Nghiên cứu thiết kế chế tạo xe lai tại HCMUTE

• Tác giả: Huỳnh Quốc Việt
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Quốc Việt
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ KHUNG CHỊU TẢI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên cứu xe lai tại HCMUTE Tổng quan về đề tài

Đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe lai tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào nghiên cứu xe lai và thiết kế xe lai. Nghiên cứu phát triển xe lai được thực hiện dựa trên mô hình xe lai, sử dụng phần mềm chuyên dụng như Solidworks và Carsim. Đề tài hướng đến mục tiêu chế tạo xe lai thực tế, cụ thể là một xe lai 4 chỗ xăng - điện. Đây là một đóng góp đáng kể, bởi việc nghiên cứu xe lai và thiết kế xe lai tại Việt Nam còn hạn chế. Đề tài đã tạo ra sản phẩm là một bài báo quốc tế về chiến lược phanh tái sinh thông minh cho xe lai hybrid. Ứng dụng công nghệ xe lai trong sản phẩm này thể hiện sự tiên phong.

1.1 Mục tiêu và tính mới của đề tài

Mục tiêu chính là nghiên cứu xe lai xăng - điện, thiết kế xe lai và chế tạo xe lai. Công nghệ xe lai được ứng dụng thông qua việc tích hợp động cơ xăng và động cơ điện. Tính mới nằm ở việc kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết về cơ sở lý thuyết thiết kế khung xe, mô phỏng xe lai (bằng Carsim và Matlab) và chế tạo xe lai thực tế. Việc sử dụng phần mềm như Solidworks cho phép thiết kế khung xe lai chính xác và hiệu quả. Kết quả là một xe điện lai 4 chỗ hoàn chỉnh, chứng minh tính khả thi của phương pháp này. Đây là một đóng góp quan trọng vào nghiên cứu và phát triển xe lai tại Việt Nam. Đề tài cũng đã công bố kết quả trên tạp chí quốc tế, nâng cao uy tín nghiên cứu xe lai của HCMUTE.

1.2 Kết quả nghiên cứu và sản phẩm

Đề tài đã đạt được nhiều kết quả đáng kể. Mô hình tính toán các thành phần của xe lai xăng - điện được xây dựng. Thiết kế khung xe lai được thực hiện bằng Solidworks, đảm bảo độ bền. Thành công lớn nhất là chế tạo xe lai 4 chỗ ngồi hoạt động được. Sản phẩm bao gồm một bài báo quốc tế, một bản thuyết minh đề tài và chính chiếc xe lai đã chế tạo. Xe lai hybrid HCMUTE này không chỉ là một thành tựu nghiên cứu mà còn là một mô hình thực tế cho việc giảng dạy và nghiên cứu sau này. Việc sản xuất xe lai quy mô lớn có thể được xem xét dựa trên kết quả này. Giải pháp nghiên cứu trong đề tài này mang tính ứng dụng cao.

II. Phân tích chi tiết quá trình nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu xe lai được thực hiện bài bản, từ giai đoạn lý thuyết đến thực tiễn. Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào các kiểu truyền động trên xe lai, thiết kế khung xe, và mô phỏng bằng simulink/Matlab. Mô hình xe lai được sử dụng để tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng. Giai đoạn thực hành bao gồm chế tạo xe lai, chạy thử nghiệm, hiệu chỉnh và hoàn thiện. Phân tích xe lai dựa trên dữ liệu thu thập được từ quá trình thử nghiệm. Quản lý năng lượng xe lai được cải thiện thông qua các thuật toán điều khiển. Thiết kế hệ thống xe lai được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật và hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, bao gồm: phân tích và tổng hợp lý thuyết, mô hình hóa, thiết kế, chế tạo và điều tra. Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để xây dựng mô hình xe lai. Phương pháp thiết kế được ứng dụng trong việc thiết kế khung xe lai và các thành phần khác. Phương pháp chế tạo được sử dụng trong quá trình sản xuất xe lai. Phương pháp điều tra được sử dụng để thu thập dữ liệu từ quá trình thử nghiệm. Sự kết hợp các phương pháp nghiên cứu này đã đảm bảo tính toàn diện và khách quan của đề tài. Nghiên cứu động cơ xe lai và nghiên cứu pin xe lai là những phần quan trọng trong quá trình này. Thiết kế hộp số xe lai cũng được xem xét kỹ lưỡng.

