Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử thiết kế thanh giảm tốc thu hồi năng lượng

- 1 - Chương 1 Tổng quan 1. 1 Đặt vấn đề Hiện nay với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao, trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt dần. Chính vì điều đó đã đòi hỏi con người cần phải nỗ lực nghiên cứu các nguồn năng lượng khác để thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch. Từ đó, có rất nhiều nguồn năng lượng mới ra đời đem lại hiệu quả rất lớn. Không dừng lại ở đó, con người tiếp tục nghiên cứu và đặt ra những yêu cầu về nguồn năng lượng mới cao hơn, thân thiện với môi trường hơn. Đã có rất nhiều nguồn năng lượng sạch ra đời như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời Tất cả đều dựa trên nguyên tắc chung là thu hồi các nguồn năng lượng vô ích trở thành có ích phục vụ cho con người. Nhận thấy Việt Nam là một nước có mật độ lưu thông cao, xe chạy trên đường đã sinh ra một công vô ích, xuất phát từ ý tưởng trên thì giải pháp “ Thiết kế thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông ” đã ra đời và sẽ góp phần tạo nên một nguồn năng lượng mới để phục vụ cho con người. Hiện nay thì Việt Nam vẫn chưa thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu hồi năng lượng trên đường giao thông, mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo thành công thanh giảm tốc được lắp đặt trên đường có khả năng thu hồi được nguồn năng lượng sinh ra từ các phương tiện giao thông thành điện năng phục vụ cho thắp sáng đèn đường, các tín hiệu giao thông, thắp sáng biển báo 1.2 Lịch sử phát triển của đề tài 1.2.1 Ngoài nước Hiện nay, ở Anh đã thiết kế và chế tạo thành công một loại thanh giảm tốc có khả năng tạo ra dòng điện mỗi khi có xe chạy ngang qua tác động lên bề mặt kim loại [8]. Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc chuyển động lên xuống của tấm kim loại sẽ làm vận hành bộ phận phát điện nằm bên dưới và tùy theo trọng lượng của chiếc xe - 2 - chạy ngang qua, từ 5 - 50KW điện năng sẽ được sản sinh ra mỗi lần. Chi phí cho cuộc nghiên cứu này trên 1,7 triệu USD. Hơn 200 chính quyền địa phương ở Anh rất thích thú với phát minh trên và dự định sẽ đặt hàng loại thanh giảm tốc này với mục đích cung cấp nguồn năng lượng cho hệ thống đèn giao thông và đèn đường. Hình 1.1: Thanh giảm tốc cho xe ôtô Tại Trung Quốc, có hai sinh viên đã nghiên cứu thành công hệ thống thu hồi năng lượng thông qua lực bước chân khi di chuyển [6] Hình 1.2: Hình ảnh hệ thống Nguyên lý họat động khá giống nhau, chỉ khác ở hệ thống này sử dụng lực bước chân để sinh ra điện. Tuy nhiên ở cả hai hệ thống đều có giá thành rất cao, hầu như không phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. - 3 - 1.2.2 Trong nước Ở nước ta có rất nhiều diễn đàn, trang web trao đổi và thảo luận về vấn đề này rất nhiều. Tuy nhiên vẫn chưa có cá nhân hay tổ chức nào bắt tay vào thực hiện. Chính vì thế hệ thống này vẫn còn khá mới ở Việt Nam. Thanh giảm tốc thu hồi năng lượng nói riêng và lĩnh vực nghiên cứu năng lượng mới nói chung còn rất mới ở Việt Nam. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng là một bước đi khá mới mẻ, thể hiện được tính sáng tạo, ham học hỏi của sinh viên Lạc Hồng. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế, chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông, hoạt động ổn định,với các tiêu chí sau: - Đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông - Không làm ảnh hưởng và cản trở tới phương tiện giao thông - Chi phí rẻ - Hệ thống phải hoạt động có hiệu quả - Lắp đặt đơn giản và có tính áp dụng cao 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng trên đường giao thông hoạt động hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí cho nên hệ thống hoạt động hoàn toàn dựa vào tác động của xe và không tốn nguyên liệu để hoạt động. Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu các loại hình dạng, tiêu chuẩn của các loại thanh giảm tốc khác nhau, các loại đường và phương tiện tham gia giao thông nhằm đưa ra phương án hợp lý nhất khi thiết kế chế tạo. Thời gian nghiên cứu từ tháng 08 đến tháng 12 năm 2012 Địa điểm nghiên cứu tại trường Đại học Lạc Hồng, thanh giảm tốc được thiết kế để lắp đặt tại cổng trường, ngay vị trí quét thẻ xe máy. - 4 - 1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính toán, thiết kế, chế tạo theo từng giai đọan, sau đó tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất. Khảo sát thực tế, tìm hiểu hình dạng, chức năng các lọai thanh giảm tốc, kế thừa những ưu điểm của các đề tài trên thế giới, tìm cách khắc phục những khuyết điểm để áp dụng vào thiết kế đề tài Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế hình dáng thanh giảm tốc trên lý thuyết, thiết kế các cơ cấu truyền động, cơ cấu tăng tốc cho máy phát điện Giai đọan tiếp theo là tiến hành chế tạo Giai đoạn cuối là đưa vào kiểm nghiệm hệ thống, tìm ra những phương án chưa hợp lý từ đó sửa chữa và thay đổi phương án thiết kế kịp thời. 1.6 Cấu trúc của đề tài Trong đề tài này gồm những nội dung sau: Cơ sở lý thuyết của đề tài. Thiết kế và thi công Kết quả thực nghiệm Kết luận - 5 - Chương 2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Giới thiệu về các loại thanh giảm tốc Thanh giảm tốc ( gờ giảm tốc) được lắp đặt trên các đoạn đường có tác dụng hạn chế tốc độ của phương tiện giao thông. Hình 2.1: Gờ giảm tốc Hiện nay thì vẫn chưa có quy định cụ thể về sơn vạch và làm gờ giảm tốc.Có 2 loại là vạch giảm tốc và gờ giảm tốc. Trong đó vạch giảm tốc có chiều cao từ 2-6 cm,vạch cách nhau 2cm có 2 dãy, mỗi dãy có 5 vạch, còn gờ giảm tốc thì từ 5-10cm và thường gờ giảm tốc chỉ có 1 vạch [4] Hình 2.2: Vạch giảm tốc - 6 - 2.2 Giới thiệu máy phát điện ( Dynamo) 2.2.1 Khái niệm Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Dynamo là máy phát điện đầu tiên có khả năng cung cấp điện năng cho công nghiệp. Dynamo sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi năng lượng quay cơ học thành dòng điện xoay chiều. Hình 2.3: Dynamo trong xe ôtô tải Huyndai 2.2.2 Cấu tạo của máy phát điện ( Dynamo) Cấu tạo của dynamo bao gồm một kết cấu tĩnh mà nó tạo ra từ trường mạnh và một cuộn dây quay. Ở các máy phát dynamo nhỏ, từ trường được tạo ra bằng các nam châm vĩnh cửu, đối với các máy lớn, từ trường được tạo ra bằng các nam châm điện. Hình 2.4: Cấu tạo của dynamo xe đạp - 7 - 2.3 Giới thiệu về Bánh đà 2.3.1 Khái niệm Bánh đà là một thiết bị cơ khí quay được sử dụng để lưu trữ năng lượng quay. Bánh đà có mô-men quán tính lớn, và do đó chống lại sự thay đổi tốc độ quay. Lượng năng lượng được lưu trữ trong một bánh đà tỉ lệ với bình phương tốc độ quay của nó. Năng lượng được chuyển giao cho một bánh đà bằng cách áp dụng mô- men xoắn đối với nó, do đó gây ra tốc độ quay của nó, và do đó năng lượng lưu trữ của nó, gia tăng. Ngược lại, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm. 2.3.2 Tác dụng của bánh đà Chúng cung cấp năng lượng liên tục khi các nguồn năng lượng không liên tục.Ví dụ, bánh quay được sử dụng trong động cơ pit-tông bởi vì các nguồn năng lượng (mô- men xoắn từ động cơ) là không liên tục. Chúng cung cấp năng lượng ở mức vượt quá khả năng của một nguồn năng lượng. Điều này đạt được bằng cách thu thập năng lượng trong bánh đà theo thời gian và sau đó giải phóng năng lượng một