Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước thực trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc chuyển dịch sang sử dụng năng lượng điện trong lĩnh vực giao thông vận tải đang trở thành xu thế tất yếu nhằm giảm thiểu khí thải độc hại và cải thiện chất lượng không khí đô thị. Bên cạnh nhu cầu đi lại thường nhật, xu hướng dã ngoại, khám phá thiên nhiên kết hợp rèn luyện thể chất ngày càng phát triển, đòi hỏi các phương tiện di chuyển vừa có khả năng vận hành linh hoạt trên các địa hình phức tạp, vừa hỗ trợ thể lực cho người lái. Xe đạp địa hình trợ lực điện là giải pháp kết hợp giữa tính năng vận động cơ học của xe đạp truyền thống và sự tiện lợi, tốc độ của phương tiện gắn động cơ.

Tại thị trường Việt Nam, các dòng xe đạp trợ lực điện hiện nay bộc lộ một số bất cập thực tiễn:

  1. Mẫu mã sản phẩm chủ yếu phục vụ học sinh hoặc người cao tuổi trong đô thị bằng phẳng, thiếu các dòng xe chuyên dụng kiểu dáng thể thao có khả năng vượt địa hình gồ ghề.
  2. Giá thành các dòng xe đạp địa hình trợ lực điện nhập khẩu rất cao so với thu nhập bình quân của người tiêu dùng trong nước.
  3. Độ bền kết cấu khung sườn ở một số mẫu xe giá rẻ chưa đảm bảo an toàn khi vận hành trong điều kiện tải nặng hoặc mặt đường xấu.
  4. Tính linh hoạt trong sửa chữa và thay thế linh kiện còn thấp do phụ thuộc vào các phụ tùng đặc thù của hãng.

Xuất phát từ các vấn đề trên, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe đạp địa hình trợ lực điện" (mã số 22223DT35) được thực hiện với các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan quy trình vận hành và nguyên lý hoạt động của các loại động cơ xe điện trợ lực (động cơ trục giữa Mid motor và động cơ trục bánh Hub motor).
  2. Nghiên cứu tính toán độ bền khung sườn và khả năng chịu tải trọng của phương tiện ở trạng thái tĩnh và động.
  3. Đề xuất phương án thiết kế kiểu dáng thể thao, tối ưu hóa công thái học phù hợp với nhân trắc học người Việt Nam.
  4. Tính toán, lựa chọn công suất động cơ điện và thiết kế hệ thống truyền lực tích hợp giữa người đạp và trợ lực điện.
  5. Dựng mô hình thiết kế 3D bằng phần mềm SolidWorks, kiểm nghiệm độ bền bằng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS Workbench và xuất bản vẽ gia công 2D bằng AutoCAD.
  6. Gia công, chế tạo các cụm chi tiết cơ khí, lắp ráp hoàn thiện và tiến hành chạy thử nghiệm đánh giá khả năng vận hành thực tế.
  7. Đánh giá số liệu thử nghiệm để rút ra các kết luận kỹ thuật và đề xuất phương hướng phát triển sản phẩm.

Tiêu chí đánh giá mức độ hoàn thiện của sản phẩm bao gồm:

  • Kiểu dáng thể thao, kết cấu khung sườn đảm bảo độ bền và độ ổn định.
  • Tải trọng thiết kế tối đa đạt 150 kg, tốc độ tối đa đạt 40 km/h.
  • Vận hành trơn tru giữa chế độ đạp cơ học và chế độ trợ lực điện.
  • Giá thành thiết bị hướng đến mức dưới 15 triệu đồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo cơ khí, khung sườn, hệ thống truyền động hai nguồn lực, hệ thống giảm xóc, động cơ điện và độ bền kết cấu của xe đạp địa hình trợ lực điện. Ưu tiên sử dụng các linh kiện và vật tư sẵn có trên thị trường.
  • Phạm vi nghiên cứu: Xe đạp địa hình có trợ lực điện; vận hành trên địa hình phức tạp, dốc và bùn lầy; trạng thái tính toán cơ học là trạng thái tĩnh và các trường hợp tải động tới hạn (tăng tốc tối đa, phanh khẩn cấp); đối tượng sử dụng là người Việt Nam; vật liệu chế tạo là thép hộp mạ kẽm có sẵn trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, động lực học và sức bền vật liệu:

