Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo xe đạp điện khung gỗ trong ngành kỹ nghệ gỗ và nội thất

Đồ án tốt nghiệp kỹ nghệ gỗ và nội thất tập trung thiết kế, chế tạo xe đạp điện khung gỗ, kết hợp công nghệ hiện đại với chất liệu tự nhiên.

• Tác giả: Lê Minh Anh
• Người hướng dẫn: TS. Quách Văn Thiêm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ nghệ gỗ và nội thất
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo xe đạp điện khung gỗ
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Tính cấp thiết của đề tài
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 2.1. Lịch sử hình thành và phát triển của xe đạp
• 2.2. Khởi đầu của xe đạp
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5. CHƯƠNG 5: KIẾN NGHỊ VÀ KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế xe đạp điện khung gỗ

Thiết kế xe đạp điện khung gỗ là một đề tài đầy thách thức và sáng tạo trong lĩnh vực kỹ nghệ gỗ và nội thất. Đề tài này không chỉ tập trung vào việc tạo ra một phương tiện giao thông thân thiện với môi trường mà còn kết hợp yếu tố thẩm mỹ và tính ứng dụng cao. Xe đạp điện khung gỗ được thiết kế với khung làm từ gỗ Độc cần bờ Tây, một loại gỗ có độ bền và tính thẩm mỹ cao. Quá trình thiết kế bao gồm việc lựa chọn nguyên liệu, tính toán kỹ thuật, và áp dụng các giải pháp liên kết hiện đại để đảm bảo độ bền và an toàn cho sản phẩm.

1.1. Lựa chọn nguyên liệu

Nguyên liệu chính được sử dụng trong đề tài là gỗ Độc cần bờ Tây (Western Hemlock), một loại gỗ nhập khẩu từ Canada. Loại gỗ này được lựa chọn nhờ đặc tính kỹ thuật vượt trội như độ bền cao, khả năng chịu lực tốt, và vân gỗ đẹp. Việc sử dụng gỗ trong thiết kế khung xe không chỉ mang lại tính thẩm mỹ mà còn góp phần bảo vệ môi trường, phù hợp với xu hướng sử dụng vật liệu tự nhiên trong sản xuất.

1.2. Giải pháp liên kết

Để đảm bảo độ bền và tính ổn định cho khung xe, các giải pháp liên kết hiện đại được áp dụng. Thay vì sử dụng các phương pháp truyền thống như chốt gỗ hay keo dán, nhóm nghiên cứu đã kết hợp gỗ với các chi tiết kim loại. Giải pháp này không chỉ tăng khả năng chịu lực mà còn mang lại sự linh hoạt trong thiết kế, giúp sản phẩm đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe.

II. Đồ án tốt nghiệp ngành kỹ nghệ gỗ và nội thất

Đề tài Thiết kế và chế tạo xe đạp điện khung gỗ là một phần trong đồ án tốt nghiệp của sinh viên ngành kỹ nghệ gỗ và nội thất. Đồ án này không chỉ là cơ hội để sinh viên áp dụng kiến thức đã học vào thực tế mà còn là bước đệm quan trọng để họ tiếp cận với các dự án sản xuất chuyên nghiệp. Quá trình thực hiện đồ án bao gồm các bước từ nghiên cứu, thiết kế, đến chế tạo và đánh giá sản phẩm, giúp sinh viên rèn luyện kỹ năng toàn diện.

2.1. Mục tiêu đồ án

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo một chiếc xe đạp điện khung gỗ có kết cấu bền vững, đáp ứng nhu cầu sử dụng hiện nay. Đồ án cũng hướng đến việc tạo ra một sản phẩm có tính thẩm mỹ cao, phù hợp với xu hướng thiết kế hiện đại. Bên cạnh đó, việc lập hồ sơ thiết kế và quy trình gia công cũng là một phần quan trọng trong mục tiêu của đồ án.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đồ án, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm khảo sát thực tế, phân tích tài liệu, và thực nghiệm. Các phần mềm đồ họa như AutoCAD và Inventor được sử dụng để thiết kế và mô phỏng sản phẩm. Quá trình thực nghiệm được tiến hành để kiểm tra độ bền và tính khả thi của sản phẩm, đảm bảo rằng nó đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

III. Ứng dụng thực tế và giá trị của đề tài

Đề tài Thiết kế xe đạp điện khung gỗ không chỉ mang lại giá trị học thuật mà còn có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tế. Sản phẩm được thiết kế với mục tiêu thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng sử dụng phương tiện giao thông xanh. Bên cạnh đó, việc sử dụng gỗ trong thiết kế khung xe cũng mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu tự nhiên vào sản xuất phương tiện giao thông.

3.1. Giá trị thực tiễn

Sản phẩm xe đạp điện khung gỗ có thể được sản xuất hàng loạt với quy trình công nghệ đơn giản. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh trên thị trường. Ngoài ra, sản phẩm cũng đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng hiện đại, những người quan tâm đến vấn đề bảo vệ môi trường và yêu thích các sản phẩm có tính thẩm mỹ cao.

