Tính toán thiết kế và thi công xe lai chạy bằng năng lượng xăng và điện

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 1 1.1 Đặt vấn đề . 1 1.2 Lịch sử phát triển . 2 1.3 Cấu trúc của đề tài 3 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG XE LAI . 4 2.1 Khái niệm xe Lai 4 2.2 Hoạt động của hệ thống xe Lai 5 2.2.1 Chế độ sẵn sàng khởi hành 5 2.2.2 Chế độ chạy xe bình thường 7 2.2.3 Chế độ tăng tốc tối đa 8 2.2.4 Chế độ giảm tốc và dừng xe 8 2.3Cấu trúc của xe Lai . 9 2.3.1 Khung xe . 11 2.3.2 Động cơ điện . 14 2.3.3 Động cơ xăng 15 2.3.4 Bộ sạc 16 2.4 Bộ điều khiển 16 2.4.1 Bộ điều khiển trung tâm . 16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG . 17 3.1 Lựa chọn phương án thiết kế . 17 3.2 Thiết kế chi tiết khung xe . 17 3.2.1 Định nghĩa . 17 3.2.2 Chọn vật liệu thi công khung . 18 3.3 Hệ thống treo . 19 3.3.1 Chọn loại hệ thống treo 19 3.3.2Các bộ phận của hệ thống treo như sau: 20 3.3.3Độ biến dạng và tải trọng tác dụng lên hệ thống treo trước . 21 3.3.4Lựa chọn ống giảm chấn cho hệ thống treo . 22 3.4 Tổng quan về biên dạng thân xe 23 2 3.4.1 Tính toán và lựa chọn vật liệu làm biên dạng thân xe . 23 3.4.2 Tổng quan về vật liệu Composite . 25 3.5Hệ thống lái 27 3.6 Hệ thống phanh . 29 3.6.1 Công dụng của hệ thống phanh 29 3.6.2Phanh đĩa trước . 30 3.6.3Phanh sau . 32 3.6.4 Ưu điểm của phanh tang trống 33 3.7Thiết kế và chế tạo biên dạng thân xe 33 3.7.1Nguyên liệu đúc vỏ 33 3.7.2Quá trình thi công đúc vỏ xe . 34 3.7.3 Ưu điểm của vỏ xe bằng vật liệu Composite: 35 3.8Tính chọn công suất động cơ điện và động cơ xăng . 36 3.8.1Tính chọn động cơ điện 36 3.8.2 Tính toán chọn động cơ xăng 38 3.9 Thiết kế hệ truyền công suất kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ điện . 39 3.9.1 Thiết kế hệ truyền động kết hợp 39 3.9.2 Nguyên lý hoạt động của xe Lai 43 3.9.3 Tính toán , bố trí hệ thống ắc quy, năng lượng. . 45 3.9.4 Bộ điều khiển . 46 3.9.5 Ưu điểm của xe Lai xăng-điện 48 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 51 PHỤ LỤC 51 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 : Động cơ mắc kiểu nối tiếp 4 Hình 2.2 : Động cơ mắc kiểu song song . 5 Hình 2.3 : Động cơ mắc kiểu hỗn hợp . 5 Hình 2.4 : Chế độ khởi động 6 Hình 2.5 : Chế độ khởi hành 6 Hình 2.6 : Chế độ chạy bình thường . 7 Hình 2.7 : Chế độ tăng tốc tối đa 8 Hình 2.8 : Chế độ hãm tái sinh năng lượng 8 Hình 2.9 : Máy phát điện 9 Hình 2.10 : Bình ắc quy dung lượng cao 9 Hình 2.11 : Bộ phận chuyển đổi 10 Hình 2.12 : Kết hợp động cơ xăng và động cơ điện . 10 Hình 2.13 : Khung gầm hình chiếc thang[2] 11 Hình 2.14 : Khung gầm hình chiếc thang được sử dụng trên xe AC COBRA[10] . 12 Hình 2.15 : Bộ khung gầm hình ống rỗng cấu trúc rất phức tạp[10] 12 Hình 2.16 : Một loại khung gầm liền khối 13 Hình 2.17 : Một chiếc xe có loại khung gầm liền khối . 14 Hình 2.18 : Động cơ xe Lai 15 Hình 3.1 : Hình ảnh bản vẽ thiết kế khung xe 18 Hình 3.2 : Hình ảnh khung xe đang thi công 19 Hình 3.3 : Hình ảnh khung xe sau khi thi công . 19 Hình 3.4 : Hình ảnh hệ thống treo độc lập . 