  • Lý thuyết trợ lực điện: Nguyên lý phối hợp công suất giữa lực đạp từ người điều khiển và mô-men xoắn hỗ trợ từ động cơ điện thông qua cảm biến từ trường, tay ga và bo mạch điều khiển điện tử. Hệ thống kiểm soát tốc độ duy trì mức trợ lực lớn ở dải vận tốc thấp (0 - 10 km/h), giảm dần khi tăng tốc và ngắt trợ lực khi đạt tốc độ giới hạn.
  • Lý thuyết công thái học (Ergonomics): Xác định tư thế ngồi lái tối ưu dựa trên dữ liệu nhân trắc học người Việt Nam (chiều cao trung bình nam 1m65, nữ 1m55), bao gồm góc lưng $15^\circ$, góc đầu gối $82^\circ$, khoảng cách tay cầm đến vai 580 mm, chiều cao yên 750 mm và góc nghiêng yên chúc xuống $3^\circ$ nhằm giảm áp lực lên cột sống thắt lưng theo nghiên cứu của Sarah và cộng sự (1999).
  • Lý thuyết động lực học xe hai bánh (Vittore Cossalter): Đánh giá mối quan hệ giữa góc nghiêng cổ lái ($15^\circ$) và giá trị đường mòn (trail) dương để đảm bảo tính ổn định tự định tâm của bánh trước khi di chuyển thẳng cũng như độ linh hoạt khi vào cua.
  • Lý thuyết sức bền vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Xác định ứng suất tương đương von Mises lớn nhất ($\sigma_{\max}$), độ biến dạng toàn phần và hệ số an toàn ($SF$) của khung sườn dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, lực quán tính khi tăng tốc cực đại và lực phanh cực đại ở bánh trước.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật chế tạo máy, bài báo khoa học, lý thuyết động lực học và các tài liệu chuyên ngành về xe hai bánh chạy điện.
  • Phương pháp phân tích, đối chiếu và so sánh: Khảo sát thực tế các dòng xe thương mại để lập ma trận đánh giá ưu - nhược điểm của các phương án bố trí động cơ, cơ cấu giảm xóc, loại lốp, vành và yên xe.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Xác định lực cản lăn, mô-men cản tại bánh xe ($N_{mb} = 6{,}82\text{ Nm}$), tính toán tỷ số truyền và dải tốc độ vòng quay trên bộ líp 5 tầng, từ đó lựa chọn thông số động cơ điện 48V - 500W.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng SolidWorks để dựng hình học 3D và ANSYS Workbench để chia lưới, đặt điều kiện biên và giải bài toán cơ học kết cấu.
  • Phương pháp thực nghiệm: Gia công cắt, tiện, uốn, hàn khung sườn, gắp sau, chảng ba; lắp ráp hệ thống truyền động líp một chiều và tiến hành chạy thử nghiệm tải trọng trên các dạng địa hình thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Tài liệu tiêu chuẩn thép kết cấu ASTM A35, thông số kỹ thuật xe đạp địa hình thương mại (Engwe M20, Biktrix Moto, ETricks Evolution, CYC X1-Pro), số liệu nhân trắc học người Việt Nam và dữ liệu thị trường xe điện toàn cầu từ các báo cáo chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải phương tiện giao thông và nhu cầu tập luyện thể thao dã ngoại. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ quy trình tính toán, thiết kế và mô phỏng kết cấu xe hai bánh trợ lực điện; đồng thời khẳng định ý nghĩa thực tiễn trong việc tạo ra sản phẩm xe địa hình có chi phí hợp lý, dễ bảo dưỡng và phù hợp với vóc dáng người Việt Nam. Chương 1 cũng xác định rõ 7 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi và kết cấu tổng thể gồm 7 chương của đồ án.

