thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện

Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: PHẠM QUỐC DŨNG

Lớp: 50CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: "Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện”

Số trang: 101 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 17

Hiện vật: 02 quyển báo cáo + 02CD, 01 ô tô điện, 02 bộ điều khiển

NHẬN XÉT

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2012

Cán bộ hướng dẫn ( ký và ghi rõ họ tên )

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: PHẠM QUỐC DŨNG

Lớp: 50CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: "Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện”

Số trang: 101 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 17

Hiện vật: 02 quyển báo cáo + 02CD, 01 ô tô điện, 02 bộ điều khiển

NHẬN XÉTCỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

( Ký ghi rõ họ tên )

_

Nha Trang, ngày tháng năm 2012

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

( Ký ghi rõ họ tên )

Điểm phản biện

Điểm chung

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về đề tài với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong nhà trường và các bạn trong lớp em đã

hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện”

với thời gian đúng quy định

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong nhà trường, các thầy cô trong khoa Cơ Khí đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt những năm qua, thầy cô đã trang

bị cho chúng em những kiến thức quý báu nhất để làm hành trang bước vào đời Và đặc biệt em xin gửi tới các thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử lời cảm ơn chân thành nhất, các thầy đã và đang ngày đêm miệt mài nghiên cứu, lao động để truyền đạt cho chúng

em những kiến thức vô cùng quý báu Các thầy đã tạo cho chúng em những điều kiện tốt nhất để chúng em được học tập, được sử dụng thiết bị bộ môn để hoàn thành đồ án tốt và nhanh nhất

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hùng đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ

chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án để chúng em hoàn thành được đồ án với đúng quy định

Xin cảm ơn tập thể các bạn lớp 50CKCD đã đóng góp những ý kiến quý báu cho đồ án

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và xin gửi tới quý thầy cô trong nhà trường, các bạn bè người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc tốt đẹp nhất!

Sinh Viên

PHẠM QUỐC DŨNG

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG xii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN 2

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.2 CẤU HÌNH CỦA Ô TÔ ĐIỆN 3

1.3 NHU CẦU SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH VÀ SỬ DỤNG TRONG CÁC SỞ Y TẾ 5

1.3.1 Phương tiện cá nhân 5

1.3.2 Các phương tiện công cộng 7

1.3.3 Các phương tiện dùng chuyên biệt trong các lĩnh vực giải trí thể thao, các lĩnh vực công nghiệp, các loại xe chuyên dùng trong các ngành 8

1.3.4 Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vực chuyên dùng, vận chuyển, nâng chuyển hàng hóa, phục vụ cho người tàn tật 9