20 Hình 3.5 : Hình ảnh ống giảm chấn cho hệ thống treo. . 22 Hình 3.6 : Biểu đồ dao động của ống giảm chấn . 23 Hình 3.7 :Bản vẽ biên dạng thân xe 23 Hình 3.8 : Biểu đồ trọng lượng biên dạng thân xe . 24 Hình 3.9 : Bản vẽ thiết kế hệ thống lái hai bánh dẫn hướng . 27 Hình 3.10 : Đồ thị quan hệ giữa góc quay các bánh lái 28 Hình 3.11 : Sơ đồ bố trí và kết nối hệ thống phanh 30 4 Hình 3.12 : Hình ảnh phanh đĩa trước được mô tả trong bản vẽ. . 30 Hình 3.13 : Hình ảnh phanh đĩa trước được gắn trên xe . 31 Hình 3.14 : Hình ảnh sơ đồ hệ thống phanh đĩa . 31 Hình 3.15 : Hình ảnh sơ đồ hệ thống phanh đĩa khi hoạt động . 32 Hình 3.16 : Hình ảnh hệ thống phanh tang trống 32 Hình 3.17 : Hình ảnh biên dạng toàn thân xe . 33 Hình 3.18 : Khuôn đúc Composite được gia công bằng thạch cao . 34 Hình 3.19 : Hình ảnh thực tế của coposite được gia công bằng khuôn thạch cao . 35 Hình 3.20 : Hình ảnh thực tế kết quả sau khi thi công của vỏ xe. . 35 Hình 3.21 : Hình ảnh động cơ điện. 38 Hình 3.22 : Hình ảnh động cơ xăng. . 39 Hình 3.23 : Hình ảnh thực tế của nhông đơn hướng 40 Hình 3.24 : Hình ảnh sơ đồ hệ thống truyền động kết hợp 40 Hình 3.25 : Hình ảnh bản vẽ sơ đồ tỷ số truyền động của động cơ điện đến truyền động kết hợp 41 Hình 3.26 : Hình ảnh sơ đồ tỷ số truyền động của động cơ xăng đến truyền động kết hợp . 42 Hình 3.27 : Hình ảnh sơ đồ hệ thống nguyên lý làm việc của xe Lai xăng – điện . 43 Hình 3.28 : Sơ đồ điều khiển động cơ điện . 44 Hình 3.29 : Đồ thị hoạt động . 44 Hình 3.30 : Sơ đồ kết nối bình ắc quy trên xe . 45 Hình 3.31 : Hình ảnh bình ắcquy được trang bị cho xe . 45 Hình 3.32 : Hình sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển trên xe Lai . 46 Hình 3.33 : Hình ảnh sơ đồ khối hệ truyền động điện . 47 Hình 3.34 : Hình ảnh sơ đồ khối hệ truyền động bằng động cơ xăng . 47 Hình 3.35 : Hình ảnh sơ đồ khối của hệ thống . 47 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 : Kết quả phân tích trọng lượng của từng loại vật liệu lên biên dạng khung xe. 24 Bảng 3.2 : Bảng thông số các chi tiết của hệ thống lái . 28 Bảng 4.1 : Quá trình chạy thử nghiệm . 49 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả là một trong những nghiên cứu cần thiết [7]. Bên cạnh đó việc nghiên cứu phương tiện giao thông có khả năng giảm thiểu lượng khí thải và bảo vệ môi trường là đề tài cấp bách của xã hội. Nghiên cứu và sử dụng sự kết hợp giữa nguồn năng lượng điện và xăng đang được các nhà khoa học quan tâm, khoảng 300 năm trước nhà phát minh người Pháp Nicolas - Joseph Cugnot đã là người đầu tiên đặt nền tảng cho hệ thống này. Xe ô tô ngày nay đã trở thành một phương tiện không thể thiếu trong xã hội chúng ta. Chính vì thế tình trạng ô nhiễm do khí thải do động cơ xe gây ra đang là một vấn đề rất nhức nhối của nhiều quốc gia hiện nay. Bên cạnh là cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 đã đẩy giá đầu thô lên đến 97,17 USD/thùng (năm 2012) các nước xuất khẩu dầu mỏ đã sử dụng hết công suất khai thác nhưng cũng rất khó khăn để giảm được nhiệt của cơn sốt dầu thô[8]. Trước tình trạng đó nguồn tài nguyên