Loại xe Xe máy điện hai bánh
Hãng sản xuất Dibao, xuất xứ Đài Loan
37
Động cơ 800W, 3 pha, khơng chổi than
Kích thước xe 1640mm x 640mm x 1200mm
Trọng lượng xe 70kg
Vận tốc tối đa 40 – 50 Km/h
Thời gian sạc 5 giờ
Loại phanh Bánh trước phanh đĩa, bánh sau phanh trống
Tình trạng ban đầu của xe:
Động cơ hoạt động ổn định.
Nguồn: một vài ắc quy bị phù do sử dụng lâu.
Ngoại hình xe: Bị trầy xướt và cũ.
Hệ thống điện bị sửa và độ chế.
Vận tốc tối đa: 39km/h.
Trọng lượng xe: 50kg.
Bạc đạn cổ xe bị vỡ dẫn đến cổ xe yếu.
3.1.3 Thiết kế khung đặt tấm pin năng lượng mặt trời
Dựa trên ý tưởng của dịng xe Sidecar có nguồn gốc từ thế chiến thứ 2 còn được sử dụng cho đến ngày nay, được Philippines phát triển thành dòng xe Tricycle được sử dụng phổ biến của người dân và các nước trong khu vực Đông Nam Á hay trên thế giới sử dụng với các tên gọi khác nhau.
38 Hình 3.3 Xe Tricycle Philippines
Nhóm chọn phần mềm thiết kế là Solidworks, vì được sử dụng khá phổ biến trên thế giới. Ở Việt Nam phần mềm này được sử dụng rất nhiều khơng chỉ trong lĩnh vực cơ khí mà nó cịn được mở rộng ra các lĩnh vực khác như: Điện, khoa học ứng dụng, cơ mơ phỏng, phân tích dịng khí cơ lưu chất, mơ phỏng chuyển động….
Phần mềm Solidworks cung cấp cho đề tài những tính năng tuyệt vời nhất về thiết kế các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành nên những bộ phận của xe, xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó. Ngồi ra cịn có tính năng như: Phân tích động học (motion), phân tích động lực học (simulation), phân tích khí động học (Flow simulation), phần mềm Solidworks S Electrical giúp thiết kế mạch điện có thể mơ phỏng trên mạch đó và nhiều tính năng tiện ích khác.
Hình 3.4 Phần mềm Solidworks Lý do chọn phần mềm: Lý do chọn phần mềm:
Nhờ sự tích hợp nhiều tính năng trên một phần mềm giúp sử dụng chun mơn hóa trên phần mềm hơn và không phải sử dụng nhiều phần mềm đề thực hiện các công việc khác nhau.
Cùng với việc đa dạng công cụ hỗ trợ giúp nhóm dễ dàng thiết kế.
Khơng sử dụng các câu lệnh gây rắc rối.
39
Thiết kế tổng quan
Khung đặt tấm pin là bộ phận quan trọng giúp cân bằng xe, vừa làm nhiệm vụ đặt pin mặt trời để thu nguồn điện cịn để chở thêm một hành khách vì vậy nó phải thõa các yêu cầu:
Phù hợp với kích thước tấm pin mặt trời. Khơng rộng q chiếm diện tích mặt đường, khơng nhỏ q làm tấm pin dư ra gây nguy hiểm khi điều khiển.
Phù hợp với kích thước ghế ngồi, giúp hành khách cảm thấy thoải mái.
Đảm bảo độ bền, độ cứng vững, độ cân bằng cho xe.
Đảm bảo độ êm dịu cho xe.
Khả năng cơ động của xe.
Thiết kế đẹp, gọn, giảm tối đa khối lượng khung.
Hình 3.5 Bản vẽ thiết kế tổng thể của xe Bảng 3.2 Kích thước tổng thể của xe Bảng 3.2 Kích thước tổng thể của xe Chiều dài tổng 1700 mm Chiều rộng tổng 1250 mm Chiều cao tổng 1600 mm Khoảng cách 2 trục bánh xe 780 mm Khoảng sáng gầm xe 220 mm
40 Hình 3.6 Các hình chiếu của bản vẽ thiết kế
Khung gầm hình chiếc thang
Đây là khung gầm ra đời sớm nhất, hầu như các hãng xe trên thế giới đều đã sử dụng loại khung gầm này.
Đặc điểm của loại khung gầm này:
Hai thanh dọc là thành phần chịu lực chính, có khả năng chịu tải và các lực tác động theo chiều dọc xuất hiện khi tăng tốc hoặc phanh.
Các thanh ngang có khả năng chịu lực tác dụng và tăng độ cứng xoắn.
Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ gia cơng.
