Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình xe ô tô thân vỏ bằng vật liệu Composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện phục vụ du lịch (phần chế tạo)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG



LÊ VĂN THOẠI



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE
Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE,
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH (PHẦN CHẾ TẠO)



LUẬN VĂN THẠC SĨ







Khánh Hòa - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ VĂN THOẠI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE
Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE,
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH (PHẦN CHẾ TẠO)

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 60520116

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC


TS. LÊ BÁ KHANG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


PGS.TS. PHẠM HÙNG THẮNG
KHOA SAU ĐẠI HỌC

Khánh Hòa - 2014
i

LỜI CAM ĐOAN

Đối với công trình nghiên cứu “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình xe ô tô
thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện
phục vụ du lịch (phần chế tạo)” này, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu

của riêng tôi. Các nội dung triển khai, số liệu đo đạc nêu trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào.


Tác giả





Lê Văn Thoại

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi trân trọng kính gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha
Trang; Ban Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông; Xưởng Cơ khí -
Trường Đại học Nha Trang sự kính trọng và lòng tri ân vì đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ tôi
trong hơn 2 năm học tập và nghiên cứu tại trường vừa qua.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được gửi đến thầy TS. Lê Bá Khang đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành các nội dung của luận văn.
Và sau hết, tôi xin được ghi nhớ tình cảm, sự hỗ trợ giúp đỡ của Lãnh đạo
Phòng Quản lý Khoa học, Lãnh đạo Sở Khoa học và Công nghệ Khánh Hòa - Tổ chức
nơi tôi đang công tác, cùng KS. Phạm Tạo - Giáo viên Bộ môn Kỹ thuật ô tô và Quý
Thầy/Cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Giao thông, Khoa Sau Đại học - Trường Đại học
Nha Trang, gia đình và bạn bè thân thiết đã luôn luôn đồng hành, tạo điều kiện thuận
lợi để tôi hoàn thành quá trình học tập tại ngôi trường này.
Xin trân trọng cảm ơn./.
iii

MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH x
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 4
1.1. Tổng quan về xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng 4
1.1.1. Xu hướng phát triển ngành công nghiệp ô tô 4
1.1.2. Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời (NLMT) 8
1.1.2.1. NLMT sử dụng cho ô tô 8
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển 9
1.2. Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô 13
1.2.1. Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay 13
1.2.2. Ứng dụng vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, vận hành ô tô 14
1.2.2.1. Các nghiên cứu sử dụng vật liệu mới trong sản xuất ô tô 15
1.2.2.2 Vật liệu composite trong chế tạo khung vỏ ô tô 15
1.3. Những yêu cầu cấp thiết về môi trường trong việc hướng đến sử dụng ô tô
với nguồn năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời 18
1.3.1. Ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ ô tô gây ra 18
1.3.1.1. NO
x
(Oxide nitơ) 18
1.3.1.2. Monoxide Cacbon (CO) 19

1.3.1.3. Hydrocacbon chưa cháy (HC) 19
1.3.1.4. Bồ hóng - muội than, chì, lưu huỳnh 19
1.3.2. Tác hại của các chất gây ô nhiễm từ khí thải động cơ đốt trong 19
1.3.2.1. Đối với con người 19
1.3.2.2. Đối với môi trường 21
iv

1.4. Kết luận 22
CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN, CHẾ TẠO 24
2.1. Tổng quan về ô tô 24
2.1.1. Giới thiệu chung 24
2.1.2. Các lực và moment tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động 25
2.1.2.1. Trọng lượng 26
2.1.2.2. Phản lực của mặt đường 27
2.1.2.3. Lực cản dốc 28
2.1.2.4. Lực cản lăn 28
2.1.2.5. Lực cản khí động học 28
2.1.2.6. Lực quán tính 29
2.1.2.7. Lực kéo 29
2.2. Năng lượng điện, năng lượng mặt trời sử dụng cho ô tô 30
2.2.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện 30
2.2.2. Ô tô sử dụng pin nhiên liệu 31
2.2.3. Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời 32
2.2.3.1. Nguồn năng lượng mặt trời 32
2.2.3.2. Sự phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam 33
2.2.3.3. Pin mặt trời 37
2.3. Vật liệu composite sử dụng chế tạo thân vỏ ô tô 40
2.3.1. Định nghĩa và phân loại 40
2.3.2. Cấu trúc vật liệu composite 42
2.3.4.1. Vật liệu nền (resin) 44

2.3.4.2. Vật liệu cốt (vật liệu gia cường) 45
2.3.4.3. Chất xúc tác 48
2.3.4.4. Các chất phụ khác 48
2.3.3. Công nghệ chế tạo composite 49
2.4. Các phương pháp gia công cơ khí 54
2.4.1. Thiết bị, quy trình gia công hàn 55
2.4.1.1. Giới thiệu chung 55
2.4.1.2. Hàn hồ quang tay 55
2.4.1.3. Quy trình gia công hàn 57
v

