 60 làm từ thép chịu lực 4.2.5: Xích Hình 4.8 Bộ truyền xích Tỉ số truyền : i= D1/D2 = 20/10 =2 Chất liệu : thép cácbon Độ dài mắt xích: cm 30 4.2.6: Giảm sóc Hình 4.9 Giảm xóc Chất liệu: thép lị xo Độ cứng = 20N/m 4.2.7: Bộ điều khiển Định nghĩa: Board (bo điều tốc), phận trung tâm giúp tất hoạt động xe đạp điện Cấu tạo: phức tạp, gồm hộp kim loại có hình vng, 31 bên hệ thống nhiều bo mạch Nguyên lý hoạt động: Board chuyển đổi dòng điện chiều từ pin/bình ắc quy thành dịng điện pha cho động Chức năng: Điều khiển tay ga xe đạp điện tăng tốc, giảm tốc kích hoạt chống trộm Giúp xe bật khố thơng minh, định vị, hiển thị hình điện tử Nhận tín hiệu từ động mở khoá, vặn ga, phanh xe, đèn, cịi,… 4.2.8: Màn hình hiển thị Hình 4.10 Màn hình xe đạp điện Màn hình LCD Tần số quét: 12Hz Mà hình sử dụng hiển thị thông số sau: - Phần trăm pin - Tốc độ - Quãng đường - Chế độ lái 4.2.9: Đèn pha Hình 4.11 Đèn pha xe đạp điện 32 Điện áp: 48V Công suất: 18W Ánh sáng: Trắng 4.2.10: Xy nhan Hình 4.12 Xy nhan xe đạp điện Cơng suất: 5V Chất liệu: nhựa 4.2.11: Cịi Hình 4.13 Cịi báo Cịi điện 12 V Cơng suất: 3W 33