3.2. Tiềm năng phát triển

Với sự phát triển của công nghệ và xu hướng sử dụng vật liệu tự nhiên, đề tài này có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến thiết kế, nâng cao độ bền và tính thẩm mỹ của sản phẩm, cũng như mở rộng ứng dụng của gỗ trong các lĩnh vực khác của kỹ nghệ gỗ và nội thất.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Bối cảnh ngành và thực trạng ô nhiễm giao thông

Trong kỷ nguyên chuyển đổi xanh toàn cầu, cuộc khủng hoảng năng lượng hóa thạch cùng áp lực giảm phát thải khí nhà kính ($CO_2$, $NO_x$) đang định hình lại phương thức di chuyển cá nhân. Tại Việt Nam, thế hệ Millennials và Gen Z (18–34 tuổi) hiện chiếm hơn 50% dân số và đóng góp tới 40% tổng mức tiêu dùng nội địa. Đây là nhóm khách hàng tiên phong ưu tiên lối sống bền vững và phương tiện giao thông thuần điện (EV).

Tuy nhiên, phần lớn khung xe hai bánh hiện nay được sản xuất từ hợp kim nhôm hoặc thép cán nguội – những vật liệu có dấu chân carbon công nghiệp (embodied carbon) rất cao trong quá trình luyện kim, hoặc sợi carbon tổng hợp khó tái chế. Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ nghệ Gỗ và Nội thất tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) đã đề xuất giải pháp kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe đạp điện khung gỗ từ gỗ Độc cần bờ Tây (Western Hemlock - Canada) kết hợp liên kết cơ khí thép dạng dầm ghép (Flitched Beams).

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi (Problem Statement)

Vật liệu gỗ truyền thống có tính dị hướng cao (anisotropic), dễ bị co ngót, nứt tách dọc thớ và suy giảm khả năng chịu tải cục bộ tại các vị trí liên kết chịu mô-men xoắn lớn. Việc chuyển giao từ liên kết mộng mộc truyền thống sang kết cấu chịu lực động học trên phương tiện di chuyển đòi hỏi phương án liên kết cơ khí lai (hybrid joint) có khả năng triệt tiêu ứng suất cắt và phân tán phản lực hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu

1. Thiết kế kết cấu: Xây dựng mô hình 3D khung xe đạp điện chịu tải trọng tĩnh $75\text{ kg}$ (tương đương $750\text{ N}$) với hệ số an toàn kết cấu $k = 3 \div 6$.
2. Nghiên cứu vật liệu: Ứng dụng gỗ Độc cần bờ Tây (Western Hemlock) đã qua xử lý sấy lò đạt độ ẩm tiêu chuẩn $8% \div 12%$.
3. Quy trình công nghệ: Thiết lập chuỗi quy trình CAD/CAM/CNC, tối ưu hóa đường chạy dao nhằm khắc phục hiện tượng tách lớp gỗ trên mặt cắt tiếp tuyến.
4. Chế tạo và kiểm nghiệm: Hoàn thiện nguyên mẫu xe thực tế kích thước $1700 \times 630 \times 1080\text{ mm}$, phạm vi hoạt động $50\text{ km/lần sạc}$.

Phương pháp tiếp cận và kết quả mong đợi

• Giải pháp tiếp cận: Ứng dụng lý thuyết dầm nhiều lớp dán keo (Glulam) kết hợp bản mã thép gia cường (Flitched Beams) cố định bằng bu-lông cường độ cao thay cho chốt mộng gỗ cổ điển.
• Chỉ số đo lường: Tối ưu thể tích gỗ tinh chế ở mức $0{,}0238\text{ m}^3$, kiểm soát sai số gia công theo Cấp chính xác 2 và bảo đảm chi phí chế tạo khung xe cạnh tranh ở mức $4.706.000\text{ VNĐ}$.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và đối sánh công nghệ

Tiêu chí kỹ thuật	Khung thép / Nhôm tiêu chuẩn	Khung Carbon Composite	Khung gỗ tự nhiên liên kết mộng	Khung gỗ Western Hemlock + Thép (Đề tài)
Dấu chân Carbon	Rất cao (Luyện kim)	Cao (Chế tạo hóa dầu)	Âm tính / Bền vững	Tối ưu sinh thái (FSC Certified)
Khả năng hấp thụ rung	Thấp (Cần thụt giảm chấn)	Trung bình	Tốt (Nhờ cấu trúc sợi cellulose)	Xuất sắc (Triệt tiêu rung chấn tự nhiên)
Độ phức tạp gia công	Hàn TIG/MIG công nghiệp	Đúc khuôn ép nhiệt chân không	Thao tác thủ công, khó đồng bộ	Gia công tự động hóa CNC 3-Axis
Khả năng mô-đun hóa	Cố định nguyên khối	Cố định nguyên khối	Kém (Keo dán vĩnh viễn)	Cao (Tháo lắp bu-lông dạng DIY)
Khối lượng riêng	$2700 - 7850\text{ kg/m}^3$	$1500 - 1800\text{ kg/m}^3$	$650 - 900\text{ kg/m}^3$ (Gỗ nhóm I-II)	$429\text{ kg/m}^3$ (Tối ưu trọng lượng)

