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: Động cơ Khung và vỏ Hệ thống chuyển động Hệ thống truyền lực Hệ thống treo Hệ thống lái Hệ thống phanh Hệ thống điện - điện tử
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;
+ Fω (N) - Lực cản không khí; + Fi (N) - Lực cản dốc;
+ Fj (N) - Lực cản quán tính của xe chuyển động không ổn định (có gia tốc); + Fm (N) - Lực kéo moóc;
+ Z1, Z2 (N) - Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe; + Mf1 (N.m)- Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động;
+ Mf2 (N.m)- Mômen cản lăn ở các bánh xe chủ động; + α (rad) - Góc dốc của mặt đường;
+ T (m) - Trọng tâm ô tô.
2.1.2.1. Trọng lượng
Trọng lượng (G) là lực hút của trái đất tác dụng lên các khối lượng của xe. Trọng lượng có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
G = m.g (2.1)
Trong đó:
+ G (N) - Trọng lượng; + m (kg) - Khối lượng của xe; + g (m/s2) - Gia tốc trọng trường. T v hg a b L Gb2 Gb1 A B G
Hình 2.3 Sự phân bố trọng trọng lượng của xe [12]
G - Trọng lượng; Gb1 - Trọng lượng phân bố trên các bánh xe trước; Gb2 - Trọng lượng phân bố trên các bánh xe sau.
Trọng lượng ép các bánh xe xuống mặt đường. Tỷ lệ giữa trọng lượng phân bố trên các bánh xe trước và sau (Gb1/Gb2) phụ thuộc vào vị trí của trọng tâm của xe. Thông thường Gb1/Gb2 50/50 đối với ô tô con du lịch.
2.1.2.2. Phản lực của mặt đường
Trong thực tế, cả mặt đường và bánh xe đều không phải là những vật cứng tuyệt đối nên chúng đều biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng của ô tô. Mặt đường và bánh xe tiếp xúc với nhau ở vô số điểm và tạo nên vùng tiếp xúc. Tại mỗi điểm tiếp xúc trên bánh xe sẽ có một phản lực thành phần tác dụng từ mặt đường. Tổng của tất cả các lực thành phần đó được gọi là phản lực tổng hợp từ mặt đường (gọi tắt là phản lực của mặt đường). Phản lực của mặt đường có điểm đặt tại tâm vùng tiếp xúc.
Để tiện trong nghiên cứu, người ta thường phân tích phản lực của mặt đường thành 3 thành phần: Z, X và Y. Gb1 Gb1 Fx Fy X1 Y1 Z1 X1 Y1 R1 Gb1 Fx X1 Z1 Z1 a1
Hình 2.4 Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước [12] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Gb1 - trọng lượng phân bố trên bánh xe, Fx - lực đẩy từ khung xe, Fy - lực ngang, Z1 - phản lực vuông góc, X1 - phản lực tiếp tuyến, Y1 - phản lực ngang,
a1 - khoảng cách giữa tâm tiếp xúc và mặt phẳng ngang của bánh xe.
- Phản lực vuông góc (Z), còn gọi là lực đỡ, là thành phần có phương vuông góc với mặt đường.
Z 1 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe trước, Z 1 = Gb1.cos = G1 Z 2 - Phản lực vuông góc tác dụng lên các bánh xe sau, Z 2 = Gb2.cos = G2
- Phản lực tiếp tuyến (X) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng ngang và có phương cùng phương chuyển động của ô tô (phương của trục Ox).
- Phản lực ngang (Y) - thành phần tác dụng trong mặt phẳng ngang và có phương của trục Oy.
2.1.2.3. Lực cản dốc
Lực cản dốc (Fg) là lực xuất hiện khi xe chuyển động trên đường dốc. Lực cản dốc có phương song song với mặt đường, chiều ngược chiều chuyển động của xe khi xe lên dốc và cùng chiều khi xe xuống dốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
Fg = G. sin (2.2)
Trong đó: Dấu (+) ứng với trường hợp xe xuống dốc, dấu (-) khi xe lên dốc.
