Thiết kế 3D khung xe điện chở hàng bằng ứng dụng phần tử hữu hạn

Bài viết trình bày cơ sở lý thuyết và tính toán mô phỏng để thiết kế khung xe điện có tải trọng đến dưới 500kg. Các nội dung nghiên cứu được thực hiện bằng ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS Workbench.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thiết kế 3D khung xe điện chở hàng ứng dụng phần tử hữu hạn 3D design of electric light truck’s frame using FEM Nguyễn Thanh Quang*, Vũ Hải Quân, Bùi Văn Đại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenthanhquang@haui.edu.vn Mobile: 0903404601 Tóm tắt Từ khóa: Khung xe điện, Thiết kế 3D, FEM Bài báo trình bày sở lý thuyết tính tốn mơ để thiết kế khung xe điện có tải trọng đến 500kg Các nội dung nghiên cứu thực ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS Workbench Các kết thu xây dựng vẽ thiết kế 3D khung xe điện để làm liệu toán phần mềm PTHH Phân tích cấu trúc kiểu phần tử, đặc tính phần tử số nút chia lưới, dạng tải trọng tác dụng sử dụng kết cấu Phân phân tích, đánh giá lựa chọn giải pháp kỹ thuật kết cấu theo tiêu độ bền khung xe điện Các kết nghiên cứu giúp người sử dụng lựa chọn kết cấu hợp lý thiết kế khung xe điện Abstract Keywords: Electric Frame; 3D Design; FEM This article presents the theoretical basis and simulation calculations for the design of electric vehicle frame with a load of less than 500kg The research was carried out using the Finite Element Method (FEM) and using the ANSYS Workbench specialized software Through the obtained results, a 3D drawing of the electric vehicle frame was established to provide data for the problems and the FEM software The following analyses were carried out: structure analysis based on the element types, the element properties and the number of nodes when meshing; the analyses of types of load applied to the structure; analysis, evaluation and selection of structural engineering solutions according to the durability criteria of the electric vehicle frame The research results will help users choose the appropriate structure in frame designing Ngày nhận bài: 04/07/2018 Ngày nhận sửa: 08/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Với ưu điểm phát thải khí nhiễm mơi trường khơng có nên tơ điện ngày trọng chế tạo Trong khai thác sử dụng thấy rõ lợi ích tơ điện (EV) Do cấu trúc ô tô điện khác với ô tô sử dụng động đốt truyền thống cách sử dụng động điện bình điện hệ thống điều khiển tự động hóa nên công nghệ chế tạo ô tô điện khác HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 nhiều so với ô tơ truyền thống Một điểm khác biệt cấu trúc khung vỏ xe điện cần bố trí sàn xe thấp hệ thống truyền lực bố trí nhỏ gọn cần việc lắp đặt động điện, bình điện thuận tiện, tháo lắp dễ dàng [1] Xe điện chở hàng thuộc loại xe ô tô điện Đặc điểm hoạt động xe giao hàng trung tâm thành phố, nơi dân cư đông đúc, đường chật hẹp nên người lái xe thường xuyên giảm ga sử dụng phanh khởi động xe Yêu cầu thiết kế xe điện chở hàng cần đồng hóa cụm, chi tiết hệ thống khung vỏ, hệ thống động lực điện, hệ thống bình điện hệ thống điều khiển tự động hóa Để đảm bảo yêu cầu cấu trúc xe điện chở hàng, kết cấu khung vỏ xe thiết kế dạng khung vỏ xe chịu lực đảm bảo yêu cầu giới hạn tổng trọng lượng xe CƠ SỞ THIẾT KẾ KHUNG XE 2.1 Các yêu cầu thiết kế Các thiết bị xe