2.4.2. Thiết bị, quy trình gia công tiện 59
2.4.3. Thiết bị, quy trình gia công khoan 62
2.4.4. Quy trình gia công cắt - mài 64
2.4.5. Quy trình gia công mài 66
CHƯƠNG 3 - THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU
COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 68
3.1. Tổng quan về thực nghiệm chế tạo 68
3.1.1. Thông số kỹ thuật của xe mô hình 68
3.1.2. Đặc điểm các hệ thống trên xe 70
3.1.2.1. Hệ chassis 70
3.1.2.2. Cụm động cơ - hệ thống truyền lực 71
3.1.2.3. Cụm hệ thống treo 71
3.1.2.4. Cụm bánh xe - cầu xe 72
3.1.2.5. Hệ thống phanh 72
3.1.2.6. Cụm hệ thống lái 72
3.1.2.7. Cụm hệ thống điện 73
3.2. Chế tạo các chi tiết chính trên xe mô hình 74
3.2.1. Chế tạo khung xe 74
3.2.1.1. Chuẩn bị vật liệu 74

3.2.1.2. Chế tạo khung xe 75
3.2.2. Chế tạo bộ phận giảm tốc động cơ điện 76
3.2.2.1. Phương án truyền động 76
3.2.2.2. Chuẩn bị vật liệu 77
3.2.2.3. Tiến hành chế tạo 78
3.2.3. Chế tạo hệ thống điều khiển động cơ 78
3.2.3.1. Thiết kế mạch trên máy tính 78
3.2.3.2. Chế tạo bản mạch 79
3.2.4. Chế tạo thân vỏ xe mô hình 80
3.2.4.1. Lựa chọn công nghệ chế tạo 80
3.2.4.2 Chế tạo thử 82
3.2.4.3. Chế tạo hệ thống thân vỏ cho xe mô hình 83
vi

3.3. Lắp ráp, hoàn thiện mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng
năng lượng mặt trời và năng lượng điện 88
3.3.1. Đặc điểm quy trình công nghệ lắp ráp 88
3.3.2. Lập sơ đồ lắp ráp 88
3.3.3. Mô tả nguyên công lắp ráp 91
3.3.3.1. Lắp ráp gầm xe 91
3.3.3.2. Lắp ráp nội thất 92
3.3.4. Lắp ráp gầm xe 94
3.3.4.1. Lắp ráp hệ thống treo 94
3.3.4.2. Lắp ráp hệ thống lái 95
3.3.4.3. Lắp ráp hệ thống phanh 96
3.3.4.4. Lắp ráp các hệ thống còn lại 97
3.4. Kiểm tra chất lượng sau lắp ráp 98
3.4.1. Kiểm tra tổng thể 101
3.4.1.1. Kiểm tra khung, thân vỏ 101
3.4.1.2. Động cơ và các bộ phận liên quan 102

3.4.1.3 Bánh xe và moayơ 102
3.4.2. Kiểm tra gầm xe 102
3.4.2.1. Hệ thống phanh 102
3.4.2.2. Cơ cấu lái, các đòn dẫn động lái 103
3.4.2.3. Các khớp cầu, khớp chuyển hướng 103
3.4.2.4. Ngõng quay lái 103
3.4.2.5. Cầu xe 103
3.4.3. Kiểm tra nội thất 104
3.4.3.1. Gương chiếu hậu 104
3.4.3.2. Ghế ngồi 104
3.4.3.4. Vô lăng lái 104
3.4.3.5. Các pêđan phanh, ga 105
3.4.3.6. Tấm pin mặt trời 105
3.4.4. Kiểm tra trên thiết bị 105
3.4.4.1. Lực phanh chính 105
3.4.4.2. Chạy thử trên đường 106
vii

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107
4.1. Kết luận 107
4.2. Kiến nghị 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 109
PHỤ LỤC 1 111
PHỤ LỤC 2 112
viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT


TT

Từ viết tắt

Nghĩa của từ
1 NLMT Năng lượng mặt trời
2 ECM
bộ điều khiển
motor bằng điện tử

3 Hybrid Lai (Giữa hai loại động cơ)
4 V Vôn (đơn vị điện áp)
5 W Watt (Công suất)
6 kW Kilowatt
7 Ah Ampe giờ
8 PWM Phương pháp điều khiển xung bằng
cách điều chỉnh điện áp ra
9 EVA Ethylene Vinyl Acetate
10 PWM Pulse Width Modulation
11 FRP Fibreglass Reinforced Plastics
(composite sợi thủy tinh)
12 PVA Polyvinyl alcohol


