Thiết kế và kiểm nghiệm bền khung gầm xe điện HaUI-EV2

Bài báo trình bày nghiên cứu tính toán và kiểm nghiệm bền khung gầm xe điện HaUI-EV2. Trước tiên khung gầm xe điện được thiết kế bằng phần mềm Solid Work cho ra được hình dáng của khung xe. Vật liệu chế tạo khung là thép CT3, được đưa vào phần mềm Ansys, chia lưới, đặt các lực tác dụng và các điều kiện ràng buộc, đưa ra các kết quả và thảo luận.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thiết kế kiểm nghiệm bền khung gầm xe điện HaUI-EV2 Designing and testing the frame’s fatigue strength of the HaUI-EV2 electric vehicle Chu Đức Hùng*, Hoàng Quang Tuấn, Nguyễn Anh Ngọc Khoa Cơng nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội *Email: chuduchung@haui.edu.vn Mobile: 0989263349 Tóm tắt Từ khóa: Khung gầm xe điện; HaUI-EV2; Ansys; Kiểm bền Bài báo trình bày nghiên cứu tính tốn kiểm nghiệm bền khung gầm xe điện HaUI-EV2 Trước tiên khung gầm xe điện thiết kế phần mềm Solid Work cho hình dáng khung xe Vật liệu chế tạo khung thép CT3, đưa vào phần mềm Ansys, chia lưới, đặt lực tác dụng điều kiện ràng buộc, đưa kết thảo luận Trong thực tế có nhiều chế độ tải tác dụng lên khung khác Nhưng tính tốn, nhóm nghiên cứu lựa chọn chế độ tải nặng chế độ tĩnh toàn tải, chế độ phanh gấp chế độ bánh qua mô đất cao 42mm để kiểm nghiệm bền cho khung Các kết tính tốn cho thấy khung xe điện HaUI-EV2 đảm bảo đủ bền đưa vào chế tạo mơ hình xe thực tế Abstract Keywords: Electric vehicle’s frame; HaUI-EV2; Ansys; Fatigue This article presents the calibration and calculation of HaUI-EV2 electric vehicle’s frame Firstly, the vehicle’s frame was designed by Solid Work software The material used in manufacturing was CT3 steel, which was inserted in the data input of the Ansys software, meshed, placed the forces and fixed the points on the frame, and given the results and discussed In fact, there are many different loading conditions when calculating the frame’s fatigue However, the research group has chosen the heaviest load modes such as the full load mode, the fast deceleration mode, the full load mode when one wheel passes through the 42mm high ground to test the frame strength Based on the results of calculations, the frame of the HaUI-EV2 electric vehicle meets the requirements of fatigue and that can be put into the practical production Ngày nhận bài: 19/7/2018 Ngày nhận sửa: 04/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Những năm gần với ấm lên tồn cầu, vấn đề nhiễm mơi trường, cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch mà người chuyển sang nghiên cứu xe hybrid xe điện Các quốc gia giới sử dụng loại xe thay cho xe sử dụng động đốt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 túy Các quốc gia Mỹ, Nhật, Châu Âu… đưa chế tài pháp luật tiêu chuẩn khí thải dịng xe sử dụng động đốt ngặt nghèo Euro [1] (ở Việt Nam Euro [2]) để hạn chế độc hại