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU 11

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 12

2.2.1 Các phương án thiết kế 12

2.2.1.1 Phương án 1 12

2.2.1.2 Phương án 2 13

2.2.1.4 Kết luận 15

2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ 15

2.3.1 Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt 15

2.3.2 Các lực cản chuyển động của ô tô 19

2.3.2.1 Lực cản lên dốc 19

2.3.2.2 Lực cản lăn 20

2.3.2.3 Lực cản không khí 20

2.3.2.4 Lực quán tính 21

2.3.3 Xác định công suất của động cơ điện và nguồn acquy 21

2.3.3.1 Xác định các thông số của động cơ điện 21

2.3.3.2 Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy 24

2.3.3.3 Chọn ổ bi 24

2.3.3.4 Vật liệu chế tạo xe 25

2.3.3.5 Dụng cụ thực hiện 27

2.3.3.6 Chế tạo khung xe 30

2.4 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO PHẦN ĐIỀU KHIỂN 37

2.4.1 Động cơ Brushless DC Mortor 37

2.4.2 Khối LCD hiển thị 42

2.4.3 Khối giao tiếp bàn phím 43

2.4.4 Khối chân ga điều khiển 43

2.4.5 Giới thiệu về Vi điều khiển AVR 44

2.4.6 Sơ lược các linh kiện dùng trong mạch 56

2.4.7 Thiết kế mạch .62

2.4.8 Qui trình chế tạo mạch điều khiển 72

2.5 GIẢI THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 79

2.5.1 Giải thuật khối điều khiển trung tâm 79

2.5.2 Giải thuật khối điều khiển động cơ 80

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 81

3.1 CHUẨN BỊ 82

3.2 THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 83

3.2.1 Vẽ mạch in 83

3.2.2 In mạch lên mạch đồng 84

3.2.3 Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 84

3.2.4 Lắp ráp các mạch lên khung 85

3.3 SẢN PHẨM THỰC TẾ 86

3.3.1 Hình ảnh các mạch 86

3.3.2 Các chi tiết cơ khí 88

3.3.3 Hệ thống mô hình 91

3.4 CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 93

3.4.1 Kiểm tra trươc khi đưa vào hoạt động 93

3.4.1.1 Kiểm tra ắc quy 93

3.4.1.2 Kiểm tra mạch công suất 93

3.4.1.3 Kiểm tra phần cơ khí 95

3.4.1.4 Kiểm tra động cơ 95

3.4.2 Mô hình ô tô lúc hoạt động 96

3.4.2.1 Khi ô tô chạy thẳng đường bằng 96

3.4.2.2 Khi ô tô lên dốc 97

3.4.2.3 Khi ô tô xuống dốc 98

3.4.2.4 Khi ô tô vào khúc cua 98

3.5 BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ Ô TÔ ĐIỆN 99

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 100

4.1 KẾT LUẬN 101

4.1.1 Kết quả đạt được 101

4.1.2 Kết quả chưa đạt được 101

4.2 ĐỀ XUÁT 101

4.2.1 Đề xuất phần cứng 101

4.2.2 Đề xuất phần mềm 101

4.2.4 Đề xuất cả hệ thống 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ô tô điện cổ điển 3

