Đồ án nhập môn kỹ thuật Đèn trọng lực.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
*****

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


Mục lục
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
5.1.2 Cơ cấu xoay một chiều............................................................Tr20
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


Trang 1

Lời nói đầu
Năm 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
kĩ sư thực thụ.
Xin cảm ơn thầy Phạm Ngọc Tuấn – Giáo viên hướng dẫn bộ môn “Nhập
môn kĩ thuật” vì những hướng dẫn của thầy trong quá trình thiết kế và thực hiện đồ
án.
Cảm ơn hai bạn Diệp Đại Liên Bảo – sinh viên Trường Cao Đẳng Cao

Thắng và Trần Mai Khiêm – sinh viên Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã giúp
đỡ rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện đồ án.
Nhóm 8, Lớp L04 – “Nhập môn kĩ thuật” K16

1. Giới thiệu nhóm


Trang 2

Thành viên nhóm 8 – Nhập môn kĩ thuật – L04
Giáo viên hướng dẫn: Phó Giáo sư Tiến sĩ Phạm Ngọc Tuấn

Phạm Đăng Duy Vũ

Bùi Đức Thắng

Phan Duy Khương

Phan Nguyễn Nhật Huy

MSSV: 1614174

MSSV: 1613249

MSSV: 1611675

MSSV: 1611317

Lớp: CK16CK03

Lớp: CK16CK04

Lớp: CK16CK04

Lớp: CK16CK04

TT
1

Họ và tên
Phạm Đăng Duy Vũ

MSSV
1614174

ĐT
0969713340

Email
161417
4@hcm
ut.edu.
vn

2

Bùi Đức Thắng

1613249

01668809286

161324
9@hcm
ut.edu.

Nội dung được phân công thực hiện
- Trưởng nhóm. Phân công
công việc.
- Thiết kế hộp số
- Quản lý và đôn đốc về thời
gian
- Cung cấp dụng cụ và không
gian làm việc
- Gia công hộp số
- Nghiên cứu, thiết kế và làm
mạch điện
- Mua vật liệu

Điểm


Trang 3
vn
3

1611317

01654435999

Phan Nguyễn Nhật
Huy
4

1611675
Phan Duy Khương

0961921239

161131
7@hcm
ut.edu.
vn
161167
5@hcm
ut.edu.
vn

-

Cung cấp dụng cụ
Hỗ trợ làm báo cáo
Nghiên cứu chọn vật liệu chế
tạo phần cơ
Thiết kế khung sườn
Design PowerPoint
Trợ giúp thiết kế và gia công
phần cơ
Mua vật liệu
Thủ quỹ

Thư kí. Ghi nhật ký và bài báo
cáo
Trợ giúp thiết kế và thực hiện
phần điện

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


Trang 4

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 giá
thành 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 nổ
Gravity 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 ô
nhiễm, không tốn kém nhiên liệu, an toàn và dễ dàng sử dụng, thiết kế đơn giản với

giá 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


Trang 5

- 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
4.1.1.1 Bánh đai treo vật nặng
Đường kính ngoài: 40 mm
Độ dày: 10 mm

Đường kính lỗ trục: 22 mm
Chất liệu: PMMA
Số lượng: 1


Trang 6

Hính 4.1 Bánh đai treo vật nặng

Hình 4.2 Bản vẽ bánh đai treo vật nặng

4.1.1.2 Bánh đai kéo trả vật nặng
Đường kính bánh giữa: 120 mm
Đường kính bánh ngoài: 140 mm
Độ dày: 15 mm
Đường kính lỗ trục: 22 mm
Chất liệu: PMMA
Số lượng: 1


Trang 7

Hình 4.3 Bánh đai kéo trả vật nặng

Hình 4.4 Bản vẽ bánh đai kéo trả vật nặng

4.1.1.3 Cơ cấu xoay một chiều
Đường kính ngoài: 80 mm
Đường kính trong: 50 mm
Độ dày: 10mm

Đường kính lỗ trục: 22 mm
Kích thước thanh đỡ gắn với bánh răng: 50 x 15 x 10 mm
Đường kính lỗ trục thanh đỡ: 8 mm


Trang 8

Chất liệu: PMMA
Số lượng: 1

Hình 4.5 Trục xoay một chiều

Hình 4.6 Bản vẽ trục xoay một chiều


Trang 9

Hình 4.7 Thanh đỡ xoay một chiều

Hình 4.8 Bản vẽ thanh đỡ xoay một chiều


Trang 10

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)

700 cm (dây kéo trả vật nặng)

Hình 4.9 Dây cước câu cá PE

4.1.1.5 Vật nặng
Chất liệu: Bao chứa đất, đá hoặc cát
Tải trọng: 15 kg


Trang 11

4.1.2 Hệ thống hộp số bánh răng giảm tốc
4.1.2.1 Bánh răng lớn D16PA25
Đường kính ngoài: 172 mm
Đường kính làm việc: 160 mm
Đường kính lỗ trục: 22mm
Góc áp lực: 25 độ
Chiều cao răng: 12 mm
Số răng: 32
Độ dày: 10 mm
Chất liệu: PMMA
Số lượng: 2

Hình 4.10 Bánh răng lớn D16PA25

Hình 4.11 Hình dựng vector bánh răng lớn D16PA25


Trang 12

4.1.2.2 Bánh răng lớn D16PA15
Đường kính ngoài: 166mm
Đường kính làm việc: 160 mm
Đường kính lỗ trục: 22 mm
Góc áp lực: 15 độ
Chiều cao răng: 6 mm
Số răng: 64
Độ dày: 10 mm
Chất liệu: PMMA
Số lượng: 3

