Thiết kế vỏ xe dựa vào các mẫu máy bay dân dụng

6. Cấu trúc đồ án

2.2.2 Thiết kế vỏ xe dựa vào các mẫu máy bay dân dụng

Tôi đã lấy cảm hứng từ các mẫu máy bay dân dụng và tàu ngầm quân sự của Nga để thiết kế VX, bởi vì các loại mô hình này đều có đặc điểm chung là đều giành cho các phương tiện có khả năng di chuyển với tốc độ cao nhưng vẫn đảm bảo tính khi động trong quá trình vận hành. Hình 9 là bản thiết kế của VX do tôi lấy ý tưởng từ mô hình máy bay Boeing 787.

Ưu điểm

 Vật liệu mỏng, nhẹ.

 Vỏ xe có tính khí động tốt, ma sát thấp trong quá trình di chuyển với tốc độ cao.

Khuyết điểm

 Kích thước lớn, cồng kềnh.

 Đòi hỏi kỹ năng gia công cao, phức tạp.

Qua đó, cho thấy sản phẩm để dự thi năm 2021 cần phải có một số đề xuất cải tiến để mang lại hiệu quả cao.

Hình 2.7: Phiên bản vỏ xe năm 2020

Các đề xuất cải tiến

 Thay đổi ý tưởng thiết kế

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ KHUNG XE VÀ VỎ XE

43.1 Các yêu cầu kĩ thuật của khung xe ba bánh

Căn cứ vào hoàn cảnh, trình độ kỹ thuật và khả năng gia công để lựa chọn thiết kế của KX cho phù hợp nhất. Để đạt được mục tiêu hoàn thành cuộc thi với kết quả cao ngoài việc đáp ứng đầy đủ các quy định về cấu trúc phương tiện do Honda Việt Nam đặt ra, thiết kế KX đảm bảo trọng lượng thấp, giảm thiểu ma sát nhưng vẫn không làm giảm sự chắc chắn và tính ổn định của xe trong quá trình vận hành.

Việc thiết kế KX sẽ phải phụ thuộc vào các yếu tố như: kích thước bánh xe, kích thước ĐC, kích thước và trọng lượng của người lái để có thể đảm bảo phân bố tải trọng đều trên toàn bộ KX tăng độ ổn định của phương tiện khi di chuyển với tốc độ cao.

KX cũng phải đảm bảo yếu tố khi xe vượt chướng ngại vật hoặc gặp các ngã rẽ vẫn giữ vững được độ ổn định và hướng di chuyển. Xe rẽ phải trái mượt mà mà không bị lực cản gây ảnh hưởng đến tốc độ ban đầu của xe.

Để một chiếc xe vận hành êm ái, dễ điều chỉnh phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Ngoài việc đưa ra thiết kế KX phù hợp với các bộ phận cố định vào khung sườn. KX còn phải đảm bảo các góc nghiêng của hệ thống lái, việc này sẽ giúp cho người lái xe dễ dàng điều khiển, xe chạy một cách ổn định và có khả năng khôi phục hướng tiến thẳng sau các góc rẽ. Tuy nhiên, các thông số cơ bản và quan trọng nhất ảnh hưởng đến vận hành xe khi cần cân chỉnh góc đặt bánh xe là góc Camber, góc Caster, góc Kingpin và độ chụm (Toe).

Nếu một trong những yếu tố này không thích hợp có thể ảnh hưởng đến các vấn đề:

 Khó lái

 Lái không ổn định

 Trả lái trên đường kém

 Tuổi thọ vỏ lốp giảm

47.1.1 Góc đặt bánh lái Camber

Góc Camber là góc giữa trục thẳng đứng của bánh xe dẫn hướng với trục thẳng đứng của xe khi nhìn từ phía trước hoặc sau. Góc Camber bằng 0 khi bánh xe vuông góc với mặt đường, Camber dương (Positive Camber) khi bánh xe ngả ra ngoài, Camber âm (Negative Camber) khi bánh xe úp vào trong như Hình 3.1. Cho dù là góc dương hay góc âm thì nó cũng gây giảm bề mặt tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, độ mòn giữa các lốp và ở các vị trí khác nhau trên lốp không đều, có thể gây nguy hiểm nếu không cân chỉnh góc đặt bánh xe lại cho chính xác.

