Đồ án nhập môn kỹ thuật Đèn trọng lực.

Bản thuyết minh đồ án nhập môn kỹ thuật (môn học năm thứ nhất). Đề tài đèn trọng lực, sử dụng thế năng dự trữ để thắp sáng đèn, ứng dụng cho các khu vực vùng sâu vùng xa. Đính kèm với sơ đồ Gantt phân chia công việc, nhật ký và tài liệu tham khảo

BẢN THUYẾT MINH ĐỒ ÁN “NHẬP MÔN KĨ THUẬT”

ĐÈN TRỌNG LỰC GRAVITY LIGHT

GVHD: Thầy Phạm Ngọc Tuấn

Nhóm 8

Lớp: L04

Phạm Đăng Duy Vũ 1614174

Bùi Đức Thắng 1613249

Phan Duy Khương 1611675

Phan Nguyễn Nhật Huy 1611317

NĂM HỌC 2016-2017

Lời nói đầu Tr1

1 Giới thiệu nhóm Tr2

2 Giới thiệu sản phẩm và nhu cầu Tr4

2.1 Đèn trọng lực – Gravity light Tr4 2.2 Nhu cầu sử dụng Tr4

3 Các chức năng của sản phẩm Tr5

3.1 Chức năng chính Tr5 3.2 Các yêu cầu về thiết kế Tr5

4 Các thông số thiết kế Tr6

4.1 Phần cơ Tr6 4.1.1 Hệ thống treo vật nặng và cơ cấu xoay một chiều Tr6

Bánh đai treo vật nặng Tr6 Bánh đai kéo trả vật nặng Tr7

Cơ cấu xoay một chiều Tr8 Dây treo vật nặng Tr10 Vật nặng Tr10 4.1.2 Hệ thống hộp số bánh răng tăng tốc Tr12

Bánh răng lớn D16PA25 Tr11 Bánh răng lớn D16PA15 Tr12 Bánh răng nhỏ D05PA25 Tr13 Bánh răng nhỏ D05PA15 Tr14 Bạc đạn SM 608 Tr15 4.1.3 Trục và khung sườn Tr16

Trục Tr16 Khung sườn Tr16

Hệ thống treo Tr16 4.2 Phần điện Tr17 4.2.1 Dynamo Tr17 4.2.2 Mạch tăng áp Tr17 4.2.3 LED Tr18

5 Phân tích Tr18

5.1 Phần cơ Tr18 5.1.1 Hệ thống treo vật nặng Tr18

5.1.3 Hệ thống hộp số bánh răng tăng tốc Tr21 5.1.4 Trục và khung sườn Tr22 5.2 Phần điện Tr23 5.2.1 Dynamo Tr23 5.2.2 Mạch tăng áp Tr23 5.2.3 LED Tr24

6 Tính toán và thiết kế Tr24

7 Các bản vẽ và thông tin liên quan Tr27

8 Các bài học thất bại và thành công Tr32

9. Kết luận và đề nghị Các cảm nghĩ khi làm đồ án Tr33

10 Tài liệu tham khảo Tr34

11 Phụ lục Tr35

Lời nói đầuNăm đầu tiên ở trường đại học luôn là một năm đầy thú vị và thách thức cho sinh viên Đồ án cho môn “Nhập môn kĩ thuật” vừa là một thử thách, vừa là một cơ hội để các tân sinh viên Bách Khoa bước đầu thể hiện được khả năng của mình

Nhóm 8 chúng em quyết định chọn đề tài cho đồ án là “Đèn trọng lực – Gravity Light” với mục đích muốn cho mọi người thấy một khía cạnh khác của năng lượng sạch – khả năng ứng dụng cho các vùng kém phát triển Đồng thời thông qua đồ án này, chúng em muốn thể hiện hết mình khả năng sáng tạo cũng như kĩ năng giải quyết vấn đề của mình Hi vọng rằng sản phẩm sẽ góp phần làm cho “Ngày hội kĩ thuật” của trường Đại học Bách Khoa càng thêm phong phú và thú vị hơn.

Qua quá trình thực hiện đồ án, nhóm đã rút ra được nhiều bài học quý giá

từ những thất bại và thành công, làm hành trang trên con đường trở thành những

Nhóm 8, Lớp L04 – “Nhập môn kĩ thuật” K16

1 Giới thiệu nhóm

Thành viên nhóm 8 – Nhập môn kĩ thuật – L04

Giáo viên hướng dẫn: Phó Giáo sư Tiến sĩ Phạm Ngọc Tuấn

TT Họ và tên MSSV ĐT Email Nội dung được phân công thực hiện Điểm

1

Phạm Đăng Duy Vũ

1614174 0969713340 161417

4@hcm ut.edu.