Nhược điểm: vì có cấu trúc hai chiều nên độ cứng xoắn thấp hơn so với các loại khung gầm khác.
Lý do chọn loại khung gầm này:
Tốc độ xe không cao.
41
Gia công đơn giản, giá thành rẻ.
Điều kiện sử dụng trên mặt đường tốt nên không yêu cầu độ cứng và độ xoắn cao.
Cơng nghệ gia cơng cịn hạn chế.
Hình 3.7 Hình chiếu bằng của khung gầm
Hình 3.8 Hình 3D của khung gầm Đối với các thanh dầm dọc:
Vật liệu: thép vuông C45.
Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm là cắt xéo (25x25 mm).
Số lượng: 2 thanh có chiều dài 850mm. Đối với các thanh dầm ngang:
Vật liệu: thép vuông C45.
Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm hình chữ nhật (25x25 mm).
42 Ngồi ra cịn thanh dầm ngang nối với khung xe:
Vật liệu: thép chữ nhật C45.
Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm hình chữ nhật (40x20 mm).
Số lượng: 2 thanh có chiều dài 750mm, 1 thanh có chiều dài 400mm. Các thanh dầm được nối với nhau bằng các mối hàn.
Hình 3.9 Vị trí các mối hàn
Để tiện cho việc tháo rời thùng và xe nhóm đã sử dụng 3 bass để nối lại thay vì hàn cứng.
Hình 3.10 Vị các các bass nối
Gắp và phuộc
Gắp là bộ phận cấu tạo để chịu lực tác động từ người sử dụng đến lực xoắn của động cơ thông qua bộ truyền động.
43 Thông số của gắp và phuộc:
Gắp: Chiều dài: 470mm. Chiều rộng: 160mm. Chiều cao: 90mm. Hình 3.11 Kích thước của gắp Hình 3.12 Hình 3D của gắp Phuộc: Chiều dài: 240mm. Chiều rộng: 40mm. Hình 3.13 Phuộc
44 Hình 3.14 Gắp và phuộc sau khi lắp ghép
Hình 3.15 Gắp và phuộc thực tế
Ghế ngồi
Do mục đích của đề tài nên ghế ngồi là bộ phận không thể thiếu của đề tài và nó phải thõa các yêu cầu:
Đủ diện tích chỗ ngồi cho hành khách.
Kích thước và hình dạng đảm bảo sự thoải mái cho hành khách.
Chiều cao ghế vừa phải, không quá cao ảnh hưởng đến chiều cao tổng thể, nếu quá thấp sẽ chạm bánh xe.
Đệm ghế ngồi có độ mềm thích hợp.
Đảm bảo tính thẩm mĩ chung của khung.
45 Hình 3.16 Thơng số kích thước của ghế ngồi
Thơng số về ghế ngồi:
Vật liệu: Thép vuông C45.
Chiều dài : 2 thanh dài 600mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là cắt xéo (25x25mm).
Chiều rộng: 2 thanh dài 440mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là cắt xéo (25x25mm).
Chiều cao: 4 thanh dài 350 mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là cắt xéo (25x25mm).
Vật liệu: Sắt ống.
Số lượng: 2 thanh sắt uốn chiều dài 390mm + R50 mm + 50mm.
Đệm ngồi và tựa lưng.
Đệm ngồi: 580mm x 420mm x 30mm, tấm mica + mút xốp + simili.
Đệm tựa lưng: 580mm x 250mm x 15mm, tấm mica + mút xốp + simili.
Các thanh sắt được nối với nhau bằng các mối hàn, đệm ngồi và tựa lưng được cố định bằng ghim bấm.
46 Hình 3.17 Ghế ngồi trên bản vẻ và thực tế
Khung trên
Khung trên là bộ phận khơng thể thiếu của đề tài, nó giúp định hình mơ hình và để đặt tấm pin năng lượng, vì vậy khung trên cần có một vài yêu cầu như sau:
Có độ chắc chắn để chịu lực phân bồ đều từ tấm pin, lực tác động dọc và ngang.
Chiều cao phải cân đối, không quá thấp làm hành khách ngồi không vừa, không quá cao ảnh hưởng đến lực động học.
Thiết kế có các đường bo cung, đường nghiêng thích hợp để đảm bảo tính thẩm mĩ và khí động học.
Mặt để tấm pin mặt trời có thiết kế hơi nghiêng xuống giúp tấm pin mặt trời thu được hiệu suất cao hơn.
Thông số của khung trên:
Vật liệu: Sắt ống.
Số lượng: 2 thanh sắt ống uốn chiều dài 800mm + R100mm + 420mm + R60mm + 1100mm + 310mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là hình trịn (∅16mm).