chất thải với môi trường Các hãng ô tô giới đau đầu vấn đề này, họ nhận thấy sử dụng động đốt sử dụng nhiên liệu hóa thạch khơng thể tránh khỏi việc phải xả thải khí độc hại mơi trường mà tiêu chuẩn khí thải chắn ngày nâng cao, nghiên cứu phát triển xe hybrid xe điện hướng cho tương lai Tại Việt Nam tiêu chuẩn khí thải cịn thấp dẫn đến việc phải chịu ảnh hưởng lớn từ khí thải tơ Năm 2016, nhiễm khơng khí giao thơng vận tải chiếm 70% [3] Hà Nội có 38 ngày có khơng khí năm [4] Với số lượng tơ ngày tăng nước bị ô nhiễm ngày trầm trọng Xét theo nguồn thải gây nhiễm tồn quốc, hoạt động giao thơng đóng góp khoảng 85% lượng CO Chất thải chủ yếu từ phương tiện giao thông giới CO, CO2, HC, BOx (đối với động xăng) PM, NOx (đối với động diesel) Với mục tiêu nghiên cứu phát triển xe điện mang thương hiệu Đại học Công Nghiệp Hà Nội đồng thời phục vụ cho nhu cầu lại tham quan trường, nhóm nghiên cứu chọn đề tài “Thiết kế xe Điện HaUI-EV2” Cơng việc thiết kế tính tốn khung gầm tơ để tìm phương án chế tạo khung xe tơ đảm bảo an tồn, đủ tính kỹ thuật, yêu cầu sử dụng, độ bền, độ an toàn độ ổn định cần thiết điều kiện địa hình Việt Nam đề cập chi tiết báo này.Với mục tiêu nghiên cứu phát triển xe điện mang thương hiệu đại học Cơng Nghiệp Hà Nội góp phần giảm phát thải mơi trường, nhóm trước tiên sâu vào công việc thiết kế kiểm nghiệm bền khung gầm Khung xe phần tử xương cốt xe phần tử chịu lực xe Là chi tiết dùng để đỡ lắp đặt hầu hết cụm, cấu hệ thống xe động hệ thống truyền lực, phần vận hành, hệ thống điều khiển, cụm thiết bị phụ thiết bị đặc biệt… đồng thời nơi chịu toàn tác động thay đổi từ mặt đường lên xe xe chuyển động thông qua hệ thống treo [5] Dựa vào kết cấu khung xe điện thực tế tài liệu chuyên ngành kỹ thuật tơ, nhóm sử dụng phần mềm Solid Work để thiết kế khung gầm xe điện cho hình ảnh 3D khung sau đưa vào kiểm nghiệm bền khung gầm phần mềm Ansys 18.2 Dựa vào kết mơ tính tốn để kết luận ban đầu khung có đủ bền hay khơng, đưa vào thực tiễn sản xuất hay khơng Đây tốn mơ lý thuyết, kết sở để tối ưu hóa tính tốn Để hồn thiện thiết kế cần phải xây dựng mơ hình thực tế để tiến hành kiểm nghiệm so sánh kết với lý thuyết Nội dung xây dựng kiểm nghiệm mơ hình thiết kế đề cập tới nghiên cứu nhóm CƠ SỞ THIẾT KẾ KHUNG GẦM XE ĐIỆN HaUI-EV2 2.1 Thông số kỹ thuật xe điện HaUI-EV2 Dựa theo yêu cầu ban đầu chế tạo xe điện chỗ ngồi, thông số kỹ thuật ô tô điện HaUI-EV2 cho bảng Bảng Thông số kỹ thuật ô tô điện HaUI-EV2 Thông số Loại phương tiện Công thức bánh xe Đơn vị - Giá trị Xe chỗ 4x2 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kích thước bao (dài x rộng x cao) Chiều dài sở Vết bánh trước/sau Chiều dài đầu xe Chiều dài sau xe Khoảng sáng gầm xe mm mm mm mm mm mm 3720x1500x1900 1860 1325 980 880 248 2.2 Thiết kế khung gầm xe điện HaUI-EV2 Xác định loại khung để thiết kế xe ô tô HaUI-EV2 khung gầm chịu lực; vỏ xe cụm chi tiết