điện loại đắt tiền khó chế tạo (hiện Việt Nam phải nhập 100%) lắp chặt với thân xe Vì thiết kế khung xe điện cần đảm bảo yêu cầu sau:  Không bị ảnh hưởng tải trọng từ mặt đường tải chuyên chở xe đến thiết bị điện Không bị ảnh hưởng động điện làm việc gây rung xe Muốn thiết kế cần tránh tần số cộng hưởng tần số lực kích thích mặt đường, lực kích thích từ động điện tần số dao động riêng khung xe  Đảm bảo độ cứng vững khung xe tần số sử dụng phanh, lái, khởi hành xe nhiều thành phố không tăng trọng lượng xe cách lắp thêm dầm tăng cứng  Khung xe sau thiết kế chế tạo cần thử nghiệm số lượng mẫu định để đánh giá chất lượng độ bền độ ổn định cấu trúc (yêu cầu khơng trình bày báo này) 2.2 Xây dựng vẽ thiết kế Việc tiếp cận thiết kế theo mẫu sẵn có đảm bảo yêu cầu quản lý cho xe lưu hành giao thông được, báo sử dụng mẫu xe Exotic công ty T&T Việt Nam chế tạo Một gợi ý cho người thiết kế khung xe điện chở hàng nên tuân theo thông tư 16/2014/TT-BGTVT [2] Bản vẽ thiết kế cần tối ưu phần tử tạo nên cấu trúc tổng thể khung xe Trước tiên thể tối thiểu vẽ tỷ lệ 1/5 hình chiếu diện trước, cạnh, sau hình chiếu Các vị trí khung cần có mặt cắt thể rõ ràng chi tiết Trên hình chiếu mặt cắt thể đầy đủ kích thước dung sai kích thước, cấu trúc lắp ghép dầm chính, dầm phụ chi tiết cấu thành khung xe Dựa vào cấu trúc xe mẫu chọn, trước tiên cần xác định tâm lắc ngang trước sau xe cách phân tích cấu trúc hệ thống treo sau, nối Xác định tâm lắc nhằm tính tốn vị trí lắp đặt cụm động điện, bình điện thiết bị khác Có thể dịch chuyển vị trí lắp đặt cầu trước cầu sau để giảm lắc ngang thân xe đảm bảo khoảng cách hai cầu xe trước sau Việc dịch chuyển cần tính tốn kiểm nghiệm độ bền khung xe cho biến dạng uốn, xoắn chuyển vị theo phương dọc, phương ngang nhỏ Độ cứng xoắn xác định cầu trước cầu sau, khung xe tốt độ cứng xoắn nằm giá trị 6100 Nm/độ đến 7500 Nm/độ Chuyển vị khung xe nằm giới hạn không vượt 1,27 mm tải trọng đến 680 kg (chế độ tải trọng đến 136% tải) [2] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Việc xác định vị trí ghế ngồi người lái ghế cho người lái phụ từ bố trí lắp đặt hệ thống điều khiển lái, điều khiển phanh Bước thiết kế đặt cụm cabin cụm thùng xe Tổng thể thiết kế xe điện chở hàng lựa chọn mẫu xe có Exotic trình bày hình Hình Bản vẽ thiết kế xe điện chở hàng ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN THIẾT KẾ KHUNG XE 3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn Chia cấu trúc khung xe thành hữu hạn phần nhỏ, phần tử nhỏ liên kết với điểm nút, đường nối điểm nút tạo nên lưới Số lượng, kích thước phần tử lưới tùy thuộc vào cấu trúc chi tiết Trên phần cấu trúc lớn bề mặt khung chia lưới thô phần cấu trúc nhỏ Loại phần tử sử dụng chia lưới bề mặt khung dầm phổ biến loại phần tử tam giác tứ giác, loại phần tử tam diện tứ diện sử dụng chia lưới không gian kết cấu khung dầm Hệ phương trình mơ tả kết cấu dạng ma trận xây dựng cho kết cấu gồm có ma trận khối lượng, ma trận độ cứng ma trận tải Giải hệ phương trình xác định giá trị ứng suất, biến dạng chuyển vị khung xe gọi phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Phương pháp giải nhờ sử dụng máy tính với phần mềm phần tử hữu hạn Ansys Workbench 3.2 Các thông số khung xe Từ vẽ thiết kế 3-D phần mềm Siemens NX, cho thấy kết cấu khung xe chủ yếu dạng hộp chữ nhật Kích thước