Chương 1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài “nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai” là một đề tài theo hướng công nghệ chế tạo xe thực tế theo yêu cầu; Hiện nay, ngành ô tô nước ta chỉ dừng lại trong việc khai thác và bảo trì, chưa có nhiều tài liệu nghiên cứu tính toán các thông số để thiết kế, chế tạo ô tô, đặc biệt là ô tô lai. Vì vậy, đề tài là việc nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD để thiết kế, tính toán bền cho khung xe lai. Bên cạnh đó, việc kết hợp thêm với công cụ mô phỏng như Carsim giúp nhóm có thể kiểm chứng các thiết kế và tính toán củ mình có phù hợp với thực tế chế tạo không? Đối tượng nghiên cứu trực tiếp của đề tài là xe lai xăng- điện, phần mềm Carsim và phần mềm Solidworks để hỗ trợ trong quá trình thiết kế, tính toán bền khung xe.
Do điều kiện thời gian và tài liệu tham khảo có hạn, trong phạm vi đề tài này người nghiên cứu chỉ tính toán, thiết kế khung xe để gắn động cơ xăng và mô tơ điện. Ở đây, nhóm nghiên cứu sẽ tính toán tối ưu theo thông số thiết kế theo yêu cầu đặt ra cho xe lai 4 chỗ vận hành trong điều kiện thành phố. Từ kết quả đó, ta có thể làm cơ sở để chúng ta mở rộng tính toán, thiết kế, chế tạo cho tất cả các loại ô tô lai theo yêu cầu cụ thể. Hệ thống xe lai hiện nay đang là xu hướng phát triển mạnh mẽ trên thế giới, nhưng tại Việt Nam có rất ít nghiên cứu đề cập đến.
Để theo kịp sự phát triển về công nghệ, đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai xăng – điện giúp nhóm nghiên cứu có cở sở kiểm nghiệm các tính toán, thiết kế lý thuyết, tạo sản phẩm để tiếp tục cho các nghiên cứu về xe lai sau này. Với nội dung nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu lý thuyết các kiểu truyền động sử dụng trên xe lai. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết thiết kế khung xe. - Nghiên cứu lý thuyết về tính toán, mô phỏng bằng simulink/Matlab.
- Thực hiện chương trình tính toán mô phỏng xe lai. - Thực hiện chế tạo xe lai theo bảng thiết kế - Thực hiện chạy thử, thực nghiêm hiệu chỉnh, hoàn thiện xe. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận - Tiếp cận bằng lý thuyết: đề tài dựa trên phân tích hệ thống điều khiển xe lai thực tế, các tính toán thiết kế hệ thống xe lai bằng phần mềm chuyên ngành. - Tiếp cận bằng mô phỏng: trên cơ sở lý thuyết, tiến hành mô hình hoá và tính toán mô phỏng số để tối ưu hoá hệ thống quản lý năng lượng.
Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu phân tích và tổng hợp lý thuyết - Phương pháp mô hình hoá - Phương pháp thiết kế - Phương pháp chế tạo - Phương pháp điều tra 1 Luan van 3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Trong thời đại mà quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hóa đang diễn ra ở mọi nơi trên toàn cầu như ngày nay, nhu cầu về năng lượng là vô cùng to lớn. Chính vì thế, việc tiết kiệm nhiên liệu, năng lượng, đảm bảo an toàn về môi trường luôn là yêu cầu hàng đầu được đặt ra cho mỗi quốc gia và mỗi ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô vốn luôn yêu cầu phải thay đổi từng ngày.
Giải pháp được đưa ra chính là kết hợp một cách linh hoạt giữa động cơ đốt trong, động cơ điện và các thành phần giúp bảo tồn và chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả, giảm ô nhiễm môi trường. Xe lai xe lai xăng - điện ra đời như một cứu cánh để giải quyết vấn đề đó; vừa tiết kiệm nhiên liệu, ít gây ô nhiễm môi trường và có phạm vi hoạt động rộng. Xe Hybrid đang là hướng đi cho tương lai của các hãng xe trên thế giới nhằm đến việc cắt giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thân thiện với môi trường. Dòng xe này rất được ưa chuộng trên thế giới nhưng tại Việt Nam mới chỉ xuất hiện ở một vài mẫu xe như Toyota Prius, Lexus RX450h, Lexus LS600h L, Honda CR- Z.
Không còn dừng ở các nghiên cứu hay xe thí nghiệm nữa, mà hầu hết các Hãng xe trên thế giới đều có những chiếc xe chiến lược của mình bằng xe lai (hybrid) ở hầu hết các phân khúc khác nhau. Hiện nay không chỉ những mẫu xe thành thị sử dụng hệ truyền động Hybrid mà còn có những siêu xe hàng đầu, những mẫu SUV cỡ lớn cũng sử dụng hệ truyền động Hybrid như Ferrari Laferrari, Maclren P1, Cadillac Escalade, Porsche Cayenne. Số lượng tiêu thụ xe lại trên thế giới ngày càng hầu như không kém gì với xe truyền thống. Sau hơn 20 năm kể từ khi Toyota Prius chính thức ra mắt, hãng xe Nhật đã bàn giao cho khách hàng tổng cộng 15 triệu xe hybrid.
Trong đó, gần 20% (2,8 triệu phương tiện) được tiêu thụ tại châu Âu. Anh Quốc là một trong những thị trường chính của Toyota. Tính đến cuối tháng 3/2020, nhà sản xuất đã bán ra 356 nghìn xe hybrid, chiếm khoảng 2/3 (66,1%) lượng xe mới của Toyota ở quốc gia này. Đến nay, với hơn 15 triệu xe hybrid bán ra trên toàn cầu, Toyota ước tính hãng đã góp phần giảm 120 triệu tấn khí thải CO2 so với việc cung cấp các dòng xe tương tự sử dụng động cơ xăng.