Hình 1.2 Ô tô điện hiện đại 4

Hình 1.3 Ô tô điện của hãng Nissan 5

Hình 1.4 Ô tô điện sử dụng ở Chicago 6

Hình 1.5 Xe đạp điện của Trung Quốc sản xuất 6

Hình 1.6 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris - Lyon 7

Hình 1.7 Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp .7

Hình 1.8 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt 8

Hình 1.9 Xe điện sử dụng trong sân golf 9

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát 11

Hình 2.2 Mô hình thiết kế 1 ô tô điện 12

Hình 2.3 Mô hình thiết kế 2 ô tô điện 13

Hình 2.4 Mô hình thiết kế 3 ô tô điện 14

Hình 2.5: Chuyển động thẳng của xe trên dốc 15

Hình 2.6 Mô hình một bánh 15

Hình 2.7 Lực tác dụng lên bánh xe và góc lăn lệch 16

Hình 2.8 Quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc lăn lệch 17

Hình 2.9 Sự ảnh hưởng của độ chụm bánh xe 17

Hình 2.10 Góc doãng của bánh xe dẫn hướng 18

Hình 2.11 Tác dụng của trọng lực ô tô trên đường dốc 19

Hình 2.12 Khái niệm độ dốc của đường 19

Hình 2.13 Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc 21

Hình 2.14 Ổ bi và cấu tạo bên trong ổ bi côn 24

Hình 2.15 Vật liệu thép 25

Hình 2.16 Que hàn 26

Hình 2.17 Các loại bulông – đai ốc 27

Hình 2.18 Máy cắt cầm bằng tay 27

Hình 2.19 Máy cưa 28

Hình 2.20 Máy hàn 28

Hình 2.21 Bản vẽ chế tạo của khung dưới của ô tô điện 30

Hình 2.22 Bản vẽ khung dưới của ô tô điện 31

Hình 2.23 Bản vẽ chế tạo của khung gá đặt bánh sau 31

Hình 2.24 Bản vẽ khung gá đặt bánh sau 31

Hình 2.25 Bản vẽ chế tạo bát chữ U 32

Hình 2.26 Bản vẽ bát chữ U 32

Hình 2.27 Bản vẽ chế tạo khung bên ô tô 32

Hình 2.28 Bản vẽ khung bên ô tô 32

Hình 2.29 Bản vẽ chế tạo của cơ cấu giảm xóc trước 33

Hình 2.30 Bản vẽ cơ cấu giảm xóc trước 33

Hình 2.31 Bản vẽ cơ cấu giảm xóc sau 33

Hình 2.32 cơ cấu giảm xóc trước và sau bằng khi hoàn thành 34

Hình 2.33 hệ thống lái ô tô 35

Hình 2.34 khớp các đăng và khớp cầu 35

Hình 2.35 hệ thống phanh 36

Hình 2.36 Sức phản điện động dạng hình thang 37

Hình 2.37 Mặt cắt bằng của một BLDC 38

Hình 2.38 Stator động cơ BLDC 38

Hình 2.39 Rotor động cơ BLDC 39

Hình 2.40 Động cơ Brushless có cảm biến Hall 39

Hình 2.41 Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường 39

Hình 2.42 Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường 40

Hình 2.43 Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ 40

Hình 2.44 Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC 41

Hình 2.45 Trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC 41

Hình 2.46 Khối LCD hiển thị 42

Hình 2.47 bàn phím keypad 4x4 43

Hình 2.48 chân ga điều khiển 43

Hình 2.49 Cấu trúc bộ nhớ của AVR 45

Hình 2.50 Thanh ghi 8 bit 46

Hình 2.51 Register file 46

Hình 2.52 Cấu trúc bên trong của AVR 48

Hình 2.53 Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 48

Hình 2.54 Thanh ghi DDRA 49

Hình 2.55 Thanh ghi PORTA 49

Hình 2.56 Thanh ghi PINA 49

Hình 2.57 Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 50

Hình 2.58 Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 51

Hình 2.59 Thanh ghi TCCR0 51

Hình 2.60 Thanh ghi TCNT0 52

Hình 2.61 Thanh ghi 0CR0 52

Hình 2.62 Thanh ghi mặt nạ ngắt 53

Hình 2.63 Thanh ghi cờ ngắt 53

Hình 2.64 Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 54

Hình 2.65 Sơ đồ chân của ATMEGA 32 54

Hình 2.66 Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 55

Hình 2.67 Cấu tạo và hình dáng của DIODE bán dẫn .56

Hình 2.68 Điện trở 56

Hình 2.69 Biểu diễn điện trở 57

Hình 2.70 Tụ điện phân cực và không phân cực 58

Hình 2.71 Ký hiệu của Transistor 59

Hình 2.72 Transistor 59

Hình 2.73 Linh kiện OPTO 59

Hình 2.74 Linh kiện IRF9540 60

Hình 2.75 Linh kiện IR2101 60

Hình 2.76 Linh kiện IRF3205 61

Hình 2.77 Sơ đồ chân của RƠLE 61

Hình 2.78 RƠLE 8 chân 61

Hình 2.79 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 62

Hình 2.80 Sơ đồ mạch in khối nguồn 63

Hình 2.81 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển và các header kết nối 63

Hình 2.82 Sơ đồ khối kết nối cảm biến hall và biến trở 64

Hình 2.83 Sơ đồ nguyên lý bàn phím keypad 4X4 64

Hình 2.84 Sơ đồ nguyên lý khối LCD 65

Hình 2.85 Sơ đồ nguyên lý khối LED 66

Hình 2.86 Sơ đồ mạch in khối LED 66

Hình 2.87 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Brushless DC 67

Hình 2.88 Sơ đồ mạch in khối điều khiển động cơ 68

Hình 2.89 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công tắc vô lăng lái 69

Hình 2.90 Sơ đồ mạch in khối điều khiển công tắc 70

Hình 2.91 Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều động cơ 71

Hình 2.92 Sơ đồ mạch in khối đảo chiều động 71

Hình 2.93 Màn hình làm việc của ORCAD CAPTURE 72

Hình 2.94 Tạo một project mới 73

Hình 2.95 Định khổ giấy cho bản vẽ 74

Hình 2.96 Thêm thư viện 74

Hình 2.97 Lấy linh kiện ra cho bản vẽ 75

Hình 2.98 Linh kiện sau khi đã được lấy ra 75

Hình 2.99 Thay đổi tên linh kiện 76

Hình 2.100 Sơ đồ mạch in 77

Hình 2.101 Sau khi gỡ bỏ lớp giấy in 77

Hình 2.102 Mạch in sau khi rửa 78

Hình 2.103 Lưu đồ giải thuật khối ĐK trung tâm 79

Hình 2.104 Lưu đồ giải thuật khối điều khiển BLDC 80

Hình 3.1 Vẽ mạch in trên Layout 83

Hình 3.2 In mạch lên mạch đồng 84

Hình 3.3 Hàn linh kiện vào mạch 84

Hình 3.4 Lắp mạch lên khung 85

Hình 3.5 Kiểm tra mạch 85

Hình 3.6 Mạch đảo chiều động cơ 86

Hình 3.7 Mạch công suất điều khiển BLDC 86

Hình 3.8 Bộ điều khiển trung tâm 87

Hình 3.9 Tổng quát bộ điều khiển trung tâm 87

Hình 3.10a Bu lông ren mịn 88

Hình 3.10b Bu lông SUS 88

Hình 3.11a Vòng bi đỡ 88

Hình 3.11b Ổ bi côn 88

Hình 3.12 Ốc vít 89

Hình 3.13 Bát chữ U 89

Hình 3.14 Khớp các đăng 90

Hình 3.15 Hệ thống treo trước và bộ đánh lái 90

Hình 3.16 Hệ thống treo sau 91

Hình 3.17 Toàn bộ hệ thống 92

Hình 3.18 Kiểm tra ắc quy 93

Hình 3.19 Kiểm tra bộ điều khiển 94

Hình 3.20 Kiểm tra hệ thống điện 94

Hình 3.21 Kiểm tra phần cơ khí 95

Hình 3.22 Kiểm tra động cơ 95

Hình 3.23 Khi ô tô chạy tiến đường bằng 96

Hình 3.24 Ô tô chạy lùi 97

Hình 3.25 Ô tô đang lên dốc 97

Hình 3.26 Ô tô xuống hết dốc 98

Hình 3.27 Ô tô cua phải 98

Hình 3.28 Ô tô cua trái 99

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Cấu hình các chân của cổng 50