2.2 Thử nghiệm và đánh giá

Sau khi chế tạo xe lai, các thử nghiệm được tiến hành để kiểm tra hiệu suất và độ bền. Thử nghiệm xe lai bao gồm kiểm tra khả năng tăng tốc, kiểm tra đáp ứng theo chu trình ECE15, và so sánh tốc độ khi thay đổi tải trọng. Dữ liệu thu thập được được sử dụng để phân tích xe lai và đánh giá hiệu quả của thiết kế xe lai. Kiểm tra động lực trên xe và kiểm tra đáp ứng của nguồn điện là những phần quan trọng trong quá trình thử nghiệm. Mô phỏng xe lai trước đó giúp chuẩn bị tốt hơn cho giai đoạn thử nghiệm thực tế. An toàn xe lai cũng được xem xét trong quá trình đánh giá. Lợi ích xe lai được đánh giá dựa trên hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.

III. Ứng dụng thực tiễn và đóng góp

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn. Xe lai chế tạo thành công có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như vận tải trong thành phố, bệnh viện, hoặc khu du lịch. Mô hình xe lai cũng hữu ích trong giảng dạy và nghiên cứu. Chi phí sản xuất xe lai cần được nghiên cứu thêm để thương mại hóa sản phẩm. Đề tài đã đóng góp vào việc phát triển công nghệ xe lai tại Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài. Xu hướng xe lai đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới, và đề tài này đã góp phần bắt kịp xu hướng đó. Thị trường xe lai trong nước cũng sẽ được mở rộng nhờ các nghiên cứu như thế này. Tiết kiệm nhiên liệu xe lai và môi trường xe lai là hai lợi ích chính.

3.1 Khả năng ứng dụng

Xe lai chế tạo thành công có thể được ứng dụng rộng rãi trong các bối cảnh khác nhau, đặc biệt là ở các khu vực đô thị. Ứng dụng công nghệ xe lai trong vận tải công cộng, phục vụ bệnh viện, hoặc du lịch sinh thái là những khả năng tiềm năng. Xe điện lai có thể đáp ứng nhu cầu vận chuyển ngắn hạn, giảm thiểu ùn tắc giao thông và ô nhiễm không khí. Mô hình xe lai này cũng có thể được sử dụng làm công cụ giảng dạy và nghiên cứu tại các trường đại học, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về công nghệ xe lai. Dự án xe lai này đóng góp vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

3.2 Đóng góp cho nghiên cứu và phát triển

Đề tài đã tạo ra một tiền đề quan trọng cho nghiên cứu và phát triển xe lai tại Việt Nam. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn, sử dụng phần mềm chuyên dụng và chế tạo sản phẩm thực tế đã mang lại những kết quả đáng kể. Nghiên cứu động cơ xe lai, thiết kế hệ thống xe lai, và quản lý năng lượng xe lai đều được cải thiện nhờ đề tài này. Đề tài cũng đóng góp vào việc nâng cao trình độ nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô tại HCMUTE. Học viện kỹ thuật quân sự và các trường đại học khác cũng có thể tham khảo kết quả nghiên cứu này. Sinh viên HCMUTE nghiên cứu xe lai sẽ có thêm cơ sở thực hành. Giảng viên HCMUTE hướng dẫn xe lai sẽ có thêm kinh nghiệm thực tiễn.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp ô tô toàn cầu, nhu cầu về các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường ngày càng tăng cao. Xe lai xăng - điện (hybrid) được xem là giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng. Trên thế giới, Toyota đã bán hơn 15 triệu xe hybrid, góp phần giảm 120 triệu tấn khí thải CO2. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu và phát triển xe lai còn rất hạn chế, chủ yếu dừng lại ở khai thác, bảo trì và sửa chữa, chưa có nhiều công trình thiết kế và chế tạo bài bản.

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe lai 4 chỗ sử dụng năng lượng kết hợp xăng - điện, vận hành trong điều kiện đô thị với trọng lượng toàn tải khoảng 600 kg, tốc độ tối đa 60 km/h và tốc độ trung bình 40 km/h. Mục tiêu chính là ứng dụng các phần mềm thiết kế và mô phỏng như Solidworks, Carsim và Matlab để tính toán, thiết kế khung chịu tải, mô phỏng động lực học và kiểm nghiệm thực tế trên xe chế tạo. Nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất, tính năng vận hành và tạo cơ sở cho phát triển xe lai tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong 12 tháng tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào thiết kế khung xe, hệ thống động lực, mô phỏng và chế tạo xe lai 4 chỗ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy công nghiệp ô tô xanh, giảm phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch và nâng cao năng lực nghiên cứu, sản xuất xe lai trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết khung chịu tải: Khung sườn xe là bộ phận chịu lực chính, liên kết thân vỏ với hệ thống treo, chịu tải trọng động và tĩnh. Hai kiểu khung phổ biến là Body-on-frame (khung rời) và Unibody (khung liền khối), mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về độ bền, trọng lượng và khả năng chịu tải.