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mức độ phát sinh ô nhiễm trung bình của quá trình cháy nhiên liệu 18
Bảng 2.1 Số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các khu vực ở Việt Nam 35
Bảng 2.2 Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong

năm ở một số địa phương của nước ta 35
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite, sử
dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện 68
Bảng 3.2 Bảng thông số động cơ điện chọn 71
Bảng 3.3 Quy cách cách vật liệu trong hệ thống khung xe 74
Bảng 3.4 Vật liệu cho quá trình chế tạo khung vỏ composite 83
Bảng 3.5 Danh mục linh kiện và tổng thành lắp ráp 93
x

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ẢNH

Hình 1.1 Chiếc ô tô đầu tiên 4
Hình 1.2 Ô tô điện của Robert Anderson 4
Hình 1.3 Ô tô điện đầu tiên trên thế giới 5
Hình 1.4 Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên 6
Hình 1.5 Toyota Prius Plug-in Hybrid 7
Hình 1.6 Nissan Leaf: ô tô điện 100% 7
Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống truyền động sử dụng năng lượng mặt trời 8
Hình 1.8 Xe ô tô sử dụng pin năng lượng mặt trời của hãng Siemens 8
Hình 1.9 Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 9
Hình 1.10 Xe NLMT của Trường Đại học Cần Thơ 11
Hình 1.11 Xe NLMT của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 11
Hình 1.12 Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp NLMT của sinh viên 12
Trường Đại học Nha Trang 12
Hình 1.13 Xe điện của ông Trần Văn Tâm 12
Hình 1.14 Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe ô tô khi va chạm phía trước 13
Hình 1.15 Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe ô tô khi va chạm sườn xe .13
Hình 1.16 Xe bằng vật liệu composite của hãng TaTa Motors 17
Hình 1.17 Cản xe ô tô bằng composite Công ty Hợp Long Thành 17
Hình 1.18 Công ty TNHH ô tô Sài Gòn sử dụng vật liệu composite cho thùng

xe tải Hino 17
Hình 1.19 Nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí λ 18
Hình 1.20 Hiệu ứng nhà kính 21
Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của ô tô 24
Hình 2.2 Lực và moment tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động lên dốc,
tăng tốc trong mặt phẳng dọc 25
Hình 2.3 Sự phân bố trọng trọng lượng của xe 26
Hình 2.4 Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước 27
Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn lực kéo 30
Hình 2.6 Mô hình Pin mặt trời đầu tiên 37
Hình 2.7 Các loại Pin mặt trời hiện nay 38
Hình 2.8 Cấu tạo một modun pin mặt trời 39
xi

Hinh 2.9 Sơ đồ nguyên lý của pin mặt trời 39
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của một tế bào pin mặt trời 40
Hình 2.11 Sơ đồ phân loại vật liệu Composite 41
Hình 2.12 Một số dạng cốt thường gặp 42
Hình 2.13 Cấu trúc vật liệu composite 43
Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo các sợi thủy tinh 46
Hình 2.15 MAT cắt ngắn CSM 47
Hình 2.16 Quy trình công nghệ chế tạo composite bằng tay 51
Hình 2.17 Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không 53
Hình 2.18 Sơ đồ công nghệ đúc chân không 53
Hình 2.19 Quá trình điền nhựa polymer vào khuôn trong chế tạo vỏ ô tô 54
Hình 2.20 Phương pháp ép phun 54
Hình 2.21 Máy hàn hồ quang tay 55
Hình 2.22 Hàn hồ quang tay 56
Hình 2.23 Vị trí mổ lấy lửa tạo hồ quang 57
Hình 2.24 Chiều quẹt diêm que hàn 58

Hình 2.25 Góc hàn 58
Hình 2.26 Thoát que hàn 59
Hình 2.27 Máy tiện 59
Hình 2.28 Gá dao tiện 60
Hình 2.29 Cấu tạo chi tiết tiện 60
Hình 2.30 Các bước tiện 61
Hình 2.31 Các bước tiện 61
Hình 2.32 Các bước tiện 61
Hình 2.33 Các bước tiện 62
Hình 2.34 Các bước tiện 62
Hình 2.35 Máy khoan cần 62
Hình 2.36 Sơ đồ lỗ khoan 63
Hình 2.37 Đánh dấu lỗ khoan 63
Hình 2.38 Khoan lỗ 1 64
Hình 2.39 Máy cắt cao tốc 64
Hình 2.40 Vạch dấu 64
xii