Bảng 2 Bảng chọn chế độ hoạt động của Timer 51

Bảng 3 Chế độ so sánh không PWM 52

Bảng 4 Cách đọc giá trị điện trở 57

Bảng 5 Bảng thông số tương quang giữa khối lượng và vận tốc 99

LỜI NÓI ĐẦU

Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ô tô nói chung đã từ lâu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là

ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ được nâng cao, các loại nhiên liệu khí sẽ được áp dụng rộng rãi trên ô tô, nhiên liệu khí hydro cho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành

Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trường Các yếu tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng của hệ thống vận chuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thay thế khác

để đạt cùng mức độ giảm khí thải độc hại

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ô tô điện là một việc vô cùng cấp thiết, để giảm mức độ ô nhiễm môi trường ngày càng lớn trên thế giới hiện nay

Đề tài ‘‘Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển mô hình ô tô điện’’ là một đề

tài nhằm mục đích khảo sát thiết kế ô tô chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện, đặt nền tảng cho việc thiết kế và sản xuất một kiểu ô tô mang nhãn hiệu Việt Nam phù hợp với điều kiện giao thông trong nước, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng năng lượng cao và mức độ phát ô nhiễm thấp,gần như bằng không, góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Đề tài này có ý nghĩa trong công cuộc đổi mới và sáng tạo để thiết kế hoàn chỉnh và chế tạo một ô tô sinh thái tại Việt Nam với mục tiêu hướng tới là:

- Nâng cao điều kiện sống của người dân

- Tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường trong giao thông vận tải

- Tạo ra mặt hàng công nghiệp đặc thù mang lợi thế cạnh tranh lớn

Tạo ra một nét mới để khẳng định nguồn nhân lực của con người Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Ô tô điện sử dụng động cơ điện cho lực kéo, acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện

Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh và hoạt động trơn tru Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa ô tô điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau.Tuy nhiên, một

số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện, chẳng hạn như

sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện,

và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn

1.2 CẤU HÌNH CỦA Ô TÔ ĐIỆN

Trước đây, các xe điện chủ yếu được chuyển đổi từ các ô tô thông thường bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu với một động cơ điện và pin trong khi giữ lại tất cả các thành phần khác, như trong hình 1.1 Nhược điểm như: khối lượng lớn, tính linh hoạt và hiệu suất thấp là những nguyên nhân làm cho xe điện khó

áp dụng rộng rãi Hiện nay, ô tô hiện đại được tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của thân và khung sườn được thiết kế riêng Điều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy nhất cho ô tô và làm cho các nguồn động lực đẩy bằng điện được sử dụng linh hoạt hơn

Hình 1.1 Ô tô điện cổ điển

Một ô tô điện cơ bản được minh họa trong hình 1.2 Nó bao gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và hệ thống phụ trợ

Hệ động lực điện bao gồm: Hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, truyền động cơ khí, và bánh chủ động

Hệ thống năng lượng bao gồm nguồn năng lượng bộ phận quản lý năng lượng,

và bộ phận tiếp năng lượng điện

Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ Dựa trên các yếu tố đầu vào điều khiển từ chân ga và bàn đạp phanh, hệ thống điều khiển xe cung cấp tín hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lượng điện có chức năng điều chỉnh dòng điện giữa điện động cơ và nguồn năng lượng Những nguồn năng lượng được tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp vào nguồn năng lượng chính Hầu hết pin EV dễ dàng có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng tái sinh này

Hình 1.2 Ô tô điện hiện đại

Chân

g

Phanh

Bộ phận quản lý năng lượng cùng với bộ phận điều khiển kiểm soát hoạt động phanh tái sinh và phục hồi năng lượng của nó Nó cũng kết hợp với các bộ phận tiếp năng lượng để kiểm soát quá trình này và giám sát việc sử dụng các nguồn năng lượng

Nguồn cung cấp năng lượng phụ có chức năng cung cấp năng lượng cần thiết với các điện áp khác nhau cho tấc cả các thành phận phụ của xe như: điều hòa không khí, trợ lực lái, hệ thống đèn chiếu sáng…

1.3 NHU CẦU SỬ DỤNG Ô TÔ ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH VÀ SỬ DỤNG TRONG CÁC SỞ Y TẾ

Xe điện là loại phương tiện giao thông đã có từ rất lâu của thế kỷ trước, và được

sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại phương tiện Đặc biệt ngày nay, xe điện không còn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện như thế kỷ trước nữa Ngày nay xe điện được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng động cơ điện để làm xe chuyển động Có thể liệt kê một số loại xe điện theo lĩnh vực

và theo cách sử dụng của chúng như sau:

1.3.1 Phương tiện cá nhân:

+ Xe ô tô điện : Xe điện sử dụng nguồn điện acqui, dùng năng lượng mặt trời Các loại xe này được ứng dụng trên cả ô tô cá nhân, ô tô tải, ô tô tải phục vụ công cộng