Hình 4.12 Bánh răng lớn D16PA15

Hình 4.13 Hình dựng vector bánh răng lớn D16PA15


Trang 13

4.1.2.3 Bánh răng nhỏ D05PA25
Đường kính ngoài: 62 mm
Đường kính làm việc: 50 mm
Đường kính lỗ trục: 22 mm
Góc áp lực: 25 độ
Chiều cao răng: 12mm
Số răng: 10
Độ dày: 20 mm
Chất liệu: PMMA
Số lượng: 2

Hình 4.14 Bánh răng nhỏ D05PA25

Hình 4.15 Hình dựng vector bánh răng nhỏ D05PA25


Trang 14

4.1.2.4 Bánh răng nhỏ D05PA15
Đường kính ngoài: 56 mm
Đường kính làm việc: 50 mm
Đường kính lỗ trục: 22 mm
Góc áp lực: 15 độ
Chiều cao răng: 6 mm
Số răng: 20
Độ dày: 20 mm
Chất liệu: PMMA
Số lượng: 4

Hình 4.16 Bánh răng nhỏ D05PA15

Hình 4.17 Hình dựng vector bánh răng nhỏ D05PA15


Trang 15

4.1.2.5 Bạc đạn SM 608
Loại: Bạc đạn đỡ chặn tiếp xúc
Đường kính ngoài: 22 mm
Đường kính trong: 8 mm
Độ dày: 7 mm
Số lượng: 30

Hình 4.18 Bạc đạn đỡ chặn tiếp xúc


Trang 16

4.1.3 Trục và khung sườn
4.1.3.1 Trục
Chiều dài: 230 mm
Đường kính: 8 mm
Chất liệu: Inox 201
Số lượng: 2
4.1.3.2 Khung sườn
Kích thước: 200 x 150 x 15 mm
Chất liệu: Gỗ
Số lượng: 2

Hình 4.19 Bản vẽ khung sườn

4.1.3.3 Hệ thống treo
Gồm hai thanh thép được hàn thành hình chữ U nối với 2 móc treo
Chất liệu: Thép
Độ dày: 2mm
Kích thước: 150 x 140 x 20 mm
Số lượng: 2


Trang 17

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
Dòng có tải 5 - 12A
Đường kính thân: 36mm
Chiều dài thân: 58mm
Chiều dài tổng: 77mm
Đường kính trục: 3.17mm
Chiều dài trục: 10mm.

Hình 4.20 Motor RS555

Số lượng: 2
4.2.2 Mạch tăng áp:
Mạch boost converter DC – DC
Điện áo dầu vào: 0.9 – 5V

Hình 4.20 Motor RS555

Điện áp đầu ra: 5 V
Dòng điện hoạt động: 600mA
Số lượng: 1
Tụ điện
Điện dung: 100uF và 4700µF

Hình 4.21 Mạch tăng áp

Điện áp định mức: 16 và 25V
Số lượng: 1 tụ 4700µF và 2 tụ 100µF

Hình 4.22 Tụ điện


Trang 18

4.2.3 LED:
Đường kính: 5mm (Ф5)
Điện áp: 3.5 đến 4.5V
Dòng: 15 đến 20 mA
Độ sáng: A1 mcd
Góc nhìn: 155 độ (±5%)
Khoảng nhìn rõ: 5m - 50m
Tuổi thọ > 50.000 giờ sử dụng
Số lượng: 3
5. Phân tích
5.1 Phần cơ
5.1.1 Hệ thống treo vật nặng

Hình 4.23 LED

Để đèn sáng trong vòng 10 - 12 phút với độ cao treo vật là 1.8 m, tốc độ quay của
bánh đai treo vật nặng liên hệ với đường kính qua công thức:

Trong đó
(Vòng/ phút)
D: Đường kính bánh đai (cm)
Từ đó , ta thiết lập được bảng liên hệ:
Đường kính bánh đai (cm)

Tốc độ quay cần đạt

4
5
6
7

1.19
0.95
0.79
0.68

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


Trang 19

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

Trong đó:
F: Lực cần để giữ vật nặng không bị tuột trên trục (N)
f: Lực căng dây treo vật (N)
: Hệ số ma sát giữa dây với trục
: Góc quấn (rad)
Để dây treo vật không bị tuột ta tăng số vòng dây quấn lên nhiều lần ( 20 – 30

vòng) và cố định một đầu dây vào trục.
Bánh đai lớn để kéo vật đi lên có đường kính lớn hơn đường kính của bánh đai treo
vật, giúp giảm lực cần để kéo vật đi lên theo công thức:

Trong đó:
F: Lực cần dùng để kéo vật nặng đi lên (N)
P: Trọng lượng của vật nặng (N)
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 riêng
nên 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


Trang 20

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


Trang 21

Hình 5.2 Cơ cấu xoay một chiều xoay theo chiều thuận

5.1.3 Hệ thống hộp số bánh răng tăng tốc
Tỉ số truyền của hệ thống cần đạt là
Với chất liệu PMMA, bạc đạn đường kính ngoài 22mm, kích thước bánh răng nhỏ
nhất có thể đạt được mà không bị gãy khi vận hành là 50 mm.
Từ những số liệu đó, hệ thống hộp số được thiết lập như sau:


Trang 22

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 tăng
khả 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 kích
thước 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.