4. Những thiếu sót và tồn tại Đồ án tốt nghiệp:
4.3 Các phương án thiết kế cụ thể
4.3.1. Hệ thống khung xe:
4.3.1.1. Vật liệu làm khung xe:
- Nhóm sử dụng vât liệu với mục tiêu sau: + Dễ tìm kiếm.
+ Dễ gia công.
+ Trọng lượng xe nhẹ.
- Từ ba tiêu chí trên nhóm đã chọn ra được phương án chọn vật liệu để phù hợp với yêu cầu đề ra.
+ Phương án 1: Sử dụng sắt ống tròn hoặc vuông.
Hình 4.1 Các loại sắt hộp có trên thị trường (Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm: Là loại vật liệu dễ tìm ở Việt Nam, giá thành rẻ, hình thù đa dạng, tiêu chuẩn thống nhất, dễ lắp ráp, dễ gia công uốn cắt, có thể sử dụng được các phương pháp ghép nối như hàn điện hàn khí.
Khuyết điểm: Khả năng chịu lực trung bình, khối lượng riêng lớn, chi tiết gia công không mang tính thẩm mỹ cao, dễ bị ăn mòn. cần có lớp sơn bảo vệ sau khi gia công.
+ Phương án 2: Sử dụng sắt dạng đặc dạng tấm hoặc khối.
30
Ưu điểm: Là loại vật liệu dễ tìm ở Việt Nam, khả năng chịu lực lớn, phù hợp làm nguyên liệu để gia công các chi tiết biên dạng phức tạp. Các phương ghép nối như hàn điện, hàn khí đều sử dụng được.
Khuyết điểm: Khối lượng riêng lớn, dễ bị ăn mòn, phải qua quá trình gia công mới sử dụng được.
+ Phương án 3: Sử dụng vật liệu làm từ nhôm:
Hình 4.3. Nhôm hộp và nhôm thanh trên thị trường (Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm: Trọng lượng riêng nhẹ, dễ gia công, khả năng chống ăn mòn tốt, mang tính thẩm mỹ cao.
Nhược điểm: Giá thành cao, độ dẻo cao, không phù hợp với chi tiết chịu lực lớn, Các phương pháp ghép nối như hàn điện hàn hơi không áp dụng được.
+ Phương án 4: Sử dụng kết hợp sắt ống, sắt đặc và nhôm.
Ưu điểm: Sử dụng các loại vật liệu kết hợp giúp bù đắp những ưu khuyết điểm của các phương án cho nhau, giúp đạt yêu cầu tốt về trọng lượng xe, khả năng gia công linh hoạt, các chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật tốt.
Khuyết điểm: Thiết kế gia công phải phủ hợp với từng loại vật liệu.
4.3.1.2: Hệ thống treo của xe.
Đây là một chiếc xe có khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình nhấp nhô, nên nhóm chọn thiết kế khung xe phỏng theo thiết kế khung xe của xe ô tô 4 bánh.
Xe không thể cố định 4 bánh vào khung vì như thế khi di chuyển trên quãng đường dài nhưng rung động từ mặt đường sẽ được truyển thẳng từ khung xe vào người, khiến cho người ngồi xe mệt mỏi và chiếc xe cũng dễ lật khi rẽ hướng.
31
Hiện nay hai hệ thống treo được sử dụng rộng rãi trong xe hơi đó và cũng là một trong hai phương án của nhóm lựa chọn.
Hình 4.4: Các loại hệ thống treo xe ôtô; bên trái hệ thống treo phụ thuộc, bên phải hệ thống treo độc lập (Nguồn: chưa rõ)
- Phương án 1: Hệ thống treo phụ thuộc:
Cấu tạo của hệ thống treo phụ thuộc khá đơn giản với cả hai bánh xe được đỡ bằng một hộp cầu hoặc dầm cầu xe nối liền với hai bánh, ở hệ thống này có hai phần tử đàn hồi là lò xo nhíp và lò xo cầu.