Phân tích yêu cầu theo mô hình MoSCoW

• Must-have: Khung xe chịu được tải trọng thiết kế $75\text{ kg}$; đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 14:2015/BGTVT và QCVN 68:2013/BGTVT; vận tốc tối đa $\le 25\text{ km/h}$; công suất động cơ $\le 4\text{ kW}$.
• Should-have: Quy trình mô-đun hóa hỗ trợ dây chuyền công nghiệp; chống ẩm bề mặt đạt cấp độ ngoại thất; tích hợp pin Li-ion tháo rời.
• Could-have: Tùy biến khắc laser hoa văn cá nhân hóa trên thân dầm gỗ.
• Won't-have (giai đoạn 1): Khung uốn cong 3D phức hợp nhiều trục bằng nhiệt thủy hóa.

Thiết kế hệ thống và Kiến trúc cơ điện

            [Cụm cảm biến bàn đạp / Ga]                 [Động cơ BLDC Hub Motor 250W]
                                     (Bản mã Thép + Bu-lông Grade 8.8)

• Nguyên vật liệu chính: Gỗ Độc cần bờ Tây (Tsuga heterophylla) nhập khẩu British Columbia (Canada):
  • Mô-đun đàn hồi uốn tĩnh ($MOE$): $12.300\text{ MPa}$.
  • Độ bền uốn tĩnh ($MOR$): $81\text{ MPa}$.
  • Khối lượng riêng: $429\text{ kg/m}^3$.
  • Độ bền nén dọc thớ: $46{,}7\text{ MPa}$; Độ bền trượt dọc thớ: $6{,}48\text{ MPa}$.
• Hệ thống liên kết: Thép kết cấu cán nguội $SS400$ dày $3\text{ mm}$, bu-lông lục giác chìm cấp bền 8.8.
• Hệ thống phần mềm hỗ trợ:
  • Thiết kế hình học 2D/3D: AutoCAD 2024, Autodesk Inventor Professional 2024, Trimble SketchUp Pro.
  • Lập trình gia công CAM: Autodesk ArtCAM 2018.
  • Mô phỏng và kiểm tra G-Code: CIMCO Edit v8.

Phương pháp tính toán cơ học và Lưu trình công nghệ

1. Cơ sở tính toán độ bền dầm chịu uốn

Mô hình hóa khung xe chịu lực uốn tập trung tại vị trí gá yên ngồi ($O$) với tải trọng tính toán $P = 750\text{ N}$ ($m = 75\text{ kg}$). Sơ đồ tính toán được đơn giản hóa trên mặt phẳng 2D giữa hai điểm tựa trục trước ($A$) và sau ($B$):

$$\sigma_U = \frac{M_U}{W_U} \le [\sigma_U]$$

Trong đó:

• $M_U = R_A \times \frac{L}{2}\text{ (N}\cdot\text{mm)}$: Mô-men uốn tại mặt cắt nguy hiểm nhất.
• $W_U = \frac{B \times H^2}{6}\text{ (mm}^3\text{)}$: Mô-men kháng uốn của tiết diện dầm chữ nhật.
• $[\sigma_U] = \frac{MOR}{k}$: Ứng suất uốn cho phép với hệ số an toàn kết cấu nội thất $k = 3 \div 6$.

2. Tính toán định mức tiêu hao gỗ và kinh tế kỹ thuật

Căn cứ Tiêu chuẩn Bộ Lâm nghiệp số 10/LNSX và TCVN 8575:2010:

                                          (+Tỷ lệ phế phẩm k = 10%)

• Thể tích gỗ sơ chế có phế phẩm ($V_{SCPP}$): $$V_{SCPP} = (1 + K) \times V_{SCSP} = (1 + 0{,}10) \times V_{SCSP}\text{ (m}^3\text{)}$$
• Thể tích nguyên liệu đầu vào cần thiết ($V_{NL}$): $$V_{NL} = \frac{V_{SCPP}}{N} \times 100\text{ (m}^3\text{)}$$ (với $N$ là hiệu suất pha cắt trung bình)
• Tỷ lệ lợi dụng gỗ ($P$): $$P = \frac{V_{TCSP}}{V_{NL}} \times 100\text{ (%)}$$

---

Implementation và kết quả

Quy trình công nghệ chế tạo (Development Process)

Xử lý khuyết tật tách lớp tiếp tuyến bằng CNC Surfacing

Gỗ Western Hemlock có đặc tính dễ bị xước và tách lớp (ring shake/splitting) khi đưa qua máy bào thẩm trục dao thẳng truyền thống. Nhóm nghiên cứu đã khắc phục bằng cách thiết lập đường dao phay mặt phẳng (Face Milling) trên máy CNC Router 3 trục với dao phay xoắn ốc carbide 2 me ($D=12\text{ mm}$), tốc độ trục chính $18.000\text{ RPM}$, tốc độ tiến dao $F = 3500\text{ mm/min}$, bước ăn sâu mỗi pass $a_p = 1{,}5\text{ mm}$.

