Đồ án: Chế tạo thân vỏ, hệ thống treo và lái cho xe điện đô thị cỡ nhỏ

Tài liệu đồ án tốt nghiệp chế tạo thân vỏ, hệ thống treo, lái cho xe điện đô thị. Phân tích chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và ứng dụng.

• Tác giả: Nguyễn Văn Thân
• Người hướng dẫn: Gv.ThS Vũ Đình Huấn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thân vỏ xe, hệ thống treo, lái cho xe điện đô thị cỡ nhỏ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án xe điện đô thị

Đồ án xe điện đô thị cỡ nhỏ là một nghiên cứu toàn diện về việc thiết kế và chế tạo phương tiện điện hiện đại cho các thành phố Việt Nam. Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên bức thiết và tắc đường giao thông làm ảnh hưởng đến kinh tế đô thị, xe điện đô thị cỡ nhỏ được xem là giải pháp bền vững. Đề tài này tập trung vào ba hệ thống chính: thân vỏ xe, hệ thống treo và hệ thống lái, những yếu tố quyết định tính an toàn, tiện nghi và thẩm mỹ của phương tiện. Thông qua nghiên cứu này, sinh viên Khoa Cơ khí Động lực Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ ô tô điện vào nhu cầu thực tế của thành phố.

1.1. Bối cảnh phát triển xe điện tại Việt Nam

Nhu cầu sử dụng xe điện đô thị ngày càng tăng do nhận thức về bảo vệ môi trường và giải quyết bài toán giao thông. Các trang thiết bị trên ô tô điện ngày nay hiện đại và hoàn thiện, đáp ứng yêu cầu độ tin cậy và an toàn cho người sử dụng. Sự phát triển của công nghệ pin, động cơ điện và hệ thống điều khiển đã tạo điều kiện cho sự ra đời của những mẫu xe điện phục vụ nhu cầu đô thị.

1.2. Mục tiêu và ý nghĩa đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo các hệ thống cơ khí của xe điện phù hợp với điều kiện giao thông đô thị Việt Nam. Việc tối ưu hóa thân vỏ xe, hệ thống treo và lái giúp nâng cao tính tiện nghi, độ êm dịu và an toàn cho người sử dụng, góp phần giảm ô nhiễm khí thải tại các khu vực đô thị.

II. Thiết kế và chế tạo thân vỏ xe điện

Thân vỏ xe là thành phần quan trọng chịu trách nhiệm bảo vệ hành khách và cấu thành hình dạng thẩm mỹ của phương tiện. Trong đồ án, thiết kế thân vỏ được thực hiện dựa trên nhu cầu sử dụng thực tế của xe điện đô thị cỡ nhỏ. Thân vỏ bao gồm ba khoang chính: khoang động cơ (bộ pin và đơn vị điều khiển), khoang hành khách (không gian ngồi thoải mái), và khoang hành lý (chứa vật dụng). Quá trình chế tạo sử dụng vật liệu nhẹ nhưng bền vững như composite và nhôm hợp kim để giảm khối lượng, từ đó tăng hiệu suất pin. Các yêu cầu về an toàn va chạm, khí động học và tiêu dùng năng lượng được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế. Kết quả là một thân vỏ xe vừa đáp ứng tiêu chuẩn an toàn quốc tế vừa tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

2.1. Các yêu cầu thiết kế thân vỏ xe

Thân vỏ xe điện phải đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật khắt khe: chịu lực, chống va đập, khí động học tốt, và thẩm mỹ hiện đại. Ngoài ra, độ cứng vỏ phải đủ để đảm bảo an toàn hành khách trong các tình huống khẩn cấp. Vật liệu được chọn phải có độ bền cao, nhẹ và tái chế được để thân thiện với môi trường.

2.2. Quy trình chế tạo và kiểm định

Quá trình chế tạo thân vỏ được thực hiện theo các bước: thiết kế CAD 3D, chế tạo khuôn mẫu, gia công và lắp ráp các bộ phận. Mỗi bộ phận được kiểm định chất lượng để đảm bảo độ chính xác và an toàn. Kiểm tra va chạm và phân tích cấu trúc được tiến hành để xác nhận tính an toàn của sản phẩm cuối cùng.