Hình 2.41 Kiểm tra độ vuông góc 65
Hình 2.42 Tháo lắp đá cắt 65
Hình 2.43 Tiến hành cắt 65
Hình 2.44 Máy mài cầm tay 66
Hình 2.45 Tư thế cầm máy mài 66
Hình 2.46 Chạy không tải 67
Hình 2.47 Tiến hành mài 67
Hình 3.1 Khung xe mô hình 70
Hình 3.2 Sơ đồ dẫn động lái 73
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí các thanh ngang trên khung xe 75
Hình 3.4 Hàn thanh dầm ngang sau 76
Hình 3.5 Chassis sau khi hàn xong 76

Hình 3.6. Sơ đồ truyền động bộ giảm tốc 77
Hình 3.7 Bộ phận giảm tốc động cơ điện sau khi hoàn thiện 78
Hình 3.8 Sơ đồ bố trí linh kiện sau khi vẽ 78
Hình 3.9 Là fip đồng bằng bàn là nóng 79
Hình 3.10 Bóc giấy sau khi đã in mạch 79
Hình 3.11 Gắn linh kiện và hàn mạch 80
Hình 3.12 Board mạch điều khiển sau khi chế tạo 80
Hình 3.13 Máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng 82
Hình 3.14 MAT CSM 225 84
Hình 3.15 Vải Roving dệt 84
Hình 3.16 Tạo lớp bề mặt gelcoat 84
Hình 3.17 Trải lớp MAT CSM 225 lên bề mặt gelcoat 85
Hình 3.18 Quét resin lên bề mặt MAT CSM 225 85
Hình 3.19 Composite dạng tấm phẳng sau khi hoàn thành 86
Hình 3.20 Lắp ráp vỏ composite vào xe mô hình 86
Hình 3.21 Hệ thống vỏ xe sau khi gia công thô 86
Hình 3.22 Gia công hoàn thân vỏ xe 87
Hình 3.23 Thân vỏ xe mô hình sau khi hoàn thiện 87
Hình 3.24 Sơ đồ lắp ráp 90
Hình 3.25 Chuẩn bị các chi tiết 94
xiii

Hình 3.26 Hệ thống treo trước hoàn chỉnh 95
Hình 3.27 Lắp vành tay lái và trục lái 95
Hình 3.28 Lắp cơ cấu lái 95
Hình 3.29 Hệ thống lái sau khi hoàn chỉnh 96
Hình 3.30 Lắp xilanh chính và bàn đạp phanh 96
Hình 3.31Ngã 3 dầu và lắp ống dẫn dầu vào phanh tang trống 96
Hình 3.32 Lắp các tấm pin mặt trời 97
Hình 3.33 Bộ điều khiển nạp 97

Hình 3.34 Lắp ắc quy, bộ điều khiển nạp và bộ phận điều kiển tốc độ động cơ 97
Hình 3.35 Mô hình sau khi hoàn thiện lắp đặt 98
Hình 3.33 Tầm nhìn của người lái qua gương chiếu hậu 104

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ô tô là loại phương tiện giao thông cơ giới được sử dụng nhiều nhất hiện nay,
và có lẽ với những tính năng ưu việt của mình, ô tô vẫn sẽ giữ được vị trí độc tôn trong
nhiều thập niên nữa. Tuy nhiên với tình hình ô nhiễm môi trường do phương tiện giao
thông cơ giới gây ra ngày càng nghiêm trọng và trữ lượng các mỏ dầu trên thế giới sắp
cạn kiệt đã có những tác động mạnh mẽ đến ngành công nghiệp ô tô trên toàn thế giới.
Việc nghiên cứu chế tạo ô tô sử dụng nguồn năng lượng mới để giảm khí thải ô nhiễm
môi trường và tránh sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang là hướng
nghiên cứu của các nhà khoa học, các nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới.
Và ô tô sử dụng điện năng chính là một trong những giải pháp triệt để để giải
quyết vấn đề nói trên. Ô tô sử dụng điện năng là xu hướng phát triển chung của ngành
công nghiệp ô tô trên toàn thế giới để tiến tới giảm ô nhiễm môi trường và sự phụ
thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạnh.
Nếu chỉ xét từ góc độ bảo vệ môi trường thì sử dụng ô tô chạy bằng năng lượng
mặt trời và ô tô chạy bằng ắc quy điện là giải pháp triệt để nhất cho tình trạng ô nhiễm
bởi khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới hiện nay. Trong thực tế đã có hàng
ngàn mẫu ô tô chạy bằng điện được sinh ra từ các tấm pin mặt trời gắn trực tiếp trên ô
tô (ô tô điện mặt trời) được thiết kế và chế tạo. Tuy nhiên, tất cả chúng mới chỉ được
coi là biểu tượng của khả năng và quyết tâm bảo vệ môi trường của con người. Còn rất
nhiều vấn đề kỹ thuật, kinh tế và xã hội cần giải quyết để ô tô điện mặt trời có thể trở
thành phương tiện giao thông thông dụng trong tương lai.
Thực trạng và viễn cảnh ô tô chạy bằng ắc quy điện (ô tô điện) có nhiều mặt
khả quan hơn. Về phương diện bảo vệ môi trường, ô tô điện thua kém xa ô tô điện mặt

