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 (phần chế tạo)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG LÊ VĂN THOẠI 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 PHẦN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ VĂN THOẠI

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 (PHẦN CHẾ TẠO)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa - 2014

LÊ VĂN THOẠI

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 (PHẦN CHẾ TẠO)

PGS.TS PHẠM HÙNG THẮNG

KHOA SAU ĐẠI HỌC

Khánh Hòa - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Đối với công trình nghiên cứu “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 (phần chế tạo)” này, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu

của riêng tôi Các nội dung triển khai, số liệu đo đạc nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào

Tác giả

Lê Văn Thoại

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi trân trọng kính gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang; Ban Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông; Xưởng Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang sự kính trọng và lòng tri ân vì đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong hơn 2 năm học tập và nghiên cứu tại trường vừa qua

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được gửi đến thầy TS Lê Bá Khang đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành các nội dung của luận văn

Và sau hết, tôi xin được ghi nhớ tình cảm, sự hỗ trợ giúp đỡ của Lãnh đạo Phòng Quản lý Khoa học, Lãnh đạo Sở Khoa học và Công nghệ Khánh Hòa - Tổ chức nơi tôi đang công tác, cùng KS Phạm Tạo - Giáo viên Bộ môn Kỹ thuật ô tô và Quý Thầy/Cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Giao thông, Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Nha Trang, gia đình và bạn bè thân thiết đã luôn luôn đồng hành, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành quá trình học tập tại ngôi trường này

Xin trân trọng cảm ơn./

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 4

1.1 Tổng quan về xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng 4

1.1.1 Xu hướng phát triển ngành công nghiệp ô tô 4

1.1.2 Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời (NLMT) 8

1.1.2.1 NLMT sử dụng cho ô tô 8

1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển 9

1.2 Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô 13

1.2.1 Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay 13

1.2.2 Ứng dụng vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, vận hành ô tô 14

1.2.2.1 Các nghiên cứu sử dụng vật liệu mới trong sản xuất ô tô 15

1.2.2.2 Vật liệu composite trong chế tạo khung vỏ ô tô 15

1.3 Những yêu cầu cấp thiết về môi trường trong việc hướng đến sử dụng ô tô với nguồn năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời 18