2.1.2.4. Lực cản lăn
Lực cản lăn (Ff) là lực xuất hiện do ma sát giữa bánh xe với mặt đường và do biến dạng của bánh xe và của mặt đường. Lực cản lăn có phương song song với chiều chuyển động của xe, chiều ngược chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm tiếp xúc.
Trị số của lực cản lăn được xác định bằng biểu thức:
Ff = Ff1 + Ff2 = f1 . Z1 + f2 . Z2 (2.3) Trong đó:
+ Ff (N) - Tổng lực cản lăn;
+ Ff1, Ff2 (N) - Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau; + f1, f2 - hệ số cản lăn ở bánh xe trước và ở bánh xe sau;
+ Z1, Z2 (N) - phản lực vuông góc tại các bánh xe trước và sau. Nếu f1 = f2 = f ta có: Ff = f.( Z1 + Z2 ) = f.G.cos
Để thuận tiện trong việc khảo sát động lực học ô tô, người ta thường kết hợp
lực cản lăn và lực cản dốc thành một lực có tên gọi là lực cản của đường (F) như sau: F = Ff Fg = G(fcos sin) = G (2.4) Trong đó: là hệ số cản lăn của đường, = fcos sin
2.1.2.5. Lực cản khí động học
Lực cản khí động học (Fw), còn gọi là lực cản của gió hoặc lực cản của không khí, là lực của không khí tác dụng lên xe khi chuyển động. Lực cản khí động học có phương song song với mặt đường, điểm đặt tại tâm chắn gió. Lực cản khí động học có chiều cùng chiều hoặc ngược chiều chuyển động của xe, tuỳ thuộc vào hướng và tốc độ của gió, tốc độ của xe. Trị số của lực cản khí động học thường được xác định bằng thực nghiệm. Theo [10], lực cản khí động học có thể xác định như sau:
Fw = 0,50CwAf (v v0)2 (2.5) Trong đó:
+ o (kg/m3) - mật độ của không khí quanh xe; + cw - hệ số cản khí động học;
+ Af (m2) - tiết diện ngang chắn gió của xe; + v (m/s) - vận tốc của xe;
+ vo (m/s) - vận tốc chính diện của gió.
2.1.2.6. Lực quán tính
Lực quán tính (Fj) là lực cần thiết để gia tốc các khối lượng chuyển động của xe. Lực quán tính xuất hiện khi tốc độ của xe thay đổi. Lực quán tính có phương song song với mặt đường, chiều ngược với chiều của gia tốc, điểm đặt tại trọng tâm của xe.
Fj = Fj ' + Fj '' j g G Fj' j g G F Fj'' j j'' j j g G F Fj j j' j
Trong đó: Fj - tổng lực quán tính quy về trọng tâm của xe; F’j - lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến; F’’j - lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay (bánh đà, trục khuỷu,...); j - gia tốc của xe; j - hệ số quán tính quay.
2.1.2.7. Lực kéo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lực kéo (Fk) là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động được sinh ra do moment kéo được truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động. Lực kéo có phương song song với mặt đường, chiều cùng chiều chuyển động của xe, điểm đặt tại tâm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường.
k t t e k k k r i M r M F (2.6)
trong đó: Me - moment quay của động cơ, it - tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ động, t - hiệu suất của hệ thống truyền lực, rk - khoảng cách giữa tâm bánh xe chủ động và tâm vùng tiếp xúc.
G b
Z
F Mk
F k
Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn lực kéo
Mk - moment kéo; FMk - lực tác dụng lên mặt đường do moment kéo sinh ra; Fk - lực kéo
Để thuận tiện trong phân tích, người ta thường lấy rk rb (bán kính bánh xe chủ động), khi đó: b k k r M F (2.7)
Lực kéo tiềm năng:
b k r M F' .max max (2.8) Lực kéo cực đại: F r M F b k k .max max . (2.9)
Lực kéo cực đại (Fk.max) bị giới hạn bởi hai yếu tố: moment kéo (Mk) và lực bám giữa các bánh xe chủ động và mặt đường (F).