trời nhưng vẫn được xếp vào loại ô tô sạch (Zero Emission Vehicles - ZEV). Chính vì
vậy, ô tô điện đã được dành cho một vị trí quan trọng trong dự báo phát triển phương
tiện giao thông cơ giới hiện nay và trong tương lai. Tuy thị trường ô tô điện mới chỉ
chiếm khoảng 3% nhưng ước tính đã có khoảng 2 triệu ô tô điện được sản xuất hàng
năm, chủ yếu là ở Nhật Bản, Châu Âu và Bắc Mỹ. So với ô tô truyền thống (ô tô chạy
bằng động cơ xăng, động cơ diesel) thì ô tô điện có 2 nhược điểm cơ bản là trữ lượng
năng lượng thấp (khả năng chứa điện có hạn của ắc quy và số lượng ắc quy có thể lắp
2

đặt trên ô tô) và giá thành cao. Trữ lượng năng lượng thấp làm cho tốc độ, tính năng
tăng tốc và cự ly hoạt động giữa hai lần nạp điện của ô tô điện bị hạn chế.
- Sử dụng vật liệu mới trong chế tạo vỏ ô tô: Vật liệu truyền thống quan trọng
nhất trong thành phần cấu tạo thân vỏ ô tô là thép. Sự kết hợp tinh tế giữa thép và các
loại vật liệu khác như kim loại nhẹ là lựa chọn tối ưu cho vỏ ô tô trên dòng phổ thông
bởi chi phí sản xuất thấp, nguồn nguyên liệu dồi dào. Song, vật liệu thép làm tăng khối
lượng của ô tô dẫn đến tăng suất tiêu hao nhiên liệu, với các loại thép thông thường
nếu có độ cứng cao rất khó định hình. Chính vì vậy việc nghiên cứu sử dụng các loại
vật liệu mới trong chế tạo hệ thống thân vỏ ô tô nhằm giảm trọng lượng ô tô cũng là
một vấn đề cần giải quyết hiện nay, nhất là trong bối cảnh ô tô sử dụng điện năng ngày
càng phát triển, nếu giảm được trọng lượng của ô tô sẽ tăng hiệu quả sử dụng điện
năng từ ắc quy.
Với những phân tích trên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô
hình xe ô tô thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng
lượng điện phục vụ du lịch” (phần chế tạo) để thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Chế tạo mô hình xe 4 chỗ ngồi, thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng
lượng mặt trời và năng lượng điện.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng điện và ứng dụng năng
lượng mặt trời, năng lượng điện cho ô tô.

- Vật liệu composite, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite vào chế tạo
thân vỏ cho xe mô hình.
- Các phương pháp gia công cơ khí và thực nghiệm chế tạo một số bộ phận của
xe mô hình.
4. Bố cục của luận văn
Nội dung chính của luận văn được chia thành 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về ô tô thân vỏ bằng vật liệu composite, sử dụng năng
lượng mặt trời và năng lượng điện.
Chương 2: Cơ sở tính toán, chế tạo
Chương 3: Thực nghiệm chế tạo mô hình xe thân vỏ bằng vật liệu composite,
sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện.
3

Chương 4: Kết luận và kiến nghị.
5. Giới hạn của đề tài
Do thời gian và kinh phí có hạn nên tôi chỉ chế tạo một số hệ thống trên xe mô
hình: Hệ thống khung; Bộ phận giảm tốc động cơ điện; Bộ phận điều khiển tốc độ
động cơ; Thân vỏ; Các hệ thống còn lại chủ yếu là tính chọn và mua các sản phẩm
tương đương có trên thị trường để lắp ráp.
4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ THÂN VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

1.1. Tổng quan về xe ô tô sử dụng các nguồn năng lượng
1.1.1. Xu hướng phát triển ngành công nghiệp ô tô
Vào năm 1769, một kỹ sư người Pháp tên là Nicolas J Cugnot đã phát minh ra
chiếc ô tô đầu tiên có thể chạy trên đường (hình 1.1), đây được coi là một phát minh
mang thính cách mạng trong lịch sử ngành giao thông vận tải. Trên thực tế, sản phẩm

này là một chiếc máy kéo ba bánh tự động sử dụng động cơ hơi nước được dùng trong
quân đội. Tuy nhiên hoạt động của chiếc ô tô ban đầu rất giới hạn, nhiều nhất nó chỉ có
thể chạy được liên tục trong vòng mười lăm phút. Ngoài ra, thiết kế của chiếc xe
không phù hợp với việc di chuyển trên đường bởi vì động cơ hơi nước làm cho xe có
kích thước rất lớn và nặng.