(PROGRAM: FRAME_SURFACING_HEMLOCK)
(TOOL: FLAT_ENDMILL_D12_CARBIDE)
G21 G90 G40 G49 G80
M03 S18000
G00 Z25.000
G00 X0.000 Y0.000
G01 Z-1.500 F1200
G01 X650.000 F3500
G01 Y15.000
G01 X0.000
G01 Y30.000
G01 X650.000
G00 Z25.000
M05
M30

Thử nghiệm và Đánh giá kỹ thuật (Testing & Validation)

                       [Tải trọng P = 750 N (75 kg)]
       [Khung trước / Dầm trên]              [Khung sau / Càng xe]
       (Chịu nén & uốn cục bộ)               (Chịu mô-men xoắn trục bánh)
        [Độ võng cực đại: f_max = 1.42 mm (Đạt tiêu chuẩn)]
        [Ứng suất von Mises max: 18.6 MPa << [σ_U] = 27.0 MPa]

1. Kiểm tra độ bền tĩnh (Static Load Test):

   • Tải trọng thử nghiệm: Đặt tải tĩnh $750\text{ N}$ liên tục trong $24\text{ giờ}$ tại tâm gá yên.
   • Kết quả: Độ võng lớn nhất tại trung điểm dầm chính đạt $f_{max} = 1{,}42\text{ mm}$, nằm sâu trong giới hạn đàn hồi an toàn ($f_{allow} = \frac{L}{250} = 2{,}60\text{ mm}$).
   • Ứng suất uốn thực tế cực đại ghi nhận: $\sigma_U = 18{,}6\text{ MPa} < [\sigma_U] = \frac{81}{3} = 27{,}0\text{ MPa}$ (Hệ số an toàn $k=3$).

2. Chất lượng bề mặt và Hoàn thiện ngoại quan:

   • Định mức sơn lót và phủ PU 2K bảo vệ: $q_{mau} = 0{,}18\text{ kg/m}^2$.
   • Định mức tiêu hao nhám chà nhẵn: $q_{GN} = 0{,}5\text{ tờ/m}^2$.
   • Khả năng kháng nước: Thử nghiệm ngâm ẩm bề mặt trong $48\text{ giờ}$, gỗ không có hiện tượng trương nở hay bong tróc đường keo ghép.

Bảng tổng hợp các chỉ số kỹ thuật đạt được

Thông số	Giá trị thiết kế dự toán	Kết quả thực nghiệm hoàn thiện	Trạng thái
Kích thước bao	$1700 \times 630 \times 1080\text{ mm}$	$1700 \times 630 \times 1080\text{ mm}$	Đạt ($100%$)
Thể tích gỗ tinh chế ($V_{TCSP}$)	$0{,}0238\text{ m}^3$	$0{,}0235\text{ m}^3$	Tối ưu vượt mức
Cấp chính xác gia công	Cấp chính xác 2	Dung sai kích thước $\pm 0{,}3\text{ mm}$	Đạt tiêu chuẩn
Tải trọng tối đa	$\ge 75\text{ kg}$	$110\text{ kg}$ (thử nghiệm giới hạn)	Vượt $46{,}6%$
Chi phí gia công khung	$\le 5.000.000\text{ VNĐ}$	$4.706.000\text{ VNĐ}$	Tối ưu chi phí

---

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

Đổi mới công nghệ liên kết (Hybrid Timber-Steel Joints)

Thay vì sử dụng mộng xoi truyền thống vốn làm giảm $35% \div 50%$ diện tích chịu lực hữu dụng của tiết diện dầm gỗ, đề tài áp dụng cơ chế truyền lực qua bản mã thép âm kết hợp bu-lông xiết ren chìm:

• Tăng $42%$ mô-men kháng uốn tại các điểm liên kết khung trước và gắp sau.
• Cho phép tháo rời toàn bộ khung xe thành 5 cụm mô-đun nhỏ gọn, hỗ trợ đóng gói phẳng (Flat-pack).

   (Khắc phục triệt để tập trung ứng suất & nứt tét thớ ngang)

So sánh với các giải pháp quốc tế

Giải pháp	Bough Bikes (Hà Lan)	Moccle Bike (Nhật Bản)	Khung gỗ Hemlock HCMUTE
Vật liệu khung	Gỗ Sồi Pháp (French Oak)	Gỗ dán ép + Sợi Carbon	Gỗ Western Hemlock + Thép SS400
Phương pháp gia công	Cắt phay CNC tấm lớn	Uốn hơi nhiệt + Ép chân không	CNC 3-Axis + Ghép Glulam đa tầng
Cơ chế liên kết	Khung thép bọc ngoài	Bản kim loại gia cường carbon	Bản mã âm trung tâm + Bu-lông
Trọng lượng tổng thể	$\approx 20\text{ kg}$	$\approx 18\text{ kg}$	$16{,}8\text{ kg}$ (Rất nhẹ)
Khả năng sản xuất loạt	Thủ công kết hợp bán tự động	Rất phức tạp (Chi phí khuôn cao)	Tự động hóa hoàn toàn với máy CNC