dầu trong lòng đất sẽ cạn kiệt trong một thời gian không xa. Việc sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng này kết hợp với các nguồn năng lượng mới đang trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển. Nhận thức được tình hình thực tại của xã hội về việc sử dụng tiết kiệm nguồn tài nguyên, vấn đề ô nhiễm khí thải từ phương tiện giao thông và trước cơn sốt về nguồn nhiên liệu. Đây cũng chính là lý do nhóm tác giả chọn đề tài “tính toán thiết kế và thi công xe Lai chạy bằng xăng và điện”. Trong đề tài này nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công xe Lai với việc sử dụng nhiên liệu tiết kiệm lên đến 40%. Mục đích của đề tài Từ những thực tiễn và qua phân tích các giải pháp đã biết nhóm tác giả đã chọn đề tài “tính toán thiết kế và thi công xe Lai chạy bằng năng lượng xăng và điện” với mục đích tìm giải pháp mới về phương tiện giao thông vận hành tiết kiệm 2 nhiên liệu hơn, thân thiện môi trường giảm thiểu ô nhiễm khí thải, một phần nào đó có thể hạ nhiệt trước cơn sốt về nguồn nhiên liệu và đặc biệt là tiết kiệm về kinh tế phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. Bên cạnh đó đây cũng là kiểu xe ba bánh đầu tiên tại Việt Nam với kiểu dáng và thiết kế mới. Nhóm tác giả hy vọng với chiếc xe Lai này có thể ứng dụng để sản xuất hàng loạt vào thị trường trong nước. 1.2 Lịch sử phát triển Năm 1899những chiếc xe Lai đầu tiên được triển lãm ở Paris Salon. Nó được chế tạo bởi Pieper, Liège của Bỉ và công ty truyền tải điện Vendovelli và Priestly của Pháp[1]. Xe Pieper là một kiểu xe Lai song song với một động cơ xăng nhỏ làm mát bằng gió được hỗ trợ thêm một động cơ điện và các ắc quy chì. Ắc quy sẽ được nạp khi xe đang chạy đều trên đường hoặc khi xe hoạt động tại chỗ. Khi công suất dẫn động yêu cầu cao hơn công suất định mức của động cơ, động cơ điện sẽ cung cấp thêm công suất cho động cơ xăng hoặc ngược lại. Đến năm 1903 Camille Jenatzy người Pháp đã giới thiệu một chiếc xe Lai động cơ mắc kiểu song song tại Paris Slon[1]. Chiếc xe này kết hợp một động cơ xăng 6 hp và một động cơ điện 14 hp, nó có thể nạp điện lại cho ắc quy từ động cơ. Một người Pháp khác là H.Krieger chế tạo một chiếc xe Lai động cơ mắc kiểu nối tiếp vào năm 1902. Thiết kế của ông dùng hai động cơ một chiều dẫn động hai bánh trước, chúng lấy năng lượng từ 44 bình ắc quy chì, ắc quy này được nạp lại bằng một máy phát điện một chiều dẫn động bởi động cơ sử dụng cồn đánh lửa cưỡng bức. Những chiếc xe Lai khác, cả nối tiếp và song song đã được chế tạo trong suốt khoảng thời gian từ 1899 đến 1914. Trong thời gian này phanh điện đã được sử dụng trong các mẫu thiết kế nhưng nó không đề cập đến phanh phục hồi năng lượng. Hầu hết các xe trên đều sử dụng phanh điện bằng cách nối ngắn mạch hoặc mắc điện trở trên phần ứng của động cơ điện. Những xe Lai thế hệ đầu được chế tạo để hỗ trợ thêm cho các động cơ xănghoặc mở rộng tầm hoạt động của xe điện. Chúng ứng dụng những công nghệ điện cơ bản có sẵn. Mặc dù có nhiều sáng tạo trong thiết kế, nhưng những chiếc xe 3 Lai này không