Hình 1.1 Chiếc ô tô đầu tiên Hình 1.2 Ô tô điện của Robert Anderson
Vào khoảng những năm 1832 -1839, Robert Anderson người Scotland đã phát
minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên. Năm 1842, hai nhà phát minh người Mỹ là
Thomas Davenport và Robert Davidson trở thành những người đầu tiên đưa pin vào sử
dụng cho ô tô điện. Đến những năm 1865, Camille Faure đã thành công trong việc
nâng cao khả năng lưu trữ điện trong pin, giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng
đường dài hơn. Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong
hệ thống giao thông vào cuối thế kỷ 18.
5



Chiếc xe đua La Jamais Contente (1899) Edison và chiếc xe Detroit (1914)
Hình 1.3 Ô tô điện đầu tiên trên thế giới
Đến đầu thế kỷ XX, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử dụng động cơ đốt
trong do những nguyên nhân chính sau:
- Vào thời điểm này, người ta đã tìm ra những mỏ dầu lớn trên thế giới dẫn đến
việc hạ giá thành của dầu và các sản phẩm dẫn xuất trên toàn cầu. Vấn đề nhiên liệu
cho xe chạy động cơ đốt trong trở nên đơn giản.
- Về giá thành, năm 1928, một chiếc xe chạy điện có giá khoảng 1750 USD,
trong khi đó một chiếc xe chạy xăng chỉ có giá khoảng 650 USD.
- Về mặt kỹ thuật, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong và công nghiệp ô tô có
những tiến bộ vượt bậc: Charles Kettering đã phát minh ra bộ khởi động cho xe chạy
xăng, ngành công nghiệp ô tô cuối cùng cũng đã đến tuổi trưởng thành với một số

lượng lớn các sản phẩm ô tô được sản xuất bởi Henry Ford vào năm 1914. Điều này
dẫn đến sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô, mà khởi đầu là dây chuyền
lắp ráp từ nhà máy sản xuất ô tô của Henry Ford
Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần như biến mất do không thể cạnh
tranh được với xe chạy động cơ đốt trong.
Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, ngành công nghiệp ô tô phải đối
mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàn cầu:
- Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá
không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được. Trong
khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó có thể được chuyển hóa từ nhiều
nguồn năng lượng khác, trong đó có các nguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng
lượng gió, mặt trời, sóng biển.
6

- Môi trường đang bị ô nhiễm nghiêm trọng: Một trong những chất thải ảnh
hưởng nghiêm trọng tới môi trường và đang được quan tâm nhất hiện nay chính là chất
thải từ các phương tiện giao thông cơ giới. Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này
do nó hoàn toàn không có khí thải. Do đó trong thời kỳ này ô tô điện dần tìm lại được
ưu thế của mình, các hãng ô tô đầu tư mạnh mẽ cho việc nghiên cứu, chế tạo các dòng
ô tô điện.
Đến năm 1999, Kelly Hart chế tạo xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu
tiên có tên là Sunmobile, chiếc xe này sử dụng cả 2 nguồn năng lượng: năng lượng
mặt trời và sức đạp của bàn đạp.
Sunmobile thiết kế với 4 bánh xe, 2 chỗ ngồi và bàn đạp xe đạp. Loại pin sử
dụng là loại Photovoltaic được lắp ở trên trần xe, vận tốc tối đa 30 km/h và chạy được
quãng đường tối đa là 30 km khi pin được sạc đầy.

Hình 1.4 Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên (Sunmobile)
Hiện tại ở các nước phát triển, ngành công nghiệp ô tô đang bị đình trệ do thị
trường khá ảm đạm. Ngược lại, ở các nước đang phát triển như Ấn Độ, Brazil và một

số quốc gia khu vực Đông Nam Á, mức tăng trưởng của ngành công nghiệp ô tô
luôn cao hơn qua mỗi năm do sức mua của thị trường ô tô trong nước ngày càng tăng.
Bên cạnh thế mạnh là sản xuất dòng ô tô sử dụng động cơ đốt trong với cải tiến về
công nghệ (khung, vỏ, động cơ, khung gầm) thì dòng ô tô sạch (sử dụng nhiên liệu
sinh học, pin nhiên nhiệu, năng lượng điện, năng lượng mặt trời,…) cũng được các
hãng xe chú trọng nghiên cứu, phát triển.
Các chuyên gia dự đoán, việc đổi từ ô tô dùng xăng/diesel sang dùng điện là sự
chuyển tiếp tất yếu dù không dễ dàng. Quá trình chuyển tiếp của ô tô dùng 100%
xăng/diesel sang 100% điện trải qua nhiều công nghệ “bước đệm” với đủ loại “xe lai”.
Ô tô điện lai (hybrid vehicle) là loại xe “lai” giữa xe dùng điện và xe dùng xăng, sử
dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện.
7

