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 thiết kế)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG




PHẠM TẠO


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 THIẾT KẾ)


LUẬN VĂN THẠC SĨ





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



PHẠM TẠO

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 THIẾT KẾ)

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

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tôi cũng xin cam
đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả


Phạm Tạo
ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn cũng như để có được kết quả như ngày
hôm nay, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động
viên và hướng dẫn của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp .
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Lê Bá Khang, người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin cảm ơn Quí Thầy/Cô Khoa Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Giao
thông, Viện Công nghệ chế tạo Tàu thủy và Xưởng Cơ khí Trường Đại học Nha
Trang đã tạo điều kiện thuận lợi và cung cấp những kiến thức bổ ích để tôi hoàn thành
luận văn.
Dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc rằng đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót
và có những hạn chế nhất định. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của Quí
Thầy/Cô và bạn bè để đề tài hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa 12/2014

Phạm Tạo

iii

MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH vi
DANH MỤC BẢNG x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 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. Lịch sử phát triển ngành công nghiệp ô tô 4
1.1.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển về xe ô tô sử dụng năng lượng điện kết
hợp năng lượng mặt trời 6
1.2. Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô 11
1.2.1. Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay 11
1.2.2. Ứng dụng vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, vận hành ô tô 13
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 14
1.3.1. Ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ ô tô gây ra 14
1.3.2. Tác hại của các chất ô nhiễm 16
1.4. Kết luận 18

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH 21
2.1. Tổng quan về ô tô 21
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế khung, vỏ và các hệ thống ô tô 22
2.2.1. Lực và momen tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động 22
2.3. Ô tô sử dụng nguồn năng lượng điện, năng lượng mặt trời 27
2.3.1. Ô tô sử dụng năng lượng điện 27

2.3.2. Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) 31
2.4. Vật liệu composite sử dụng chế tạo khung vỏ ô tô 34
iv

2.4.1. Định nghĩa và phân loại 34
2.4.2. Ứng dụng vật liệu composite chế tạo khung vỏ ô tô 36
2.4.3. Cấu trúc vật liệu composite 38
2.4.4. Các thông số cơ bản của nền và cốt 41
2.5. Sử dụng phần mềm chuyên ngành trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô 41
2.5.1. Các phần mềm phổ biến trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô 41
2.5.2. Sử dụng phần mềm RDM trong tính toán, kiểm nghiệm khung ô tô mô
hình 43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KHUNG, VỎ VÀ CÁC HỆ THỐNG CỦA Ô TÔ THÂN
VỎBẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ DU LỊCH 45
3.1. Mục đích, yêu cầu và các bộ phận, hệ thống xe mô hình cần tính toán, thiết kế 45
3.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung ô tô và các hệ thống 45
3.3. Tính toán, thiết kế khung ô tô 46
3.3.1. Phương pháp chung 46
3.3.2. Tính toán, thiết kế khung ô tô mô hình 47
3.3.3. Tính toán khối lượng khung 52
3.4. Tính toán, thiết kế vỏ 61
3.4.1. Phân tích lựa chọn hình dáng vỏ 61
3.4.2. Thiết kế kỹ thuật vỏ xe 65
3.5. Tính toán, thiết kế hệ thống truyền lực 65
3.5.1. Phân tích và chọn phương án bố trí hệ thống truyền lực cho ô tô thiết kế 65
3.5.2. Phân tích các phương án bố trí hệ thống truyền lực trên ô tô 66
3.5.3. Tính toán và chọn động cơ điện. 67
3.5.4. Phân tích, chọn truyền lực chính 73
3.6. Tính toán, thiết kế bộ phận điều khiển động cơ DC 75

3.6.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp 76
3.6.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng R
u
76
3.6.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông 77
3.6.4. Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ 77
3.6.5. Bộ phận điều khiển tốc độ động cơ 79
3.7. Tính toán, thiết kế hệ thống phanh 83
v