1.3.1 Ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ ô tô gây ra 18

1.3.1.1 NOx (Oxide nitơ) 18

1.3.1.2 Monoxide Cacbon (CO) 19

1.3.1.3 Hydrocacbon chưa cháy (HC) 19

1.3.1.4 Bồ hóng - muội than, chì, lưu huỳnh 19

1.3.2 Tác hại của các chất gây ô nhiễm từ khí thải động cơ đốt trong 19

1.3.2.1 Đối với con người 19

1.3.2.2 Đối với môi trường 21

1.4 Kết luận 22

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN, CHẾ TẠO 24

2.1 Tổng quan về ô tô 24

2.1.1 Giới thiệu chung 24

2.1.2 Các lực và moment tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động 25

2.1.2.1 Trọng lượng 26

2.1.2.2 Phản lực của mặt đường 27

2.1.2.3 Lực cản dốc 28

2.1.2.4 Lực cản lăn 28

2.1.2.5 Lực cản khí động học 28

2.1.2.6 Lực quán tính 29

2.1.2.7 Lực kéo 29

2.2 Năng lượng điện, năng lượng mặt trời sử dụng cho ô tô 30

2.2.1 Ô tô sử dụng năng lượng điện 30

2.2.2 Ô tô sử dụng pin nhiên liệu 31

2.2.3 Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời 32

2.2.3.1 Nguồn năng lượng mặt trời 32

2.2.3.2 Sự phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam 33

2.2.3.3 Pin mặt trời 37

2.3 Vật liệu composite sử dụng chế tạo thân vỏ ô tô 40

2.3.1 Định nghĩa và phân loại 40

2.3.2 Cấu trúc vật liệu composite 42

2.3.4.1 Vật liệu nền (resin) 44

2.3.4.2 Vật liệu cốt (vật liệu gia cường) 45

2.3.4.3 Chất xúc tác 48

2.3.4.4 Các chất phụ khác 48

2.3.3 Công nghệ chế tạo composite 49

2.4 Các phương pháp gia công cơ khí 54

2.4.1 Thiết bị, quy trình gia công hàn 55

2.4.1.1 Giới thiệu chung 55

2.4.1.2 Hàn hồ quang tay 55

2.4.1.3 Quy trình gia công hàn 57

2.4.2 Thiết bị, quy trình gia công tiện 59

2.4.3 Thiết bị, quy trình gia công khoan 62

2.4.4 Quy trình gia công cắt - mài 64

2.4.5 Quy trình gia công mài 66

CHƯƠNG 3 - THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 68

3.1 Tổng quan về thực nghiệm chế tạo 68

3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe mô hình 68

3.1.2 Đặc điểm các hệ thống trên xe 70

3.1.2.1 Hệ chassis 70

3.1.2.2 Cụm động cơ - hệ thống truyền lực 71

3.1.2.3 Cụm hệ thống treo 71

3.1.2.4 Cụm bánh xe - cầu xe 72

3.1.2.5 Hệ thống phanh 72

3.1.2.6 Cụm hệ thống lái 72

3.1.2.7 Cụm hệ thống điện 73

3.2 Chế tạo các chi tiết chính trên xe mô hình 74

3.2.1 Chế tạo khung xe 74

3.2.1.1 Chuẩn bị vật liệu 74

3.2.1.2 Chế tạo khung xe 75

3.2.2 Chế tạo bộ phận giảm tốc động cơ điện 76

3.2.2.1 Phương án truyền động 76

3.2.2.2 Chuẩn bị vật liệu 77

3.2.2.3 Tiến hành chế tạo 78

3.2.3 Chế tạo hệ thống điều khiển động cơ 78

3.2.3.1 Thiết kế mạch trên máy tính 78

3.2.3.2 Chế tạo bản mạch 79

3.2.4 Chế tạo thân vỏ xe mô hình 80

3.2.4.1 Lựa chọn công nghệ chế tạo 80

3.2.4.2 Chế tạo thử 82

3.2.4.3 Chế tạo hệ thống thân vỏ cho xe mô hình 83

3.3 Lắp ráp, hoàn thiện mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng

năng lượng mặt trời và năng lượng điện 88

3.3.1 Đặc điểm quy trình công nghệ lắp ráp 88

3.3.2 Lập sơ đồ lắp ráp 88

3.3.3 Mô tả nguyên công lắp ráp 91

3.3.3.1 Lắp ráp gầm xe 91

3.3.3.2 Lắp ráp nội thất 92

3.3.4 Lắp ráp gầm xe 94

3.3.4.1 Lắp ráp hệ thống treo 94

3.3.4.2 Lắp ráp hệ thống lái 95

3.3.4.3 Lắp ráp hệ thống phanh 96

3.3.4.4 Lắp ráp các hệ thống còn lại 97

3.4 Kiểm tra chất lượng sau lắp ráp 98

3.4.1 Kiểm tra tổng thể 101

3.4.1.1 Kiểm tra khung, thân vỏ 101

3.4.1.2 Động cơ và các bộ phận liên quan 102

3.4.1.3 Bánh xe và moayơ 102

3.4.2 Kiểm tra gầm xe 102

3.4.2.1 Hệ thống phanh 102

3.4.2.2 Cơ cấu lái, các đòn dẫn động lái 103

3.4.2.3 Các khớp cầu, khớp chuyển hướng 103

3.4.2.4 Ngõng quay lái 103

3.4.2.5 Cầu xe 103

3.4.3 Kiểm tra nội thất 104

3.4.3.1 Gương chiếu hậu 104

3.4.3.2 Ghế ngồi 104

3.4.3.4 Vô lăng lái 104

3.4.3.5 Các pêđan phanh, ga 105

3.4.3.6 Tấm pin mặt trời 105

3.4.4 Kiểm tra trên thiết bị 105

3.4.4.1 Lực phanh chính 105

3.4.4.2 Chạy thử trên đường 106

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

4.1 Kết luận 107

4.2 Kiến nghị 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

PHỤ LỤC 1 111

PHỤ LỤC 2 112

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT Từ viết tắt Nghĩa của từ

1 NLMT Năng lượng mặt trời

2 ECM bộ điều khiển motor bằng điện tử

3 Hybrid Lai (Giữa hai loại động cơ)

4 V Vôn (đơn vị điện áp)

5 W Watt (Công suất)

6 kW Kilowatt

8 PWM Phương pháp điều khiển xung bằng

cách điều chỉnh điện áp ra

9 EVA Ethylene Vinyl Acetate

10 PWM Pulse Width Modulation

11 FRP Fibreglass Reinforced Plastics

(composite sợi thủy tinh)

12 PVA Polyvinyl alcohol

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu 18

Bảng 2.1 Số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các khu vực ở Việt Nam 35

Bảng 2.2 Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta 35

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện 68

Bảng 3.2 Bảng thông số động cơ điện chọn 71

Bảng 3.3 Quy cách cách vật liệu trong hệ thống khung xe 74

Bảng 3.4 Vật liệu cho quá trình chế tạo khung vỏ composite 83

Bảng 3.5 Danh mục linh kiện và tổng thành lắp ráp 93

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH

Hình 1.1 Chiếc ô tô đầu tiên 4

Hình 1.2 Ô tô điện của Robert Anderson 4

Hình 1.3 Ô tô điện đầu tiên trên thế giới 5

Hình 1.4 Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên 6

Hình 1.5 Toyota Prius Plug-in Hybrid 7

Hình 1.6 Nissan Leaf: ô tô điện 100% 7

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống truyền động sử dụng năng lượng mặt trời 8

Hình 1.8 Xe ô tô sử dụng pin năng lượng mặt trời của hãng Siemens 8

Hình 1.9 Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 9

Hình 1.10 Xe NLMT của Trường Đại học Cần Thơ 11

Hình 1.11 Xe NLMT của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 11

Hình 1.12 Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp NLMT của sinh viên 12

Trường Đại học Nha Trang 12

Hình 1.13 Xe điện của ông Trần Văn Tâm 12

Hình 1.14 Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe ô tô khi va chạm phía trước 13

Hình 1.15 Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe ô tô khi va chạm sườn xe 13 Hình 1.16 Xe bằng vật liệu composite của hãng TaTa Motors 17

Hình 1.17 Cản xe ô tô bằng composite Công ty Hợp Long Thành 17

Hình 1.18 Công ty TNHH ô tô Sài Gòn sử dụng vật liệu composite cho thùng xe tải Hino 17

Hình 1.19 Nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí λ 18

Hình 1.20 Hiệu ứng nhà kính 21

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của ô tô 24

Hình 2.2 Lực và moment tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động lên dốc, tăng tốc trong mặt phẳng dọc 25

Hình 2.3 Sự phân bố trọng trọng lượng của xe 26

Hình 2.4 Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước 27

Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn lực kéo 30

Hình 2.6 Mô hình Pin mặt trời đầu tiên 37

Hình 2.7 Các loại Pin mặt trời hiện nay 38

Hình 2.8 Cấu tạo một modun pin mặt trời 39

Hinh 2.9 Sơ đồ nguyên lý của pin mặt trời 39

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của một tế bào pin mặt trời 40

Hình 2.11 Sơ đồ phân loại vật liệu Composite 41

Hình 2.12 Một số dạng cốt thường gặp 42

Hình 2.13 Cấu trúc vật liệu composite 43

Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo các sợi thủy tinh 46

Hình 2.15 MAT cắt ngắn CSM 47

Hình 2.16 Quy trình công nghệ chế tạo composite bằng tay 51

Hình 2.17 Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không 53

Hình 2.18 Sơ đồ công nghệ đúc chân không 53

Hình 2.19 Quá trình điền nhựa polymer vào khuôn trong chế tạo vỏ ô tô 54

Hình 2.20 Phương pháp ép phun 54

Hình 2.21 Máy hàn hồ quang tay 55

Hình 2.22 Hàn hồ quang tay 56

Hình 2.23 Vị trí mổ lấy lửa tạo hồ quang 57

Hình 2.24 Chiều quẹt diêm que hàn 58

Hình 2.25 Góc hàn 58

Hình 2.26 Thoát que hàn 59

Hình 2.27 Máy tiện 59

Hình 2.28 Gá dao tiện 60

Hình 2.29 Cấu tạo chi tiết tiện 60

Hình 2.30 Các bước tiện 61

Hình 2.31 Các bước tiện 61

Hình 2.32 Các bước tiện 61

Hình 2.33 Các bước tiện 62

Hình 2.34 Các bước tiện 62

Hình 2.35 Máy khoan cần 62

Hình 2.36 Sơ đồ lỗ khoan 63

Hình 2.37 Đánh dấu lỗ khoan 63

Hình 2.38 Khoan lỗ 1 64

Hình 2.39 Máy cắt cao tốc 64

Hình 2.40 Vạch dấu 64

Hình 2.41 Kiểm tra độ vuông góc 65

Hình 2.42 Tháo lắp đá cắt 65

Hình 2.43 Tiến hành cắt 65

Hình 2.44 Máy mài cầm tay 66

Hình 2.45 Tư thế cầm máy mài 66

Hình 2.46 Chạy không tải 67

Hình 2.47 Tiến hành mài 67

Hình 3.1 Khung xe mô hình 70

Hình 3.2 Sơ đồ dẫn động lái 73

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí các thanh ngang trên khung xe 75

Hình 3.4 Hàn thanh dầm ngang sau 76

Hình 3.5 Chassis sau khi hàn xong 76

Hình 3.6 Sơ đồ truyền động bộ giảm tốc 77

Hình 3.7 Bộ phận giảm tốc động cơ điện sau khi hoàn thiện 78

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí linh kiện sau khi vẽ 78

Hình 3.9 Là fip đồng bằng bàn là nóng 79

Hình 3.10 Bóc giấy sau khi đã in mạch 79

Hình 3.11 Gắn linh kiện và hàn mạch 80

Hình 3.12 Board mạch điều khiển sau khi chế tạo 80

Hình 3.13 Máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng 82

Hình 3.14 MAT CSM 225 84

Hình 3.15 Vải Roving dệt 84

Hình 3.16 Tạo lớp bề mặt gelcoat 84

Hình 3.17 Trải lớp MAT CSM 225 lên bề mặt gelcoat 85

Hình 3.18 Quét resin lên bề mặt MAT CSM 225 85

Hình 3.19 Composite dạng tấm phẳng sau khi hoàn thành 86

Hình 3.20 Lắp ráp vỏ composite vào xe mô hình 86

Hình 3.21 Hệ thống vỏ xe sau khi gia công thô 86

Hình 3.22 Gia công hoàn thân vỏ xe 87

Hình 3.23 Thân vỏ xe mô hình sau khi hoàn thiện 87

Hình 3.24 Sơ đồ lắp ráp 90

Hình 3.25 Chuẩn bị các chi tiết 94

Hình 3.26 Hệ thống treo trước hoàn chỉnh 95

Hình 3.27 Lắp vành tay lái và trục lái 95

Hình 3.28 Lắp cơ cấu lái 95

Hình 3.29 Hệ thống lái sau khi hoàn chỉnh 96

Hình 3.30 Lắp xilanh chính và bàn đạp phanh 96

Hình 3.31Ngã 3 dầu và lắp ống dẫn dầu vào phanh tang trống 96

Hình 3.32 Lắp các tấm pin mặt trời 97

Hình 3.33 Bộ điều khiển nạp 97

Hình 3.34 Lắp ắc quy, bộ điều khiển nạp và bộ phận điều kiển tốc độ động cơ 97

Hình 3.35 Mô hình sau khi hoàn thiện lắp đặt 98

Hình 3.33 Tầm nhìn của người lái qua gương chiếu hậu 104

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ô tô là loại phương tiện giao thông cơ giới được sử dụng nhiều nhất hiện nay,