● Full Hybrid (HEV): động cơ xăng là động cơ chính, động cơ điện cung cấp
lực kéo phụ trợ khi cần. Nguồn điện tự cấp nhờ chuyển đổi từ năng lượng cơ khí thu
hồi khi xe giảm tốc độ. Toyota Prius I là loại xe này, tiết kiệm khoảng 30-35% năng
lượng xăng.
● Plug-in Hybrid (PHEV): còn gọi là ô tô lai sạc điện. Có cùng nguyên tắc vận
hành như HEV, nhưng PHEV có phích cắm để sạc điện từ nguồn cung cấp bên ngoài.
Thuật ngữ “plug-in” cho biết, xe có bộ nạp tích hợp sẵn, chỉ cần cắm điện vào lưới
điện dân dụng mà không cần bộ nạp. Tiết kiệm khoảng 31-67% xăng tùy số lần sạc
điện. Toyota Prius III, Ford Escape Hybrid, Honda Civic Hybrid,… là những dòng
PHEV có tại Việt Nam.
● Plug-in Hybrid Range Extender (PHREV): khác hai loại xe lai trên, PHREV
vận hành nhờ động cơ điện, động cơ xăng chỉ dùng để phát điện. Dòng ô tô điện BMW
i3 Range Extender sử dụng công nghệ PHREV tiết kiệm được 85% lượng xăng tiêu thụ.
Sau nhiều cải tiến, đích đến cuối cùng của công nghệ ô tô điện là sử dụng 100%
động cơ điện. Đây mới đúng là Zero Emission Vehicle (ZEV), “xe không khí thải”.
● ZEV (Zero Emission Vehicle): thành quả nghiên cứu của liên minh gồm hai
hãng xe Pháp-Nhật, Renault và Nissan. Nissan Leaf là mẫu xe chạy điện đầu tiên sản

xuất hàng loạt vào năm 2010 và đến tháng 8 có mặt chính thức ở hơn 35 quốc gia. Xe có
thể chạy quãng đường 160 km sau mỗi lần sạc đầy điện cho bộ pin phù hợp với nhu cầu
đi lại hàng ngày. Với nguồn điện 220V và bộ dây sạc 6,6kW trang bị trên xe, người sử
dụng mất khoảng 3 tiếng 15 phút để sạc đầy bình đã cạn điện trước khi di chuyển.


Hình 1.5 Toyota Prius Plug-in Hybrid Hình 1.6 Nissan Leaf: ô tô điện 100%
Để cạnh tranh với động cơ đốt trong đang chiếm lĩnh thị trường, ngoài cải tiến
trong thiết kế, ô tô điện thế kỷ 21 cần đáp ứng thêm nhiều tiêu chí khác, trong đó
nguồn năng lượng là vấn đề lớn nhất.
8

Hai công nghệ nguồn năng lượng nổi bật nhất hiện nay là ô tô điện pin nhiên
liệu và ô tô điện ắc quy.
● Pin nhiên liệu: nhờ thành quả trong công nghệ nano, pin nhiên liệu được cải
tiến đáng kể cả về chất lượng và giá thành. Một pin nhiên liệu 80 kw hiện nay có giá
khoảng 17.000 USD hoặc giảm thấp nữa nếu sản xuất với số lượng trên 500.000 đơn
vị. Loại pin PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), còn gọi là “tế bào nhiên
liệu màng điện phân polymer” hoặc “pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc”
được đánh giá thích hợp nhất cho ô tô điện.
● Ắc quy: tập trung giải quyết ba yếu điểm chính của ắc quy gồm khả năng tích
lũy năng lượng thấp, thời gian sạc lâu và giá thành cao. Các nghiên cứu về ắc quy
hướng đến tăng mật độ bình từ 150 wh/kg lên trên 500 wh/kg, rút ngắn thời gian sạc từ
7 giờ đồng hồ xuống vài phút, và giảm giá thành khoảng 10 lần so với hiện tại. Ưu
điểm của ô tô điện dùng ắc quy là dễ sạc điện và tạo mạng lưới phân phối điện khắp
nơi, đặc biệt khi lưới điện thông minh ngày càng phổ biến trên thế giới.
1.1.2. Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời (NLMT)
1.1.2.1. NLMT sử dụng cho ô tô
Xe NLMT 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. Sơ đồ nguyên lý xe
điện mặt trời gồm:
tấm pin mặt trời, bộ điều khiển
sạc, bộ nguồn (ắc quy), bộ điều
khiển
motor bằng điện tử
(Electronic Control Module - ECM),
động cơ điện và các
hệ thống hỗ trợ khác.



Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống truyền động sử
dụng năng lượng mặt trời [3]
Hình 1.8 Xe ô tô sử dụng pin năng lượng mặt
trời của hãng Siemens
Ưu điểm:
+ Ô tô năng lượng mặt trời được
xếp vào dạng ô tô sạch.

+ Hoạt động rất êm, hiệu suất
cao, ít bảo trì, bảo dưỡng.

9

+ Năng lượng mặt trời là vô tận và quá trình
sản sinh ra nó không gây ô nhiễm.

Nhược điểm:
+ Giá thành cao.

+ Cơ sở hạ tầng cho ô tô năng
lượng mặt trời vẫn chưa có.

+ Không chủ động được năng lượng mặt trời
trong việc sử dụng, phụ thuộc
điều kiện thời tiết, h
iệu suất của pin mặt trời thấp.

1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển
1) Trên thế giới
Hoa Kỳ
Năm 2009, trong chuyến thăm Trung tâm Nghiên cứu ô tô điện Edison tại miền
Nam California, Tổng thống Mỹ Barack Obama đã duyệt khoản chi 2,4 tỷ đô la cho
việc nghiên cứu ô tô điện và được phân bổ như hình 1.6:

Hình 1.9 Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009
Từ cơ cấu khoản chi trên, ta thấy rằng nguồn năng lượng và hệ truyền động là
những vấn đề then chốt trong nghiên cứu ô tô điện.
Châu Âu
Xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử công suất là những vấn đề chính
được quan tâm nghiên cứu. Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) là loại xe
sử dụng hỗn hợp cả nhiên liệu xăng và năng lượng điện như tên gọi “hybrid”. Thuật
ngữ “plug-in” cho biết rằng xe có bộ nạp tích hợp sẵn, người dùng chỉ cần cắm điện
vào nguồn lưới dân dụng mà không cần một bộ nạp bên ngoài. Một số dòng xe
hybrid đã được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Honda
Civic Hybrid,…
10

Nhật Bản

Các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure Evs) ra thị
trường. Mitsubishi mới là hãng đầu tiên tung ra xe điện thương phẩm với i-MiEV. Xe
i-MiEV đã được giới thiệu ở Việt Nam tại triển lãm ô tô Vietnam Motor Show 2010.
Để có thể đưa ra thị trường mẫu xe ô tô điện i-MiEV, hãng Mitsubishi Motors
đã mất hơn 40 năm nghiên cứu. Từ khi ấp ủ những ý tưởng đầu tiên về xe ô tô điện,
chính thức bắt đầu nghiên cứu từ năm 1966. Cho đến nay, hãng Mitsubishi Motors đã
chế tạo ra 10 mẫu xe thử nghiệm với hơn 500.000 km chạy thử trên toàn cầu.
Trong giới nghiên cứu khoa học, các trường đại học lớn ở Nhật đều có những
phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu về ô tô điện. Trung tâm nghiên cứu dưới sự
lãnh đạo của giáo sư Yoichi Hori (sau đây gọi tắt là Hori-Lab) tại Viện Khoa học
Công nghiệp - Trường Đai học Tokyo là một trong những đơn vị tiên phong nghiên
cứu về xe điện tại Nhật Bản. Những nghiên cứu của Hori-Lab tập trung vào 2 lĩnh vực
chính: Điều khiển chuyển động (Motion Control) và Hệ thống Năng lượng cho xe
(Vehicle Power System).
Lĩnh vực điều khiển chuyển động được thực hiện với những nhánh sau:
- Điều khiển chuyển động bám mặt đường.
- Điều khiển ổn định động học thân xe trên cơ sở quan sát các biến trạng thái và
quan sát nhiễu.
- Điều khiển hệ thống lái.
Lĩnh vực nghiên cứu hệ thống năng lượng cho xe được tập trung vào hai
nhánh chính:
- Sử dụng công nghệ siêu tụ điện (Ultra-capacitor) tích trữ năng lượng.
- Sử dụng công nghệ truyền tải điện không dây (Wireless Power Transmission).
Các nghiên cứu của Hori-Lab đều được thực nghiệm trên hệ thống xe điện thí
nghiệm xây dựng tại trung tâm gồm xe UOT Electric March I, II sử dụng nguồn ắc
quy và hệ thống xe điện nhỏ COMS 1, 2, 3 chạy hoàn toàn bằng siêu tụ điện.
Hàn Quốc và Trung Quốc
Công nghệ truyền tải điện không dây ứng dụng trong xe điện được khai thác
mạnh mẽ bởi các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn
Quốc (KAIST) với dự án chế tạo xe điện nạp năng lượng từ dưới đất trong suốt quá

trình hoạt động (OnLine Electric Vehicle - OLEV). Các sản phẩm xe bus điện thuộc