mặt cắt ngang khung hộp dầm tính tốn theo phương trình cân lực dầm chịu xoắn mặt cắt ngang hình hộp chữ nhật, hình Các giá trị tính tốn dầm biểu diễn phương trình (1,) (2) (3) T b h xy  (1) 2Gb2 h2t  xy  Hình Góc xoắn mặt cắt ngang hộp dầm T 2bht 2b 2h2 J xy  b h (2) (3) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong xy, xy, Jxy góc xoắn, ứng suất mặt cắt ngang trung bình hệ số độ cứng xoắn dầm mặt phẳng Oxy; T giá trị mô men xoắn; G mô dun chống xoắn, b, h, t kích thước hình học hộp dầm Theo phương pháp PTTH, độ cứng dầm dọc xác định phương trình (4) K1  EIzz / l1 EIzz / l 1 EIzz / l 2 (4) E mô dun đàn hồi vật liệu; l kích thước chiều dài dầm; số tương ứng với dầm bên trái vá bên phải; Izz mơ men qn tính mặt cắt ngang trục z dầm xác định công thức (5) I zz bt ht  bt ht   (5) 12 3.3 Phân tích tĩnh thiết kế khung xe Phân tích tĩnh xác định phản ứng phương thức theo kích thích tĩnh thực mơ hình phần tử hữu hạn xác định Ma trận độ cứng tổng thể [K] khung xe xác định công thức (6), [1,75] RK r (6) Ở đó, [R] [r] ma trận lực nút chuyển vị nút tất dầm khung Sử dụng phần mềm PTHH Ansys Workbench với phiên sẵn có, cấu trúc khung xe trạng thái chịu tải trọng tĩnh phân tích theo bước sau Trước tiên thực Model mơ hình cách cập nhật mơ hình 3-D khung xe mô đun Gometry, tiến hành chia lưới phần mềm, chọn kích thước lưới mm với hai loại phần tử loại tam diện tứ diện chiều, thực bước đặt điều kiện biên ràng buộc vị trí treo giảm chấn tải trọng Sự khác biệt trường hợp phân tích coi nằm giá trị tải trọng áp dụng điều kiện biên Các giá trị tải đặt quang treo nhíp trước, sau tải trọng xe từ thùng hàng, động điện, khối bình điện cabin [3] Kết bước giải nhận giá trị ứng suất, biến dạng chuyển vị khung xe, hình a) Đặt điều kiện biên tải mô hình b) Giải tìm ứng suất biến dạng khung xe Hình Kết bước tiến hành phân tích FEM khung xe HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.4 Phân tích động học thiết kế khung xe 3.4.1 Lực kích thích từ mặt đường Lực kích thích từ mặt đường dạng loại III mơ hình mặt đường theo lý thuyết Pawloski [4], chiều cao mấp mô trung bình 50 mm cho loại đường xe điện chạy phổ biến thành phố Các thông số mặt đường gây lực kích thích nêu bảng Bảng Các thơng số lực kích thích từ mặt đường Vị trí lực kích thích Lực bánh xe trước trái Lực bánh xe trước phải Lực bánh xe sau trái Lực bánh xe sau phải Biên độ (m) 0.05 0.05 0.05 0.05 Tần số (rad/sec) 5 Phase (rad) Pi/2 Pi/2 3.4.2 Lực kích thích từ động điện Khi động điện xe hoạt động tạo lực kích thích lên khung xe với tần số xác định theo phương trình (7) fe i g v nv N  v Nr  i g Nr  i g Nr i g (km/ h) r 60 2 2 Re 2 Re 3.6 (7) Trong đó, ig tỷ số truyền hộp số, nv tốc độ động điện (RPM), Re bán kính bánh xe, v(km/h) vận tốc xe Trên xe điện này, tốc độ quay định mức động điện 30-2000 RPM Tần số kích thích động điện gây theo vận tốc xe chạy thường xảy phạm vi 30-80km/h, tùy thuộc vào tỷ số truyền khác nhau, tần số kích thích nằm phạm vi 30-80Hz, dễ dàng gây cộng hưởng có hại đến độ êm dịu xe [5] 3.4.3 Kết phân tích Khi xe di chuyển đường, lực kích động từ mặt đường lên lốp xe, truyền qua hệ thống treo tác dụng vào khung xe cộng với lực kích thích từ động điện gây rung xe Sử dụng phần mềm Ansys Workbench với module Hanomic Respone phân tích phản ứng chassis xác định giá trị ứng suất biến