3.7.1. Yêu cầu đối với hệ thống phanh 83
3.7.2. Phân tích phương án thiết kế hệ thống phanh chính cho ô tô 84
3.7.3. Tính toán xác định các thông số của hệ thống phanh. 87
3.7.4. Tính toán, thiết kế cơ cấu phanh
89
3.7.5. Thiết kế kỹ thuật hệ thống phanh 99
3.8. Tính nguồn điện 99
3.8.1. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy 99
3.8.2. Bộ nạp điện 101
3.9. Tính toán, thiết kế hệ thống lái 102
3.9.1. Yêu cầu khi tính toán thiết kế hệ thống lái 102
3.9.2. Phân tích chọn hệ thống lái 103
3.9.3. Chọn hệ thống lái cho ô tô thiết kế 106
3.9.4. Chọn những thông số chủ yếu
107
3.9.5. Thiết kế kỹ thuật hệ thống lái
109
3.10. Phân tích lựa chọn hệ thống treo 109
3.10.1. Nhiệm vụ hệ thống treo 109
3.10.2. Yêu cầu hệ thống treo 109

3.10.3. Chọn hệ thống treo 110
3.10.4. Chọn các bộ phận hệ thống treo 112
3.10.5. Hệ thống treo được chọn 112
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113
4.1. Kết luận 113
4.2. Kiến nghị 113
vi

DANH MỤC HÌNH
Trang

Hình 1.1: Ô tô đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ hơi nước 4
Hình 1.2: Ô tô điện đầu tiên trên thế giới 5
Hình 1.3: Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên (Sunmobile) 6
Hình 1.4: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời của hãng Siemens 6
Hình 1.5: Phân bổ khoản chi cho nghiên cứu ô tô điện tại Hoa Kỳ từ năm 2009 7
Hình 1.6: Xe năng lượng mặt trời của sinh viên ĐH Cần Thơ 9
Hình 1.7: Xe chạy bằng NLMT của ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM 9
Hình 1.8: Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời của sinh viên
ngành ô tô Đại học Nha Trang 10
Hình 1.9: Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe khi va chạm phía trước 11
Hình 1.10: Mô hình thể hiện lực tác dụng lên vỏ xe khi va chạm sườn 11
Hình 1.11: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí λ 14
Hình 1.12: Hiệu ứng nhà kính 18
Hình 2.1: Cấu trúc tổng quát của ô tô 21
Hình 2.2: Lực và momen tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động lên dốc, tăng
tốc (trong mặt phẳng dọc) 22
Hình 2.3: Sự phân bố trọng trọng lượng của xe 23
Hình 2.4: Phản lực của mặt đường lên các bánh xe trước 24
Hình 2.5: Sơ đồ biểu diễn lực kéo 26

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý ô tô điện 27
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin lithium-không khí 28
Hình 2.8: Sơ đồ cấu tạo của ATmega32 30
Hình 2.9: Cấu tạo pin mặt trời 32
Hinh 2.10: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 32
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của 1 tế bào pin mặt trời 33
Hình 2.12: Sơ đồ phân loại vật liệu Composite 35
Hình 2.13: Một số dạng cốt thường gặp 35
Hình 2.14: Ô tô với vật liệu composite của hãng TaTa Motors 37
Hình 2.15: Cản ô tô bằng Composite của Công ty SX TM&DV Hợp Long Thành 37
vii

Hình 2.16: Các sản phẩm bằng vật liệu Composite (cản, nội thất) của Công ty TNHH
MTV Hoàng Cương 37
Hình 2.17: Sơ đồ thuật toán của chương trình RDM 44
Hình 3.1: Khung hình chiếc thang 47
Hình 3.2: Khung hình ống rỗng 48
Hình 3.3: Khung gầm liền khối 48
Hình 3.4: Khung gầm liền khối ULSAB 49
Hình 3.5: Khung gầm hình xương sống 50
Hình 3.6: Khung ô tô mô hình thiết kế 53
Hình 3.7: Sơ đồ phân bố các nút trên khung ô tô trong RDM 54
Hình 3.8: Mô hình đặt lực trên khung xương ở chế độ phanh gấp 55
Hình 3.9: Biến dạng của khung xương khi ở chế độ phanh gấp 56
Hình 3.10: Biểu đồ lực dọc ở chế độ phanh gấp 56
Hình 3.11: Biểu đồ lực cắt ở chế độ phanh gấp 56
Hình 3.12: Biểu đồ mô men xoắn ở chế độ phanh gấp 57
Hình 3.13: Biểu đồ mô men uốn ở chế độ phanh gấp 57
Hình 3.14: Biểu đồ ứng suất ở chế độ phanh gấp 57
Hình 3.15: Mô tả lực ly tâm khi ô tô quay vòng 58