Hình 1.3 Ô tô điện của hãng Nissan

Hình 1.4 Ô tô điện sử dụng ở Chicago

+ Xe máy điện và xe đạp điện: Là loại phương tiện đang có xu hướng phát triển mạnh

Hình 1.5 Xe đạp điện của Trung Quốc sản xuất

1.3.2 Các phương tiện công cộng:

+ Tàu điện : Tàu điện được ứng dụng từ rất lâu là loại phương tiện dùng chở khách trong thành phố và khá phổ biến ở các nước trên thế giới cũng như nước ta

Hình 1.6 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris - Lyon

+ Mê trô : Là loại phương tiện vận chuyển hành khách trong thành phố cũng như đường dài, như các tuyến metro trong các thành phố lớn ở châu Âu, và tuyến Metro đường dài từ Paris đến London

Hình 1.7 Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp

1.3.3 Các phương tiện dùng chuyên biệt trong các lĩnh vực giải trí thể thao, các lĩnh vực công nghiệp, các loại xe chuyên dùng trong các ngành:

+ Xe điện dùng trong công viên: Là loại xe điện dùng chuyên chở hành khách trong công viên Các loại tàu điện cao tốc, cảm giác mạnh trong công viên

Hình 1.8 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt

+ Loại xe điện dùng trong thể thao: Phục vụ các mục đích khác nhau, như trong lĩnh vực Golf…

Hình 1.9 Xe điện sử dụng trong sân golf 1.3.4 Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vực chuyên dùng, vận chuyển, nâng chuyển hàng hóa, phục vụ cho người tàn tật

Xe điện sẽ được sử dụng trong các bệnh viện vận chuyển nhanh chóng bệnh nhân cũng như các y bác sĩ để kịp thời cứu chữa bệnh nhân, đây là một hướng mới của

đề tài Tuy nhiên để có thể áp dụng hợp lí có hiệu quả cần nghiên cứu thay đổi kết cấu,

bố trí lại các trang thiết bị để phù hợp với điều kiện sử dụng trong y tế

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG

NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU

- Xây dựng phương án và tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống cơ khí và điều khiển: Nhằm lựa chọn được kết cấu tốt nhất, một số phương án thiết kế sẽ được xây dựng Mỗi phương án sẽ được phân tích kỹ lưỡng, nêu cụ thể ưu nhược điểm của từng phương án để chọn phương án thích hợp Sau khi lựa chọn phương án thiết kế, nhóm tác giả sẽ tiến hành thiết kế kỹ thuật, công việc này bao gồm: lựa chọn loại trục vít – đai ốc, ổ lăn, thép, bulông – đai ốc, tính chọn động cơ, tính toán các thông số hình học, tính toán độ bền, lựa chọn phương pháp điều khiển xe ô tô điện … Sau khi tính toán xong, phiên bản đầu tiên ô tô điện sẽ được chế tạo để tiến hành thử nghiệm

- Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh ô tô điện: Việc thử nghiệm ô tô điện sẽ được tiến hành trên đường bằng để kiểm tra khả năng hoạt động ổn định của xe, độ cứng vững và đảm bảo độ chính xác cao,linh hoạt trong quá trình sữa chữa lắp ráp hư hỏng, mạch điều khiển phải hoạt động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí Quá trình này được tiến hành nhiều lần để phát hiện và sửa chữa các nhược điểm Sau khi thử nghiệm thành công trên đường bằng, ô tô sẽ được thử nghiệm trên đường gồ ghề, lên dốc Số liệu thực nghiệm sẽ được ghi chép cụ thể để làm cơ sở đánh giá kết quả nghiên cứu

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

xe ta sử dụng chân ga để tăng tốc độ Khi muốn rẽ trái, rẽ phải ta điều khiển trực tiếp

vô lăng lái Khi gặp vật cản hay khi xuống dốc dùng phanh để đảm bảo an toàn cho người sử dụng

người sử dụng Xe sử dụng vô lăng lái điều khiển góc rẽ của xe

– Chế tạo phức tạp, khó trong quá trình lắp ráp

– Hệ thống giảm xóc chưa tối ưu

– Chỗ ngồi người sử dụng hơi hẹp

Ưu điểm:

– Kết cấu vững chắc

– Mang tính thẩm mĩ

– Dễ dàng thiết kế chế tạo và lắp ráp

– Dễ dàng bẻ lái nhờ sử dụng cơ cấu bánh răng thanh răng

– Hệ thống giảm xóc cho xe tối ưu

– Có chỗ để đồ cho người sử dụng

Nhược điểm:

– Góc cua của xe chưa được sát

2.2.1.4 Kết luận

Theo ưu và nhược điểm của các phương án trên Phương án 3 là phương án được khắc phục từ nhược điểm của phương án 1 và 2 Phương án 3 là phương án được lựa chọn và thiết kế trong đồ án này của chúng em