cách nhanh chóng, với tốc độ vượt quá khả năng của nguồn năng lượng. Chúng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí. Trong các ứng dụng như vậy, xung lượng góc của một bánh đà là cố ý chuyển tải một khi năng lượng được chuyển đến hoặc từ bánh đà. Công thức tính moment quán tính của bánh đà:        (2.1) 2.3.3 Ứng dụng Bánh đà thường được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục trong các hệ thống nơi mà các nguồn năng lượng không liên tục. Một bánh đà cũng có thể được sử dụng để cung cấp các xung unsustained năng lượng tại các tốc độ truyền tải năng lượng vượt quá khả năng của nguồn năng lượng - 8 - của nó, hoặc khi xung như vậy sẽ làm gián đoạn việc cung cấp năng lượng (ví dụ như mạng lưới điện công cộng). Bánh đà có thể được sử dụng kiểm soát định hướng của một hệ thống cơ khí. Trong những trường hợp như vậy, xung lượng góc của bánh đà được chuyển tải trong quá trình chuyển năng lượng Trong thực tế có rất nhiều loại bánh đà khác nhau,kích thước khác nhau như: bánh đà xe máy, bánh đà trong xe hơi, bánh đà trong máy cưa gỗ…. Hình 2.5: Bánh đà cưa gỗ Hình 2.6: Bánh đà trong xe ôtô 2.4 Tỷ số truyền Tỷ số truyền dự kiến ban đầu của toàn bộ hệ thống là 12 lần. Tuy nhiên đề giải bài toán phân phối tỷ số truyền, hợp lý hơn cả là xuất phát từ một số chỉ tiêu quan trọng nhất để xây dựng các hàm mục tiêu và chọn phương pháp thích hợp để giải bài - 9 - toán tối ưu đa mục tiêu thỏa mãn đồng thời các chỉ tiêu quan trọng như khối lượng nhỏ nhất, kích thước nhỏ gọn nhất. Bảng 2.1 Bảng phân phối tỷ số truyền [1] TST của hộp u h 6 HGT khai triển u 1 u 2 u 1 u 2 HGT phân đôi 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 2,73 2,20 2,54 2,36 3,30 2,42 3,08 2,60 3,83 2,61 3,58 2,79 4,32 2,78 4,05 2,97 4,79 2,92 4,49 3,12 5,23 3,06 4,91 3,26 5,66 3,18 5,31 3,39 6,07 3,29 5,69 3,51 6,48 3,39 6,07 3,63 6,86 3,50 6,42 3,74 7,23 3,59 6,77 3,84 7,60 3,68 7,12 3,94 7,96 3,77 7,45 4,03  Công thức tính tỷ số truyền:            (2.2) Trong đó: u : Tỷ số truyền   : Số vòng quay của trục bị động   : Số vòng quay của trục chủ động   : Số răng của bánh răng chủ động   : Số răng của bánh răng bị động Nếu trong hệ thống có nhiều tỷ số truyền thành phần thì tỷ số truyền chung của hệ thống được tính bằng công thức:     (2.3) Trong hệ thống của nhóm thiết kế thì bộ phận tăng tốc của được chia làm hai phần sau: - 10 - 2.4.1 Hộp tăng tốc 2.4.1.1 Khái niệm Trong hệ dẫn động cơ khí thường sử dụng các bộ truyền bánh răng hoặc trục vít dưới dạng một tổ hợp biệt lập gọi là hộp tăng tốc. Hộp tăng tốc là cơ cấu truyền động ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi và được dùng để tăng vận tốc góc và giảm mômen xoắn. Một loại cơ cấu tương tự nhưng được dùng để giảm vận tốc góc và tăng mômen xoắn được gọi là hộp giảm tốc. Hộp tăng tốc được sử dụng rộng rãi trong các ngành cơ khí, luyện kim, hóa chất, trong công nghiệp đóng tàu 2.4.1.2 Phân loại Tùy theo tỉ số truyền chung của hộp tăng tốc, người ta phân ra: hộp tăng tốc một cấp và hộp tăng tốc nhiều cấp. Tùy theo loại truyền động trong hộp tăng tốc phân ra: hộp tăng tốc bánh răng trụ, hộp tăng tốc bánh răng côn hoặc côn – trụ, hộp tăng tốc trục vít, trục vít – bánh răng hoặc bánh răng – trục vít. 2.4.1.3 Cấu tạo Ở đây nhómsử dụnghộp tăng tốc một cấp tốc độ, được cấu tạo từ hai bánh răng thẳng có tỉ số truyền dự kiến là 4. Hình 2.7: Bánh răng trong công nghiệp [...]