và có lẽ với những tính năng ưu việt của mình, ô tô vẫn sẽ giữ được vị trí độc tôn trong nhiều thập niên nữa Tuy nhiên với tình hình ô nhiễm môi trường do phương tiện giao thông cơ giới gây ra ngày càng nghiêm trọng và trữ lượng các mỏ dầu trên thế giới sắp cạn kiệt đã có những tác động mạnh mẽ đến ngành công nghiệp ô tô trên toàn thế giới Việc nghiên cứu chế tạo ô tô sử dụng nguồn năng lượng mới để giảm khí thải ô nhiễm môi trường và tránh sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang là hướng nghiên cứu của các nhà khoa học, các nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới

Và ô tô sử dụng điện năng chính là một trong những giải pháp triệt để để giải quyết vấn đề nói trên Ô tô sử dụng điện năng là xu hướng phát triển chung của ngành công nghiệp ô tô trên toàn thế giới để tiến tới giảm ô nhiễm môi trường và sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạnh

Nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì sử dụng ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời và ô tô chạy bằng ắc quy điện là giải pháp triệt để nhất cho tình trạng ô nhiễm bởi khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới hiện nay Trong thực tế đã có hàng ngàn mẫu ô tô chạy bằng điện được sinh ra từ các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên ô

tô (ô tô điện mặt trời) được thiết kế và chế tạo Tuy nhiên, tất cả chúng mới chỉ được coi là biểu tượng của khả năng và quyết tâm bảo vệ môi trường của con người Còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật, kinh tế và xã hội cần giải quyết để ô tô điện mặt trời có thể trở thành phương tiện giao thông thông dụng trong tương lai

Thực trạng và viễn cảnh ô tô chạy bằng ắc quy điện (ô tô điện) có nhiều mặt khả quan hơn Về phương diện bảo vệ môi trường, ô tô điện thua kém xa ô tô điện mặt trời nhưng vẫn được xếp vào loại ô tô sạch (Zero Emission Vehicles - ZEV) Chính vì vậy, ô tô điện đã được dành cho một vị trí quan trọng trong dự báo phát triển phương tiện giao thông cơ giới hiện nay và trong tương lai Tuy thị trường ô tô điện mới chỉ chiếm khoảng 3% nhưng ước tính đã có khoảng 2 triệu ô tô điện được sản xuất hàng năm, chủ yếu là ở Nhật Bản, Châu Âu và Bắc Mỹ So với ô tô truyền thống (ô tô chạy bằng động cơ xăng, động cơ diesel) thì ô tô điện có 2 nhược điểm cơ bản là trữ lượng năng lượng thấp (khả năng chứa điện có hạn của ắc quy và số lượng ắc quy có thể lắp

đặt trên ô tô) và giá thành cao Trữ lượng năng lượng thấp làm cho tốc độ, tính năng tăng tốc và cự ly hoạt động giữa hai lần nạp điện của ô tô điện bị hạn chế

- Sử dụng vật liệu mới trong chế tạo vỏ ô tô: Vật liệu truyền thống quan trọng

nhất trong thành phần cấu tạo thân vỏ ô tô là thép Sự kết hợp tinh tế giữa thép và các loại vật liệu khác như kim loại nhẹ là lựa chọn tối ưu cho vỏ ô tô trên dòng phổ thông bởi chi phí sản xuất thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào Song, vật liệu thép làm tăng khối lượng của ô tô dẫn đến tăng suất tiêu hao nhiên liệu, với các loại thép thông thường nếu có độ cứng cao rất khó định hình Chính vì vậy việc nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu mới trong chế tạo hệ thống thân vỏ ô tô nhằm giảm trọng lượng ô tô cũng là một vấn đề cần giải quyết hiện nay, nhất là trong bối cảnh ô tô sử dụng điện năng ngày càng phát triển, nếu giảm được trọng lượng của ô tô sẽ tăng hiệu quả sử dụng điện năng từ ắc quy

Với những phân tích trên tôi chọn đề tài: “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” (phần chế tạo) để thực hiện

2 Mục tiêu nghiên cứu

Chế tạo mô hình xe 4 chỗ ngồi, thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện

3 Phạm vi nghiên cứu

- Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng điện và ứng dụng năng

lượng mặt trời, năng lượng điện cho ô tô

- Vật liệu composite, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite vào chế tạo thân vỏ cho xe mô hình

- Các phương pháp gia công cơ khí và thực nghiệm chế tạo một số bộ phận của

xe mô hình

4 Bố cục của luận văn

Nội dung chính của luận văn được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về ô tô thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện

Chương 2: Cơ sở tính toán, chế tạo

Chương 3: Thực nghiệm chế tạo mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite,

sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

5 Giới hạn của đề tài

Do thời gian và kinh phí có hạn nên tôi chỉ chế tạo một số hệ thống trên xe mô hình: Hệ thống khung; Bộ phận giảm tốc động cơ điện; Bộ phận điều khiển tốc độ động cơ; Thân vỏ; Các hệ thống còn lại chủ yếu là tính chọn và mua các sản phẩm tương đương có trên thị trường để lắp ráp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

1.1 Tổng quan về xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng

1.1.1 Xu hướng phát triển ngành công nghiệp ô tô

Vào năm 1769, một kỹ sư người Pháp tên là Nicolas J Cugnot đã phát minh ra chiếc ô tô đầu tiên có thể chạy trên đường (hình 1.1), đây được coi là một phát minh mang thính cách mạng trong lịch sử ngành giao thông vận tải Trên thực tế, sản phẩm này là một chiếc máy kéo ba bánh tự động sử dụng động cơ hơi nước được dùng trong quân đội Tuy nhiên hoạt động của chiếc ô tô ban đầu rất giới hạn, nhiều nhất nó chỉ có thể chạy được liên tục trong vòng mười lăm phút Ngoài ra, thiết kế của chiếc xe không phù hợp với việc di chuyển trên đường bởi vì động cơ hơi nước làm cho xe có kích thước rất lớn và nặng

Hình 1.1 Chiếc ô tô đầu tiên Hình 1.2 Ô tô điện của Robert Anderson

Vào khoảng những năm 1832 -1839, Robert Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là Thomas Davenport và Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện Đến những năm 1865, Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong pin, giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn 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

Chiếc xe đua La Jamais Contente (1899) Edison và chiếc xe Detroit (1914)

Hình 1.3 Ô tô điện đầu tiên trên thế giới

Đến đầu thế kỷ XX, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong do những nguyên nhân chính sau:

- Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu Vấn đề nhiên liệu cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản

- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750 USD, trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD

- Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô có những tiến bộ vượt bậc: Charles Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy xăng, ngành công nghiệp ô tô cuối cùng cũng đã đến tuổi trưởng thành với một số lượng lớn các sản phẩm ô tô được sản xuất bởi Henry Ford vào năm 1914 Điều này dẫn đến sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô, mà khởi đầu là dây chuyền lắp ráp từ nhà máy sản xuất ô tô của Henry Ford

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

Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, ngành công nghiệp ô tô phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu:

- Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá

không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển

- Môi trường đang bị ô nhiễm nghiêm trọng: Một trong những chất thải ảnh

hưởng nghiêm trọng tới môi trường và đang được quan tâm nhất hiện nay chính là chất thải từ các phương tiện giao thông cơ giới Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này

do nó hoàn toàn không có khí thải Do đó trong thời kỳ này ô tô điện dần tìm lại được

ưu thế của mình, các hãng ô tô đầu tư mạnh mẽ cho việc nghiên cứu, chế tạo các dòng

Hình 1.4 Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên (Sunmobile)

Hiện tại ở các nước phát triển, ngành công nghiệp ô tô đang bị đình trệ do thị trường khá ảm đạm Ngược lại, ở các nước đang phát triển như Ấn Độ, Brazil và một

số quốc gia khu vực Đông Nam Á, mức tăng trưởng của ngành công nghiệp ô tô luôn cao hơn qua mỗi năm do sức mua của thị trường ô tô trong nước ngày càng tăng Bên cạnh thế mạnh là sản xuất dòng ô tô sử dụng động cơ đốt trong với cải tiến về công nghệ (khung, vỏ, động cơ, khung gầm) thì dòng ô tô sạch (sử dụng nhiên liệu sinh học, pin nhiên nhiệu, năng lượng điện, năng lượng mặt trời,…) cũng được các hãng xe chú trọng nghiên cứu, phát triển

Các chuyên gia dự đoán, việc đổi từ ô tô dùng xăng/diesel sang dùng điện là sự chuyển tiếp tất yếu dù không dễ dàng Quá trình chuyển tiếp của ô tô dùng 100% xăng/diesel sang 100% điện trải qua nhiều công nghệ “bước đệm” với đủ loại “xe lai”

Ô tô điện lai (hybrid vehicle) là loại xe “lai” giữa xe dùng điện và xe dùng xăng, sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện

● Full Hybrid (HEV): động cơ xăng là động cơ chính, động cơ điện cung cấp lực kéo phụ trợ khi cần Nguồn điện tự cấp nhờ chuyển đổi từ năng lượng cơ khí thu hồi khi xe giảm tốc độ Toyota Prius I là loại xe này, tiết kiệm khoảng 30-35% năng lượng xăng

● Plug-in Hybrid (PHEV): còn gọi là ô tô lai sạc điện Có cùng nguyên tắc vận hành như HEV, nhưng PHEV có phích cắm để sạc điện từ nguồn cung cấp bên ngoài Thuật ngữ “plug-in” cho biết, xe có bộ nạp tích hợp sẵn, chỉ cần cắm điện vào lưới điện dân dụng mà không cần bộ nạp Tiết kiệm khoảng 31-67% xăng tùy số lần sạc điện Toyota Prius III, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid,… là những dòng PHEV có tại Việt Nam

● Plug-in Hybrid Range Extender (PHREV): khác hai loại xe lai trên, PHREV vận hành nhờ động cơ điện, động cơ xăng chỉ dùng để phát điện Dòng ô tô điện BMW i3 Range Extender sử dụng công nghệ PHREV tiết kiệm được 85% lượng xăng tiêu thụ

Sau nhiều cải tiến, đích đến cuối cùng của công nghệ ô tô điện là sử dụng 100%

động cơ điện Đây mới đúng là Zero Emission Vehicle (ZEV), “xe không khí thải”

● ZEV (Zero Emission Vehicle): thành quả nghiên cứu của liên minh gồm hai hãng xe Pháp-Nhật, Renault và Nissan Nissan Leaf là mẫu xe chạy điện đầu tiên sản xuất hàng loạt vào năm 2010 và đến tháng 8 có mặt chính thức ở hơn 35 quốc gia Xe có thể chạy quãng đường 160 km sau mỗi lần sạc đầy điện cho bộ pin phù hợp với nhu cầu

đi lại hàng ngày Với nguồn điện 220V và bộ dây sạc 6,6kW trang bị trên xe, người sử dụng mất khoảng 3 tiếng 15 phút để sạc đầy bình đã cạn điện trước khi di chuyển

Hình 1.5 Toyota Prius Plug-in Hybrid Hình 1.6 Nissan Leaf: ô tô điện 100%

Để cạnh tranh với động cơ đốt trong đang chiếm lĩnh thị trường, ngoài cải tiến trong thiết kế, ô tô điện thế kỷ 21 cần đáp ứng thêm nhiều tiêu chí khác, trong đó nguồn năng lượng là vấn đề lớn nhất

Hai công nghệ nguồn năng lượng nổi bật nhất hiện nay là ô tô điện pin nhiên liệu và ô tô điện ắc quy

● Pin nhiên liệu: nhờ thành quả trong công nghệ nano, pin nhiên liệu được cải tiến đáng kể cả về chất lượng và giá thành Một pin nhiên liệu 80 kw hiện nay có giá khoảng 17.000 USD hoặc giảm thấp nữa nếu sản xuất với số lượng trên 500.000 đơn

vị Loại pin PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), còn gọi là “tế bào nhiên liệu màng điện phân polymer” hoặc “pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc” được đánh giá thích hợp nhất cho ô tô điện

● Ắc quy: tập trung giải quyết ba yếu điểm chính của ắc quy gồm khả năng tích lũy năng lượng thấp, thời gian sạc lâu và giá thành cao Các nghiên cứu về ắc quy hướng đến tăng mật độ bình từ 150 wh/kg lên trên 500 wh/kg, rút ngắn thời gian sạc từ

7 giờ đồng hồ xuống vài phút, và giảm giá thành khoảng 10 lần so với hiện tại Ưu điểm của ô tô điện dùng ắc quy là dễ sạc điện và tạo mạng lưới phân phối điện khắp nơi, đặc biệt khi lưới điện thông minh ngày càng phổ biến trên thế giới

1.1.2 Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời (NLMT)

1.1.2.1 NLMT sử dụng cho ô tô

Xe NLMT là xe sử dụng năng lượng điện với nguồn điện được cung cấp từ pin quang điện qua hấp thu ánh sáng mặt trời và tạo ra dòng điện Sơ đồ nguyên lý xe điện mặt trời gồm: tấm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, bộ nguồn (ắc quy), bộ điều khiển motor bằng điện tử (Electronic Control Module - ECM), động cơ điện và các

hệ thống hỗ trợ khác

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống truyền động sử

dụng năng lượng mặt trời [3]

Hình 1.8 Xe ô tô sử dụng pin năng lượng mặt

trời của hãng Siemens

Ưu điểm:

+ Ô tô năng lượng mặt trời được xếp vào dạng ô tô sạch

+ Hoạt động rất êm, hiệu suất cao, ít bảo trì, bảo dưỡng

+ Năng lượng mặt trời là vô tận và quá trình sản sinh ra nó không gây ô nhiễm

Nhược điểm:

+ Giá thành cao

+ Cơ sở hạ tầng cho ô tô năng lượng mặt trời vẫn chưa có

+ Không chủ động được năng lượng mặt trời trong việc sử dụng, phụ thuộc điều kiện thời tiết, hiệu suất của pin mặt trời thấp

