Bộ điều khiển động cơ

Là trung tâm điều khiển động cơ của xe bao gồm các chức năng cung cấp nguồn cho động cơ hoạt động, nhận tín hiệu từ tay ga để điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu cảm biến vị trí pha từ bộ cảm biến của động cơ, nhận cảm biến từ phanh để dừng động cơ, báo tốc độ xe. Yêu cầu của bộ điều khiển là điều khiển tốc độ quay của động cơ, bảo vệ khi thiếu áp, hạn chế dòng hoặc chức năng bảo vệ q dịng. Cơng suất của bộ điều khiển được thiết kế phải phù hợp với công suất của động cơ.

Hình 2.16 Sơ đồ các dây của bộ điều khiển động cơ

Sau khi nghiên cứu các cơ sở lý thuyết trên để nắm được cấu tạo, chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của các bộ phần cấu thành trên xe ta sang chương 3 thiết kế và cải tạo xe dựa trên các cơ sở lý thuyết này và kiến thức đã tiếp thu được trong quá trình học tập.

34

Chương 3 CẢI TẠO XE MÁY ĐIỆN THÀNH XE SINH THÁI 3 BÁNH CHẠY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PHỤC VỤ CHO NGƯỜI KHUYẾT TẬT

Để thực hiện đề tài này cần giải quyết ba vấn đề:

 Phần cơ khí cải tạo từ 2 bánh sang 3 bánh.

 Sử dụng pin năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy.

 Lắp thêm mạch để đảo chiều quay động cơ giúp lùi xe.

Thiết kế, cải tạo từ 2 bánh sang 3 bánh

Hình 3.1 Xe máy điện Vespas Dibao trước và sau khi cải tạo

3.1.1 Tính chọn động cơ

3.1.1.1 Các thơng số đề ra để chọn động cơ

 Tải trọng: Tải trọng của xe được tính dựa vào số hành khách mà xe có thể chở được và trọng lượng của xe.

- Xe máy điện nên số hành khách tối đa là hai với cân nặng mỗi người là 60kg. - Tấm pin mặt trời, khung để tấm pin và tải trọng hành lí là 30kg.

- Xe máy điện có trọng lượng trung bình 50 – 80 kg.

 Khối lượng toàn bộ của xe: 200 kg.

 Vận tốc cực đại của xe: Vmax = 30km/h = 8,33m/s.

 Điều kiện đường: xe chạy trong các khu vực nhỏ như công viên, khu vui chơi, khu cho người khuyết tật … và xa hơn là chạy trong thành phố.

 Hệ số cản lăn f0 với f0 = [0,015 – 0,018] , chọn f0 = 0,015.

35

 Hệ số cản khơng khí Cx: Cx = [0,35 – 0,5], chọn Cx = 0,4 N.s2/m4.

 Diện tích cản chính diện S : S = [1,6 – 2,5], chọn F = 2 m2.

3.1.1.2 Tính chọn động cơ điện

Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động của xe thiết kế được sử dụng để khắc phục các lực cản chuyển động sau: lực cản lăn, lựa cản dốc, lực cản khơng khí, lực cản qn tính.

Phương trình cân bằng lực kéo: [4] Fk = Ff ± Fi + F𝜔 ± Fj Trong đó:

 Fk : lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

 Ff : lực cản lăn

 Fi : lực cản dốc

 F𝜔: lực cản khơng khí

 Fj : lực cản quán tính

Trong trường hợp xe lên dốc độ dốc 10%. Lực cản lăn Ff = f.Gtb.cosα = 0,015 . 200 . 9,81 . cos (60) = 29,3 N Lực cản lên dốc Fi = Gtb.sinα = 200 . 9,81 . sin 60 = 205,1 N Lực cản không khí F𝜔 = 0,625.Cx.S.v2 = 0,625. 0,4 . 2 . 8,332 = 34,7 N Lực cản quán tính Fj = Gtb.a = 200 . 1 = 200 N Với a là gia tốc của xe, chọn a = 1m/s2

Thay vào phương trình cân băng lực kéo ta được

Fk = 29,3 + 205,1 + 34,7 + 200 = 469,1 N

Đó là trường hợp cực đoan của cơng suất. Trong thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn:

36

 Khi xe lên dốc chạy đều và vận tốc nhỏ, có thể bỏ qua lực cản quán tính và lực cản khơng khí.

 Khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như khơng tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính.

Như vậy, lực cần thiết của động cơ ở hai trường hợp này được tính là: Ffi = Ff + Fi = 29,3 + 200 = 229,3 N

F𝑓𝜔 = Ff + F𝜔 = 29,3 + 34,7 = 64 N

Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Xét hai trường hợp.

 Xe chạy ở tốc độ tối đa được xem là sử dụng tối đa công suất động cơ.

 Xe leo dốc mặc dù có lực cản lớn hơn nhưng xe chạy với tốc độ nhỏ thì cơng suất phụ tải cũng sẽ bé hơn trường hợp xe chạy ở tốc độ tối đa.

Vì vậy ta chọn trường hợp ở tốc độ tối đa và công suất cản của xe lúc này là: N𝑒𝜔 = F𝑓𝜔 . v = 64 . 8,33 = 533,1 W

Công suất cực đại yêu cầu của động cơ: 𝑁𝑒𝑐𝑡 = 𝑁𝑒𝜔

0,8 = 533,1

0,8 = 666,4 𝑁 Trong đó n là hiệu suất của động cơ điện là ≥ 80%. Chọn động cơ ứng với công suất cực đại:

Ne max = (1,1 – 1,25). Nect = 733 – 833 W Chọn Ne max = 800W.

3.1.2 Xe máy điện trước khi cải tạo

Chọn xe máy điện Vespas Dibao vì xe sở hữu động cơ đảm bảo yêu cầu và có thiết kế dễ cải tạo.

Bảng 3.1 Thơng số kỹ thuật của xe máy điện Vespas Dibao

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 cịn 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 không 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, mô 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, không nhỏ quá 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 công.

 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 khơng 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

Thông 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 u 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