Hình 4.5: Hệ thống treo phụ thuộc ở trục cầu sau của xe( Nguồn: http://xehoigiatot.vn )
Ưu điểm: Hệ thống treo phụ thuộc có cấu tạo đơn giản, ít chi tiết vì thế dễ bảo trì bảo dưỡng, có độ cững vững nên chịu tải nặng, khi vào cua thân xe ổn định chắc chắn và ít bị nghiêng, định vị các bánh xe ít thay đổi do chuyển động lên xuống, nhờ thế bãnh xe ít bị bào mòn. Hệ thống treo phụ thuộc phù hợp với các dòng xe tải chở hàng nặng.
32
Nhược điểm: Cứng nhắc không linh hoạt, độ êm của xe kém, bánh xe trái bánh xe phải phụ thuộc lẫn nhau thông qua cầu xe nên dễ bị ảnh hưởng rung lắc lẫn nhau. Ở những đoạn đường cua gấp hay những đoạn đường ướt trơn trượt dễ bị trượt bánh không an toàn.
Phương án 2: Hệ thống treo độc lập:
Cấu tạo mỗi bánh xe nằm trên tay đỡ riêng gắn vào thân xe, hai bánh xe chuyển động độc lập tạo sự linh hoạt chủ động cho mỗi bánh xe.
Hình 4.6: Hệ thống treo độc lập ở trục cầu trước của xe( Nguồn: http://xehoigiatot.vn )
Ưu điểm: Xe êm hơn hệ thống treo phụ thuộc, khi vào cua xe hạn chế được hiện tượng trượt bánh.
Khuyết điểm: Cấu tạo phức tạp, khó sửa chữa, khoảng cách bánh xe thay đổi theo sự lên xuống của bánh xe.
4.3.2 Hệ thống truyền động
4.3.2.1. Hệ thống truyền động bánh xích
33
- Cấu tạo hệ truyền động xích gồm: đĩa bị dẫn 1, địa bị dẫn 2, xích 3.
- Nguyên lý làm việc: Xích là một chuỗi các mắt xích nỗi với nhau bằng khớp bản lề. Xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn sang trục bị dẫn nhờ sự ăn khớp các mắt xích với các răng trên đĩa xích ( ăn khớp gián tiếp).
Ưu điểm:
- Có thể truyển động giữa hai trục song song cách nhau xa.
- Khuôn khổ kích thước nhỏ gọn hơn truyền động đai cùng công suất. - Không có hiện tượng trượt, tỷ số truyền trung bình ổn định.
- Hiệu suất cao, có thể đạt 98% nếu được chăm sóc tốt và sử dụng hết khả năng tải. - Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ.
- Có thể cùng một lúc truyền từ một trục bị dẫn tới nhiều trục bị dẫn.
Nhược điểm:
- Nhanh mòn bản lề, nhất là khi bôi trơn không tốt, làm việc nơi có nhiều bụi.
- Vận tốc tức thời của xích và địa xích bị dẫn không ổn định, nhất là do số răng đĩa xích nhỏ.
- Có tiếng ồn khi làm việc.
- Cần bôi trơn hiệu chỉnh căng xích để tăng hiệu suất làm việc.
4.3.2.2. Hệ thống truyền động đai
Hình 4.8: Cấu tạo bộ truyền đai ( Nguồn: chưa rõ)
Cấu tạo gồm các bánh đai và đai truyền động.
Nguyên lý làm việc: Công suất từ bánh đai chủ động truyền cho bánh đai bị động nhờ vào ma sát sinh ra giữa hai bánh đai và đai truyền động.
Ưu điểm:
Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau (<15m)
34
Nhờ vào tính đàn hồi của đai nên tránh được dao động sinh ra do tải trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu.
Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phòng sự quá tải trên động cơ. Kết cấu và vận hành đơn giản.
Nhược điểm:
Kích thước bộ truyền đai lớn so với các bộ truyền khác: xích, bánh răng.