bắt khung xe Kết cấu khung khung có dầm dọc song song có ưu điểm giá thành rẻ dễ lắp ráp tay, phù hợp cho sản xuất nhỏ lẻ trình độ kỹ thuật Việt Nam Tuy nhiên, nhược điểm khung dầm loại có độ cứng xoắn thấp Hình Hình dáng kết cấu khung xe điện HaUI-EV2 Đặc điểm khung chi tiết chịu lực xe Độ cứng khung lớn nhiều so với vỏ gá khung Vỏ lắp khung cách linh hoạt, thuận tiện trình tháo lắp Vỏ không chịu tác dụng ngoại lực khung bị biến dạng Dựa vào bảng thông số kỹ thuật yêu cầu hệ thống treo với vị trí bắt nhíp, lị xo, giảm chấn, chữ A, góc quay bánh xe trước, hạ thấp chiều cao trọng tâm phân bố khối lượng người ngồi khối lượng ắc quy điện… nhóm thiết kế hình dáng khung dầm xe điện HaUI-EV2 hình vẽ Vật liệu chế tạo khung lựa chọn thép hộp CT3 loại vật liệu giá thành rẻ, nhẹ thông dụng Các thông số kỹ thuật thép CT3 cho bảng đây, bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Thông số thép CT3 [6] Tên Tỉ trọng Độ bền kéo Giới hạn bền uốn Giới hạn bền kéo Hệ số giãn nở nhiệt (22độ) Hệ số độ dẻo Thông số 7850 250 25 460 12000 0,213 Đơn vị kg/m3 MPa MPa MPa k-1 - 2.3 Tải trọng đặt lên khung dầm xe điện Khung xe chịu hồn tồn tải trọng nên chịu tải trọng khối lượng hệ thống lái, khối lượng ắc quy, động cơ, khối lượng sàn xe khung dầm phía trên, khối lượng ghế, khối lượng người ngồi xe… lực tác dụng lên khung không việc xác định điểm đặt lực tập trung tương đối khó khăn nên nhóm chia nhỏ khung thành mặt đặt lực phân bố vào Hình Sơ đồ bố trí lực 1-Hệ thống lái, 2- ghế lái trước, 3- bánh xe trước, 4; 6; 13- ắc quy, 5- động điện, 7- ghế giữa, 8- trục đăng, 9vi sai cầu sau, 10- bán trục, 11- bánh xe sau, 12- ghế lái sau Để thuận tiện trình tính tốn mơ phỏng, nhóm nghiên cứu chia khu vực chịu tải trọng khác khung xe theo kết cấu xe Các tải trọng đặt tên từ G1 đến G5, cụ thể hình vẽ số HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Các khối lượng phân bố khung xe điện HaUI-EV2 Trong đó: + G1 khối lượng tác động hệ thống lái, khung vỏ mặt trước + G2 khối lượng tập trung hàng ghế lái bao gồm ắc quy, khối lượng ghế, khung gầm vùng đó, khối lượng người ngồi ghế (chế độ có tải) + G3 khối lượng tập trung hàng bao gồm ắc quy, động cơ, khối lượng ghế, khung gầm, khối lượng người ngồi (chế độ có tải) + G4 khối lượng ghế sau bao gồm khối lượng ghế, khung gầm, khối lượng người ngồi (ở chế độ có tải) + G5 khối lượng ghế phụ đằng sau gồm ắc quy, khối lượng khung + G6 khối lượng sàn xe, khung xương cột chống Các giá trị tính tốn cụ thể trường hợp khơng tải có tải cho bảng 3: Bảng Khối lượng phân bố Không tải (kg) Có tải (kg) G1 27,4 27,4 G2 119,7 239,65637 G3 241,5 421,5 G4 50 230 G5 220 220 G6 166,9 166,9 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Như đề cập phần trên, chế độ tính toán lực tác dụng lên khung vỏ xe toàn tải tĩnh; phanh với gia tốc phanh lớn qua gờ giảm tốc Ứng với chế độ, tải trọng tác dụng lên khung gầm xe