Hình 3.16: Mô hình đặt lực ở chế độ quay vòng 58
Hình 3.17: Biến dạng của khung xương ở chế độ quay vòng 58
Hình 3.18: Biểu đồ lực dọc ở chế độ quay vòng 58
Hình 3.19: Biểu đồ lực cắt ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.20: Biểu đồ mô mem xoắn ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.21: Biểu đồ mô men uốn ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất ở chế độ quay vòng 60
Hình 3.23: Mô tả lực cản khí động học của ô tô 62
Hình 3.24: Các mẫu ô tô du lịch 4 chỗ ngồi trên thị trườngvỏ bằng vật liệu Composite 64
Hình 3.25: Vỏ ô tô không chịu tải 64
Hình 3.26: Vỏ ô tô chịu nửa tải 65
Hình 3.27: Cấu hình hệ thống truyền lực cho ô tô điện 66
Hình 3.28: Các loại lực tác dụng lên ô tô 68
Hình 3.29: Các loại động cơ điện 70
viii

Hình 3.30: Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện 71
Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 72
Hình 3.32: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện 73
Hình 3.33: Bố trí hệ thống truyền lực của ô tô mô hình 74
Hình 3.34: Sơ đồ bán trục giảm tải
1
/

2
75
Hình 3.35: Đường đặc tính khi điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp 76
Hình 3.36: Đường đặc tính khi điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở 76
Hình 3.37: Đường đặc tính khi điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông 77
Hình 3.38: Đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM 77

Hình 3.39: Van bán dẫn đóng mở bằng Mosfet 78
Hình 3.40: Giản đồ xung 78
Hình 3.41: Giản đồ tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh 79
Hình 3.42: Biểu tượng và ký hiệu điện trở 79
Hình 3.43: Ký hiệu và hình dạng biến trở 79
Hình 3.44: Tụ điện 80
Hình 3.45: Diode bán dẫn P - N 80
Hình 3.46: Hình dạng van (mosfet) 81
Hình 3.47: Sơ đồ khối của bộ phận điều khiển tốc độ động cơ 81
Hình 3.48: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ điện DC 82
Hình 3.49: Sơ đồ khối nguồn 82
Hình 3.50: Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ 83
Hình 3.51: Hệ thống phanh dẫn động thủy lực 84
Hình 3.52: Các sơ đồ phân dòng 85
Hình 3.53: Sơ đồ thông số kết cấu của cơ cấu phanh 89
Hình 3.54: Sơ đồ xác định góc đặt δ của lực N
1
khi áp suất phân bố đều 90
Hình 3.55: Sơ đồ lực tác dụng lên guốc phanh 92
Hình 3.56: Sơ đồ xác định kích thước tấm ma sát 93
Hình 3.57: Sơ đồ tính truyền động phanh 96
Hình 3.58: Sơ đồ mắc ắc quy 100
Hình 3.59: Pin mặt trời trang bị cho ô tô mô hình 100
Hình 3.60: Bộ sạc điện từ pin mặt trời tới ắc quy 101
Hình 3.61: Bộ sạc điện từ điện lưới tới ắc quy 101
ix

Hình 3.62: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điện trên ô tô 102
Hình 3.63: Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng 103
Hình 3.64: Cơ cấu lái trục vít con lăn 103

Hình 3.65: Cơ cấu lái trục vít chốt quay 104
Hình 3.66: Cơ cấu lái trục vít - cung răng 105
Hình 3.67: Dẫn động lái 3 khâu 106
Hình 3.68: Dẫn động lái 6 khâu 106
Hình 3.69: Sơ đồ dẫn động lái 107
Hình 3.70: Các thông số của hình thang lái 107
Hình 3.71: Sơ đồ quay vòng của ô tô 108
Hình 3.72: Hệ thống treo độc lập 110
Hình 3.73: Phương án chọn hệ thống treo trước 111
Hình 3.74: Hệ thống treo phụ thuộc 111
Hình 3.75: Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng nhíp lá 111
Hình 3.76: Hệ thống treo phụ thuộc sử dụng lò xo trụ 111


x

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 3.1: Bảng tính toán tổng khối lượng ô tô mô hình 53
Bảng 3.2: Thông số hệ số cản theo các loại hình dạng thân ô tô khác nhau 63
xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT

Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa của từ
1 CT-TTg Chỉ thị của thủ tướng

2 NĐ-CP Nghị định của chính phủ
3 ĐH Đại học
4 TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh
5 USD United State Dollar Đô la Mỹ
6 NLMT Năng lượng mặt trời
7 ECM Electric Control Motor
bộ điều khiển
motor bằng điện tử

8 Hybrid Lai giữa hai loại động cơ
9 V Volt vôn
10 Ah Ampe giờ
11 PWM Pulse Width Modulation Phương pháp thay đổi độ rộng xung
bằng cách điều chỉnh điện áp ra
12 ADC Analog Digital Converter Bộ nhận tín hiệu analog từ thiết bị
ngoại vi của vi điều khiển
13 EVA Ethylene Vinyl Acetate Một loại hạt nhựa
14 R&D Research and Development Nghiên cứu và phát triển
15 EV Electric Vehicle Ô tô điện
16 AHSS Applicant Hiring Status System Thép cường độ cao
17 ULSAB UltraLight Steel Auto Body Một loại khung gầm liền khối
1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên vô giá mà trái đất hàng tỷ năm tích
lũy được. Nó cung cấp năng lượng cho những phương tiện giao thông, các nhà máy
công nghiệp, sưởi ấm các toà nhà và sản sinh ra điện năng phục vụ đời sống con
người. Hiện nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp năng
lượng sơ cấp. Trong đó, trữ lượng dầu mỏ được xác định khoảng (1184÷1342) tỉ thùng

(theo số liệu thống kê của cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ EIA trong giai đoạn
2007 - 2009) trong khi sản lượng tiêu thụ hàng năm là 85,896 triệu thùng/ngày.
Tốc độ khai thác sử dụng các nguồn nhiên liệu trên so với trữ lượng của chúng
đang dấy lên hồi chuông cảnh báo về việc cạn kiệt năng lượng hóa thạch trong tương
lai. Vì vậy, việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng và tránh sự phụ thuộc vào năng
lượng hóa thạch là một trong những mục tiêu hàng đầu của các nhà khoa học trên toàn
thế giới.
Bên cạnh đó nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ
thải ra CO
2
, ôxít sunphua (SO
x
), ôxít nitơ (NO
2
), methane (CH
4
),…Những khí này là
nguyên nhân gây ra tác hại to lớn đối với môi trường sống và ảnh hưởng trực tiếp đến
chính con người như: Mưa axit, sự nóng lên toàn cầu, gây ra nhiều bệnh tật, gây ra các
tranh chấp trên toàn cầu…
Trong các nguồn gây ô nhiễm không khí, ô nhiễm do động cơ đốt trên ô tô phát
thải là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất. Trong quá trình hoạt động, động cơ đốt trong ô tô
thải ra các chất gây ô nhiễm như CO, CO
2
, NO
x
, HC, Ngoài việc gây ô nhiễm trực
tiếp, các chất thải này khi phát tán vào không khí sẽ bị phân tích hoặc tổng hợp để tạo
ra các tác nhân khác, gây ảnh hưởng xấu đến con người cũng như đến môi trường sinh
thái, khí hậu.