III. Hệ thống treo và độ êm dịu của xe

Hệ thống treo là một trong ba thành phần chính quyết định chất lượng lái xe và độ êm dịu. Hệ thống này kết nối bánh xe với thân vỏ, hấp thụ chấn động từ mặt đường và duy trì ổn định xe trong các tình huống lái khác nhau. Đối với xe điện đô thị cỡ nhỏ, hệ thống treo được thiết kế với độ cứng phù hợp và hành trình giảm chấn tối ưu để cân bằng giữa êm dịu và kiểm soát. Tính toán lực treo, tần số dao động và hệ số giảm chấn được tiến hành chi tiết dựa trên trọng lượng xe và điều kiện đường bộ đô thị. Các loại treo phổ biến như MacPherson hoặc độc lập hai cạnh được đánh giá để chọn phương án phù hợp nhất. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một hệ thống treo hiệu quả vừa đảm bảo an toàn lái xe vừa cung cấp trải nghiệm êm dịu cho hành khách.

3.1. Các thông số tính toán hệ thống treo

Tính toán hệ thống treo bao gồm xác định độ cứng lò xo, hệ số giảm chấn và chu kỳ dao động tự nhiên. Các thông số này được tính dựa trên trọng lượng tối đa của xe và điều kiện sử dụng đô thị. Phân tích động lực được sử dụng để kiểm tra phản ứng của treo trước các xung động từ mặt đường, đảm bảo ổn định xe trong các tình huống cắt ngang hoặc phanh gấp.

3.2. Lựa chọn và tối ưu loại treo

Dựa trên phân tích so sánh các loại treo khác nhau, nhóm nghiên cứu đã chọn loại treo độc lập hai cạnh vì độ êm dịu tốt và không gian bên trong lớn. Tối ưu hóa được tiến hành bằng phần mềm mô phỏng để đạt được cân bằng hoàn hảo giữa an toàn và tiện nghi cho người sử dụng xe điện đô thị.

IV. Hệ thống lái và kiểm soát xe điện

Hệ thống lái là yếu tố quan trọng để đảm bảo kiểm soát xe an toàn và chính xác. Đối với xe điện đô thị cỡ nhỏ, hệ thống lái được thiết kế để mang lại phản hồi tốt cho tài xế và khả năng điều khiển dễ dàng. Các thông số chính bao gồm tỷ số truyền lái, khoảng cách trục bánh xe (wheelbase), và góc lái tối đa. Trong đề tài, tính toán hệ thống lái được thực hiện dựa trên điều kiện giao thông đô thị - nơi có nhiều vòng cua, đỗ xe, và yêu cầu khả năng điều khiển tốt. Lực tác động lên vô lăng được tính toán để đảm bảo không gây mệt mỏi cho tài xế ngay cả trong điều kiện lái thường xuyên. Ngoài ra, đường kính quay vòng (turning radius) được tối ưu hóa để xe có thể qua các đoạn đường chật hẹp của thành phố. Hệ thống lái điện trợ lực có thể được áp dụng để tăng tiện nghi và giảm năng lượng tiêu thụ từ pin.

4.1. Tính toán các thông số lái

Tính toán hệ thống lái bao gồm xác định tỷ số truyền, độ nhạy lái và mô men lực cần thiết. Góc lái tối đa được tính toán để đảm bảo khả năng quay vòng tốt trong không gian đô thị hạn hẹp. Phân tích kiểu cơ học được sử dụng để xác định đặc tính ackermann - yêu cầu thiết yếu cho lái xe ổn định.

4.2. Ứng dụng lái trợ lực điện

Hệ thống lái trợ lực điện được áp dụng để tăng tiện nghi lái xe và tiết kiệm năng lượng pin. So với lái trợ lực thuỷ lực truyền thống, lái trợ lực điện kích hoạt chỉ khi cần, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng. Tính toán công suất của động cơ trợ lực được thực hiện để đảm bảo phản hồi lái tự nhiên và an toàn cho người lái.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Mục đích, ý nghĩa đề tài Ngành công nghiệp Ô tô trên thế giới hiện nay đang phải đáp ứng những yêu cầu khắc khe về tiêu chuẩn khí thải, điều đó dẫn đến cuộc chạy đua của các nhà sản xuất ô tô theo hướng phát triển tìm năng lượng sạch cho ô tô. Trong đó, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện, tiếp theo là ô tô Hybrid (ô tô lai) và ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua là ô tô chạy bằng pin nhiên liệu (Fuel cell).