1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển

1) Trên thế giới

Hoa Kỳ

Năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu ô tô điện Edison tại miền Nam California, Tổng thống Mỹ Barack Obama đã duyệt khoản chi 2,4 tỷ đô la cho

việc nghiên cứu ô tô điện và được phân bổ như hình 1.6:

Hình 1.9 Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009

Từ cơ cấu khoản chi trên, ta thấy rằng nguồn năng lượng và hệ truyền động là những vấn đề then chốt trong nghiên cứu ô tô điện

Civic Hybrid,…

Nhật Bản

Các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure Evs) ra thị trường Mitsubishi mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với i-MiEV Xe

i-MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm ô tô Vietnam Motor Show 2010

Để có thể đưa ra thị trường mẫu xe ô tô điện i-MiEV, hãng Mitsubishi Motors

đã mất hơn 40 năm nghiên cứu Từ khi ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe ô tô điện, chính thức bắt đầu nghiên cứu từ năm 1966 Cho đến nay, hãng Mitsubishi Motors đã chế tạo ra 10 mẫu xe thử nghiệm với hơn 500.000 km chạy thử trên toàn cầu

Trong giới nghiên cứu khoa học, các trường đại học lớn ở Nhật đều có những phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện Trung tâm nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của giáo sư Yoichi Hori (sau đây gọi tắt là Hori-Lab) tại Viện Khoa học Công nghiệp - Trường Đai học Tokyo là một trong những đơn vị tiên phong nghiên cứu về xe điện tại Nhật Bản Những nghiên cứu của Hori-Lab tập trung vào 2 lĩnh vực chính: Điều khiển chuyển động (Motion Control) và Hệ thống Năng lượng cho xe (Vehicle Power System)

Lĩnh vực điều khiển chuyển động được thực hiện với những nhánh sau:

- Điều khiển chuyển động bám mặt đường

- Điều khiển ổn định động học thân xe trên cơ sở quan sát các biến trạng thái và quan sát nhiễu

- Điều khiển hệ thống lái

Lĩnh vực nghiên cứu hệ thống năng lượng cho xe được tập trung vào hai nhánh chính:

- Sử dụng công nghệ siêu tụ điện (Ultra-capacitor) tích trữ năng lượng

- Sử dụng công nghệ truyền tải điện không dây (Wireless Power Transmission) Các nghiên cứu của Hori-Lab đều được thực nghiệm trên hệ thống xe điện thí nghiệm xây dựng tại trung tâm gồm xe UOT Electric March I, II sử dụng nguồn ắc quy và hệ thống xe điện nhỏ COMS 1, 2, 3 chạy hoàn toàn bằng siêu tụ điện

Hàn Quốc và Trung Quốc

Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác mạnh mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá trình hoạt động (OnLine Electric Vehicle - OLEV) Các sản phẩm xe bus điện thuộc

dự án này đang chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và công viên Grand Seoul

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

2) Tại Việt Nam

Xe NLMT của sinh viên Trường Đại học Cần Thơ

Xe được thiết kế theo kiểu 4 bánh khá gọn nhẹ Với công suất động cơ 2 x 250

W, vận tốc 25 km/giờ, xe chở được 2 người (kể cả người lái) Trên mui xe có gắn 3 tấm pin mặt trời Pin này sẽ hấp thu năng lượng mặt trời, đưa qua bộ điều khiển và chuyển thành điện một chiều vận hành xe hoạt động

Xe chạy bằng NLMT của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Xe chạy bằng năng lượng mặt trời của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có khả năng chở tối đa 8 người, vận tốc tối đa 40 km/giờ, xe chạy được 40÷70 km/ngày tùy thuộc vào ánh sáng mặt trời

Hình 1.11 Xe NLMT của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Hình 1.10 Xe NLMT của Trường Đại học Cần Thơ

Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp NLMT của sinh viên Trường Đại học Nha Trang

Sinh viên ngành ô tô của Trường Đại học Nha Trang đã chế tạo thành công ô tô

sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng điện, chở được 2 người kể cả người lái và đạt tốc độ gần 30km/h có thể chạy trung bình gần 4h/ngày, ở điều kiện nạp đầy

ắc quy và trời nắng có cường độ chiếu sáng tốt

Hình 1.12 Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp NLMT của sinh viên

Trường Đại học Nha Trang

Trong vài năm trở lại đây, một số sản phẩm xe ô tô điện mang tính thử nghiệm đã được nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và những nhà sáng chế không chuyên Việt Nam Có thể kể ra một số sản phẩm do người Việt tự thiết kế và chế tạo, như năm

2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - TP HCM đã tự nghiên cứu và chế tạo xe ô

tô điện 3 bánh có sức chứa 3 người, tốc độ 35 km/h, sử dụng động cơ một chiều 48 V –

800 W, 4 ắc quy khô 12V/50Ah, chạy 40 km nạp một lần

Những thành công bước đầu trong

việc chế tạo xe ô tô điện, ô tô sử dụng

năng lượng mặt trời của sinh viên trường

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM,

Trường Đại học Cần Thơ, Trường Đại

học Nha Trang và nhà sáng chế Trần

Văn Tâm rất đáng được khích lệ và biểu

dương, tuy nhiên những chiếc xe này

được chế tạo với phương pháp thủ công,

chưa có hàm lượng khoa học và quy

trình công nghệ

Hình 1.13 Xe điện của ông Trần Văn Tâm

1.2 Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô

1.2.1 Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay

Vỏ ô tô không những thể hiện tính thẩm mỹ của xe, cá tính của người sử dụng

mà còn chứa đựng những công nghệ tiên tiến hàng đầu trong ngành công nghệ chế tạo

ô tô hiện nay Đó là công nghệ vật liệu, gia công, lắp ráp, chống ồn, an toàn,… mang lại cảm giác thỏa mái, chắc chắn, thanh thoát cho người tiêu dùng

Vật liệu truyền thống quan trọng nhất trong thành phần cấu tạo vỏ ô tô là thép

Sự kết hợp tinh tế giữa thép và các loại vật liệu khác như composite và kim loại nhẹ là lựa chọn tối ưu cho vỏ ô tô trên dòng phổ thông, bởi chi phí sản xuất thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào Song, vật liệu thép làm tăng khối lượng của ô tô dẫn đến tăng suất tiêu hao nhiên liệu, với các loại thép thông thường, nếu có độ cứng cao rất khó định hình

Vì thế, thành phần thép trong ô tô được cắt giảm đáng kể hoặc các nhà khoa học vật liệu nghiên cứu thay thế vật liệu thép thông thường bằng thép nano có độ cứng vững cao nhưng dễ định hình, tạo thuận lợi cho quá trình gia công để tạo ra các sản phẩm chất lượng Thực tế công nghệ thép hiện tại đã đạt đỉnh cao, đòi hỏi các nhà sản xuất ô tô phải tìm các loại vật liệu thay thế

Hình 1.14 Mô hình thể hiện lực tác dụng

lên vỏ xe ô tô khi va chạm phía trước

Hình 1.15 Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe ô tô khi va chạm sườn xe

+ Hợp kim nhôm: Trong những năm gần đây, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và sử

dụng các nguyên liệu tái chế đã làm tăng cường nỗ lực nghiên cứu của các nhà sản xuất ô tô nhằm giảm trọng lượng Vật liệu nhôm được áp dụng đã cung cấp giải pháp

kỹ thuật lý tưởng, bởi mật độ hạt của nó chỉ bằng một phần ba của thép và đặc biệt là đáp ứng được các yêu cầu độ bền cơ học và độ cứng cao Tuy nhiên, giá thành chế tạo