2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ

2.3.1 Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt

Để phân tích chuyển động của một chiếc xe chạy thẳng trên đường ta hãy xét trường hợp một chiếc xe có khối lượng M, chạy thẳng nghiêng trên dốc một góc α ở tốc độ V và gia tốc a như hình dưới đây

Hình 2.5: Chuyển động thẳng của xe trên dốc

Trong đó :

M Là khối lượng xe tác dụng lên bánh

J Là mô men quán tính của xe

r Là bán kính bánh xe

N Là phản lực của mặt đường tác dụng lên điểm tiếp xúc bánh xe Fm Lực phát động bánh xe tác dụng lên mặt đường

Fd Lực ma sát do mặt đường tác dụng lên bánh xe

Ở trên ta xem xét sự cản lăn trong điều kiện hướng chuyển động của bánh xe vuông góc với trục quay của nó và trục quay của nó song song với mặt đường Trong phần này, ảnh hưởng của lực ngang và thay đổi kết cấu đến sự cản lăn được khảo sát

Lực ngang

Hình 2.7 Lực tác dụng lên bánh xe và góc lăn lệch

Hình 2.7 trình bày các lực tác dụng lênh bánh xe khi quay vòng Lực ly tâm tác dụng vuông góc với vector vận tốc tức thời của bánh xe, trong khi lực cản lăn nằm trong vết mặt phẳng quay của bánh xe, lực ngang vuông góc với mặt phẳng quay bánh xe

Lực cản trở chuyển động của bánh xe:

FR = FRroll cos FL sin = FRroll FL sin - FRroll (1 cos ) Trong trường hợp góc lăn lệch nhỏ, quan hệ giữa lực ngang và góc lăn lệch xác định bởi:

FL C

Khi đó, hệ số cản lăn do ảnh hưởng của lực ngang gây ra được xác định:

f Rslip C 2

Hình 2.8 Quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc lăn lệch

Hình 2.8 biểu thị quan hệ giữa hệ số cản lăn và góc lăn lệch Có thể thấy rằng,

sự cản lăn bánh xe khi góc lăn lệch khoảng 2o có độ lớn tương đương sự cản lăn khi bánh xe lăn trên đường thẳng

Sự bố trí bánh xe

Bánh xe dẫn hướng thường được bố trí với một góc doãng và góc chụm Điều này làm tăng sự cản lăn bởi vì nó có ảnh hưởng tương tự như khi bánh xe lăn với một góc lăn lệch

Hình 2.9 Sự ảnh hưởng của độ chụm bánh xe

Hình 2.10 Góc doãng của bánh xe dẫn hướng

vết của 2 mặt phẳng quay của hai bánh xe dẫn hướng trên mặt đường Góc này làm phát sinh góc lăn lệch tại mỗi bánh xe dù không có ngoại lực ngang tác dụng lên ô tô

và tạo nên một thành phần lực ngang ngược với hướng chuyển động Tương tự như góc lăn lệch, sự cản lăn một bánh xe được xác định:

Sự cản lăn tại một trục bánh xe, do góc chụm, bằng 2 lần đại lượng trên

Góc doãng, là góc tạo bởi mặt phẳng quay bánh xe và mặt phẳng thẳng đứng,

chiều dương ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ đầu xe Do tác dụng của góc doãng, hai mặt bên của bánh xe biến dạng không đều và biến dạng ở một bên tăng lên Do đó, lực cản lăn bánh xe tăng lên chút ít

2.3.2 các lực cản chuyển động của ô tô

2.3.2.1.Lực cản lên dốc

Tổng quát, trọng lực của ô tô có thể phân tích thành 2 thành phần: Vuông

góc và song song với mặt đường

FZ FZ sin FZ cos

G G sin G cos

Hình 2.11 Tác dụng của trọng lực ô tô trên đường dốc

Thành phần trọng lực G sin ,, khi ô tô chuyển động lên dốc, có tác dụng cản lại chuyển động của ô tô và ngược lại, là lực chủ động đối với ô tô khi ô tô xuống dốc Thành phần này được gọi là lực cản lên dốc,ký hiệu Fgr

Nếu góc dốc có giá trị dưới 50 thì tg sin (tính bằng radian), giá trị lực cản lên dốc có thể được tính gần đúng:

Fgr FZ sin FZ tan FZ p

Với: p = tg là độ dốc của đường

Hình 2.12 Khái niệm độ dốc của đường

2.3.2.2.Lực cản lăn

Lực cản lăn là tổng hợp của các yếu tố bao gồm cả nội lực và ngoài lực đối với

ô tô, như đã trình bày trong phần trước

+ Sự tiêu hao năng lượng do nội ma sát trong lốp

+ Do biến dạng và ma sát của lốp và đường,

Với:

Cw – Hệ số khí động của ô tô, phụ thuộc hình dạng, chất lượng bề mặt ô tô;