khác tương đối rõ rệt Điều ảnh hưởng đến ứng suất chuyển vị khung gầm xe chế độ làm việc khác HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.1 Trường hợp toàn tải tĩnh Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng từ G1 đến G6 cho bảng khối lượng phân bố mục Các thông số đưa vào mơ hình khung gầm tơ với điểm cố định cho hình Hình Lực tác dụng lên khung gầm xe điện trường hợp toàn tải Chuyển vị ứng suất khung gầm xe điện HaUI-EV2 cho hình Chuyển vị lớn 2.3998 mm nhiên phần hệ thống treo biến dạng đàn hồi Chuyển vị tập trung phần đầu xe cuối xe Ta thấy dù tải trọng phân bố ghế hàng hàng lớn nhiên có hỗ trợ hệ thống treo phụ thuộc đỡ nhíp nên khung xe không biến dạng nhiều khu vực Với việc chuyển vị lớn khoảng 2,4 mm khơng ảnh hưởng đến đặc tính động học hệ thống khác gắn khung xe Hình Chuyển vị khung gầm xe trường hợp toàn tải HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Ứng suất khung gầm xe trường hợp toàn tải Ứng suất cực đại tác dụng lên khung đạt vị trị thay đổi biên dạng vị trí hệ thống treo cầu sau, σmax = 92,47 MPa < [σ]cp = 460 MPa, hình vẽ Khung dầm trường hợp đủ bền đảm bảo đủ bền 3.2 Trường hợp phanh xe với gia tốc phanh lớn Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng từ G7 đến G11 tính toán với gia tốc phanh cực đại giả thiết jpmax = 5,886 (m/s2) Các lực quán tính đặt lên dầm ngang tính tốn theo phương pháp vật lý ứng với khối lượng đặt khung xe gia tốc phanh Giá trị sau tính tốn cho bảng Bảng Các lực quán tính tác dụng lên khung xe Lực quán tính G7 G8 G9 G10 G11 Giá trị 16,46607 143,7938 252,8857 137,9782 131,9776 Hình Lực tác dụng lên khung gầm xe điện phanh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Chuyển vị lớn 2,9837 mm có kèm theo độ dàn hồi hệ thống treo Biến dạng tập trung phần đầu xe Chuyển vị trường hợp nhỏ nên đảm bảo động học xe Ứng suất lớn σmax = 119,23 (MPa) < [σ] = 460 (MPa) Do đó, suy khung xe điện HaUI-EV2 đảm bảo đủ bền Chuyển vị ứng suất cho hình hình Hình Chuyển vị khung gầm xe điện phanh Hình Ứng suất khung gầm xe điện phanh 3.3 Trường hợp xe qua mấp mô với vận tốc v = km/h Trong trường hợp giả thiết xe qua gờ giảm tốc có độ cao 42 mm với vận tốc km/h Khi đó, kích động từ mặt đường lên bánh xe điện mô phần mềm Matlab/Simulink Các kết mơ đưa vào mơ hình thơng qua điểm đặt lực giá trị phương, chiều độ lớn Bên trái xe qua gờ nên chịu lực lớn Bánh trước gặp phải gờ đầu tiên, trọng lượng xe dồn phía trước nên chịu lực kích động lớn 4132 N Bánh sau bên trái chịu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2067 N Bên phải đường phẳng hệ thống treo sau phụ thuộc bánh sau chịu 982 N lớn bánh trước 116 N, hình 10 Hình 10 Lực tác dụng lên khung gầm xe điện qua mấp mơ Hình 11 Chuyển vị khung gầm xe qua mấp mơ Hình 12 Ứng suất khung gầm xe qua mấp mô HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Chuyển vị tập trung phần đầu xe cuối xe Ta