Hiện nay, việc kiểm soát khí thải phương tiện xe cơ giới tham gia giao thông tại
các thành phố lớn là một yêu cầu cấp thiết. Chính phủ đã ban hành Quyết định số
249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005 quy định tiêu chuẩn khí thải tương đương mức
Euro 2. Chỉ thị số 46/2004/CT-TTg và Nghị định số 23/2004/NĐ-CP của Chính phủ
về việc loại bỏ ô tô quá hạn sử dụng.
2

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 qui điện là giải pháp triệt để nhất cho tình trạng ô nhiễm
môi trường bởi khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới hiện nay.
Trong thực tế nghiên cứu, hàng ngàn mẫu ô tô chạy bằng năng lượng 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.
- Sử dụng vật liệu mới trong chế tạo vỏ ô tô: Theo quan điểm của các nhà sản
xuất ô tô, mức tiêu thụ nhiên liệu do Chính phủ Liên bang Hoa Kỳ đặt ra là 54,5
dặm/galông (tương đương 1 lít xăng đi được 22km) (được áp dụng vào năm 2025),
trong khi Liên minh châu Âu (EU) đặt mục tiêu cắt giảm lượng khí thải cácbon điôxít
(CO) trung bình của các loại ôtô sản xuất trong khu vực khoảng 33% (2020), tương
đương 95 g/km là rất khó khả thi.
Kể từ khi động cơ đốt trong được ra đời cùng với vô số những cải tiến về mặt
kỹ thuật cũng như công nghệ để đạt được những thành quả ngày nay: hệ thống phun
xăng điện tử, thiết kế khí động học, hệ thống thu nạp năng lượng thừa…tất cả những
điều này cũng khó có thể giúp động cơ có thể đạt được ngưỡng tiêu chuẩn mức tiêu
thu nhiên liệu cũng như khí thải như yêu cầu trên.
Đây thự sự là một thách thức đối với các nhà hoạch định. Và hướng đi mà các
nhà sản xuất ô tô nghĩ tới để đạt được những yêu cầu trên là sự thay đổi trong vật liệu
cấu thành của chiếc ô tô. Điều đó có nghĩa rằng nguyên vật liệu sản xuất ô tô phải có
trọng lượng nhẹ hơn nhưng không làm tăng giá thành sản phẩm. Bởi lẽ, một phần

nhiên liệu tiêu thụ và khí thải sinh ra khi động cơ hoạt động được dùng để thắng lực
cản do tự trọng của xe gây nên.
Các công nghệ gần đây đã được phát triển như là thép siêu nhẹ (HSS) hay sợi
pôlyme các-bon (CFRP) đã tiêu tốn khá nhiều chi phí cho các nhà sản xuất. Nhu cầu
về một loại vật liệu vừa nhẹ, bền, có khả năng chống chọi va đập phải được cân bằng
với các yêu cầu khác về tối đa hóa ứng dụng của dây chuyền sản xuất hiện tại và vấn
đề này cũng đặt ra câu hỏi liên quan đến việc tiếp cận với nhưng vật liệu hoàn toàn xa
lạ của quy trình sản xuất hiện nay hay nguồn cung cho các loại vật liệu đó
3

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 thiết kế) để thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế mô hình xe 4 chỗ ngồi, thân - vỏ bằng vật liệu Composite, sử dụng
năng lượng mặt trời và năng lượng điện.
3. Phương pháp và trình tự nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm
Trình tự nghiên cứu:
- Khảo sát yêu cầu kỹ thuật của xe ôtô điện.
- Tính toán các yếu tố lực tác động lên xe, các yêu cầu về tốc độ của xe, từ đó
thiết kế sơ bộ mô hình.
- Xây dựng phương án chế tạo mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt ra.
- Tính toán thiết kế khung, vỏ và các hệ thống dựa vào yêu cầu kỹ thuật của xe.
- Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh mô hình.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Đặc điểm nguồn năng lượng mặt trời, điện và ứng dụng năng lượng mặt trời,
điện cho ô tô.
- Cơ sở lý thuyết và tính toán khung vỏ, các hệ thống của mô hình.
- Vật liệu Composite, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu Composite vào chế tạo

thân - vỏ xe ô tô mô hình.
5. 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 sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng
mặt trời, thân vỏ bằng composite.
Chương 2: Cơ sở tính toán, thiết kế mô hình
Chương 3: Tính toán, thiết kế khung, vỏ và các hệ thống của ô tô thân vỏ
bằng vật liệu composite, sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng điện.
Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến

6. Giới hạn của đề tài
Do thời gian và kinh phí có hạn nên đề tài tập trung tính toán, thiết kế cho một
số bộ phận, hệ thống: Khung, hệ thống phanh, bộ phận điều khiển tốc độ động cơ, hệ
thống truyền lực, các hệ thống còn lại chủ yếu là tính chọn.