Tỉ số truyền thay đổi do hiện tượng trượt trơn giữa đai và bánh đai (ngoại trừ đai răng). Tải trọng truyền lên trục và ổ lớn (Thường gấp 2-3 lần so với bộ truyền bánh răng) do phải cần lực căng đai ban đầu (tạo áp lực pháp tuyến lên đai tạo lực ma sát).
Tuổi thọ của bộ truyền thấp.
4.3.3. Hệ thống dẫn động
Phương án 1: Sử dụng hệ thống dẫn động cầu trước (FWD)
Là hệ thống dẫn động cầu trước, tức là 2 bánh trước sẽ trực tiếp nhận được "lực" truyền từ động cơ. Hai bánh trước sẽ chủ động quay và "kéo" 2 bánh sau lăn theo.
Hình 4.9: Hệ thống dẫn động cầu trước FWD( Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm:
Giảm bớt các chi tiết cấu thành. Giúp hạ thấp chi phí sản xuất.
35
Khối lượng xe giảm do đó xe ít tốn năng lượng hơn
Do yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu và giảm giá thành nên phương án này đáp ứng được nhu cầu của nhiều khách hàng.
Nhược điểm:
Do sự phân bố trọng lượng tập trung ở phần đầu xe nên xe khó tăng tốc nhanh.
Do trọng lượng dồn về trước nhiều hơn khiến đuôi xe trở nên nhẹ nên khi điều khiển dễ bị mất lái khi vào cua nhất là khi điều kiệu đường trơn trượt.
Lực ma sát sinh ra dẫn đến hao mòn nhanh ở lốp xe bánh trước. Tuổi thọ của hệ thống treo kém.
Phương án 2: Sử dụng hệ thống dẫn động cầu sau (RWD)
Hoạt động của hệ thống này tương tự như FWD nhưng lần này là 2 bánh sau quay và "đẩy" 2 bánh trước lăn theo.
Hình 4.10: Hệ thống dẫn động cầu sau RWD( Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm:
Phân bố trọng lượng về phía sau nên xe có được sự cân bằng trọng lượng tốt. Khả năng vận hành ổn định.
Việc giải phóng bánh trước giúp xe dẫn hướng được tự do hơn, góc lái rộng hơn. Hệ thống phanh và hệ thống treo bền hơn.
Bánh sau sẽ cung cấp lực đẩy giúp khi tăng tốc thì quán tính nghỉ sẽ dồn năng lượng của nó về phía sau nhiều hơn, do đó khả năng bám đường sẽ tốt hơn.
36
Nhược điểm:
Chi phí sản xuất và lắp ráp cao hơn. Hệ thống truyền động phức tạp.
Trọng lượng xe lớn dẫn đến tốn năng lượng.
Phương án 3: Sử dụng hệ thống dẫn động 4 bánh bán thời gian (4WD)
Chúng ta có thể tưởng tượng là chiếc xe trang bị hệ thống dẫn động này có thể "quay" được cả 4 bánh cùng lúc hoặc chỉ 2 bánh tùy vào lựa chọn của người lái thông qua một cơ cấu "gài cầu" bên trong xe.
Hình 4.11: Hệ thống dẫn động 4 bánh bán thời gian (4WD)( Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm:
Linh động chuyển đổi dẫn động 2 bánh và 4 bánh. Vượt qua được những địa hình khó khăn hiểm trở.
Có thể chuyển đổi dẫn động cầu sau ở những đường bằng phẳng giúp giảm được năng lượng tiêu thụ
Nhược điểm:
Hệ thống xe phức tạp, khó điều khiển. Trọng lượng xe lớn.
Giá thành cao.
Vẫn tốn năng lượng so với các loại dẫn động khác.
4.3.4. Hệ thống nâng hạ ghế ngồi
37
Cấu tạo dựa theo nguyên lý hoạt động của mặt phẳng nghiêng và thiết kế sử dụng ray trượt giúp thay đổi độ cao của ghế ngồi dành cho người khuyết tật.