Bùi Đức ThắngMSSV: 1613249Lớp: CK16CK04

Phạm Đăng Duy Vũ

MSSV: 1614174

Lớp: CK16CK03

- Cung cấp dụng cụ và không gian làm việc

- Gia công hộp số 2

Bùi Đức Thắng

1613249 01668809286 161324

9@hcm ut.edu.

Phan Nguyễn Nhật

Huy

1611317 01654435999 161131

7@hcm ut.edu.

Bảng 1.1 Phân công công việc từng thành viên trong nhóm

2 Giới thiệu sản phẩm và nhu cầu

2.1 Đèn trọng lực – Gravity Light

Đèn trọng lực – Gravity light – Là thiết bị chuyển đổi thế năng của một vật nặng thành điện năng ứng dụng trong việc thắp sáng Vật nặng được kéo lên cao bằng sức người, trong quá trình rơi xuống, thông qua một hệ thống hộp số, vật nặng sẽ làm quay nam châm trong máy phát điện sinh dòng điện cung cấp cho đèn LED để thắp sáng trong nhà.

2.2 Nhu cầu

Hiện nay nhu cầu về một nguồn năng lượng xanh, sạch và rẻ đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Hàng loạt các phát minh ra đời như pin năng lượng mặt trời,

phong điện, điện từ thủy triều,… để đáp ứng cho nhu cầu ấy

Tuy nhiên, các nguồn năng lượng thay thế này vẫn khó có thể phổ biến được do giáthành tương đối cao, đặc biệt là với các nước kém phát triển, những vùng sâu vùng

xa, điều kiện khó khăn không thể tiếp cận được với những công nghệ này Thiếu hụt về điện khiến dân cư của những vùng này phải sử dụng những chiếc đèn dầu, hiệu suất chiếu sáng không cao, ô nhiễm cũng như nguy hiểm, dễ xảy ra cháy nổGravity light ra đời cũng chính để khắc phục vấn đề này Chỉ với một lần sạc đơn giản bằng cách kéo dây, người dùng sẽ có được từ 10 – 12 phút thắp sáng Không ônhiễm, không tốn kém nhiên liệu, an toàn và dễ dàng sử dụng, thiết kế đơn giản vớigiá thành thấp Một thiết bị chiếu sáng phù hợp với những vùng sâu vùng xa, kém phát triển

3 Các chức năng của sản phẩm

3.1 Chức năng chính

Chức năng chính của Gravity Light là thắp sáng trong nhà, phục vụ cho việc học tập và sinh hoạt vào ban đêm Với mỗi lần sạc, đèn sẽ sáng được trong khoảng từ

10 – 12 phút, không cần bất kì nguồn nhiên liệu nào cũng như không thải ra bất kì loại khí thải nào Sản phẩm chủ yếu hướng đền đối tượng ở các vùng sâu vùng xa, không tiếp cận được với điện lưới quốc gia

3.2 Các yêu cầu về thiết kế

- Với mỗi lần nâng vật nặng 12-15kg lên cao 1m8 – 2m, đèn phải sáng được trong

ít nhất là 10 – 12 phút

- Cường độ sáng đủ để chiếu sáng trong nhà, phục vụ cho sinh hoạt hằng ngày

- Sản phẩm hoạt động êm, không gây nhiều tiếng ồn

- Cấu trúc đơn giản, dễ sản xuất

- Hoạt động ổn định, đèn sáng liên tục không chập chờn

4 Các thông số thiết kế

4.1 Phần cơ

4.1.1 Hệ thống treo vật nặng và cơ cấu xoay một chiều

Hình 4.7 Thanh đỡ xoay một chiều

Hình 4.8 Bản vẽ thanh đỡ xoay một chiều

4.1.1.4 Dây treo vật nặng và dây kéo trả vật nặng

Chất liệu: Cước câu cá PE

Tải trọng: 48 kg/ 106 Lb

Đường kính: 0.45 mm

Gồm 6 sợi dây cước nhỏ bện lại với nhau

Chiều dài: 250 cm (dây treo vật nặng)