4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN 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. Lịch sử phát triển ngành công nghiệp ô tô [13]
Đối với cuộc sống của con người, ô tô là phát minh mang tính cách mạng
trong lịch sử ngành giao thông. 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). Trên
thực tế, sản phẩm này là một chiếc máy kéo ba bánh sử dụng động cơ hơi nước được
dùng trong quân đội. Tuy nhiên, hoạt động của chiếc ô tô ban đầu rất hạn chế, nó chỉ
có thể chạy được liên tục trong vòng 15 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: Ô tô đầu tiên trên thế giới chạy bằng động cơ hơi nước

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 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 1.2: 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 hệ thống khởi động cho xe
chạy xăng, ngành công nghiệp ô tô cuối cùng cũng đã đến tuổi trưởng thành, với số
lượng lớn ô tô được sản xuất bằng dây chuyền lắp ráp của nhà máy sản xuất ô tô của
Henry Ford bởi Henry Ford vào năm 1914. Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã gần

như biến mất do không thể cạnh tranh được với ô tô chạy động cơ đốt trong.
Những năm 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
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 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,…
- Môi trường đang bị ô nhiễm nghiêm trọng: Một trong những nguyên nhân
chính làm môi trường bị ô nhiễm là khí thải từ các phương tiện giao thông (đặc biệt là
ô tô). Ô tô điện là lời giải triệt để cho vấn đề này vì nó 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.
6

Đến 1999, Kelly Hart chế tạo thành công chiếc Sunmobile - ô tô Năng lượng
mặt trời đầu tiên trên thế giới, chiếc xe này sử dụng cả 2 nguồn năng lượng là năng
lượng mặt trời và sức đạp của bàn đạp.
Sunmobile có thiết kế với 4 bánh xe, 2 chỗ ngồi, và bàn đạp xe đạp. Loại pin
được sử dụng là Photovoltaic được lắp ở trên trần xe, vận tốc tối đa 30 km/h và chạy
được quãng đường tối đa là 30 km với pin sạc đầy.

Hình 1.3: Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên (Sunmobile)

Hiện nay, 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 và Brazil, 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.

1.1.2. Tình hình nghiên cứu và phát triển về xe ô tô sử dụng năng lượng điện kết
hợp năng lượng mặt trời
Xe năng lượng mặt trời là xe điện với nguồn điện được
cung cấp từ pin quang
điện qua hấp thu ánh sáng mặt trời và tạo ra dòng điện.

Hình 1.4: Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời của hãng Siemens
7

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.

+ 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.

1.1.2.1. Trên thế giới
1) 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 1.5: 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.
2) 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 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,…

8

3) Nhật Bản
Các hãng ô tô lớn đang lần lượt đưa các mẫu xe thuần điện (pure Evs) ra thị
trường. Nissan với Nissan Leaf, tuy vậy 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, các trường ĐH 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 ĐH 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.
4) 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
9

động (OnLine Electric Vehicle - OLEV). Các sản phẩm xe bus điện thuộc dự án này đang
chạy thử nghiệm rất tốt trong khuôn viên của KAIST và công viên Grand Seoul.
Tại Thượng Hải, Trung Quốc, xe bus điện sử dụng siêu tụ của hãng SINAUTEC đang
gây tiếng vang mạnh mẽ. Siêu tụ được nạp nhanh chóng tại mỗi điểm dừng của xe bus.
1.1.2.2. Tại Việt Nam

1) Xe Năng lượng Mặt Trời của sinh viên ĐH Cần Thơ
Xe được thiết kế theo kiểu 4 bánh khá gọn nhẹ. Với công suất động cơ
2x250W, vận tốc 25km/giờ, xe chở được 2 người (kể cả người lái). Trên mui xe có gắn
3 tấm pin mặt trời. Pin này sẽ hấp thu năng lượng mặt trời, đưa qua bộ điều khiển và
chuyển thành điện một chiều vận hành xe hoạt động.
2) Xe chạy bằng năng lượng mặt trời Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM có khả năng chở tối đa 8 người, vận tốc tối
đa 40km/giờ, xe chạy được (40÷70)km/ngày tùy thuộc vào ánh sáng mặt trời.