thấy dù tải trọng phân bố ghế hàng hàng lớn nhiên có hỗ trợ hệ thống treo phụ thuộc đỡ nhíp nên khung xe khơng biến dạng nhiều khu vực Với việc chuyển vị lớn khoảng 2,4 mm khơng ảnh hưởng đến đặc tính động học hệ thống khác gắn khung xe Độ biến dạng lớn 2,6661 mm kèm theo chuyển vị hệ thống treo, hình 11 12 Chuyển vị nhỏ đảm bảo phần động học xe Biến dạng tập trung vào phần bên trái bánh xe trái qua gờ giảm tốc Ứng suất lớn nhất: σmax = 106 (MPa) < [σ] = 460 (MPa) Khung trường hợp đủ bền KẾT LUẬN Bài báo xây dựng kết cấu, hình dáng khung xe điện, đồng thời kiểm nghiệm độ bền khung xe trường hợp chịu tải trọng khác Trong chế độ phanh gấp khung xe chịu ứng suất lớn chuyển vị nhiều nhiên lực phân bố không tập trung vào bên trường hợp xe qua gờ giảm tốc nên phân bố ứng suất hai dầm dọc Ứng suất tập trung phía trước có tác động lực quán tính hợp lực dồn lên phía trước Kết tính tốn kiểm nghiệm cho thấy khung xe ô tô điện chỗ HaUI-EV2 thiết kế có đủ tính kỹ thuật, u cầu sử dụng độ bền trường hợp chịu tải trọng tĩnh, phanh qua gờ giảm tốc Từ kết đưa đề xuất để tối ưu hóa thiết kế khung gầm xe điện tương lai để giảm khối lượng vật liệu cần sử dụng trình chế tạo sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Delphi Co.Lt, 2016 Worldwide Emissions Standards Pasenger Cars and Light Duty Delphi Technical Publishcation-An Electronic Verson, Delphi.com/emissions-pc [2] Bộ GTVT, 2015 Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia khí thải mức xe ô tô sản xuất, lắp ráp nhập Bộ Giao thông vận tải, Quy chuẩn Việt Nam, Bộ GTVT VN, QCVN86, 2015/BGTVT [3] Bộ GTVT, 2016 Kiểm sốt phát thải phương tiện giao thơng: Giảm thiểu nhiễm khơng khí Website Bộ Giao thơng vận tải, Bộ GTVT, http://www.mt.gov.vn/mmoitruong/tintuc/993/43946/kiem-soat-phat-thai-phuong-tien-giao-thong giam-thieu-o-nhiem-khong-khi-.aspx [4] Thanh Hiền, 2018 Cả năm 2017 Hà Nội có 38 ngày khơng khí Website Phụ nữ online, Hội Liên hiệp Phụ nữ TPHCM, http://phunuonline.com.vn/the-gioi/ca-nam-2017-ha-noichi-co-38-ngay-khong-khi-sach-121736/ [5] N.H Cẩn, D.Q Thịnh, P.M Thái, N.V Tài, L.T Vàng, 2003 Lý thuyết ô tô máy kéo NXB Khoa học kỹ thuật [6] TCVN, 1977 Thép cacbon kết cấu thông thường – Mác thép yêu cầu kỹ thuật Tiêu chuẩn nhà nước Nhóm B, TCVN 1765-75, trang 227-242  ... đầu xe Chiều dài sau xe Khoảng sáng gầm xe mm mm mm mm mm mm 3720x1500x1900 1860 1325 980 880 248 2.2 Thiết kế khung gầm xe điện HaUI-EV2 Xác định loại khung để thiết kế xe ô tô HaUI-EV2 khung gầm. .. nghiên cứu nhóm CƠ SỞ THIẾT KẾ KHUNG GẦM XE ĐIỆN HaUI-EV2 2.1 Thông số kỹ thuật xe điện HaUI-EV2 Dựa theo yêu cầu ban đầu chế tạo xe điện chỗ ngồi, thông số kỹ thuật ô tô điện HaUI-EV2 cho bảng Bảng... (MPa) Khung trường hợp đủ bền KẾT LUẬN Bài báo xây dựng kết cấu, hình dáng khung xe điện, đồng thời kiểm nghiệm độ bền khung xe trường hợp chịu tải trọng khác Trong chế độ phanh gấp khung xe chịu