đắt gấp năm lần thép Song, trong thời gian vừa qua, tỷ lệ nhôm trong thành phần chế tạo của ô tô đã tăng lên rất nhiều

+ Vật liệu composite: Sự ra đời của vật liệu Composite khiến các nhà sản xuất

ô tô có thêm nhiều sự lựa chọn hơn Một trong những vật liệu được quan tâm hàng đầu hiện nay trong chế tạo vỏ ô tô là sợi cacbon Các kết quả nghiên cứu thử nghiệm sức bền vật liệu thu được cho thấy sợi cacbon có thể chịu một lực tác động gấp 12 lần so với thép, độ bền cao gấp 3 lần và nhẹ hơn thép 4 lần

Vật liệu này có thể dùng để chế tạo hầu hết các bộ phận của một chiếc ô tô, đặc biệt là phần vỏ nhằm giảm trọng lượng, tăng độ bền, độ an toàn và tạo kiểu dáng sang trọng Bên cạnh cacbon thì titan và ma-giê cũng được đánh giá cao Nhưng vấn đề chi phí của những vật liệu này khiến nhiều nhà sản xuất e ngại Các chuyên gia dự đoán sau năm 2015, các ứng dụng của sợi cacbon trong ngành công nghiệp ô tô sẽ chiếm (10÷15)% Đối với vật liệu mới này vẫn còn nhiều vấn đề cần phải được giải quyết, đặc biệt trong việc sửa chữa

+ Ứng dụng công nghệ nano: Vật liệu nano với những ưu điểm vượt trội đang

thu hút các hãng sản xuất và ngành công nghiệp phụ trợ ô tô vào cuộc cách mạng mới Nhờ có công nghệ nano mà những lớp sơn phủ bóng bên ngoài vỏ ô tô trở nên bền và đẹp hơn Sơn nano có khả năng giữ màu và độ bóng cao hơn 40% so với sơn thông thường Ngoài ra, vật liệu composite sợi cacbon cũng được cải tiến đáng kể, đây là loại vật liệu không đẳng hướng Nó chỉ có thể chịu lực tương tác lớn khi lực có hướng trùng với hướng của chuỗi phân tử, nếu sợi cacbon được thay bằng ống nano cacbon sẽ thu được vật liệu chịu lực tốt hơn so với sợi cacbon thông thường

+ Vật liệu nhẹ: Ngày nay, ô tô có ¾ khối lượng được làm từ thép, phần lớn

trong đó là thép lá nhẹ Tỷ lệ sắt trong vật liệu cũng ngày càng giảm đi theo từng mẫu

xe mỗi năm do thành phần nhôm và phi kim (khoảng 8%) và nhựa (khoảng 11%) được kết hợp để cấu tạo nên những mẫu ô tô đời mới

1.2.2 Ứng dụng vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, vận hành ô tô

Các giải pháp vật liệu như nhôm, thép mới hay sự kết hợp đa hợp kim bao gồm

cả sợi composite, nhưng điều quan trọng đáng lưu tâm là các nhà sản xuất vẫn phát triển vật liệu xung quanh kim loại Matthew Zaluzec, chuyên gia Viện nghiên cứu vật liệu và sản xuất của Ford và là thành viên Hiệp hội Vật liệu Mỹ cho rằng ngành công nghiệp ô tô hiện nay đã quá phụ thuộc vào kim loại mà chưa có những bước tiến mới

1.2.2.1 Các nghiên cứu sử dụng vật liệu mới trong sản xuất ô tô

Trong phạm vi này, hiện tại duy trì hai tổ chức đóng vai trò làm đầu mối nghiên cứu là WorldAutoSteel trực thuộc World Steel Association về thép, Aluminum in Transportation Group trực thuộc The Aluminum Association là về nhôm Hai tổ chức trên đã công bố các nghiên cứu về việc cắt giảm (35÷40) % trọng lượng của ô tô tùy vào loại xe ô tô

Năm 2012, Ủy Ban Châu Âu cũng đã tài trợ cho 7 nhà sản xuất ô tô, đứng đầu

là Volkswagen, cũng như là các nhà cung cấp của họ để nghiên cứu một dự án có tên

là SuperLightCar - Ô tô siêu nhẹ, mà kết quả là có thể giảm 35% trọng lượng của ô tô

Mặc dù ba nhóm nghiên cứu trên có các mục tiêu khác và chiến lược khác nhau nhưng đều mang lại hiệu quả giảm trọng lượng theo một cách nào đó Về khía cạnh tư nhân, một công ty có tên là Design AG of Fulda, Đức, đã có sự đầu tư khá bài bản khi triển khai các dự án nghiên cứu, ứng dụng các vật liệu sản xuất ô tô cho tương lai Hy vọng, các kết quả của Design AG sẽ mang lại giá trị để cạnh tranh với các nhóm nghiên cứu khác

1.2.2.2 Vật liệu composite trong chế tạo khung vỏ ô tô

Năm 1994, các nhà sản xuất xe ô tô của Mỹ đã tin rằng vật liệu composite là chìa khóa thành công cho nền công nghiệp sản xuất ô tô trong tương lai để giảm trọng lượng xe đáng kể và tiết kiệm nhiên liệu Vật liệu composite là sự kết hợp của một loại polyme với sợi thủy tinh cùng với các chất xúc tiến, xúc tác và phụ gia khác nhau tạo nên độ bền, và độ cứng vững, sẽ tạo nên một chiếc xe có trọng lượng ít hơn và ít bị ăn mòn hơn so với các bộ phận được làm bằng thép Ngoài ra một chi tiết bằng vật liệu composite có thể thay thế cho nhiều chi tiết phụ được làm bằng thép, do đó làm giảm chi phí lắp ráp Các nhà sản xuất ô tô của Mỹ gồm: Chrysler, General Motors (GM) và Ford đã cộng tác và thành lập nên Automotive Composites Consortium (ACC) để tiếp tục nghiên cứu và phát triển vật liệu composite có khả năng chịu lực tốt, các công trình nghiên cứu và hợp tác đã được tiến hành, cuộc chạy đua về vật liệu mới trong ngành ô

thuật sản xuất phát triển trong dự án này cũng có thể được áp dụng cho một loạt các sản phẩm bổ sung cho hàng không vũ trụ, nội thất, y tế, và các ứng dụng giải trí

Vật liệu composite đã được nghiên cứu ứng dụng chế tạo khung, thùng xe nhằm tạo ra những sản phẩm cao cấp Vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh cao phân tử với những tính năng vượt trội và giá cả cạnh tranh hơn so với nhôm, thép và sợi cacbon tổng hợp là quá tốn kém, nó đã được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô với các chi tiết nhỏ thì sau đó nó đã được ứng dụng trong đóng thùng xe, với một kết cấu lớn, đòi hỏi độ bền chắc, chịu lực tốt và cứng vững, và đã gặt hái được thành công vào năm 1996

Ngày 31/03/2011 tại Southfield - Michigan, Hội đồng nghiên cứu ô tô Hoa

Kỳ, và tổ chức hợp tác công nghệ bao gồm tập đoàn Chrysler, công ty Ford Motor

và General Motor đã được hiệp hội ô tô Hoa Kỳ trao bằng sáng chế ứng dụng thành công vật liệu composite trong đóng thùng xe

Ứng dụng vật liệu composite sợi thủy tinh trong sản xuất thùng xe ô tô:

Hiệp hội các nhà nghiên cứu bắt đầu với thiết kế bằng máy tính, kỹ thuật và phân tích phần tử hữu hạn đã phát triển một thùng nguyên mẫu xe ảo Các thông số cần thiết để phần mềm mô phỏng chi tiết bằng hình học, cùng với các thuộc tính của khung sợi thủy tinh dùng để thiết kế nên thùng xe bán tải, và cấu trúc nhựa polyunethane đảm bảo các sợi liên kết với nhau tạo nên một bề mặt nhẵn Sau đó tiến hành quá trình sản xuất tạo dựa trên các thông số đã có trên máy tính

Hãng xe nội địa Tata Motors của Ấn độ sẽ sản xuất một dòng xe giá rẻ mới với vật liệu bằng composite, thay vì thép hay nhôm kiểu truyền thống

Hiện phiên bản nguyên mẫu của mẫu xe giá rẻ mới được cho là đã hoàn thiện

và được thử nghiệm an toàn nhưng chưa được đưa vào sản xuất ngay Tata Motors sẽ kiểm tra và ổn định công việc kinh doanh của họ đối với dòng xe hiện hành, ra mắt những mẫu xe mới với mục tiêu giúp tăng doanh số trước khi trình làng mẫu xe giá rẻ mới tại thị trường Ấn Độ

Hãng xe Ấn Độ đã mua bản quyền công nghệ composite mới từ nhà tiên phong người Italy, Marcello Gandini, người đầu tiên sử dụng vật liệu composite trên siêu xe như Lamborghini Miura và Countach Hiện nay trên thế giới, composite đồng nghĩa với "sợi cacbon", loại vật liệu được các hãng siêu xe lựa chọn và có chi phí siêu đắt Tata Motors sẽ sử dụng một tùy chọn công nghệ khác có tên PDP (poly diallyl

phthalate) để sản xuất mẫu xe mới Các bộ phận bằng PDP sẽ thay thế các bộ phận bằng thép của thân xe và khung gầm

Thực tế, PDP rất nhẹ, cứng và rẻ

Về chất liệu và kết cấu lại tương đương

với thép và nhôm Một thân xe bằng kim

loại cần khoảng 500 chi tiết nhưng bằng

PDP thì con số chỉ còn khoảng 25 Vì thế

kết quả mang lại là một chiếc xe nhẹ hơn

nhiều, đồng thời sẽ tiết kiệm nhiên liệu

hơn mà vẫn chắc chắn Không những thế,

xe còn có độ rung thấp và ít ồn hơn xe sử

dụng nhiều kim loại

Trong nước hiện nay các hãng ô tô và các công ty mua bán, sửa chữa ô tô cũng

đã bắt đầu thiết kế, chế tạo các sản phẩm cho ô tô bằng composite, ví dụ như:

- Công ty Sản xuất Thương mại và Dịch vụ Hợp Long Thành cung cấp cho thị

trường sản phẩm cản xe bằng composite cho các dòng xe tải

Hình 1.17 Cản xe ô tô bằng composite Công ty Hợp Long Thành

- Công ty Trách nhiệm hữu hạn Ô tô Sài Gòn nhân đóng thùng xe tải Hino bằng vật liệu composite

Hình 1.18 Công ty TNHH ô tô Sài Gòn sử dụng vật liệu composite cho thùng xe tải Hino

Hình 1.16 Xe bằng vật liệu composite của

hãng TaTa Motors

1.3 Những yêu cầu cấp thiết về môi trường trong việc hướng đến sử dụng ô tô với nguồn năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời

1.3.1 Ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ ô tô gây ra

Hiện nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí, mà phần lớn là các chất đó có trong khí xả động cơ đốt trong Khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể các chất độc hại như:

- Oxide nitơ: NO, NO2, N2O

gọi chung là NOX

- Monoxide cacbon (CO)

- Hydrocacbon chưa cháy (HC)

- Bồ hóng, muội than

- Chì (Pb), Lưu huỳnh (S)

Những chất như lưu huỳnh,

chì và các chất phụ gia trong nhiên

Bảng 1.1 Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu

Chất ô nhiễm Lượng phát sinh (g/kg nhiên liệu)

Trên đây là số liệu trung bình, ở điều kiện cháy của hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí λ=1 Tuy nhiên trong những điều kiện cháy ở áp suất và nhiệt độ cao, hệ số

dư lượng không khí λ lớn thì tỷ lệ thành phần các chất ô nhiễm sẽ thay đổi theo hướng gia tăng NOx

1.3.1.2 Monoxide Cacbon (CO)

Monoxide Cacbon có mặt trong khí xả động cơ đốt trong là quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do sự phân giải sản vật cháy với nhiệt độ

CO là chất khí không màu, không mùi rất độc Theo số liệu thống kê các nguồn phát sinh ô nhiễm chủ yếu hiện nay, người ta thấy 70% lượng CO trong khí quyển là

do khí xả động cơ ô tô gây ra, tốc độ gia tăng nồng độ CO trong khí quyển ở mức độ cao (gần 3%/năm)

1.3.1.3 Hydrocacbon chưa cháy (HC)

HC có mặt trong khí xả chủ yếu là do các không gian chết trong buồng cháy hay nói cách khác là HC được hình thành ở những nơi có nhiệt độ thấp Ngoài ra khi hỗn hợp quá nghèo, tốc độ cháy thấp dẫn đến tình trạng bỏ lửa, khi đó sẽ là nguyên nhân làm tăng nồng độ HC trong khí thải

1.3.1.4 Bồ hóng - muội than, chì, lưu huỳnh

Bồ hóng, muội than: Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng hàm lượng bồ hóng, muội than không đáng kể Tuy nhiên đây là chất ô nhiễm quan trọng trong khí

xả động cơ Diesel

Lưu huỳnh: Thông thường xăng có chứa khoảng 600 ppm lưu huỳnh Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxy hoá thành SO3, chất này có thể kết hợp với nước để tạo ra H2SO4

SO3 + H2 O = H2 SO4

Chì: Để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu, người ta pha thêm tetraetyl chì Pb(C2H5)4 vào xăng Sau khi cháy, những hạt chì có đường kính cực bé thoát ra theo khí xả, lơ lửng trong không khí và trở thành chất ô nhiễm đối với bầu khí quyển, nhất

là khu vực có mật độ giao thông cao

1.3.2 Tác hại của các chất gây ô nhiễm từ khí thải động cơ đốt trong

1.3.2.1 Đối với con người

1) CO

CO là chất khí không màu, không mùi, không vị CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu, làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy Nạn nhân sẽ bị

tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí

>1000ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hại lâu dài với con người

- Khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn

- Khi 50% hồng cầu bị khống chế, não bộ con người bị ảnh hưởng mạnh

Tuy nhiên CO là chất trung gian quan trọng trong quá trình oxy hoá cacbon thành cacbonic, khí cacbonic thông qua quang hợp sẽ tạo ra oxi

6CO2 + 6H2O C6H12 O6 + 6O2

2) NO x

NOx là họ các oxide nitơ, trong đó NO chiếm tỉ lệ lớn NOx được hình thành do

N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao

NO không nguy hiểm nhiều, nhưng nó là cơ sở để tạo ra NO2

NO là chất khí màu hồng nhạt, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí khoảng 0,12 ppm NO2 là chất khó hoà tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi vào phổi gây viêm và huỷ hoại các tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân sẽ bị mất ngủ, ho, khó thở

3) Hydrocacbon (HC)

HC có trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc

do hiện tượng cháy không bình thường Chất gây tác hại đến con người chủ yếu là các

HC thơm

- Khi nồng độ của các HC thơm lớn hơn 40 ppm sẽ gây ra bệnh ung thư máu

- Khi nồng độ lớn hơn 1 g/cm3 sẽ gây rối loạn hệ thần kinh

- HC cũng là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan

ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các HC thơm mạch vòng được hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