• Mô hình động lực học xe lai: Sử dụng mô hình tính toán công suất, lực cản lăn, lực cản không khí, lực kéo và gia tốc để xác định công suất motor điện và động cơ xăng phù hợp. Các thông số khí động học như hệ số cản gió (CD), diện tích mặt cắt ngang (Af), mật độ không khí (ρa) được áp dụng để tính toán lực cản.

• Khái niệm quản lý năng lượng và chiến thuật điều khiển: Ứng dụng các thuật toán điều khiển trong quản lý năng lượng nhằm tối ưu hóa hiệu suất vận hành, bao gồm chiến thuật thu hồi năng lượng phanh và phân phối lực kéo giữa động cơ xăng và motor điện.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số an toàn khung xe, trạng thái nạp bình ắc quy (SOC), công suất định mức motor, phân bố tải trọng trên xe, và mô phỏng động lực học bằng phần mềm Carsim.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thiết kế kỹ thuật, tính toán mô phỏng trên phần mềm Solidworks (thiết kế khung, tính bền), Carsim (mô phỏng động lực học), Matlab (mô hình hóa điều khiển), cùng với kết quả thực nghiệm trên xe chế tạo thực tế.

• Phương pháp phân tích: Phân tích và tổng hợp lý thuyết về khung chịu tải và hệ thống truyền động xe lai; mô hình hóa và mô phỏng số để tối ưu hóa hệ thống quản lý năng lượng; tính toán công suất, lực tác động và phân bố tải trọng; kiểm tra độ bền khung bằng mô-đun Simulation của Solidworks.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung trên một mẫu xe lai 4 chỗ, trọng lượng 600 kg, thiết kế phù hợp vận hành trong đô thị. Lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng kết hợp thực nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong 12 tháng, từ tháng 5/2019 đến tháng 5/2020, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và mô phỏng, chế tạo xe, thử nghiệm và hiệu chỉnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế và tính toán khung chịu tải: Khung xe được thiết kế theo kiểu Body-on-frame cải tiến, sử dụng thép CT3 hộp 40x40x2 mm. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất trên khung chịu tải chính là 1.519e+7 N/m², thấp hơn giới hạn chịu kéo của thép CT3 (245 MPa), đảm bảo độ bền với hệ số an toàn ≥ 1,5. Độ chuyển vị lớn nhất trên khung là 2 mm, nằm trong giới hạn cho phép.

2. Phân bố tải trọng hợp lý: Tải trọng phân bố trên cầu trước và cầu sau theo tỷ lệ 40:60, phù hợp với thiết kế hệ dẫn động cầu sau và đảm bảo ổn định vận hành.

3. Công suất động cơ và motor điện: Motor điện BM1424HQF công suất 2,2 kW, mô-men xoắn 7,2 Nm, đáp ứng yêu cầu tăng tốc từ 0 đến 40 km/h trong khoảng 30 giây. Động cơ xăng Wate AT 125cc công suất cực đại 7 kW hỗ trợ sạc lại ắc quy khi SOC giảm dưới 30%, giúp tăng phạm vi hoạt động xe.

4. Hiệu suất nguồn điện và quãng đường di chuyển: Bộ ắc quy Vision 6FM65E-X 12V 65Ah (5 bình nối tiếp, tổng 60V) cho phép xe di chuyển khoảng 56 km với vận tốc trung bình 40 km/h mỗi lần sạc đầy, đáp ứng yêu cầu vận hành thuần điện trong đô thị.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng phần mềm thiết kế và mô phỏng hiện đại như Solidworks, Carsim và Matlab giúp tối ưu hóa thiết kế khung và hệ thống truyền động xe lai. Việc chọn kiểu khung Body-on-frame phù hợp với yêu cầu chịu tải và dễ dàng chế tạo tại Việt Nam, đồng thời đảm bảo trọng lượng xe nhẹ (khoảng 322 kg không tải) và phân bố tải trọng hợp lý.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, xe lai được thiết kế có hiệu suất năng lượng và khả năng vận hành tương đương các mẫu xe hybrid phổ biến, đồng thời phù hợp với điều kiện hạ tầng và nhu cầu sử dụng tại Việt Nam. Việc ứng dụng chiến thuật điều khiển quản lý năng lượng giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ứng suất khung xe, đồ thị lực kéo - tốc độ motor điện, và bảng phân bố tải trọng trên cầu xe để minh họa rõ ràng các kết quả tính toán và mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển chiến thuật điều khiển năng lượng tối ưu: Áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh để phân phối lực kéo và thu hồi năng lượng phanh, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ ô tô.