A – Diện tích cản chính diện của ô tô – là diện tích hình chiếu ô tô lên mặt phẳng Oyz;

– Mật độ không khí

V - Vận tốc tương đối của ô tô trong môi trường không khí;

Vv – Vận tốc ô tô so với mặt đường;

Vw – Vận tốc gió theo phương chuyển động

Do kích thước ô tô bị ràng buộc chặt chẽ, nên biện pháp cơ bản để giảm lực cản không khí là giảm hệ số khí động Cw Giá trị hệ số khí động nhỏ nhất có thể đạt được 0,15 - ứng với các vật mẫu, so với giá trị thực tế của các ô tô hiện nay ([0,26- 0,45] đối với các ô tô con và [0,6- 0,8] đối với các ô tô tải), chứng tỏ nhu cầu giảm hệ số khí động còn rất lớn

2.3.2.4 Lực quán tính

Lực quán tính xuất hiện khi ô tô chuyển động không đều, tăng tốc và giảm tốc

và bao gồm 2 thành phần: do chuyển động tịnh tiến không đều và chuyển động quay không đều Lực quán tính là lực cản chuyển động của xe khi nó chuyển động nhanh dần và là lực chủ động khi chuyển động chậm dần

2.3.3 Xác định công suất của động cơ điện và nguồn acquy

Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo FM dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường FL , lực cản lên dốc FD , lực cản gió FG và lực quán tính khi tăng tốc FQ

Hình 2.13 Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc

Phương trình cân bằng lực như sau:

FM = FL + FD + FG + FQ

• Lực cản lăn được tính:

FL = f.G Trong đó:

f là hệ số cản lăn Theo phạm vi hoạt động thường xuyên của xe là công viên,

hệ số cản lăn được tính cho đường đất cứng với f = 0,025 ÷ 0,035

Chọn f = 0,025;

G là tổng trọng lượng của xe, ở đây G = 1000.10 = 10000 (N);

Suy ra: FL = 10000.0,025 = 250 (N)

• Lực cản lên dốc được tính:

FD = G.sinα Trong đó:

α là góc dốc của mặt đường, chọn α = 180 (tương ứng với độ dốc 33%); Suy ra: FD = 10000.0,33 =3300 (N)

• Lực cản gió được tính:

FG = k.S.v2 ; Trong đó:

k là hệ số cản không khí Đối với xe con vỏ hở k = 0,4÷0, 5 (Ns2/m4); chọn k = 0,4 (Ns2/m4);

S là diện tích cản chính diện S = 0,8.B.H B: chiều rộng toàn bộ ô tô, B = 1,2 (m);

H: chiều cao toàn bộ của ô tô, H = 1,4 (m);

M là khối lượng toàn bộ, M = 1000 (kg);

a là gia tốc của xe Chọn gia tốc a = 1(m/s2);

đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính Như vậy, lực cần thiết của động cơ điện ở hai trường hợp này được tính lại là:

FMD = FL + FD = 250 + 3300 = 3550 (N)

FMG = FL + FG = 250 + 66,2 = 316,2(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 Ta chọn trường hợp xe vượt dốc để xác định momen yêu cầu tại bánh xe và chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ điện

Khi ô tô vượt dốc momen yêu cầu tại bánh xe được tính:

Suy ra:

PM = 3509/ 0,95= 3693 (W) Vậy ta chọn động cơ điện một chiều có công suất tại số vòng quay lớn nhất của

nó lớn hơn 3,69 kW Và momen yêu cầu phải đảm bảo khả năng vượt dốc lớn nhất của xe

Do sử dụng 2 động cơ điện cho xe nên ta chỉ cần động cơ có công suất 1,8(kw)

2.3.3.2 Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy:

Loại ắc quy được chọn để lắp đặt cho xe là ắc quy axít chì vì nó thông dụng và giá thành tương đối thấp

Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào số giờ mà xe chạy hết bình và tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động điện so với tổng khối lượng xe theo tỷ lệ tối ưu là không quá 30%

Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình có hiệu điện thế 12(V) và dung lượng 25- >50(AH).Để điều khiển động cơ ta cần dùng 4 bình hiệu điện thế 12(V) để đạt mức điện áp 48 (V) theo yêu cầu Dung lượng acquy bằng tích giữa dòng điện phóng và thời gian phóng điện : AH = IM t Theo đặc tuyến của acquy thì dòng phóng định mức bằng dung lượng của acquy và dòng phóng cho phép

có thể đạt gấp 3 lần dòng định mức

Sau khi chọn được loại ắc quy, chúng ta cần kiểm tra lại tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động so với tổng khối lượng của xe Nếu vượt quá tiêu chuẩn thì hoặc là giảm bớt dung lượng của ắc quy (giảm số giờ chạy hết bình) hoặc là chọn loại ắc quy khác có tỷ trọng khối lượng trên dung lượng nhỏ hơn