6) Chì

Chì có trong không khí thải do tetraetyl chì Pb (C2H5)4 được pha vào xăng nhằm tăng tính chống kính nổ của nhiên liệu Sự pha trộn chất này vào xăng đang là vấn đề bàn cãi của giới khoa học

Chì tồn tại trong khí xả dưới dạng hạt, có đường kính rất nhỏ Vì vậy rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc đường hô hấp Khi đã vào được cơ thể, khoảng (30÷40)% lượng chì này đi vào máu Sự hiện điện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, làm trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu Điều đặc biệt là chì sẽ tác động lên hệ thần kinh làm cho trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt dầu gây nguy hiểm cho con người khi nồng độ của nó trong máu vượt quá (200÷250) mg/l

1.3.2.2 Đối với môi trường

1) Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Các chất gây ô nhiễm, đặc biệt là dạng chất khí gây hiệu ứng nhà kính, làm ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí cacbonic (CO2) vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa cacbon

Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do các chất gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích: Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ ngược lại vào không gian một phần nhiệt lượng mà nó nhận được, nhưng trong quá trình bức xạ ngược lại vào không gian thì một phần nhiệt lượng của bức xạ này bị lớp khí gây ra hiệu ứng nhà kính giữ lại sẽ bức xạ ngược về trái đất làm cho bầu khí quyển của trái đất ngày càng nóng hơn

Hình 1.20 Hiệu ứng nhà kính

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí cacbonic trong bầu khí quyển như hiện nay Người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỷ XXII, nồng độ khí cacbonic có thể tăng lên

gấp đôi Khi đó theo dự tính của các nhà khoa học sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên trái đất

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ (2÷3)0C

- Một phần băng ở vùng bắc cực và nam cực sẽ tan ra làm tăng chiều cao mực nước biển

- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt trái đất

2) Ảnh hưởng đến sinh thái

Sự gia tăng của NOx, đặt biệt là NO2 có nguy cơ làm gia tăng sự huỷ hoại lớp ozon ở thượng tầng khí quyển Đó là lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời

Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học Đặc biệt là làm đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn đến huỷ hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên sao hỏa

Mặt khác các chất khí có tính acid như: SO2, NO2 bị oxy hoá tạo thành các acid sunfuric, acid Nitric hoà tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù,… làm huỷ hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa acid) và gây ăn mòn các công trình kim loại

1.4 Kết luận

- Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt, việc tìm kiếm những nguồn năng lượng mới, tránh sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một trong những mục tiêu và thách thức hàng đầu của các nhà khoa học trên toàn thế giới

- Tình hình ô nhiễm môi trường từ khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới ngày càng gia tăng, mật độ các phương tiện tham gia giao thông ngày càng nhiều

đã tác động trực tiếp đến con người, ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng

- Ô tô sử dụng điện năng là xu hướng phát triển chung của ngành công nghiệp ô

tô trên toàn thế giới để tiến tới giảm ô nhiễm môi trường và sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạnh

- Các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đã có những nghiên cứu, phát triển sản phẩm ô tô chạy bằng năng lượng điện trên các phiên bảng khác nhau để hướng đến sản xuất ô tô chạy bằng năng lượng điện 100% trong tương lai

- Nước ta có thị trường nội địa lớn với gần 90 triệu dân đầy tiềm năng Trong

xu thế hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị trường nội địa của nước ta chắc chắn sẽ là mảnh đất màu mỡ đối với các nhà sản xuất ô tô thế giới

- Ô tô sử dụng năng lượng điện và năng lượng mặt trời ở Việt Nam mới chỉ được sinh viên các trường đại học và một số nhà chế tạo không chuyên nghiên cứu, thử nghiệm; chưa có công trình nghiên cứu nào chuyên sâu, mang tính học thuật và công bố chính thức trên các tạp chí chuyên ngành

- Tại Trường Đại học Nha Trang, ngành công nghệ ô tô là một ngành khá non trẻ (hình thành năm 1997, Bộ môn Kỹ thuật Ô tô thành lập năm 2006), do đó việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các mô hình mang tính thực tiễn nhằm góp phần nâng cao chất lượng đào tạo tại Nhà trường là hết sức cần thiết

- Nha Trang là thành phố du lịch nổi tiếng, đón hàng triệu lượt khách du lịch mỗi năm (năm 2013 là trên 2,3 triệu lượt), để phục vụ cho việc phát triển du lịch tại

địa phương, năm 2010 UBND tỉnh đã cho xây dựng và phê duyệt Đề án “Phát triển, tổ chức giao thông đường bộ thành phố Nha Trang đến năm 2015 và định hướng đến năm 2025” trong đó vấn đề quy hoạch xây dựng các bãi đỗ xe xung quanh thành phố

và hạn chế các xe chở khách trên 30 chỗ ngồi (sử dụng động cơ xăng và diesel) hoạt động trong khu vực nội thành là một trong những nội dung chính của đề án trên

- Nha Trang là một trong những thành phố có lượng bức xạ mặt trời cao nhất cả nước, với hơn 5,815 kWh/m2/ngày trong thời gian 8 tháng/năm, do đó Nha Trang có tiềm năng vô cùng lớn trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời

Từ những phân tích, đánh giá trên cho thấy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo

xe mô hình sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện để tiến tới sản xuất thương mại là việc làm hết sức cần thiết, có tính thời sự hiện nay Ngoài ra việc ứng dụng vật liệu composite trong chế tạo xe mô hình nhằm tăng độ bền, giảm trọng lượng của xe, qua đó nâng cao hiệu quả sử năng lượng mặt trời và năng lượng điện là những hướng nghiên cứu quan trọng mà đề tài tập trung giải quyết

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN, CHẾ TẠO

2.1 Tổng quan về ô tô

2.1.1 Giới thiệu chung

Ô tô là loại phương tiện giao thông đường bộ chạy bằng động cơ có từ bốn bánh xe trở lên, không chạy trên đuờng ray và thường được dùng để:

- Chở người hoặc hàng hóa

- Kéo các rơ moóc, sơmi rơ moóc

- Thực hiện chức năng, công dụng đặc biệt

Cấu trúc tổng quát của ô tô

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của ô tô [2]

Ô tô là một đối tượng kỹ thuật phức tạp về phương diện cấu trúc, đa dạng về tính năng và mục đích sử dụng Từ đối tượng cơ khí truyền thống ở giai đoạn đầu của lịch sử phát triển, xe cơ giới hiện đại là một tổ hợp các thiết bị cơ khí, điện, điện tử và công nghệ thông tin Mức độ điện tử hóa và hàm lượng công nghệ thông tin chiếm tỷ

lệ ngày càng lớn trên các loại xe cơ giới hiện đại

Tuỳ theo mục đích sử dụng, mức độ hiện đại hoá, giá cả, ô tô có cấu trúc và được trang bị khác nhau Tuy nhiên, mỗi ô tô đều được cấu thành từ những thành tố cơ bản sau đây:

 Các hệ thống nhằm nâng cao tính năng an toàn, tiện nghi,

2.1.2 Các lực và moment tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động

Hình 2.2 Lực và moment tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động lên dốc, tăng tốc

trong mặt phẳng dọc [2]

Trong đó:

+ G (N) - Trọng lượng toàn bộ của ô tô;

+ Fk (N) - Lực kéo tiếp tuyến;

+ Ff1 (N) - Lực cản lăn của bánh xe bị động;

+ Ff2 (N) - Lực cản lăn của bánh xe chủ động;