Vậy lý do tại sao ô tô điện được các nhà sản xuất mạnh dạn đầu tư sản xuất và có tốc độ phát triển vượt bậc? “Lý do chính là nhờ vào sự phát triển của pin lithium – ion, do đó giá pin đã giảm mạnh … Giá xe điện cũng giảm theo, phù hợp với nhiều người hơn … Bên cạnh đó, xe điện sử dụng ít linh kiện hơn giúp giảm chi phí bảo trì, giá năng lượng cũng thấp hơn nhiều nên việc người dùng lựa chọn ô tô điện là điều dễ hiểu”. Tại Việt Nam, theo bài Báo cáo hiện trạng môi trường Quốc gia năm 2016, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã chỉ ra rằng: Trong tổng lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường không khí đô thị thì khí thải từ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ chiếm vị trí hàng đầu. Lý giải căn nguyên của vấn đề trên, các chuyên gia cho rằng các phương tiện giao thông cơ giới sử dụng xăng và dầu Diesel làm nhiên liệu, do trong quá trình đốt cháy nhiên liệu của động cơ, cộng với chất lượng của phương tiện cũng như chất liệu của nhiên liệu và việc sử dụng quá nhiều phương tiện cá nhân đã dẫn tới phát sinh nhiều loại khí độc như: CO, NOx, SO2, …. Do đó, việc sử dụng ô tô điện cỡ nhỏ trong đô thị là rất hợp lý để giải quyết các vấn đề trên.

Thế nhưng, trong khi thế giới đã có những bước tiến lớn trong công nghệ chế tạo ô tô điện, Việt Nam cho đến nay vẫn đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này. Nếu không nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta lại tiếp tục bị lệ thuộc vào thế giới. Cần phải nhận thức rằng: Ô tô điện trên thế giới đang trong quá trình nghiên cứu, phát triển; còn rất nhiều vấn đề mà chúng ta có thể nghiên cứu song hành cùng thế giới. Các hãng ô tô đưa ra các mẫu xe thương phẩm không có nghĩa đó đã là những sản phẩm hoàn thiện.

Lịch sử phát triển công nghệ nói chung và ô tô nói riêng cho thấy từ lúc một sản phẩm mới được giới thiệu tới khi nó (tạm) hoàn chỉnh về công nghệ (bão hòa về nghiên cứu) là cả một khoảng thời gian dài. 1 Do đó, đề tài “Nghiên cứu chế tạo thân vỏ xe, hệ thống treo, lái cho xe điện đô thị cỡ nhỏ” được ra đời nhằm khảo sát tính khả thi của xe điện phục vụ nhu cầu di chuyển trên những quảng đường ngắn trong Thành phố, tạo điều kiện phát triển và chế tạo ra một kiểu ô tô điện phù hợp với cấu trúc hạ tầng giao thông và nhu cầu sử dụng của người dân Việt Nam ở quy mô lớn hơn. Góp phần giảm ùn tắt giao thông đô thị, giảm ô nhiễm môi trường và tạo vẻ mỹ quan, văn minh đô thị. Xu hướng phát triển ô tô trên Thế giới và Việt Nam Hiện nay, sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu.

Mặt khác không những trong tương lai mà hiện nay nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá nhiên liệu tăng cao. Ngày nay xe chạy bằng dầu diezel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường dẫn đến tình trạng ách tắc giao thông gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính. Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay, do đó ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo cải thiện tối ưu quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, ô tô Hybrid, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời,. Xu hướng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp như sau: 1.

Công nghệ Diesel “sạch” Phương pháp thiết kế động cơ diesel sạch (CDC – Clean Diesel Car) xoay quanh một loạt mẫu thiết kế thay đổi động cơ diesel truyền thống nhằm làm giảm lượng khí NOx sinh ra, duy trì những ưu điểm và cải thiện một cách hiệu quả động cơ diesel. Bản chất của công nghệ CDC là phát triển khả năng khống chế lượng NOx sinh ra trong quá trình cháy của động cơ. Lượng NOx sinh ra được giảm đi đáng kể trong buồng đốt của động cơ nhưng không hề ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Những nghiên cứu ban đầu đã chứng minh được rằng với thiết kế mới của động cơ diesel, lượng NOx sinh ra bên trong xi lanh thấp hơn rất nhiều so với mức thông thường trong công nghiệp.

2 Những giải pháp được sử dụng trong công nghệ CDC: - Sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu tăng áp bằng thủy lực để giảm muội than và giảm lượng khói sinh ra, tăng hiệu suất của động cơ. - Hệ thống tăng áp: Tăng công suất của động cơ và tăng hiệu quả của quá trình cháy, như vậy làm giảm lượng khí cháy sinh ra và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. - Khí xả có áp suất thấp: nhiệt độ cực đại là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ diesel, do vậy sự hình thành khí NOx sẽ giảm đi nếu giảm bớt nhiệt độ buồng cháy. - Muội than đã qua xử lý: giảm bớt lượng khói thừa và lượng Hydro Carbon (HC) không cháy hết, CO trong khí xả giảm thiểu, do vậy phù hợp tiêu chuẩn đặt ra trong tương lai.