... trong việc tính toán trên lý thuyết 3.3 Phương án thiết kế cơ khí 3.3.1 Thiết kế mô hình hệ thống Xây dựng mô hình hệ thống : - 19 - Hình 3.1: Cấu tạo bên trong của hệ thống Trong đó: (1): Bề mặt thanh giảm tốc (2): Bộ phận truyền lực của hệ thống (3): Bộ phận tăng tốc (4): Bộ truyền líp xe đạp (5): Bánh đà (6): Máy phát điện Nguyên lý hoạt động: Khi xe chạy ngang qua bề mặt thanh giảm tốc (1) sẽ có lực... Qua bộ phận tăng tốc (3) và líp xe (4) làm cho máy phát điện (6) quay và sinh ra điện năng nạp vào ắc quy Bánh đà (5) có tác dụng tăng sức quán tính cho máy phát, giúp tăng số vòng quay cũng như giúp ổn định vận tốc quay của máy phát.Sau khi hết lực tác động, lò xo trong bộ phận truyền (2) có tác dụng làm hệ thống trở về vị trí ban đầu 3.3.2 Thiết kế thanh giảm tốc Bề mặt thanh giảm tốc được chế tạo... Máy phát điện được sử dụng ở đây gồm hai bộ phận mâm lửa và bánh đà trong xe máy Cũng sẽ sử dụng cơ cấu bánh răng nghiêng để chuyển lực từ phương thẳng đứng sang chuyển động quay Bộ phận tăng tốc được thiết kế đơn giản kết hợp với sử dụng thêm một bánh đà để tăng thêm quán tính và làm đều chuyển động của máy phát Thiết kế bộ truyền xích của xe đạp để tăng tốc độ và máy phát có thể quay theo quán tính... Bạc đạn tiết kiệm năng lượng ( SKF) Giảm hao phí năng lượng trong động cơ điện với vòng bi cầu tiết kiệm năng lượng của SKF Với những thiết kế mới cải tiến tối ưu: vòng cách bằng vật liệu tổng hợp đặc biệt, mỡ chất lượng cao loại ma sát thấp của SKF và kích thước bao hình theo tiêu chuẩn ISO hoàn toàn có thể thay thế những loại thông thường (có cùng mã hiệu), bạc đạn tiết kiệm năng lượng của SKF sẽ... người thiết kế hệ thống có khả năng tối ưu hóa điện năng sử dụng so với tốc độ xử lý - 17 - Chương 3 Thiết kế và thi công 3.1 Yêu cầu kĩ thu t Hệ thống sau khi thiết kế hoàn chỉnh phải đạt những yêu cầu sau: + Chiều cao của hệ thống khi lắp đặt không vượt quá 100mm + Khi xe chạy ngang qua tác động lên hệ thống thì sau khi qua bộ truyền, máy phát điện phải đạt tốc độ 3,5vòng/giây và phải duy trì được tốc. .. trên đĩa xích ( ăn khớp gián tiếp) Hình 2.9: Bộ truyền xích 2.4.2.3 Tác dụng Bộ truyền xích có tác dụng tăng tỷ số truyền của hệ thống - 12 Trong cơ cấu bộ truyền xích xe đạp có cơ cấu gọi là Bánh cóc Cơ cấu bánh cóc dùng để tạo chuyển động quay gián đoạn một chiều, đồng thời giữ cho trục của bánh cóc không quay theo chiều ngược lại Cơ cấu bánh cóc thường được dùng trong các thiết bị nâng, tời, xeđạp…Nhóm... ngang qua tác động - 20 Chiều cao tính từ mặt đất đến đầu thanh giảm tốc là 100mm đạt tiêu chuẩn về chiều cao an toàn của thanh giảm tốc ở Việt Nam 350 100 Ở trên mặt đất 300 Ở dưới mặt đất 550 Hình 3.2: Hình dạng và kích thước của hệ thống 350 300 100 350 Hình 3.3: Hình dạng và kích thước của thanh giảm tốc 3.3.3 Lựa chọn máy phát điện Máy phát điện sẽ được chế tạo với các yêu cầu sau: + Kích thước nhỏ... toán thiết kế bộ phận truyền lực Để truyền lực theo phương thẳng đứng có hiệu quả tốt, cũng như thời gian tác động nhanh thì phương án ở đây sẽ sử dụng bánh răng nghiêng.[7] Hình 3.8: Bánh răng nghiêng và thanh kim loại có răng nghiêng Bánh răng được chế tạo từ thép tôi cải thiện ( tôi rồi ram ở nhiệt độ cao), thép thường hóa hoặc thép đúc để chế tạo bánh răng Độ rắn bề mặt răng HB . Nam. Thanh giảm tốc thu hồi năng lượng nói riêng và lĩnh vực nghiên cứu năng lượng mới nói chung còn rất mới ở Việt Nam. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo thanh giảm tốc thu hồi năng lượng. dụng vào thiết kế đề tài Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế hình dáng thanh giảm tốc trên lý thuyết, thiết kế các cơ cấu truyền động, cơ cấu tăng tốc cho máy phát điện . thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu hồi năng lượng trên đường giao thông, mục đích của đề tài là thiết kế chế tạo thành công thanh giảm tốc được lắp đặt trên đường có khả năng thu hồi