Chương 2: Tổng quan về đề tài

Tác giả tổng hợp bức tranh toàn cảnh về thị trường xe đạp điện quốc tế với quy mô 27,22 tỷ USD năm 2021, dự kiến đạt 54,48 tỷ USD vào năm 2027 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đạt 12,26%. Chương này phân tích cấu tạo chung của xe điện trợ lực gồm 4 thành phần cơ bản: khung sườn, hệ thống động cơ điện, hệ thống điều khiển (tay ga, cảm biến từ, bo mạch) và nguồn cấp năng lượng (pin Lithium-ion 48V cho cự ly hoạt động 30 - 70 km hoặc ắc quy chì 80 - 100 km). Tác giả chỉ ra 4 tồn tại lớn của thị trường xe điện trợ lực tại Việt Nam: thiếu mẫu mã địa hình thể thao, giá thành xe chuyên dụng quá cao, độ bền khung sườn chưa đảm bảo khi chở nặng trên đường xấu và khó khăn khi tìm kiếm linh kiện thay thế.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ bản chất kỹ thuật của xe đạp trợ lực: phương tiện vẫn giữ nguyên cơ cấu truyền động cơ học bằng bàn đạp - xích - đĩa, nhưng được bổ sung động cơ điện hỗ trợ lực kéo. Tác giả phân tích nguyên lý vận hành của hệ thống điều khiển thông minh dựa trên tín hiệu cảm biến lực đạp và vận tốc: động cơ cung cấp mô-men hỗ trợ lớn nhất ở dải tốc độ khởi hành 0 - 10 km/h, giảm dần công suất khi xe tăng tốc và tự động ngắt trợ lực khi vận tốc chạm ngưỡng 25 km/h để đảm bảo an toàn giao thông.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp lựa chọn các bộ phận của xe

Chương 4 thiết lập bảng so sánh kỹ thuật để lựa chọn phương án tối ưu cho từng cụm chi tiết trên xe:

Cụm bộ phận Phương án so sánh Phương án được chọn Lý do lựa chọn
Động cơ điện Phương án 1: Hub motor (trục bánh sau)
Phương án 2: Mid motor (trục giữa)		 Mid motor (Phương án 2) Phân bổ trọng tâm cân bằng ở giữa thân xe, thay đổi được tỷ số truyền qua bộ líp khi leo dốc, dễ tháo lắp vá bánh xe sau
Giảm xóc trước Phương án 1: Phuộc ống lồng
Phương án 2: Phuộc lò xo (lồng xóc)		 Phuộc lò xo (Phương án 2) Hấp thụ lực va đập tốt trên đường gồ ghề, không bị cong ty phuộc khi chịu tải lớn
Giảm xóc sau Phương án 1: Treo trực tiếp sườn xe
Phương án 2: Treo qua thanh đòn trung gian		 Treo trực tiếp (Phương án 1) Hấp thụ xung lực triệt để, kết cấu đơn giản, giảm biến dạng uốn cục bộ lên khung
Bánh xe Phương án 1: Bánh béo (Fat tire) 20x4 inch
Phương án 2: Bánh nhỏ thông thường		 Bánh béo 20x4 inch (Phương án 1) Bề mặt gai bám đường tốt, thể tích khí lớn giúp hấp thụ xung chấn trên địa hình xấu
Vành bánh xe Phương án 1: Vành đúc hợp kim
Phương án 2: Vành nan hoa (căm)		 Vành nan hoa (Phương án 2) Trọng lượng nhẹ, tính đàn hồi giảm chấn tốt, dễ nắn chỉnh sửa chữa khi va chạm
Yên xe Phương án 1: Yên xe đạp thể thao đơn
Phương án 2: Yên liền dáng Scrambler		 Yên liền Scrambler (Phương án 2) Chở được 2 người hoặc hành lý, tư thế ngồi êm ái và chắc chắn
Ghi đông Ghi đông cong vs Ghi đông thẳng Ghi đông thẳng Kết cấu đơn giản, nhẹ, tạo tư thế chồm nhẹ kiểm soát hướng lái vững vàng khi leo dốc

Chương 5: Tính toán và thiết kế xe đạp địa hình trợ lực điện

Chương này trình bày toàn bộ quá trình tính toán cơ học và thiết kế kỹ thuật:

  1. Vật liệu kết cấu: Chọn thép hộp mạ kẽm cho khung và gắp sau do giá thành thấp, độ bền cơ học tốt, dễ gia công hàn cắt và nguồn cung dồi dào.
  2. Công thái học: Xác định kích thước khung với chiều cao yên 750 mm, góc nghiêng yên $3^\circ$, góc lưng $15^\circ$, góc đầu gối $82^\circ$, khoảng cách tay cầm - vai 580 mm, góc nghiêng cổ lái $15^\circ$ kết hợp giá trị đường mòn dương.
  3. Tính toán động lực học và chọn động cơ:
    • Tổng khối lượng xe và tải trọng cực đại: $m = 200\text{ kg}$, gia tốc trọng trường $g = 9{,}8\text{ m/s}^2$.
    • Hệ số ma sát lăn giữa bánh hơi và mặt đường: $\mu = 0{,}012$.
    • Lực cản ma sát lăn: $F_{ms} = m \cdot g \cdot \mu = 200 \times 9{,}8 \times 0{,}012 = 23{,}52\text{ N}$.
    • Mô-men cản tại vành bánh xe đường kính $D = 580\text{ mm}$: $$N_{mb} = F_{ms} \times \frac{D}{2} \times 10^{-3} = 23{,}52 \times \frac{580}{2} \times 10^{-3} = 6{,}82\text{ Nm}$$
    • Vận tốc tối đa thiết kế $v = 40\text{ km/h}$, tốc độ quay của bánh xe: $$N_b = \frac{40 \times 10^6}{\pi \times 580 \times 60} \approx 366\text{ vòng/phút}$$
    • Tính toán động lực học bộ líp tầng bánh sau (5 tầng) và đĩa xích động cơ ($\varnothing 68\text{ mm}$, 16 răng):
Vị trí Đường kính dĩa Số răng dĩa sau Lực truyền Mô-men dĩa sau Mô-men trục động cơ Tốc độ quay động cơ (ở 40 km/h)
Dĩa 1 57 mm 14 239,32 N 6,82 Nm 16,27 Nm 315,0 vòng/phút
Dĩa 2 70 mm 17 194,88 N 6,82 Nm 13,25 Nm 382,5 vòng/phút
Dĩa 3 80 mm 20 170,52 N 6,82 Nm 11,60 Nm 450,0 vòng/phút
Dĩa 4 95 mm 24 143,60 N 6,82 Nm 9,76 Nm 540,0 vòng/phút
Dĩa 5 110 mm 28 124,00 N 6,82 Nm 8,43 Nm 630,0 vòng/phút
  • Từ yêu cầu mô-men xoắn (8,43 - 16,27 Nm) và dải tốc độ (315 - 630 vòng/phút), tác giả lựa chọn động cơ điện một chiều 48V - 500W có tốc độ quay tối đa 480 vòng/phút và mô-men xoắn định mức 15 Nm, đáp ứng tối ưu lực kéo khi truyền động qua dĩa 2 và dĩa 3.
  1. Cơ chế truyền động hai nguồn lực: Sử dụng cụm líp một chiều M35 tại trục động cơ kết hợp đĩa xích 32 răng trên trục bàn đạp có cơ cấu líp một chiều lưỡi gà, giúp triệt tiêu hiện tượng bàn đạp tự quay khi chạy điện và động cơ không bị kéo quay khi người lái đạp cơ.
  2. Mô phỏng kiểm nghiệm bền: Ứng dụng ANSYS Workbench mô phỏng khung sườn chịu tải người ngồi 150 kg kết hợp pin, động cơ; tải trọng gia tốc cực đại và tải trọng phanh cực đại ở bánh trước để chứng minh kết cấu thỏa mãn điều kiện bền và hệ số an toàn cho phép.

Chương 6: Chế tạo, thử nghiệm, đánh giá

Chương 6 mô tả chi tiết quy trình chế tạo thực tế tại xưởng cơ khí:

  • Gia công chế tạo khung sườn và gắp sau từ thép hộp mạ kẽm bằng phương pháp cắt dưỡng, uốn góc và hàn liên kết.
  • Gia công tiện cơ khí chi tiết trục bậc ren M35, chảng ba trên, chảng ba dưới, thanh nối truyền động phuộc trước và các ống trục định vị.
  • Lắp ráp bộ truyền động: lắp cụm líp một chiều vào trục động cơ, lắp cụm trục giữa bàn đạp đĩa 32 răng, lắp xích truyền động xuống cụm líp 5 tầng bánh sau.
  • Lắp ráp hoàn thiện hệ thống phanh đĩa, phuộc nhún trước - sau, cụm pin Lithium 48V, bo mạch điều khiển và tay ga.
  • Tiến hành chạy thử nghiệm kiểm tra tính năng vận hành trên đường phố và đường dốc thực tế.