Hình 1.7: Xe chạy bằng NLMT của ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM

Hình 1.6: Xe năng lượng mặt trời của sinh viên ĐH Cần Thơ
10

3) Xe sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời của sinh viên ngành
ô tô Đại học Nha Trang:
Sinh viên ngành ô tô Đại học Nha Trang đã chế tạo thành công ô tô sử dụng
năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng điện, chở được 2 người kể cả người lái với
vận tốc gần 30km/h, có thể chạy trung bình gần 4h/ngày ở điều kiện nạp đầy ắc quy và
trời nắng có cường độ chiếu sáng tốt.

Hình 1.8: Ô tô sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng mặt trời
của sinh viên ngành ô tô Đại học Nha Trang
Ngoài ra cũng có thể kể đến sản phẩm ô tô điện mang tính thử nghiệm đã được
nghiên cứu chế tạo bởi các nhà khoa học và những nhà sáng chế không chuyên Việt
Nam như: Ô tô điện 3 bánh của ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - TP HCM (2008),
chở được 3 người, tốc độ 35km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V- 800W, 4 ắc quy khô
12V/50Ah, chạy 40km nạp một lần.
Những thành công bước đầu trong việc chế tạo xe ô tô điện, ô tô sử dụng năng

lượng mặt trời của ĐH Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Cần Thơ, Đại học Nha Trang, nhà
sáng chế Trần Văn Tâm,…rất đáng được khích lệ và biểu dương. Tuy nhiên, những
chiếc xe này được chế tạo với phương pháp thủ công, chưa có hàm lượng khoa học và
quy trình công nghệ.
Trong khi làn sóng nghiên cứu ô tô điện đang nổi lên mạnh mẽ trên thế giới thì
tại Việt Nam, đối tượng này chưa nhận được sự quan tâm thích đáng của các nhà khoa
học, giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách. Ở Việt Nam chưa hề có một
nghiên cứu nào thực sự bài bản, khoa học và mang tính hệ thống về ô tô điện. Chúng ta
cần nhanh chóng đầu tư, triển khai nghiên cứu lĩnh vực này nếu không muốn bị lệ thuộc
vào thế giới.

11

1.2. Công nghệ vật liệu trong chế tạo vỏ ô tô [14]
1.2.1. Công nghệ chế tạo vỏ ô tô hiện nay
Vỏ ô tô thể hiện cá tính của người sử dụng mà còn chứa đựng những công nghệ
tiên tiến hàng đầu trong ngành công nghệ chế tạo ô tô hiện nay. Đó là công nghệ vật
liệu, gia công, lắp ráp, chống ồn, an toàn,…mang lại cảm giác thỏa mái, chắc chắn,
thanh thoát cho người tiêu dùng.
+ Vật liệu truyền thống quan trọng nhất trong thành phần cấu tạo vỏ ô tô là
thép. Sự kết hợp tinh tế giữa thép và các loại vật liệu khác như composite và 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. Tuy nhiên, vật liệu thép làm tăng khối lượng của ô tô dẫn
đến tăng suất tiêu hao nhiên liệu, rất khó định hình (với các loại thép thông thường, có
độ cứng cao) .Vì thế, thành phần thép trong ô tô được cắt giảm đáng kể, việc này đòi
hỏi các nhà khoa học vật liệu nghiên cứu vật liệu thay thế thép thông thường bằng thép
nano có độ cứng vững cao nhưng dễ định hình, tạo thuận lợi cho quá trình gia công để
tạo ra các sản phẩm chất lượng cao.
+ Hợp kim nhôm: Vật liệu nhôm được áp dụng đã cung cấp giải pháp kỹ thuật
lý tưởng, bởi mật độ hạt của nó chỉ bằng một phần ba của thép và đặc biệt là đáp ứng

được các yêu cầu độ bền cơ học và độ cứng cao. Tuy nhiên, giá thành chế tạo đắt gấp
năm lần thép. Song, trong thời gian vừa qua, tỷ lệ nhôm trong thành phần chế tạo của ô
tô đã tăng lên rất nhiều.
+ Vật liệu composite: Sự ra đời của vật liệu Composite khiến các nhà sản xuất
ô tô có thêm nhiều sự lựa chọn hơn. Một trong những vật liệu được quan tâm hàng đầu
hiện nay trong chế tạo vỏ ô tô là sợi các-bon. Các kết quả nghiên cứu thử nghiệm sức
bền vật liệu thu được cho thấy sợi các bon có thể chịu một lực tác động gấp 12 lần so
với thép, độ bền cao gấp 3 lần và nhẹ hơn thép 4 lần.