Hình 4.12: Phân bố lực trên mặt phẳng nghiêng( Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm:
- Dễ thiết kế tính toán hệ thống trượt và lực nâng dựa theo tải trọng cho trước. - Hệ thống đơn giản, dễ bảo trì.
- Độ cứng vững cao.
Nhược điểm:
- Độ cao của ghế ngồi thay đổi phụ thuộc phần lớn vào góc nghiêng.
- Sử dụng hệ thống nâng khá phức tạp như vit-me, xi-lanh thủy lực hoặc khí nén.
4.3.4.2: Ưu nhược điểm của vit-me, xi-lanh thủy lực hoặc khí nén. - Hệ thống nâng sử dụng xi lanh thủy lực:
Hình 4.13: Xi-lanh thủy lực (Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm:
Tải trọng lớn, an toàn khi sử dụng.
Nhược điểm:
Cấu tạo gồm nhiều phần, phần máy bơm, thùng dầu, xy lanh thủy lực, dây dẫn dầu, van điều khiển tạo thành một hệ thống cồng kềnh, khó bảo trì bảo dưỡng, khối lượng lớn khi lắp đặt, vận hành có nhiều tiếng ồn.
38
- Hệ thống sử dụng xi lanh khí nén.
Hình 4.14: Xi-lanh khí nén (Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm: Tải trọng lớn, nhưng không bằng xy lanh thủy lực. lắp đặt đơn giản, thời gian đáp ứng nhanh.
Nhược điểm: Cũng giống như hệ thống thủy lực, hệ thống khí nén cấu tạo phức tạp, vận hành rất ồn.
- Hệ thống sử dụng vit- me.
Hình 4.15: Vít-me bi (Nguồn: chưa rõ)
Ưu điểm:
Độ chính xác cao, khả năng chịu tại ở mức trung bình đặc biệt là vit-me bi. Hệ thống lắp đặt đơn giản. Hoạt động êm ái.
Nhược điểm:
Giá thành cao, hệ thống lắp đặt phải có độ chính xác cao.
4.4 Thiết kế hoàn thiện phần cơ khí:
39
Qua những phân tích ưu và nhược điểm các phương án đã đề ra. Nhóm quyết định lựa chọn thiết kế xe theo những đặc điểm sau:
Phần khung xe nhóm lựa chọn vật liệu sắt ống kết hợp với sắt khối đã qua gia công và một số chi tiết bằng nhôm giúp xe hạn chế tối đa trọng lượng.
Hệ thống treo của xe nhóm thiết kế phỏng theo hệ thống treo không phụ thuộc, để giảm thiểu chấn động giữa mặt đường và bánh xe đến người khuyết tật trên xe.
Hệ thống dẫn động chọn hệ thống dẫn động cầu trước (FWD) nhưng trọng lượng tập trung ở trọng tâm xe để giảm lực tác động vào bánh trước giúp xe hạn chế một số nhược điểm của hệ dẫn động cầu trước.
Hệ thống nâng hạ ghế ngồi sử dụng mặt phẳng nghiêng kết hợp với vit-me giúp đưa người khuyết tật lên xuống xe dễ dàng.
Hình 4.16: Hình ảnh tổng quan về chiếc xe.
Chiếc xe gồm những thành phần chính như sau:
Khung xe: có nhiệm vụ đỡ bàn trượt, cố định các tay đỡ bánh xe và giữ giảm sốc và một
40
Bánh xe: 2 bánh trước được truyền chuyển động từ động cơ và làm nhiệm vụ bẻ lái, 2
bánh sau là 2 bánh tự lựa.
Tay đỡ bánh xe: bánh xe được gắn cố định vào tay bánh xe, tay dỡ xe gắn kết bánh xe
với khung xe.
Giảm sóc: Bộ giảm đàn hồi giúp xe hạn chế rung động từ mặt đường và bánh xe tới
người ngổi trên xe.