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng (Real-World Use Cases)

1. Giao thông đô thị sinh thái: Phù hợp cho sinh viên, nhân viên văn phòng di chuyển cự ly $10 - 20\text{ km/ngày}$ trong nội đô.
2. Khu nghỉ dưỡng & Resort cao cấp: Phục vụ dịch vụ trải nghiệm vi vu sinh thái tại các khu nghỉ dưỡng đẳng cấp (An Lâm Retreats, Six Senses Ninh Vân Bay) – nơi đòi hỏi phương tiện không khí thải và hòa hợp kiến trúc xanh.
3. Thị trường xuất khẩu cá nhân hóa (DIY Mobility): Đóng gói dạng bộ Kit tự lắp ráp cho cộng đồng đam mê xe đạp điện phong cách Retro/Craft trên toàn cầu.

Lộ trình công nghiệp hóa và Phân tích kinh tế

Giai đoạn 1 (Tháng 03-07/2024): Chế tạo nguyên mẫu Lab (HCMUTE) -> ĐÃ HOÀN THÀNH
Giai đoạn 2 (Q3-Q4/2024): Đăng kiểm QCVN & Tối ưu hóa đồ gá phay CNC hàng loạt
Giai đoạn 3 (2025): Thương mại hóa dạng Flat-Pack Kit & Hợp tác chuỗi Resort sinh thái

• Chi phí nguyên liệu trực tiếp (BOM Cost):
  • Gỗ Western Hemlock ($0{,}0238\text{ m}^3$): $850.000\text{ VNĐ}$.
  • Gia công phôi thép laser & bu-lông liên kết: $650.000\text{ VNĐ}$.
  • Gia công cắt gọt CNC, keo dán chuyên dụng & sơn phủ PU: $1.206.000\text{ VNĐ}$.
  • Động cơ Hub BLDC $250\text{W}$, bộ điều khiển & Pin Lithium: $2.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Tổng giá thành sản xuất sơ bộ: $4.706.000\text{ VNĐ/chiếc}$.
• Điểm hòa vốn dự kiến: $120\text{ sản phẩm}$ với giá bán thương mại mục tiêu $8.500.000\text{ VNĐ/xe}$.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Yếu tố thời tiết: Cần bảo dưỡng lớp sơn phủ bảo vệ định kỳ ($12 - 18\text{ tháng/lần}$) dưới điều kiện nhiệt đới gió mùa nóng ẩm tại Việt Nam để chống biến đổi màu do tia UV.
• Rung động ngoại biên: Chưa tích hợp hệ thống giảm xóc tích cực trên chính thân dầm gỗ khi vận hành ở đường địa hình nhiều ổ gà lớn.

Hướng nghiên cứu mở rộng

• Gia cường Hybrid Carbon-Glulam: Nghiên cứu dán xen kẽ các lớp sợi carbon $3\text{K}$ giữa các thanh gỗ Hemlock nhằm nâng cao độ bền uốn thêm $60%$, giảm bề dày dầm khung.
• Mô phỏng động lực học: Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench để phân tích mỏi (Fatigue Analysis) dưới tải trọng động lặp tuần hoàn $10^6\text{ chu kỳ}$.

---

Đối tượng hưởng lợi

                                [HỆ SINH THÁI HƯỞNG LỢI]
    [Sinh viên]        [Kỹ sư R&D]          [Doanh nghiệp]     [Nhà nghiên cứu]
  Học liệu thiết kế  Pattern CAD/CAM       Cắt giảm 30% BOM    Dữ liệu cơ lý
  & tính bền gỗ      dầm gỗ - kim loại     đón đầu EV Xanh     Hemlock ứng dụng

• Sinh viên chuyên ngành Gỗ & Cơ khí: Tiếp cận giáo trình thực chiến về tích hợp cơ điện tử vào vật liệu truyền thống; làm chủ quy trình thiết kế dầm chịu lực.
• Kỹ sư phát triển sản phẩm (R&D): Sở hữu giải pháp thư viện thiết kế bas liên kết lai dầm gỗ – thép tấm, giải quyết bài toán tập trung ứng suất khi khoan lỗ xuyên thớ.
• Doanh nghiệp sản xuất nội thất & xe điện: Đa dạng hóa danh mục sản phẩm, đón đầu xu hướng tiêu dùng xanh với chi phí đầu tư khuôn mẫu ban đầu gần như bằng $0$ nhờ máy CNC phổ thông.
• Cộng đồng nghiên cứu vật liệu xanh: Bổ sung cơ sở dữ liệu cơ lý thực nghiệm của dòng gỗ Western Hemlock trong ngành phương tiện giao thông.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để gia công khung xe đạp điện gỗ là gì?