4.2 Phần điện

4.2.1 Dynamo

Sử dụng motor RS555 để làm dynamo

Khoảng điện áp hoạt động: 6 - 24V DC

Dòng không tải: 0.6A

Điện áo dầu vào: 0.9 – 5V

Điện áp đầu ra: 5 V

Dòng điện hoạt động: 600mA

Từ đó , ta thiết lập được bảng liên hệ:

Bảng 5.1 Liên hệ giữa đường kính bánh đai và tốc độ quay

Với động cơ điện một chiều dùng trong sản phẩm, để tạo ra dòng từ 0.9 – 1.1 V, ta cần xoay trục động cơ với tốc độ từ 200 – 300 RPM

Hình 4.23 LED

Chọn đường kính bánh đai là 4 cm, với tốc độ quay cần đạt là 1.19 RPM

Suy ra được tỉ số truyền của hộp số cần dùng là:

TST = 1.19300 ≈ 2521

Do lực cần để giữ vật nặng liên hệ với góc quấn dây qua công thức:

F=f × e μφ

Trong đó:

F: Lực cần để giữ vật nặng không bị tuột trên trục (N)

f: Lực căng dây treo vật (N)

μ: Hệ số ma sát giữa dây với trục

d: Đường kính bánh đai treo vật

D: Đường kính bánh đai kéo trả vật

Tuy nhiên, trên thực tế sẽ có lực ma sát và bánh đai cũng có momen quán tính riêngnên lực để kéo vật đi lên sẽ lớn hơn trong công thức trên

5.1.2 Cơ cấu xoay một chiều

Sử dụng 3 chốt quay một chiều gắn trên bánh răng của hộp số Khi bánh đai quay theo chiều thuận, các chốt sẽ được đẩy lên phía trên và khi đó chỉ có bánh đai quay,còn cả hệ thống hộp số không chuyển động ⇒ Vật được kéo đi lên nhẹ nhàng

Khi thả vật, bánh đai quay theo chiều nghịch, các chốt bị đẩy sẽ kéo cả hệ thống hoạt động theo Các chốt quay được kéo lệch về phía tâm hệ thống bằng dây cao su đàn hồi.

Hình 5.1 Cơ cấu xoay một chiều xoay theo chiều nghịch

Hình 5.2 Cơ cấu xoay một chiều xoay theo chiều thuận

Hình 5.3 Thiết lập hộp số trên Geargenerator.com

Với 2 cặp bánh răng đầu tiên (Bánh #1, #2, #3 và #4) có góc áp lực là 25 độ để tăngkhả năng chịu lực cho bánh răng Các bánh răng còn lại sử dụng góc áp lực 15 độ

để giảm tiếng ồn và tối ưu tốc độ quay của trục động cơ

5.1.4 Trục và khung sườn

Hệ thống hộp số gồm 2 trục, cái bánh răng được đặt chồng lên nhau để thu gọn kíchthước sản phẩm Trục bánh răng sử dụng chất liệu inox 201, để giảm giá thành so với inox 304 mà vẫn đảm bảo được độ cứng của trục

Khung của sản phẩm sử dụng chất liệu gỗ, do những đặc tính dễ gia công cũng như

độ cứng chắc cao, chịu lực tốt

5.2 Phần điện:

5.2.1 Dynamo:

Bánh răng nhỏ cuối cùng được nối với động cơ thông qua trục nối động cơ và quay cuộn dây trong dynamo Bên trong dynamo, xung quanh các cuộn dây có các nam châm nên khi cuộn dây quay trong từ trường sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng Dòng điện từ 2 dynamo sẽ qua mạch tăng áp để có điện áp 5V cung cấp cho 3 đèn LED

Hình 5.4 Nguyên lý hoạt động của dynamo

5.2.2 Mạch tăng áp:

Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lí hoạt động mạch tăng áp

Công tắc là một bán dẫn có khả năng đóng ngắt cực kì nhanh Khi công tắc đóng dòng điện chạy qua cuộn cảm làm cho cuộn cảm có điện áp bằng với nguồn và trong cuộn cảm tích trự năng lượng từ trường Khi công tắc mở thì năng lượng cuộn cảm chuyển hóa thành dòng điện và vì cuộn càm có điện áp bằng với nguồn nên ở hai đầu tải sẽ gấp đôi điện áp nguồn Diode dùng để chặn dòng ngược Tải ở đây là LED nên tụ điện giúp cho LED sáng ổn định không nhấp nháy.