Hình 3.1: Góc Camper âm – trung tính - dương

Đối với một chiếc xe bình thường, bạn thường muốn duy trì một chút camber âm (0.5 – 1°) để có sự cân bằng tốt về độ bám đường, độ bám phanh và độ mòn của lốp. Trên hầu hết các phương tiện, thường sẽ tăng độ âm hơn một chút (0.8 – 1.3°) ở phía sau để giảm khả năng lái quá mức (mất độ bám ở phía sau).

Lợi ích của Camber âm

Camber âm cải thiện khả năng xử lý bằng cách giữ cho lốp vuông góc với đường khi xe lăn bánh; đảm bảo rằng miếng vá tiếp xúc của lốp được tải đều. Nếu không có camber âm đầy đủ, lốp xe sẽ tải phần bên ngoài của lốp và tạo ra độ bám ít hơn.

Nhược điểm của Camber âm

Thêm camber âm sẽ làm giảm độ bám đường của lốp xe trong quá trình tăng tốc và phanh thẳng. Điều quan trọng là phải có sự cân bằng để đảm bảo hiệu suất tổng thể tốt. Đối với hầu hết các xe ô tô, đây là khoảng 2 – 3° camber âm.

Trong trường hợp sử dụng bánh xe đạp có kích thước 1.75*20 inches, vì lốp xe đạp khá mỏng so với lốp xe ôtô nên tôi chọn góc Camber 0 cho phần bánh lái phía trước của phương tiện được thể hiện trong Hình 3.2.

47.1.2 Góc nghiêng của trục lái – Góc Kingpin

Trục mà trên đó bánh xe xoay về phía phải hoặc trái được gọi là “trục xoay đứng”. Trục này được xác định bằng cách vạch một đường thẳng tưởng tượng đi qua tâm ổ bi đỡ trên của bộ giảm chấn và khớp cầu của đòn treo dưới (đối với trường hợp hệ thống treo kiểu thanh giằng). Nhìn từ phía trước xe, đường thẳng này nghiêng về phía trong; góc nghiêng này được gọi là “góc nghiêng trục lái/góc Kingpin”, và được đo bằng độ. Khoảng cách L (Hình 3.3) từ giao điểm giữa trục xoay đứng và mặt đường đến giao điểm giữa đường tâm bánh xe và mặt đường được gọi là “độ lệch, độ lệch Kingpin”.

Hình 3.3: Cách xác định góc Kingpin

Vì rằng bánh xe quay sang phải hoặc sang trái, với tâm quay là trục xoay đứng còn bánh kính quay là khoảng lệch, nên khoảng lệch càng lớn thì mô-men cản quay càng lớn (do sức cản quay của lốp xe), vì vậy lực lái cũng tăng lên.

Có thể giảm khoảng lệch để giảm lực đánh lái. Có thể áp dụng một trong hai phương pháp sau đây để giảm khoảng lệch:

 Lốp có góc amber dương;

 Làm nghiêng trục xoay đứng.

Góc nghiêng của trục lái giúp cho bánh xe tự động quay trở về vị trí chạy đường thẳng, sau khi đã chạy vòng.

Trong các xe ĐC đặt trước, khoảng lệch thường nhỏ (bằng 0 hoặc âm) để ngăn ngừa hiện tượng truyền chấn động từ lốp xe (do phanh hoặc chạy qua vật cản)

lên vô lăng, và giảm thiểu mô-men quay quanh trục xoay đứng do động lực tạo ra khi khởi động nhanh hoặc tăng tốc.

Nếu góc quay vô lăng sang bên phải và bên trái khác nhau thì mô-men quay quanh trục xoay đứng lái này cũng khác nhau (mô-men xuất hiện khi phanh xe hoặc lực phanh sẽ phát sinh ở phía có góc quay vô lăng nhỏ hơn). Ngoài ra, sự khác nhau giữa khoảng lệch bên phải và bên trái cũng tạo ra sự khác nhau về phản lực dẫn động giữa bên phải và bên trái. Trong cả hai trường hợp, lực đều có xu hướng làm quay xe. Thiết kế tôi đưa ra ở đây sử dụng góc nghiêng trục lái Kingpin có giá trị là 10. Hình 3.4 thể hiện thiết kế mà tôi đưa ra về độ nghiêng của trục lái.

Hình 3.4: Góc Kingpin của bánh trước phương tiện

49.1.1 Góc Caster

Góc Caster là góc nghiêng về phía trước hoặc phía sau của trục xoay đứng. Góc Caster được xác định bằng góc nghiêng giữa trục xoay đứng và đường thẳng đứng nhìn từ cạnh xe. Khi trục xoay đứng nghiêng về phía sau thì được gọi là góc Caster Dương (+), còn trục nghiêng về phía trước được gọi là góc Caster Âm (-).