Cơ sở sản xuất cần tối thiểu một máy gia công trung tâm CNC Router 3 trục có hành trình làm việc tối thiểu $1200 \times 800\text{ mm}$, hệ thống máy bào 4 mặt/bào cuốn, máy nén ép keo nguội/nhiệt, cùng vật liệu gỗ Độc cần bờ Tây đã sấy lò đạt độ ẩm kiểm soát chặt chẽ từ $8% \div 12%$.

2. Giới hạn chịu tải trọng và độ bền mỏi của khung xe gỗ như thế nào?

Khung xe được tính toán và kiểm nghiệm tĩnh đạt mức tải an toàn $75\text{ kg}$ liên tục với hệ số an toàn $k = 3 \div 6$, tải trọng phá hủy tối đa vượt $110\text{ kg}$. Độ bền của khung duy trì ổn định trong $5 - 7\text{ năm}$ nếu bề mặt được bảo dưỡng lớp sơn PU ngăn ẩm định kỳ.

3. Việc tích hợp hệ thống điện và pin vào thân khung gỗ có nguy cơ cháy nổ không?

Khung xe được thiết kế hộp cách ly kỹ thuật số riêng biệt cho pin Li-ion và bộ điều khiển. Gỗ Hemlock tự nhiên có tính dẫn nhiệt rất thấp ($0{,}12\text{ W/m}\cdot\text{K}$), đóng vai trò như lớp vỏ cách nhiệt an toàn, ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt so với khung kim loại khi vận hành dưới trời nắng gắt.

4. Quy trình bảo trì và sửa chữa khung xe có phức tạp không?

Nhờ kết cấu mô-đun hóa với liên kết bu-lông và bản mã thép âm, người dùng có thể tháo rời từng cụm chi tiết dầm để thay thế độc lập hoặc đánh nhám sơn lại bề mặt tại nhà tương tự như chăm sóc một món đồ gỗ nội thất.

5. Cơ cấu chi phí và thời gian thu hồi vốn khi thương mại hóa sản phẩm?

Chi phí sản xuất hoàn chỉnh 1 chiếc xe là $4.706.000\text{ VNĐ}$. Khi đưa vào sản xuất theo lô nhỏ (từ 50 xe), năng suất máy CNC giúp giảm $25%$ chi phí nhân công. Với giá bán đề xuất $8.500.000\text{ VNĐ/xe}$, biên lợi nhuận ròng đạt xấp xỉ $44%$, thời gian hoàn vốn đầu tư xưởng chỉ trong vòng $6 - 9\text{ tháng}$.

---

Kết luận

Đề tài “Thiết kế và chế tạo xe đạp điện khung gỗ” của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chứng minh tính khả thi vượt trội trong việc đưa vật liệu tự nhiên bền vững vào ngành chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân thông minh. Sự kết hợp chính xác giữa gỗ Độc cần bờ Tây (Western Hemlock) và kết cấu dầm ghép bản mã thép (Flitched Beams) không chỉ mang lại giá trị thẩm mỹ mộc mạc, độc bản mà còn giải quyết trọn vẹn bài toán chịu lực cơ học, mở ra hướng đi đầy tiềm năng cho xu hướng kinh tế tuần hoàn và công nghiệp di chuyển xanh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch đang dần bị khan hiếm, cùng với vấn nạn ô nhiễm môi trường từ khí thải của các loại phương tiện giao thông sử dụng xăng, dầu đang là vấn nạn toàn cầu. Vậy nên, xu hướng sử dụng các loại phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu thân thiện với mô trường ngày càng được ưa chuộng, việc sử dụng xe điện thay thế cho xe dùng động cơ đốt trong như một xu thế tất yếu. Những người trẻ thuộc hế hệ Millennials và GenZ (18-34 tuổi) hiện nay chiếm hơn ½ dân số Việt Nam và dự kiến đến năm 2023 người tiêu dùng ở độ tuổi này đóng góp khoảng 40% vào tổng lượng tiêu thụ của Việt Nam.

Đây là những thế hệ trẻ và có xu hướng quan tâm hơn đến các vấn đề bảo vệ môi trường, cho nên họ là những tệp khách hàng tiềm năng cho các loại phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu điện.[1] Nhận thấy được các vấn đề liên quan đến việc giữ gìn môi trường và nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông cá nhân sử dụng điện, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo xe đạp điện khung gỗ”, từ đó nắm rõ hơn về thiết kế cũng như chế tạo được sản phẩm phù hợp với thực tế, tìm hiểu vật liệu gỗ được ứng dụng không chỉ trong đồ nội thất và sự kết hợp hài hòa của gỗ với các loại vật liệu khác. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung: thiết kế và chế tạo khung xe đạp điện bằng gỗ, có kết cấu bền vững, phù hợp với nhu cầu đi lại hiện nay của mọi người. - Mục tiêu cụ thể: • Thiết kế được sản phẩm khung xe đạp điện bằng gỗ kết hợp các giải pháp liên kết mới, đáp ứng được sức bền, độ thẩm mỹ cần có trong sản phẩm. Kết hợp các phụ kiện, pin sạc… tối ưu hóa chức năng của xe và khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng.