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt các kết quả đạt được về mặt thiết kế, tính toán và chế tạo thực nghiệm; đối chiếu với các mục tiêu đề ra ban đầu; đồng thời chỉ ra các hạn chế và định hướng cải tiến sản phẩm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xe đạp địa hình trợ lực điện được thiết kế và triển khai dưới dạng một hệ thống cơ - điện hoàn chỉnh:

                       [Động cơ Mid Motor 48V-500W]

1. Kiến trúc hệ thống truyền động độc lập

Hệ thống sử dụng cơ cấu truyền lực kép tích hợp (Dual-Drive System) thông qua 2 cơ cấu líp một chiều riêng biệt:

  • Cụm líp động cơ: Động cơ điện truyền mô-men qua trục ren M35 gắn líp một chiều xe đạp. Khi người lái đạp xe bằng cơ bắp mà không bật điện, cơ cấu lưỡi gà của líp sẽ trượt tự do, không làm quay rotor động cơ, tránh phát sinh lực cản quán tính.
  • Cụm líp trục bàn đạp: Đĩa xích 32 răng trên trục giữa liên kết với cơ cấu một chiều. Khi động cơ điện quay kéo xích truyền động ra bánh sau, đùi đạp và bàn đạp vẫn đứng yên, đảm bảo an toàn cho chân người lái.

2. Thông số kỹ thuật của hệ thống

  • Khung sườn: Kết cấu dạng không gian hàn từ thép hộp mạ kẽm.
  • Động cơ: Mid motor điện một chiều 48V, công suất định mức 500W, mô-men xoắn 15 Nm, tốc độ quay định mức 480 vòng/phút.
  • Bộ truyền động bánh sau: Líp đề 5 tầng (14T - 17T - 20T - 24T - 28T tương ứng đường kính 57 mm đến 110 mm).
  • Hệ thống di chuyển: Bánh béo kích thước 20x4 inch, đường kính tổng thể 580 mm, vành nan hoa kim loại.
  • Hệ thống giảm xóc: Phuộc lò xo phía trước liên kết qua 4 thanh truyền và cụm chảng ba kép; giảm chấn lò xo - thủy lực phía sau treo trực tiếp lên khung sườn.
  • Hệ thống điều khiển & năng lượng: Tay ga cảm biến từ trường, bo mạch điều tốc, nguồn cấp pin Lithium-ion 48V.

3. Quy trình kiểm nghiệm mô phỏng và gia công

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Khung 3D thiết kế trên SolidWorks được nhập vào ANSYS Workbench, gán vật liệu thép ASTM A35, tiến hành chia lưới và thiết lập các điều kiện biên cố định tại trục bánh sau và cổ lái. Khung được kiểm tra qua 3 trường hợp tải trọng: tải tĩnh toàn phần (người 150 kg + thiết bị 50 kg), lực kéo tăng tốc tối đa và lực quán tính phanh khẩn cấp bánh trước.
  • Quy trình chế tạo: Thực hiện hoàn toàn tại xưởng cơ khí gồm cắt phôi thép hộp, hàn khung định hình gá trên đồ gá, gia công tiện ren trục bậc M35 trên máy tiện, tiện doa lỗ ổ bi trục giữa và lắp ráp cơ cấu truyền động xích.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Chế tạo thành công mẫu xe đạp địa hình trợ lực điện thực tế hoàn chỉnh, vận hành ổn định trên đường bằng phẳng lẫn địa hình phức tạp, dốc cao và bùn lầy.
  • Sản phẩm đáp ứng đầy đủ các thông số kỹ thuật đề ra ban đầu:
    • Tải trọng vận hành tối đa: 150 kg (tổng khối lượng toàn tải tính toán đạt 200 kg).
    • Tốc độ di chuyển tối đa: 40 km/h.
    • Động cơ Mid motor 48V - 500W kết hợp bộ líp 5 tầng tạo dải mô-men từ 8,43 Nm đến 16,27 Nm, đáp ứng tốt lực cản lăn $F_{ms} = 23{,}52\text{ N}$.
  • Cơ chế líp một chiều kép hoạt động chính xác, đảm bảo tách biệt hoàn toàn giữa lực kéo động cơ và chuyển động của bàn đạp cơ học.
  • Thiết lập bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh gồm bản vẽ 3D trên SolidWorks, bản vẽ gia công 2D trên AutoCAD và dữ liệu mô phỏng ứng suất trên ANSYS Workbench.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu thép hộp mạ kẽm kết hợp phụ tùng tiêu chuẩn trên thị trường xe máy/xe đạp để hạ giá thành chế tạo thực tế xuống mức dưới 15 triệu đồng.
  • Ứng dụng kiểu dáng yên liền Scrambler thon dài kết hợp góc nghiêng $3^\circ$ và bánh béo 20x4 inch nhằm giải quyết đồng thời bài toán chở 2 người, giảm mỏi lưng và tăng khả năng bám đường.