Giới thiệu ổ bi côn

Đặc điểm của loại ổ bi này là sử dụng con lăn côn lăn quanh các mặt dẫn côn trên vòng trong và vòng ngoài Những ổ này có khả năng chịu tải hướng kính và hướng trục (trên một hướng) rất cao NSK sản xuất vòng bi côn đặc biệt, có ký hiệu bắt ñầu bằng HR, có các con lăn côn, có kích cỡ và số lượng cao hơn, do đó có khả năng chịu được tải trọng cao hơn các vòng bi tiêu chuẩn

Hình 2.14 Ổ bi và cấu tạo bên trong ổ bi côn

- Ký hiệu đuôi: A Thiết kế bên trong có thay đổi A…N11CA khe hở dọc trục

A theo µ m, 2 vòng bi côn lắp theo kiểu X với miếng đệm giữa 2 vòng B góc tiếp xúc tăng lên X kích thước bên ngoài thích ứng với tiêu chuẩn quốc tế

Theo hàm lượng các bon chia ra:

- Thép các bon thấp: Hàm lượng các bon ≤ 0,25%

- Thép các bon trung bình: Hàm lượng các bon 0,25 - 0,6%

- Thép các bon cao: Hàm lượng các bon 0,6 - 2%

Khi tăng hàm lượng các bon, tính chất của thép cũng thay đổi: Độ dẻo giảm,

để tăng cường các tính chất kỹ thuạt của thép có thể cho thêm những nguyên tố kim loại khác như : Mangan, crôm, niken, nhôm, đồng

Theo tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào chia ra :

- Thép hợp kim thấp: Tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại khác ≤ 2,5%

- Thép hợp kim vừa: Tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại khác 2,5- 10%

- Thép hợp kim cao: Tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại khác > 10%

Ô tô điện là một thiết bị phục vụ người sử dụng nên yêu cầu đặt ra là phải an toàn, cần vật liệu đủ bền để sử dụng làm khung xe Do xe chịu tải trọng lớn nên ta chọn loại thép dày độ cứng vững đảm bảo kỹ thuật, giá thành rẻ phù hợp với người

sử dụng

Que hàn:

Que hàn nóng chảy là loại điện cực

mà lõi làm bằng kim loại (thép, gang,

dồng, nhôm, ) bên ngoài có một lớp thuốc

bọc Khi hàn que hàn sẽ bổ sung kim loại

và tăng cường một số tính chất đặc biệt cho

mối hàn Que hàn nóng chảy có nhiều loại

như que hàn thép các bon, que hàn thép

inốc, que hàn thép hợp kim, que hàn đồng,

que hàn nhôm

Yêu cầu:

Đảm bảo cơ tính của mối hàn, đảm bảo thành phần hoá học cần thiết của mối hàn Có tính công nghệ tốt để gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định, nóng chảy đều, có khả năng hàn ở tất cả các vị trí trong không gian, mối hàn không có rỗ, không nứt, xỷ nổi đều và dễ bong ra, không bắn toé nhiều Hệ số đắp cao Không sinh khí độc hại ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân Dễ dàng chế tạo & giá thành rẻ

Hình 2.16 Que hàn

Bulông – Đai ốc:

Hình 2.17 Các loại bulông – đai ốc

Ưu điểm:

– Dễ tháo lắp, không làm hỏng các chi tiết lắp ghép

– Thuận tiện cho quá trình thay thế, sửa chữa nhanh chóng, ít tốn thời gian – Có thể lắp ghép được nhiều chi tiết với nhau

+ Máy có phần lưỡi cắt tháo lắp được dễ dàng

+ vị trí đặt tay cầm gần với nút khởi động của máy

- Công dụng :

+ Cắt vật liệu như nhôm, phíp, mika, săt…

+ Linh hoạt trong việc cưa, cắt

+ Mặt khác có thể dùng để mài nhẵn các chi tiết

Hình 2.18 Máy cắt cầm bằng tay

+ Thực hiện cưa: Vừa kéo tay cầm, vừa nhấn nút (cần nhấn nút linh hoạt ñiều chỉnh tốc độ quay của lưỡi cưa một cách hợp lý)

- Công dụng: Cưa nhôm, nhựa khối, gỗ

Máy hàn:

Hàn kim loại đóng một vai trò

rất quan trọng trong quá trình gia

công, chế tạo và sửa chữa phục hồi

các chi tiết máy Hàn không chỉ ñể

dùng để nối ghép các kim loại lại

với nhau mà còn ứng dụng để nối các

phi kim loại hoặc hỗn hợp kim loại

với phi kim loại Hàn có mặt trong

các ngành công nghiệp, trong ngành y tế hay trong các ngành phục hồi sửa chữa các sản phẩm nghệ thuật

Hình 2.20 Máy hàn