Số lượng: 6 thanh sắt ống chiều dài 600mm, biên dạng (mặt cắt ngang) là vát tù (∅16mm).
47 Hình 3.18 Kích thước của khung trên
Phân tích khí động học
Theo lý thuyết, khi chuyển động ô tô phải chịu nhiều loại lực cản:
Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp.
Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe.
Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo.
Lực cản của gió liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe.
Với đề tài thiết kế này nhóm khơng thể tác động thay đổi gì nhiều với ba loại lực trên ngoại trừ giảm tối thiểu khối lượng của khung, bơm chuẩn áp suất lốp. Vì thế nhóm chỉ phân tích về lực cản gió, vì tốc độ của xe có hạn 30 – 40 km/h nên nhóm khơng đặt nặng các u cầu về thiết kế cho khí động học.
Lực cản của gió được tạo ra bởi hai thành phần: hình dạng cản và sự ma sát với bề mặt xe:
Hình dạng cản: Sự chuyển động của xe đẩy khơng khí phía trước nó, tuy nhiên khơng khí khơng thể dịch chuyển ra khỏi phía đó ngay lập tức do đó tăng lên trở thành khí có áp suất cao. Đồng thời, khơng khí phía sau xe khơng thể điền đầy khoảng trống ngay được bởi sự dịch chuyển về phía trước của xe, nó tạo ra vùng có khí áp suất thấp.
Sự ma sát bề mặt: Khơng khí gần bề mặt của xe hầu như di chuyển với tốc độ của xe trong khi khơng khí ở ngồi xe gần như được giữ nguyên tốc độ. Các phần tử khí di chuyển
48 với khoảng tốc độ rộng. Sự khác biệt giữa hai dịng khí tạo ra sự ma sát là kết quả của thành phần gây ra lực cản khí động.
Như trên hình 3.22 ta thấy, mặt cắt xác định sự thay đổi vận tốc của luồng khơng khí ở phía bên ngồi khi chưa tiếp xúc đến xe, luồng khơng khí có vận tốc khơng đổi. Khi tiếp xúc đến các mặt phẳng của xe vận tốc khơng khí giảm xuống, khi xe di chuyển luồng khơng khí đó sẽ di chuyển cùng tốc độ tạo ra sự ma sát bề mặt cùng với một vùng áp suất cao, cịn vận tốc luồng khơng khí phía sau xe bị giảm là do chưa được điền đầy tạo ra một vùng khí áp suất thấp.
Hình 3.19 Đường khơng khí di chuyển khi vào thùng xe
Hình 3.20 Mặt phẳng tốc độ gió khi đi vào thùng xe
Vận tốc khi tiếp xúc đến bề mặt xe giảm không nhiều và chỉ thay đổi ở một vùng chắn phía trước khung, vùng tựa lưng và mặt cản của khung tấm pin.
49 Hình 3.21 Áp lực của khơng khí tác dụng vào khung
Đồng thời áp lực tác dụng vào ba vị trí này cũng khơng cao, chỉ có vùng nhỏ giữa tấm chắn phía trước khung và giữa vùng tựa lưng chịu áp lực cao nhất những vẫn nằm trong giới hạn. Ngoài ra, trên hình ta cịn thấy được đường thẳng luồng khơng khí di chuyển sang bốn hướng khi tiếp xúc vào bề mặt cản.
Các bước còn lại
Thùng xe được sơn bằng màu đen. Trước khi sơn phải che bộ phận khác bằng giấy. Sau đó chà nhám bề mặt bị rỉ và tiến hành sơn. Khi sơn cần sơn đều và sơn lại vài lần, tránh để sơn bị chảy.
Hình 3.22 Thùng xe đang phơi sau khi sơn
Lắp tấm chắn bằng mica. Khi lắp cần dán keo silicon trước vào để khi di chuyển không tạo tiếng ồn do lắp khơng kín.
50 Hình 3.23 Lắp tấm chắn
Lắp đặt công tắt số lùi dễ dàng điều khiển trên xe.
Hình 3.24 Vị trí đặt cơng tắt số lùi
51
Sử dụng pin năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy
Hình 3.25 Hệ thống nạp điện bổ sung cho ắc quy bằng năng lượng mặt trời và hệ thống điện trên xe nguyên thủy
3.2.1 Giới thiệu hệ thống điện trên xe và hệ thống nạp điện bổ sung cho ắc quy
Xe sử dụng nguồn điện từ 5 bình ắc quy với thơng số mỗi bình ắc quy là 12V 20A, các bình ắc quy được mắc nối tiếp để cho ra nguồn điện 60V và 20A.