Đóng góp của đề tài

  • Tác giả tự đánh giá đề tài đã xây dựng được quy trình tính toán động lực học và thiết kế hệ thống truyền động Mid motor đa cấp số cho xe đạp trợ lực tại Việt Nam.
  • Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm là cơ sở khoa học quan trọng để đánh giá độ bền, độ ổn định của kết cấu khung xe đạp điện tự chế tạo, đồng thời làm tiền đề kỹ thuật để phát triển các dòng xe đạp địa hình thuần điện (Full Electric Mountain Bike) trong tương lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Sản phẩm mới được chế tạo ở quy mô đơn chiếc bằng phương pháp thủ công tại xưởng, độ hoàn thiện thẩm mỹ và độ đồng đều chưa đạt tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp hàng loạt.
  • Vật liệu khung làm bằng thép hộp mạ kẽm tuy bền và giá rẻ nhưng làm khối lượng bản thân của xe còn tương đối nặng so với các vật liệu cao cấp như hợp kim nhôm hoặc sợi carbon.
  • Mức giá thành tuy đã được tối ưu nhưng vẫn cần cắt giảm sâu hơn nữa để tiếp cận rộng rãi phân khúc người tiêu dùng có thu nhập trung bình.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tiếp nhận phản hồi từ người sử dụng thực tế để cải tiến kiểu dáng công nghiệp, phát triển thêm nhiều mẫu mã khung sườn đa dạng.
  • Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hợp kim nhôm hoặc vật liệu composite (sợi carbon) và công nghệ dập khung nhằm tối ưu hóa trọng lượng xe.
  • Nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển thông minh và phát triển hoàn thiện phiên bản xe đạp địa hình chạy điện hoàn toàn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Ô tô / Phương tiện giao thông: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp tính toán động lực học lực cản lăn, tính toán mô-men xoắn, chọn công suất động cơ điện một chiều và thiết kế tỷ số truyền nhiều cấp.
  • Kỹ sư thiết kế và người nghiên cứu phát triển xe điện hai bánh: Tham khảo quy trình mô hình hóa 3D trên SolidWorks, phương pháp đặt điều kiện biên và phân tích phần tử hữu hạn (FEM) khung sườn xe đạp trên ANSYS Workbench.
  • Cơ sở gia công chế tạo cơ khí: Tham khảo giải pháp thiết kế cơ cấu truyền động tích hợp hai nguồn lực độc lập bằng hệ thống líp một chiều và quy trình gia công khung xe từ vật liệu thép hộp phổ thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn động cơ gắn giữa (Mid motor) thay vì động cơ gắn trực tiếp vào moay-ơ bánh sau (Hub motor)?

Động cơ Mid motor được bố trí ở giữa thân xe giúp phân bổ trọng lượng cân bằng giữa hai bánh, không gây mất thăng bằng đuôi xe như Hub motor. Đặc biệt, Mid motor truyền lực qua hệ thống xích và bộ líp 5 tầng phía sau, cho phép người lái chủ động thay đổi tỷ số truyền để tăng mô-men xoắn khi leo dốc hoặc vượt địa hình gồ ghề. Ngoài ra, việc tách rời động cơ khỏi bánh sau giúp việc tháo lắp, vá và thay thế lốp xe sau diễn ra dễ dàng hơn.