thể cạnh tranh nổi với xe có động cơ xăng được cải tiến đáng kể sau Chiến tranh Thế Giới I. Động cơ xăng được cải thiện tốt về mặt công suất, các động cơ trở nên nhỏ hơn hệu quả hơn và không cần sự hỗ trợ của các động cơ điện trong thời gian dài. Sự tăng giá do thêm động cơ điện và sự độc hại từ ắc quy chì đã làm cho thị trường sản xuất xe Lai chìm xuống sau Chiến tranh Thế Giới I. Trải qua hai cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 và năm 1977 bên cạnh đó vấn đề môi trường ngày càng được quan tâm hơn, xe Lai đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường. Các nhà nghiên cứu bị thu hút bởi xe Lai, vì vậy đã có nhiều mẫu xe được chế tạo trong thập niên 80. Xe Lai được sự hấp dẫn trong thời kỳ này nhưng do thiếu sự phát triển của điện tử công suất ứng dụng, động cơ điện hiện đại và công nghệ ắc quy nên công nghệ phát triển chưa cao. Khái niệm xe Lai đã thật sự trở nên hấp dẫn nhất vào thập niên 90. Tập đoàn Ford Motor đã khởi động chương trình “Thách thức xe Lai điện Ford” thu hút sự nỗ lực từ các trường đại học nhằm phát triển phiên bản xe Lai cho sản xuất ô tô. Năm 1997 đánh dấu lịch sử của xe Lai với hai mẫu xe Prius của Toyota và Civic Hybrid của Honda, chúng có 1 giá trị lịch sử trong kỷ nguyên hiện đại vì đáp ứng vấn đề tiêu thụ tiết kiệm nhiên liệu trên xe và vấn đề môi trường. 1.3 Cấu trúc của đề tài Cấu trúc của đề tài gồm 4 chương: Chương 1 trình bày phần tổng quan, chương 2 giới thiệu về hệ thống xe lai, chương 3 thiết kế và thi công, chương 4 kết luận và phương hướng phát triển. 4 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG XE LAI 2.1 Khái niệm xe Lai Xe Lai là loại dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp. Động cơ là sự tính toán kết hợp giữa hai nguồn công suất dẫn động khác nhau một động cơ xăng thông thường với một động cơ điện dùng năng lượng ắc quy. Bộ điều khiển trung tâm sẽ quyết định khi nào thì động cơ điện hoạt động độc lập, khi nào thì động cơ xăng hoạt động độc lập, khi nào thì vận hành kết hợp đồng bộ giữa hai động cơ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng. Có rất nhiều cách phối hợp hai loại động cơ này có thể là nối tiếp, song song hay hỗn hợp: Động cơ mắc kiểu nối tiếp: Động cơ điện là nguồn lực kéo xe duy nhất tiếp nhận điện năng cung cấp từ ắc quy. Khi điện tích của ắc quy trở nên quá thấp, động cơ xăng sẽ được khởi động để kéo máy phát nhằm cung cấp điện năng cho động cơ điện tiếp tục kéo và đồng thời cũng để nạp điện cho ắc quy. Hình 2.1 : Động cơ mắc kiểu nối tiếp[10] Động cơ mắc kiểu song song: Sử dụng cả động cơ xăng và động cơ điện để cung cấp lực kéo khi xe di chuyển với tộc độ cao. Ở tốc độ thấp, động cơ xăng được tắt đi và chỉ có động cơ điện được sử dụng để cung cấp lực kéo. . pháp đã biết nhóm tác giả đã chọn đề tài tính toán thi t kế và thi công xe Lai chạy bằng năng lượng xăng và điện với mục đích tìm giải pháp mới về phương. thông và trước cơn sốt về nguồn nhiên liệu. Đây cũng chính là lý do nhóm tác giả chọn đề tài tính toán thi t kế và thi công xe Lai chạy bằng xăng và điện .