Đối với hệ thống điện động cơ: Nguồn điện được cung cấp trực tiếp tới bộ điều khiển động cơ và một cơng tắc dùng để kích nguồn cho bộ điều khiển động cơ. Sau đó bộ điều khiển động cơ cấp nguồn cho động cơ điện, đồng thời điều khiển tốc độ động cơ sau khi nhận tín hiệu từ tay ga. Để đảm bảo an tồn trong q trình hoạt động bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cơng tắc phanh để đảm bảo nếu khi phanh động cơ điện sẽ khơng hoạt động. Ngồi ra bộ điều khiển sẽ truyền tín hiệu tới đồng hồ để hiện thị tốc độ của đồng hồ.
Đối với các thiết bị phụ tải: Xe sử dụng nguồn điện 60V do đó để có thể sử dụng các thiết bị điện (đèn chiếu sáng, xi nhan, cịi,…) cần có bộ đổi nguồn giúp thay đổi từ 60V về 12V.
Bên cạnh các bộ phần điện ban đầu của xe nhóm đã thêm vào các thiết bị như hình 3.25 giúp xe được nạp bổ sung nhờ hệ thống pin năng lượng mặt trời (tấm pin mặt trời, bộ điều
52 khiển sạc pin mặt trời, mạch tăng áp) được lắp trên thùng xe đặt bên phải của xe. Nguồn điện này sẽ trực tiếp nạp vào ắc quy và từ ắc quy sẽ đi đến bộ điều khiển động cơ.
3.2.2 Quá trình nạp điện bổ sung
Quá trình nạp điện cho ắc quy được thực hiện khi có ánh nắng chiếu vào tấm pin, năng lượng được chuyển đổi thành điện năng. Phần điện năng sinh ra được đưa vào bộ điều khiển sạc, bộ điều khiển sạc có nhiệm vụ ngắt dịng điện đi từ pin mặt trời xuống khi ắc quy đã đầy. Thực tế, nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời khi đủ nắng là 12V nhưng xe điện sử dụng 5 bình ắc quy với tổng điện áp là 60V do đó cần sử dụng mạch tăng áp nhằm mục đích khuếch đại điện áp từ 12V lên 60V để có thể sạc được cho bình ắc quy.
Trong trường hợp ắc quy đầy thì bộ điều khiển sạc ngắt nguồn điện sinh ra từ pin năng lượng mặt trời đến ắc quy. Nhưng khi xe hoạt động có tiêu thụ điện từ ắc quy thì ngay lập tức bộ điều khiển sẽ cho phép pin năng lượng mặt trời cung cấp nguồn điện đến ắc quy. Lúc này, nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời sẽ cung cấp trực tiếp cho động cơ điện hoạt động và lúc này ắc quy sẽ đóng vai trị cung cấp thêm dịng điện để động cơ có thể hoạt động bình thường .
Hình 3.26 Sơ đồ nối dây của hệ thống sạc bằng năng lượng mặt trời
3.2.3 Tính tốn chọn tấm pin năng lượng mặt trời
Quãng đường xe chạy tối đa bằng ắc quy khi được nạp đầy là khoảng S = 30km với tốc độ chạy trung bình là Vtb = 20km/h.
53 𝑇 = 𝑆𝑡𝑏
𝑉𝑡𝑏 = 30
20 = 1.5 𝑔𝑖ờ
Công suất ắc quy = điện áp ắc quy x dịng điện = 60 x 20 = 1200W Cơng suất ắc quy theo W/h:[5]
𝑊𝑊
ℎ
= 𝑊𝑎𝑞 𝑇
Dựa vào mục tiêu của đề tài sau khi cải tạo là giúp tăng quãng đường tối đa của xe chạy lên Sct = 3km. Do đó, thời gian hoạt động của xe khi có thêm bộ sạc năng lượng mặt trời là:
𝑡 = 𝑆 + 𝑆𝑐𝑡 𝑉𝑡𝑏 = 30 + 3 20 = 1.65 𝑔𝑖ờ Ta có: 𝑡 = 𝑊𝑎𝑞 𝑊𝑊 ℎ − 𝑊𝑝 Công suất của tấm pin ứng với thời gian trên:
𝑊𝑝 = 𝑊𝑊 ℎ − 𝑊𝑎𝑞 𝑡 = 𝑊𝑎𝑞 𝑇 − 𝑊𝑎𝑞 𝑡 = 1200 1.5 − 1200 1.65 = 72.7 𝑊
Dựa theo mục tiêu tăng thêm 3km với tấm pin có cơng suất 72W và u cầu nhỏ gọn phù hợp với kích thước của xe máy điện khơng q lớn tránh va quẹt người và vật cản xung quanh trong khi di chuyển. Do đó, nhóm đã chọn 2 tấm pin năng lượng mặt trời 35W Mono