Thùng xe: Thùng xe là nơi chưa mạch điều khiển các động cơ và bình acquy.
Bàn trượt nghiêng và khung ghế ngồi: bàn trượt nghiên có nhiệm vụ tịnh tiến theo
phương nghiêng giúp nâng hạ người ngồi. Khung ghế ngồi giúp người ngồi luôn được ngồi trên mặt phẳng khi trượt nghiên.
4.4.2. Thiết kế cụ thể.
4.4.2.1. Khung xe và tay đỡ bánh xe.
Phương án thiết kế:
- Sử dụng hệ thống treo không phụ thuộc.
- Gầm xe cao để phù hợp với nhiều loại địa hình.
- Giảm sốc đặt dọc theo thân xe để tiết kiệm vị trí, phù hợp với việc đặt ghế ngồi sau này.
Hình 4.17: Sơ đồ 2D bố trí bánh xe khung xe, tay giữ bánh xe.
- Khung xe có nhiệm vụ định vị 4 tay đỡ bánh xe, tương tác với tay giữ bánh xe bằng giảm sóc.
41
- Khung xe đóng vai trò rất quan trọng đảm bảo tính ổn định nhất cho chiếc xe.
Hình 4.18. Thông số cơ bản của chiếc xe
- Để xe có thể vượt qua tốt các địa hình gồ ghề, ngoài yếu tố dẫn động 4 bánh thì xe phải có khoảng thoáng gầm xe đủ để xe vận hành ổn định, không quá cao, không quá thấp. Nếu quá cao xe sẽ không ổn định, độ rung lắc cao dẫn tới xe không ổn định dễ bị lật. Nếu quá thấp, những địa hình qua cao, xe không thể vượt qua.
- Qua những yếu tố trên nhóm quyết định chọn khoảng thoáng gầm xe là 266 được tính ở mặt đường bằng phằng tới phần dưới của khung xe.
- Chiều dài của tay giữ bánh xe là 200mm, đặt lệch với khung xe một góc 135o. - Tổng chiều dài của chiếc xe là 550mm.
- Vật liệu sử dụng ở đây là thép hộp chữ nhật 70mm x 35mm.
- Giảm sóc sẽ được đặt nằm ngang song song với khung xe. Giúp xe gọn gàng và linh hoạt hơn trong khi di chuyển.
42
Tính toán chịu lực của bộ giảm xóc trước:
Hình 4.19: Sơ đồ phân bố lực tay giữ bánh xe và giảm sóc
- Theo cơ cấu mà nhóm thiết kế, dựa vào hình minh họa ta thấy rằng:
MOA = MOB
F1.a = N1.b
F1 = .
Tương tự:
F2 = .
- Vậy khi lực xe chịu một lực tải N1 thì sẽ tác động vào phuộc một lực:
F1 = .
(Phuộc trước).
F2 = .
(Phuộc sau).
- Theo thiết kế thì khối lượng tối đa gồm khối lượng người và xe là 120Kg, tức là 30 Kg/1 bánh xe.
N1 = N2 = 300N (do trọng tâm xe đặt ở giữa)
a = c = 72 mm b = 141,4 mm d = 201,4 mm
43
- Vậy lực tác động lớn nhất vào phuộc khi xe chịu tải trọng lớn nhất là:
F1 = . ,
= 589,2 (N)
F2 = . ,
= 839,2 (N)
Chọn động cơ:
- Theo dự tính ban đầu thì tổng khối lượng xe và người 120kg. Vậy để có thể chế tạo ra chiếc xe điện có khả năng kéo khối lượng đúng dự tính thì việc chọn động cơ là không thể thiếu.
- Vậy lực kéo của động cơ là: Fk ≥ 600 N (sử dụng 2 động cơ) - Chọn trục động cơ d = 11mm
Mđc ≥ r.Fk = 5,5.10-3.600 = 3,3 (N.m)
- Để tiện cho việc tính toán ta đặt mục tiêu ban đầu nđc ≥ 250 (không quá chậm)