• Lập hồ sơ thiết kế và quy trình gia công cho sản phẩm. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các sản phẩm cùng loại được sản xuất trên thị trường - Phân tích lựa chọn loại nguyên vật liệu, công nghệ xử lý nguyên vật liệu từ những ứng dụng liên quan. - Đề xuất mô hình sản phẩm – phân tích kết cấu • Bản vẽ lắp và chi tiết của sản phẩm • Phối cảnh sản phẩm (mô hình 3D) 1 - Lựa chọn giải pháp liên kết giữa các chi tiết, cụm chi tiết - Tính toán bền, các chỉ tiêu kỹ thuật - Tính toán nguyên vật liệu và tính toán công nghệ - Thiết kế lưu trình công nghệ • Bản vẽ các chi tiết của sản phẩm • Biểu đồ gia công sản phẩm • Phiếu công nghệ được thể hiện trên bản vẽ của từng chi tiết • Quy trình lắp ráp và trang sức bề mặt - Tính toán giá thành – biện pháp hạ giá thành sản phẩm - Tiến hành chế tạo mô hình sản phẩm 1. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp khảo sát: • Khảo sát thực trạng, tìm hiểu về các mẫu xe điện có trên thị trường • Khảo sát về thông tin nguyên vật liệu chế tạo - Phương pháp kế thừa: • Kế thừa các nghiên cứu, tài liệu thiết kế xe đạp điện khung gỗ của các tác giả trong và ngoài nước - Phương pháp phân tích, đánh giá: • Dựa trên các tài liệu nghiên cứu, kết quả khảo sát rồi tiến hành phân tích tổng hợp, so sánh để đưa ra phương án thiết kế • Phân tích lựa chọn các phương án để chọn phương án thiết kế phù hợp nhất.

- Phương pháp nội nghiệp: Sử dụng các phần mềm đồ họa như AutoCAD, Inventor, SketchUp… để thể hiện và thiết lập hệ thống bản vẽ, trình bày nội dung trên phần mềm Microsoft Word, thực hiện thống kê trên phần mềm Microsoft Excel và áp dụng một số công thức tính toán bền, các chỉ tiêu kỹ thuật, nguyên vật liệu. - Phương pháp thực nghiệm: thực hiện các khảo sát, thí nghiệm thực tế với nhiều mẫu thử trên mô hình để kiểm chứng, hoàn thiện, bổ sung các giả thuyết đã đưa ra. Phạm vi nghiên cứu 2 Lấy nền tảng từ các môn học chuyên ngành liên quan đến thiết kế, chế biến, sản xuất vật liệu gỗ, nhóm chúng tôi xin giới hạn phạm vi nghiên cứu đề tài “Thiết kế, chế tạo xe đạp điện khung gỗ” lại với phần nghiên cứu chính tập trung vào phần khung xe. - Phạm vi nội dung: • Thiết kế sản phẩm khung xe điện bằng gỗ • Lập hồ sơ bản vẽ 2D, 3D • Chế tạo sản phẩm khung xe điện bằng gỗ - Phạm vi thời gian: Từ ngày 15/03/2024 đến 01/07/2024 - Sản phẩm và vật liệu nghiên cứu: Khung xe điện bằng gỗ làm từ gỗ Độc cần bờ Tây (Western Hemlock) nhập khẩu từ Canada 3 CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2. Lịch sử hình thành và phát triển của xe đạp Xe đạp được phát minh vào đầu thế kỷ 19, là phương tiện giao thông có lịch sử lâu đời. Tuy nhiên, những mô hình xe đạp đầu tiên xuất hiện từ cuối thế kỷ 18. Đây là một trong những phát minh quan trọng nhất trong quá trình phát triển của phương tiện giao thông vận tải, giúp con người di chuyển, vận chuyển hàng hóa nhanh hơn và tiết kiệm sức lao động.

Cùng với sự phát triển hiện đại, thì xe đạp cũng đã được cải tiến như xe đạp điện, xe đạp trợ lực, xe đạp gấp tiện lợi, … để thuận tiện sử dụng không chỉ trong đời sống hằng ngày mà còn trong các hoạt động thể thao, giải trí. Khởi đầu của xe đạp Những chiếc xe đạp đầu tiên được làm nên từ gỗ nhưng có trọng lượng không nhẹ nên dẫn đến sự bất tiện trong việc sử dụng. Một trong số đó là “Celerifere” được phát minh vào năm 1790 bởi người Pháp Comte Mede de Sivrac. Chiếc xe này có thiết kế hai bánh, không có bàn đạp và người dùng phải đẩy nó bằng chân.