2. Cơ chế truyền động của xe giải quyết hiện tượng xung đột giữa lực đạp chân và lực kéo của động cơ điện như thế nào?

Hệ thống sử dụng hai cơ cấu líp một chiều riêng biệt: một líp một chiều ren M35 lắp tại trục ra của động cơ và một líp một chiều tích hợp trên trục giữa đĩa xích 32 răng của bàn đạp. Khi người lái đạp cơ học, líp tại động cơ sẽ trượt tự do (cơ chế lưỡi gà) giúp trục động cơ không bị kéo quay theo. Ngược lại, khi động cơ điện hoạt động kéo xích tải, líp trên trục bàn đạp sẽ trượt tự do, giúp bàn đạp không bị quay tròn theo xích, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người lái.

3. Căn cứ khoa học nào được sử dụng để xác định chiều cao yên 750 mm và góc nghiêng yên 3°?

Chiều cao yên 750 mm được lựa chọn dựa trên khảo sát nhân trắc học chiều cao trung bình của người Việt Nam (nam 1m65, nữ 1m55) và tiêu chuẩn yên xe máy tay ga (720 - 765 mm) nhằm đảm bảo người lái chống chân an toàn. Góc nghiêng yên $3^\circ$ chúc về phía trước dựa trên nghiên cứu y học của Sarah và cộng sự (1999), chứng minh rằng việc nghiêng yên hợp lý giúp giảm tới 70% tỷ lệ và mức độ đau cột sống thắt lưng, đồng thời giúp người lái dễ gập hông và huy động cơ mông để sinh lực đạp hiệu quả hơn.

4. Khung xe và gắp sau được chế tạo bằng vật liệu gì và vì sao tác giả không chọn hợp kim nhôm hay sợi carbon?

Khung xe và gắp sau được chế tạo bằng thép hộp mạ kẽm (tính toán kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn thép ASTM A35). Nhóm tác giả không chọn nhôm hay composite sợi carbon vì mục tiêu trọng tâm của đề tài là giảm chi phí chế tạo (dưới 15 triệu đồng), sử dụng vật liệu sẵn có trong nước và phù hợp với điều kiện gia công hàn cắt thủ công tại xưởng cơ khí, hướng đến khả năng dễ sửa chữa và thay thế linh kiện tại Việt Nam.

5. Hệ thống giảm xóc trước và sau của xe được cấu tạo như thế nào để đáp ứng yêu cầu di chuyển trên địa hình phức tạp?

Phía trước xe sử dụng hệ thống phuộc lò xo gồm 2 ống ti dài bắt vào bánh xe, liên kết với cổ lái qua 4 thanh truyền chuyển động tịnh tiến song song và 2 cụm chảng ba trên/dưới, giúp cổ lái cứng vững và triệt tiêu nguy cơ cong ty phuộc khi va đập mạnh. Phía sau sử dụng hệ thống giảm xóc lò xo treo trực tiếp lên sườn xe, giúp hấp thụ toàn bộ xung chấn từ mặt đường gồ ghề mà không gây thêm ứng suất uốn phức tạp lên khung sườn thông qua các thanh đòn trung gian.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe đạp địa hình trợ lực điện" của sinh viên Đặng Thành Sang và Lê Phước Sang (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thành toàn diện quy trình nghiên cứu từ tính toán động lực học, thiết kế 3D, mô phỏng kiểm nghiệm bền đến chế tạo thực nghiệm sản phẩm. Mẫu xe thực tế đạt tải trọng 150 kg, tốc độ tối đa 40 km/h, vận hành ổn định trên nhiều điều kiện địa hình nhờ động cơ Mid motor 48V - 500W và cơ chế truyền động líp một chiều kép thông minh. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về phương pháp thiết kế - mô phỏng cơ khí và đóng góp một giải pháp thực tiễn khả thi nhằm phát triển phương tiện giao thông xanh với chi phí hợp lý tại Việt Nam.