5.2.3 LED:

Vì dùng cho mục đích chiếu sáng trong nhà nên phải chọn loại LED có chỉ số hoàn màu CRI > 70 để đảm bảo không gây hại cho mắt người Công suất đèn ở mức phù hợp để có thể chiếu sáng trong thời gian dài nhất trong mỗi lần sạc Cường độ sáng phải đủ lớn để phục vụ cho nhiều mục đích chiếu sáng như: học bài, đọc sách, thắp sáng phòng để sinh hoạt vào buổi tối

LED được thiết kế có thể điều chỉnh hướng chiếu sáng sang 2 bên để người dùng tùy chỉnh hưởng chiếu cho phù hợp với mục đích của mình

6 Tính toán và thiết kế

Các bánh răng và bánh đai được thiết kế như trong mục 4.1

Nhập các thông số cần thiết trên Geargenerator.com, sau đó download bản vẽ với file định dạng SVG

Hình 6.1 Thiết lập thông số bánh răng trên Geargenerator.com

Chỉnh sửa kích thước của các bản vẽ cho phù hợp rồi tạo template bản in trên Adobe Illustrator để tiến hành cắt laser.

Hình 6.2 Tạo template cắt laser bánh răng trên Adobe Illustrator

Cưa láp inox 201 8mm thành các 2 đoạn 16cm để làm trục cho hệ thống hộp số.Tiến hành chà nhám, dán các bánh răng bằng hỗn hợp keo AB Để khô qua đêmDũa các lỗ trục và các răng của bánh răng để loại bỏ keo thừa

Khoan các lỗ 2mm để lắp các thanh thép trợ lực giúp liên kết giữa bánh răng nhỏ

và bánh răng lớn được chắc chắn

Lắp bạc đạn và bánh răng và lắp các bánh răng vào trục theo sơ đồ

Hình 6.3 Sơ đồ lắp ghép hệ thống bánh răng

Giữa các bánh răng được lắp thêm bạc đạn và long đền để cố định vị trí các bánh răng, giúp hệ thống quay ổn định hơn.

Sử dụng 6 sợi cước câu cá PE bện lại thành 2 dây với chiều dài 250cm và 500cm Serving 2 đầu dây để dây không bị tuột, tạo thòng lọng để móc vật nặng vào dây.Quấn dây quanh các bánh đai từ 10 – 20 vòng để đảm bảo dây không bị tuột, cố định một đầu dây vào bánh đai bằng keo 401

Hai tụ điện 100µF ở hai đầu dynamo được hàn cố định vào dynamo

Mạch tăng áp được dán cứng vào phần khung gỗ phía sau sản phẩm

Gắn các LED vào hệ thống xoay rồi nối về mặt trước sản phẩm, cố định vào khung

để chiếu sáng xuống dưới

7 Các bản vẽ và thông tin liên quan

Hình 7.1 Bản vẽ trục xoay một chiều

Hình 7.2 Bản vẽ bánh đai treo vật nặng

Hình 7.3 Bản vẽ thanh đỡ xoay một chiều

Hình 7.4 Bản vẽ bánh đai kéo trả vật nặng

Hình 7.5 Bản vẽ bánh răng nhỏ D05PA25

Hình 7.6 Bản vẽ bánh răng lớn D16PA25

Hình 7.7 Bản vẽ bánh răng nhỏ D05PA15

Hình 7.8 Bản vẽ bánh răng lớn D16PA15

ABS PMMA

Bảng 7.1 So sánh các thông số cơ học giữa ABS và PMMA

Hình 7.9 Các thông số hình học của bánh răng

8 Các bài học thất bại và thành công

Gia công thủ công thất bại các bánh răng do kích thước quá nhỏ và hình dáng phức tạp Nhận ra sự cần thiết của công nghệ cắt laser

Hình 8.1 Bánh răng gia công thủ công thất bại

Khả năng gia công còn kém, chưa lường trước được các yếu tố phát sinh như

momen quán tính của hệ thống quá lớn, chất liệu PMMA có tính giòn, cũng như độlệch trục khi gắn nối các bánh răng khiến các bánh răng bị nghiêng cọ sát vào nhau dẫn đến kẹt hệ thống Khắc phục bằng cách tăng độ dày bánh răng nhỏ từ 10 lên 20

mm cũng như gắn lông đền cố định các bánh răng trên trục

Mối keo dán giữa bánh răng nhỏ và bánh răng lớn bị bung, tróc keo (keo AB) do chưa chà nhám trước khi dán Khắc phục bằng cách chà nhám bề mặt bánh răng cũng như luồn thêm vào các trục thép 2mm để nối các bánh răng lại với nhau