Sau đó, vào năm 1817, ông Karl von Drais người Đức đã cho ra mắt một mô hình xe đạp khác được gọi là Hình 2.1: Mẫu xe đạp Draisine được lưu trữ tại bảo tàng xe hai bánh ở Đức 4 “Draisine”. Những năm 1860, các nhà phát minh đã bắt đầu sử dụng thép để làm giảm trọng lượng xe và tăng tính bền vững. Năm 1865, ông Pierre Michaux ở Pháp đã pháp minh ra loại xe đạp mới có khung xe bằng thép và hai bánh trước sau cùng một tay lái được gọi là “velocipede”. Nhưng chiếc xe này vẫn khá nặng và khó điều khiển.2: Kiểu dáng xe đạp đầu tiên Tiếp theo, trong những năm 1870, xe đạp mới có tên là “penny-farthing” với loại bánh trước lớn hơn bánh sau và tay lái cao hơn xuất hiện.

Loại xe đạp này cho phép người lái đi nhanh hơn.3: Xe đạp đặc trưng với bánh trước to hơn bánh sau 2. Sự phát triển của xe đạp trong thế kỷ XIX và trong cuộc cách mạng công nghiệp 5 Đến những năm 1880, xe đạp dần trở nên phổ biến hơn và các công ty sản xuất xe đạp bắt đầu phát triển. Các mẫu mã được cải tiến hơn, hệ thống phanh và truyền động được thêm vào góp phần tăng hiệu suất và độ phổ biến của xe đạp trong cuộc sống.4: Những cải tiến mới của xe đạp Một trong những cải tiến quan trọng là sử dụng thép để làm khung xe đạp, thay cho gỗ hay sắt. Ngoài ra, bộ truyền động và hệ thống phanh cũng được cải tiến để người điều khiển được tốc độ của xe dễ dàng hơn, ngừng xe một cách an toàn.

Thiết kế của bánh xe cũng được thay đổi và sử dụng lốp bơm hơi để giúp xe đi êm ái, giảm thiểu rung chấn và sức cản. Trong thời đại công nghiệp hóa, xe đạp đóng một vai trò quan trọng: - Vận chuyển: Xe đạp trở thành phương tiện vận chuyển phổ biến và tiện lợi. Với tốc độ trung bình 20km/h thì giúp việc vận chuyển nhanh chóng và đỡ tốn thời gian hơn. Chi phí sửa chữa bảo trì cũng không cao.

- Giải trí và thể thao: Với những người có phong cách sống năng động và khỏe mạnh thì xe đạp là phương tiện giải trí và thể thao phổ biến, các hoạt động như đạp xe địa hình, đua xe đạp… đã trở thành những hình thức được ưa chuộng trên toàn thế giới. - Kinh tế: Việc sản xuất xe đạp còn là một nền kinh tế lớn, bán lẻ và bảo trì xe đạp cũng đã tạo ra nhiều việc làm cho nhiều người. - Môi trường: Xe đạp là phương tiện di chuyển xanh, không tiếng ồn, không khói bụi, khí thải gây hại. Việc đi xe đạp cũng góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và tác động của con người đến môi trường sống.

Xe đạp trong thời đại hiện nay Với tình trạng ùn tắc giao thông và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng thì nhiều người đã chọn xe đạp là phương tiện di chuyển trong thành phố. Cho nên, các xu hướng 6 cải tiến các loại xe và công nghệ mới ngày càng được ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất xe đạp. Một số sản phẩm có thể kể đến như: - Xe đạp điện: Xu hướng sử dụng xe đạp điện đang dần được phổ biến hơn trên thế giới. Xe đạp điện được tạo ra từ những năm cuối thế kỷ 19 và chiếc xe đạp điện của Ogden Bolton Jr đã được chính phủ Hoa Kỳ cấp bằng sáng chế đầu tiên vào ngày 31 tháng 12 năm 1895.

Năm 1987, cũng tại Mỹ, Hosea W. Libbey đã dăng ký mẫu xe điện của riêng ông, với động cơ có hiệu suất gấp đôi sơ với phiên bản đầu tiên và được thiết kế nằm trong trung tâm trục bánh xe.5: Xe đạp điện Ở Việt Nam, theo Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam (VAMA), năm 2018 có gần 500.000 xe điện hai bánh được bán ra, tăng 30% so với năm 2017 và xe đạp điện đến từ thị trường Trung Quốc và Nhật Bản chiếm thị phần lớn. Một số thương hiệu nổi tiếng có thể nhắc tới như Asama, Ambike, Vnbike, … Trải qua nhiều giai đoạn hình thành và phát triển, xe đạp điện dần được cải thiện hơn. Đặc biệt là về phần pin thay thế cho ắc-quy, các loại pin mới được sử dụng như pin NiMH, NiCd hoặc pin Li-ion có trọng lượng nhẹ hơn, dung lượng cao hơn.

Nhờ các đặc tính trên, những loại pin này có thời gian tích điện dài hơn, độ bền cũng cao hơn. - Xe đạp gấp: Là lựa chọn phổ biến của người dân di chuyển trong thành phố và cần di chuyển bằng phương tiện công cộng. Thiết kế gọn nhẹ nên xe có thể được gấp lại và mang theo lên tàu điện hoặc xe bus.