Toyota nhận định: Xe hybrid là một phần quan trọng trong danh mục sản phẩm của tập đoàn trong tương lai, bên cạnh xe thuần điện, xe plug-in hybrid và xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Riêng tại châu Âu, nhà sản xuất dự kiến sẽ giới thiệu 40 mẫu xe mới hoặc được nâng cấp với hệ truyền động điện từ nay đến năm 2025, bao gồm ít nhất 10 mẫu xe “không khí thải” như xe thuần điện hoặc xe chạy bằng hydro. Tại Việt Nam, năm 2008, ông Trần Văn Tâm sống tại Củ Chi - thành phố Hồ Chí Minh đã tự nghiên cứu và chế tạo xe điện 3 bánh có sức chở 3 người, tốc độ 35 km/h, sử dụng động cơ một chiều 48V - 800W, 4 ắc quy 12V/50 Ah, chạy 40 km nạp một lần. Đây là thành công đáng khích lệ đối với một nhà sáng chế nghiệp dư, tuy nhiên những chỉ tiêu chất lượng của xe còn thấp, không thể sản xuất hàng loạt.
Bên cạnh những chế tác nghiệp dư cũng có những xe điện là sản phẩm từ công trình nghiên cứu khoa học của sinh viên và giảng viên một số trường đại học. Năm 2005, nhóm sinh viên K29 khoa Cơ khí trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo một xe điện chạy bằng 2 Luan van pin năng lượng mặt trời. Xe có tải trọng 120 kg, tốc độ 25 km/h, sử dụng 2 động cơ một chiều 250 W, nguồn gồm 2 ắc quy nối với tấm pin mặt trời. Việc sử dụng năng lượng mặt trời để nạp điện cho ắc quy mà một hướng đi đáng ghi nhận, tuy vậy nó chưa thể được sử dụng cho ô tô điện.
Đến năm 2009, một xe điện tải trọng 2 tấn, tốc độ 10 km/h sử dụng 2 động cơ một chiều được chế tạo bởi nhóm giảng viên Học viện Kỹ thuật Quân sự nhưng xe này có tốc độ rất thấp, không phù hợp cho ứng dụng giao thông. Như vậy, trong hầu hết các nghiên cứu tại Việt Nam, xe lai hầu như không được đề cập và nghiên cứu một cách bài bản. Trong khi thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi loại xe này vì tính ưu việt của nó so với xe truyền thống cũng như xe điện. Việt Nam đến nay vẫn đứng ngoài dòng chảy của xu thế tất yếu này.
Nếu không nhanh chóng triển khai nghiên cứu, nước ta sẽ lại tiếp tục bị lệ thuộc vào nước ngoài Hiện nay, ở Việt Nam chúng ta chỉ dừng lại ở việc khai thác, bảo trì, chẩn đoán, sửa chữa mà chưa có nhiều nghiên cứu đề câp đến việc thiết kế, chế tạo hay cải tiến tối ưu bỡi chúng ta thiếu các phòng thí nghiệm, thiếu mô hình thực tế để thực nghiệm. Với sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán, thiết kế hiện nay, nhóm nghiên cứu mạnh dạng đề xuất thực hiện các tính toán và thiết kế, mô phỏng hoạt động trước khi thiết kế, chế tạo sản phẩm thật. Nhóm nghiên cứu kết hợp nhiều phần mềm như Solidworks, Carsim, Matlab để thực hiện tính toán, thiết kế, mô phỏng, dựa vào kết quả đó, nhóm chế tạo xe lai thực tế. Những vấn đề còn tồn tại Hiện nay, trong các nghiên cứu của các chuyên gia nước ngoài thì các tính toán mô phỏng được ứng dụng rất rộng rãi cho việc nghiên cứu, tuy nhiên ở Việt Nam chưa có nhiều công trình thực hiện việc tính toán mô phỏng cho xe lai xăng điện.
Vì vậy, tuy có một số công trình đã chế tạo thử xe lai nhưng hoàn toàn ở dạng tự phát, thiếu các công trình tính toán lý thuyết, chứng minh. Đặc biệt là các chiến thuật cho bộ điều khiển phân phối lực kéo và bộ điều khiển thu hồi năng lượng phanh. Do đó, các xe lai chưa đạt đến trạng thái tối ưu khi kéo cũng như hiệu quả thu hồi năng lượng phanh chưa đạt mức tối đa. Với đề tài này, người nghiên cứu hy vọng nó cơ sở để chúng ta tiếp tục tính toán xây dựng được các chiến thuật điều khiển tối ưu cho xe lai, bảo đảm các thành phần chính như động cơ, mô tơ, máy phát và ắc qui đều được vận hành trong vùng tối ưu nhất có thể.
Do đó đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển những mẩu xe lai nhằm thỏa mãn nhu cầu của người dân và điều kiện hạ tầng ở Việt Nam, tạo tiền đề cho việc phát triển những dòng xe lai ở Việt Nam trong tương lai. 3 Luan van Chương 2. Lý thuyết về khung chịu tải 2. Vai trò của khung chịu tải Khung sườn chịu tải hay còn được gọi là khung gầm là bộ phận đóng vai trò rất quan trọng trên xe.
Nó là bộ phận liên kết thân vỏ với hệ thống treo, chịu tất cả các tải trọng đặt lên và định hình thiết kế của xe. Hiện nay có nhiều kiểu kết cấu khung sườn được sử dụng cho các dòng xe như khung sườn chịu tải hình thang, khung chịu tải liền khối, khung xương sống, … Trong đó, hai kiểu thiết kế được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là khung hình thang (Body- on-frame) và khung liền khối (Unibody).