Những thách thức mà công nghệ này phải đối mặt đó là giảm lượng khí thải sinh ra trực tiếp từ động cơ, chứng minh được sự thiết thực của việc áp dụng công nghệ này trên thực tiễn thế giới, giữ được giá trị, mức độ bền vững, từng bước tiếp cận những tiêu chuẩn chặt chẽ về khí thải những quốc gia phát triển. Sử dụng các nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong Trong bối cảnh về sự ô nhiễm môi trường khiến động cơ đốt trong ngày càng phải thay đổi cải thiện hơn nữa nếu không muốn bị biến mất trong tương lai. Một trong những điều phải làm với động cơ đốt trong là phải tìm ra nhiên liệu thay thế cho xăng và diesel hiện tại, thân thiên với môi trường. Nhiên liệu thay thế được phân loại như sau:  Nguồn hóa thạch - Cồn Ethanol: Là nhiên liệu cho ô tô, xe máy, ethanol được sử dụng ở hai dạng: dạng nhiên liệu ethanol nguyên chất và dạng ethanol pha với xăng (xăng sinh học).

Ethanol là nhiên liệu dạng lỏng, không màu, trong suốt, dễ cháy.Ethanol được dùng như phụ gia cho xăng, với mục đích tăng chỉ số octan và giảm khí thải hiệu ứng nhà kính. Ethanol tan trong nước và phân hủy sinh học được. Hầu hết các loại động cơ thông thường có thể dùng xăng pha cồn với nồng độ cồn tối đa là 24%. Đối với 3 các loại động cơ hiện đại nhất hiện nay, ví dụ như dạng động cơ FFV (flexible fuel vehicle), hỗn hợp "cồn pha xăng" với tỷ lệ cồn lên đến 85% (hay còn gọi là nhiên liệu E85) có thể được sử dụng.

Trên thế giới hiện nay đã có các loại xe sử dụng E85 được sản xuất. Brazil hiện nay là quốc gia có nhiều tham vọng nhất về việc sử dụng nhiên liệu động cơ từ nguồn gốc sinh học này. Ethanol hẳn nhiên có tác động môi trường tích cực hơn rất nhiều so với xăng thông thường, trong cả phương diện cơ sở sản xuất và tiêu thụ (đốt trong động cơ).Các nhà máy sản xuất Ethanol thải ra ít hơn các chất khí hiệu ứng nhà kính như CO2, CH4. Hỗn hợp xăng pha cồn 10%, hay còn gọi là E10, thải ra ít khí hiệu ứng nhà kính hơn xăng thông thường đến 26%.

Theo tính toán của ORNEL, sử dụng 1 tấn nhiên liệu Ethanol sẽ giảm được 2,3 tấn CO2 và các khí thải độc hại khác. Brazil và Mỹ hiện là 2 hai quốc gia tiên phong về sản suất Ethanol ở quy mô lớn, bỏ xa các nước còn lại như các nước thuộc Cộng đồng Châu Âu, Argentina, Kenya. Sản lượng Ethanol trên thế giới hiệu nay là 20-21 tỷ lít/năm.Mỹ vẫn dẫn đầu về thị trường tiêu thụ, sau đó đến EU và Brazil. Một số quốc gia khác cũng đang lên kế hoạch sản xuất nhiên liệu Ethanol ở qui mô nhỏ như Mexico, Ấn Độ, Colombia.

Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính. - Khí thiên nhiên (CNG): Là nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường vì khi sử dụng làm nhiên liệu giúp làm giảm đến 20% lượng CO2, 30% lượng NOx, 70% SOx so với các nhiên liệu từ dầu. Khi sử dụng trong động cơ, CNG cũng làm giảm đến 50% lượng hydrocarbon thải ra so sánh với động cơ xăng. - Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG): Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để chạy ô tô.

Ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi trường nó còn có lợi thế về sự thuận tiện trong chuyển đổi hệ thống nhiên liệu. Việc chuyển đổi ô tô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể được thực hiện theo ba hướng: Sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và LPG (dual fuel). 4  Nguồn tái tạo - Khí sinh học (Biogas): Là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ. Methane cũng là một khí tạo ra hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần hơn khí carbonic (CO2).