Hình 8.2 Keo AB bị bung

Chưa lường trước được số lượng bạc đạn cần dùng dẫn đến thiếu hụt bạc đạn

Chọn vật liệu PMMA giá thành tương đối cao

Không lường trước được khối lượng của bánh răng quá lớn, dẫn đến phải tăng khối lượng vật nặng lên rất nhiều lần thì hệ thống mới có thể hoạt động Khắc phục bằngcách bỏ 1 cặp bánh răng

Điện áp ra của một dynamo nhỏ Khắc phục bằng cách dùng thêm 1 dynamo với đường kính bánh răng nối với trục nhỏ hơn để đẩy điện áp đầu ra lên 1V

Đèn bị nhấp nháy liên tục Khắc phục bằng cách thêm 1 tụ điện 4700µF vào sau mạch boost

9 Kết luận và đề nghị Các cảm nghĩ khi làm đồ án

Kết luận: Đèn sáng được trong khoảng 5 phút, với vật nặng 15 kg treo ở độ cao 2m.Thiết kế còn cồng kềnh, cần được hoàn thiện thêm Về mặt thẩm mỹ sản phẩm chưa hoàn thiện, vẫn còn thô và xấu Hiệu suất đèn chưa cao, hệ thống hoạt động gây tiếng ồn lớn do gia công chưa thực sự chính xác Thời gian chiếu sáng quá ngắn

Quá trình gia công sản phẩm gặp nhiều khó khăn do thiếu thốn về kiến thức, kĩ năng và đặc biệt là dụng cụ

Trải qua rất nhiều thất bại, nhận ra được để giải quyết các vấn đề kĩ thuật cần phải rèn luyện nhiều cả về lý thuyết lẫn thực hành, thiếu một trong hai sẽ dẫn đến nhữngsai lầm và thất bại nghiêm trọng

Về mặt ý tưởng, sản phẩm có thể có những cải tiến và đột phá Hiện tại nhóm vẫn chưa thể thực hiện những cải tiến này do hạn chế về dụng cụ, kĩ thuật, trình độ và tài chính Nếu có thể sản xuất với các loại máy móc công nghiệp hiện đại để gia công được các chi tiết kích thước nhỏ với độ chính xác cao và độ bền lớn, thêm vào

hệ thống sạc tích lũy bằng lò xo,… Gravity Light có thể trở nên nhỏ hơn, hiệu quảhơn gấp nhiều lần, cũng như rẻ hơn để dễ dàng đưa vào thực tiễn cuộc sống

10 Tài liệu tham khảo

[1] “GravityLight: lighting for developing countries.”:

countries#/

https://www.indiegogo.com/projects/gravitylight-lighting-for-developing-[2] “Gravity Light Foundation”;http://gravitylight.org/

[3] “DIY Gravity Light”:https://www.youtube.com/watch?

http://banhrang2016.blogspot.com/2016/04/thong-so-hinh-hoc-cua-banh-[7] “Pressure angle”: https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_angle

[8] “Gear train”: https://en.wikipedia.org/wiki/Gear_train

[9] “How to make gears”: https://www.youtube.com/watch?

v=oNuhr3htNWs

[10] “Casptan Equation”: https://en.wikipedia.org/wiki/Capstan_equation [11] “Compare ABS to PMMA”:

http://www.makeitfrom.com/compare/Acrylonitrile-Butadiene-Styrene-ABS/Polymethylmethacrylate-PMMA-Acrylic

[12] “Stainless steel”: https://en.wikipedia.org/wiki/Stainless_steel

[13] “Boost converter”: https://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter

[14]“Capacitor“:

https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor#Noise_suppression.2C_spikes.2C_and_snubbers

[15]”Kiến thức cơ bản về đèn LED chiếu sáng”:

chieu-sang.html

http://www.ledcuatui.com/kien-thuc-led/243-kien-thuc-co-ban-ve-den-led-[16] “GEAR GENERATOR”: http://geargenerator.com/

[17] “Circuit Lab”: https://www.circuitlab.com

[18] “Gantt Chart”: https://en.wikipedia.org/wiki/Gantt_chart

11.Phụ lục

Hình 11.1 Sơ đồ Gantt của đồ án