Hình 1.9: Mô hình thể hiện lực tác dụng
lên vỏ xe khi va chạm phía trước
Hình 1.10: Mô hình thể hiện lực tác dụng
lên vỏ xe khi va chạm sườn
12

Vật liệu này có thể dùng để chế tạo hầu hết các bộ phận của một chiếc ô tô, đặc
biệt là phần vỏ nhằm giảm trọng lượng, tăng độ bền, độ an toàn và tạo kiểu dáng sang
trọng. Bên cạnh các-bon thì titan và ma-giê cũng được đánh giá cao. Nhưng vấn đề chi
phí của những vật liệu này khiến nhiều nhà sản xuất e ngại. Các chuyên gia dự đoán
sau năm 2015, các ứng dụng của sợi các-bon trong ngành công nghiệp ô tô sẽ chiếm
(10÷15)%. Đối với vật liệu mới này vẫn còn nhiều vấn đề cần phải được giải quyết,
đặc biệt trong việc sửa chữa, bảo dưỡng.
- Ứng dụng công nghệ nano: Vật liệu nano với những ưu điểm vượt trội đang
thu hút các hãng sản xuất và ngành công nghiệp phụ trợ ô tô vào cuộc cách mạng mới.
Nhờ có công nghệ nano mà những lớp sơn phủ bóng bên ngoài vỏ ô tô trở nên bền và
đẹp hơn. Sơn nano có khả năng giữ màu và độ bóng cao hơn 40% so với sơn thông
thường. Ngoài ra, vật liệu composite sợi các bon cũng được cải tiến đáng kể, đây là
loại vật liệu không đẳng hướng. Nó chỉ có thể chịu lực tương tác lớn khi lực có hướng
trùng với hướng của chuỗi phân tử, nếu sợi các-bon được thay bằng ống nano các-bon

vật liệu chịu lực tốt hơn
Theo quan điểm của các nhà sản xuất ô tô, mức tiêu thụ nhiên liệu do Chính phủ
Liên bang Hoa Kỳ đặt ra là 54,5 dặm/gallon (tương đương 1l xăng/22km) là quá khắt
khe và khó khả thi, trong khi thời hạn chót cho tiêu chuẩn đó là năm 2025. Nó đồng
nghĩa với việc nguyên vật liệu sản xuất ô tô phải có trọng lượng nhẹ hơn với giá rẻ hơn.
Đây là một thách thức đối với các nhà khoa học, nhà đầu tư trong lĩnh vực ô tô.
Các công nghệ gần đây đã được phát triển như là thép siêu nhẹ (HSS) hay sợi
pôlyme các-bon (CFRP) đã tiêu tốn khá nhiều chi phí cho các nhà sản xuất. Nhu cầu về
một loại vật liệu vừa nhẹ, bền, có khả năng chống chọi va đập phải được cân bằng với
các yêu cầu khác: Dây chuyền sản xuất, nguồn cung cho các loại vật liệu hiện nay,…
+ Vật liệu nhẹ
Ngày nay, trong ô tô, các chi tiết bộ phận làm từ thép chiếm ¾ khối lượng xe,
phần lớn là thép lá nhẹ. Tỷ lệ thép trong vật liệu cũng ngày càng giảm đi theo từng
mẫu xe mỗi năm do thành phần nhôm và phi kim (khoảng 8%) và nhựa (khoảng 11%)
được kết hợp trong những mẫu ô tô đời mới.
Gần đây, chuyên gia hàng đầu của Volkswagen khẳng định: Chúng tôi chọn vật
liệu đúng và đặt nó vào đúng chỗ của nó. Nhưng câu hỏi đặt ra là, vật liệu nào được
gọi là vật liệu “đúng”.