dạng a) f = 60 Hz, Df = 0,052404 m b) f = 70 Hz, Df = 0,02845 m Hình Kết phân tích ảnh hưởng lực kích thích đến biến dạng khung xe Tải trọng xe gồm trọng lượng xe, trọng lượng hai người nồi cabin, trọng lượng động trọng lượng hàng hóa (500 kg) Điều kiện ràng buộc đặt theo hướng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 dịch chuyển theo chiều thẳng đứng quang treo sau nhíp trước sau Hình 4.a độ võng ứng suất tần số 60Hz, chuyển vị lớn điểm mút góc phải khung 0,052404 mét Khi tần số tăng lên 70Hz, vị trí chuyển vị thay đổi đến vị trí đặt động điện có giá trị cức đại 0,02845 mét Bằng phương pháp khảo sát chuyển tần số lực kích động lên khung 3.5 Kiểm tra tần số cộng hưởng khung xe Xác định tần số cộng hưởng tần số dao động riêng gần trùng với tần số lực kích động Sử dụng module Modal phần mềm Ansys Workbench khảo sát với 20 dạng riêng ta nhận dãy tần số tương ứng biểu thị hình cho hai trường hợp dạng riêng thứ 10 có tần số 54,513 Hz, chuyển vị nhỏ có giá trị 1,3806e-5 (m) chuyển vị lớn có giá trị 0,0085253 (m); dạng riêng thứ 12 có tần số 76,11 Hz, chuyển vị nhỏ có giá trị 2,25957e-5 (m) chuyển vị lớn có giá trị 0,0090577 (m) Bằng cách tương tự ta trình bầy đầy đủ 18 trường hợp khác f10 = 54,513 Hz; Df 1,3806e-5; Df max 0,0085253(m) f12 = 76,11 Hz; Df 2,2957e-5; Df max 0,0090577(m) Hình Ứng suất biến dạng khung xe KẾT LUẬN Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tĩnh phân tích động thiết kế khung xe điện chở hàng Trong phân tích tĩnh xác định kết cấu phù hợp theo chuyển vị, phân bố ứng suất, phân bố ứng suất Von-Mises Phân tích động xác định tần số dao động riêng khung xe, xác định tần số lực kích thích mặt đường, tần số lực kích thích từ động điện lên khung xe; kết yêu cầu thay đổi vật liệu tránh cộng hưởng làm rung thân xe Các kết nghiên cứu làm thiết kế khung xe điện có kết cấu hợp lý, bố trị tối thiểu dầm, đảm bảo yêu cầu giới hạn trọng lượng xe không bị tăng thêm xe chuyển động êm dịu động điện làm việc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John Fenton, 1996 Handbook of Vehicle Design Analysis Society of Automotive Engineers, Inc Warrendale, Pa., USA [2] Thông tư 16/2014/TT-BGTVT ngày 1/5/2014 Quy định điều kiện xe chở hàng bốn bánh có gắn động người điều khiển tham gia giao thông đường [3] K Santa Rao, G Musalaiah and K Chowdary, 2016 Finite Element Analysis of a Four Wheeler Automobile Car Chassis Indian Journal of Science and Technology, Vol 9(2) [4] J Pawloski, 1970 Vehicle Body Engineering Century Publishing [5] Wei SUN, Yinong LI, Guangzhong XU, Nong ZHANG, 2014 Vibration Control of In-Wheel SRM for Electric Vehicle Applications Inter.noise 2014, Menbourne Australia 16-19 November  ... Bước thiết kế đặt cụm cabin cụm thùng xe Tổng thể thiết kế xe điện chở hàng lựa chọn mẫu xe có Exotic trình bày hình Hình Bản vẽ thiết kế xe điện chở hàng ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN THIẾT... hạn tổng trọng lượng xe CƠ SỞ THIẾT KẾ KHUNG XE 2.1 Các yêu cầu thiết kế Các thiết bị xe điện loại đắt tiền khó chế tạo (hiện Việt Nam phải nhập 100%) lắp chặt với thân xe Vì thiết kế khung xe. .. KẾ KHUNG XE 3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn Chia cấu trúc khung xe thành hữu hạn phần nhỏ, phần tử nhỏ liên kết với điểm nút, đường nối điểm nút tạo nên lưới Số lượng, kích thước phần