2. Mở rộng nghiên cứu và chế tạo các mẫu xe lai đa dạng: Thiết kế và chế tạo các loại xe lai phù hợp với nhiều phân khúc và điều kiện vận hành khác nhau tại Việt Nam. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

3. Xây dựng phòng thí nghiệm và mô hình thực nghiệm xe lai: Đầu tư trang thiết bị và mô hình thực nghiệm để hỗ trợ nghiên cứu, đào tạo và phát triển công nghệ xe lai trong nước. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: các cơ sở đào tạo kỹ thuật.

4. Hỗ trợ chính sách và hợp tác quốc tế: Đề xuất các chính sách hỗ trợ nghiên cứu, sản xuất xe lai và thúc đẩy hợp tác với các đối tác quốc tế để tiếp nhận công nghệ và kinh nghiệm. Thời gian: liên tục; chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí động lực: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về thiết kế khung xe, mô phỏng động lực học và quản lý năng lượng xe lai.

2. Sinh viên kỹ thuật ô tô và điện tử: Áp dụng kiến thức thực tiễn trong thiết kế, mô phỏng và chế tạo xe lai, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển xe điện, xe lai: Tham khảo quy trình thiết kế, tính toán và chế tạo để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách giao thông, môi trường: Đánh giá tiềm năng và hiệu quả của xe lai trong việc giảm phát thải và tiết kiệm năng lượng, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển.

Câu hỏi thường gặp

1. Xe lai xăng - điện có ưu điểm gì so với xe truyền thống?
   Xe lai kết hợp động cơ xăng và motor điện giúp tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải, vận hành êm ái và có phạm vi hoạt động rộng hơn xe điện thuần túy. Ví dụ, Toyota Prius đã giảm 120 triệu tấn CO2 toàn cầu.

2. Tại sao chọn kiểu khung Body-on-frame cho xe lai này?
   Kiểu khung Body-on-frame có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và sửa chữa, chịu tải tốt, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước và yêu cầu tải trọng xe 600 kg.

3. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế và mô phỏng xe?
   Solidworks dùng để thiết kế và tính toán độ bền khung, Carsim mô phỏng động lực học xe, Matlab hỗ trợ mô hình hóa và điều khiển quản lý năng lượng.

4. Quãng đường di chuyển của xe khi chạy thuần điện là bao nhiêu?
   Với bộ ắc quy 60V 65Ah, xe có thể di chuyển khoảng 56 km ở vận tốc trung bình 40 km/h mỗi lần sạc đầy, đáp ứng nhu cầu di chuyển trong đô thị.

5. Làm thế nào để tối ưu hiệu suất xe lai?
   Áp dụng các chiến thuật điều khiển thông minh trong quản lý năng lượng, phân phối lực kéo và thu hồi năng lượng phanh giúp động cơ và motor điện hoạt động hiệu quả nhất.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công xe lai 4 chỗ sử dụng năng lượng kết hợp xăng - điện, trọng lượng toàn tải 600 kg, vận hành trong đô thị.
• Khung xe Body-on-frame bằng thép CT3 đảm bảo độ bền với hệ số an toàn ≥ 1,5, phân bố tải trọng hợp lý 40:60 giữa cầu trước và cầu sau.
• Motor điện 2,2 kW và động cơ xăng 7 kW phối hợp hiệu quả, đáp ứng yêu cầu tăng tốc và phạm vi hoạt động.
• Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy tính khả thi và hiệu quả của thiết kế, mở ra cơ hội phát triển xe lai trong nước.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu chiến thuật điều khiển, mở rộng mẫu xe và xây dựng cơ sở thực nghiệm để nâng cao năng lực công nghệ.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng kết quả để phát triển sản phẩm xe lai phù hợp thị trường Việt Nam, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế và chính sách hỗ trợ.

Hãy bắt đầu hành trình phát triển xe lai xanh cho tương lai bền vững ngay hôm nay!