Ngoài các loại lực và moment đã trình bày ở trên, còn tồn tại một số loại lực và moment khác tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động, như: Lực ly tâm (Fc), Lực ngang (Fy), Lực ma sát (Fms), Lực phanh (Fp), Moment phanh (Mp) và Moment quán tính của các bánh xe (Mjb).
2.2. Năng lượng điện, năng lượng mặt trời sử dụng cho ô tô 2.2.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện 2.2.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện
Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường không khí. Nhưng ô tô chạy bằng năng lượng điện gặp phải khó khăn vấn đề cung cấp điện năng, nếu như tất cả các loại ô tô đều chạy bằng điện thì ít hay nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng. So với nhiên liệu truyền thống, mức độ có lợi tính theo C02 tương đương trên 1 Km lên 90% đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không có lợi gì khi sản xuất bằng than.
Về mặt kỹ thuật thì ô tô điện có hai nhược điểm quan trọng đó là năng lượng dữ trữ thấp, khoảng thấp hơn 100 lần so với ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống và giá thành ban đầu cao hơn 30÷40 % so với ô tô dùng động cơ nhiệt. Ngoài ra còn các vấn đề về khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vấn đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô.
Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề tâm lý xã hội. Thật vậy, sự hạn chế tính năng kỹ thuật cũng như bán kính hoạt động của ô tô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống.
Mặt khác khi chuyển ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ô tô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra trở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ắc quy. Tuy nhiên những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ. Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vẫn là sự lựa chọn số một của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ.
Ưu điểm rõ rệt nhất của các ô tô điện, đó là chúng không tạo ra sự ô nhiễm như các ô tô chạy bằng động cơ đốt trong. Tuy vậy, chúng vẫn ảnh hưởng xấu đến môi trường, ở một mức độ nào đó. Hiện nay hầu hết điện năng chúng ta đang sử dụng hằng ngày, được sản xuất từ các nhà máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu như xăng, dầu và than đá. Dĩ nhiên là những nhà máy này đang gây ô nhiễm cho môi trường sống.
Theo hiệp hội ô tô Điện của Canada (Electric Vehicle Association of Canada - EVAC) thì ngay cả khi tất cả ô tô điện sử dụng nguồn điện từ các nhà máy nhiệt điện, nó vẫn giúp cắt giảm gần một nửa tổng số khí thải CO2 trên trái đất. Với ô tô điện sử dụng nguồn “điện năng sạch” như từ nhà máy thủy điện, điện nguyên tử, hay năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, lượng khí CO2 thải ra ít hơn 1% tổng lượng khí thải mà các ô tô chạy bằng động cơ đốt trong sản xuất ra như hiện nay. Tóm lại, cho dù trong trường hợp tệ nhất - cách nào đó chúng ta vẫn lệ thuộc phần lớn vào các nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện năng - ô tô điện vẫn “sạch “ hơn so với ô tô chạy bằng xăng, dầu.
Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ô tô trong tương lai là pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng. Pin nhiên liệu trước đây chỉ được nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian nhưng ngày nay pin nhiên liệu đã bước vào giai đoạn thương mại hóa để cung cấp năng lượng cho ô tô. Sản phẩm hoạt động của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước. Vì vậy, có thể nói ô tô hoạt động bằng pin nhiên liệu là ô tô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro dưới áp suất cao ngay trên xe để sử dụng cho pin nhiên liệu nhưng hệ thống như vậy rất cồng kềnh và phức tạp. Tuy nhiên, ngày nay người ta đã thành công trong chế tạo các loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhưng việc áp dụng phương án này trên xe vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phương án làm giảm ô nhiễm khác, pin nhiên liệu chạy ô tô vẫn còn là loại nhiên liệu “xa xỉ” và “cao cấp”.
Ngày nay người ta thấy rằng nếu sử dụng pin nhiên liệu để chạy ô tô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%.
2.2.3. Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời
Xe năng lượng mặt trời 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.
2.2.3.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định, nhiều nguồn năng lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là nguồn NLMT. Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8 đến vĩ độ 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ (100÷175) kcal/cm2/năm, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Ở nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn
tài nguyên truyền thống: Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});