Khoảng cách từ giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng và mặt đường đến tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường được gọi là khoảng caster của trục đứng.

Góc caster có ảnh hưởng đến độ ổn định khi xe chạy trên đường thẳng, còn khoảng caster thì ảnh hưởng đến tính năng trả lái bánh xe sau khi chạy trên đường vòng. Nếu các bánh xe có góc caster dương lớn thì ổn định trên đường thẳng tăng lên nhưng lại khó chạy trên đường vòng.

Hình 3.5: Góc Caster của phương tiện

Cách xác định góc Caster

Độ ổn định chạy thẳng và hồi vị bánh xe:

 Độ ổn định trên đường thẳng nhờ có góc caster. Khi trục đứng quay để xe chạy vào đường vòng, nếu các bánh có góc caster thì lốp sẽ bị nghiêng đi so với mặt đường và tạo ra mô men kích, có xu hướng nâng thân xe lên. Mô men kích này đóng vai trò như một lực hồi vị bánh xe, có xu hướng đưa thân xe trở về vị trí nằm ngang và duy trì độ ổn định trên đường thẳng của xe.

 Hồi vị bánh xe nhờ có khoảng caster. Nếu bánh xe có góc caster thì giao điểm giữa đường tâm trục xoay đứng với mặt đường sẽ nằm phía trước tâm điểm tiếp xúc giữa lốp xe với mặt đường. Vì lốp xe được kéo về phía trước nên lực kéo này sẽ lấn át các lực có xu hướng làm cho bánh xe mất ổn định, giữ cho bánh xe chạy ổn định theo đường thẳng. Khi bánh xe được chuyển hướng sang một bên (do lái hoặc do trở ngại khi chạy trên đường thẳng) thì sẽ phát sinh các lực bên F2 và F’2. Những lực bên này có tác dụng làm quay trục xoay đứng (nhờ có khoảng caster) và có xu hướng

hồi vị bánh xe về vị trí ban đầu của nó. Với cùng một lực bên như nhau, nếu khoảng caster lớn, lực hồi vị bánh xe cũng lớn. Vì vậy, khoảng caster càng lớn thì độ ổn định trên đường thẳng và lực hồi vị càng lớn.

Thiết kế tôi đưa ra ở đây sử dụng góc nghiêng trục lái Caster có giá trị là 3. Hình 15 thể hiện thiết kế mà tôi đưa ra về độ nghiêng của trục lái.

Hình 3.6: Góc Caster của phương tiện

51.1 Ý tưởng và thiết kế đề xuất cho vỏ xe

Đối với một phương tiện giao thông bất kỳ, đặc biệt là các dòng xe máy và xe, ô-tô phổ thông, VX là một phần không thể thiếu và ban tổ chức đã đưa ra quy định cho tất cả các đội tham gia dự thi trên phương tiện phải có VX nhằm các mục đích sau:

 Bảo vệ người lái ở bên trong, tránh bị tác động bởi các vật cản lạ ở bên ngoài xe khi đang di chuyển với tốc độ cao, hoặc các trường hợp xảy ra va chạm;

 Giảm ma sát không khí tăng cường tính khí động học của xe khi di chuyển với tốc độ cao;

 Thể hiện dấu ấn của người thiết kế, tạo ấn tượng cho đội thi.

Để đảm bảo các mục đích trên thì VX khi lên ý tưởng và thiết kế tôi phải đảm bảo đáp ứng được các yếu tố kỹ thuật đồng thời kết hợp với tính thẩm mỹ cao

mang lại ấn tượng mạnh cho người xem. Các yêu cầu cơ bản về kỹ thuật của VX gồm:

 Mỏng, nhẹ, kích thước nhỏ

 Có tính khí động tốt

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KHUNG XE VÀ VỎ XE VỚI ANSYS WORKBENCH

4.1 Mô phỏng kết cấu khung xe

4.1.1 Thông số kỹ thuật của thép công nghiệp

Công việc đầu tiên trước khi bắt đầu mô phỏng kết cấu cơ học với ANSYS Statics Structural chúng ta cần phải biết rõ các thông số kỹ thuật của vật liệu được sử dụng trong kết câu KX, đây là những dữ liệu quan trọng cần thiết để phần mềm dùng trong các tính toán.

Như đã nêu ra ở chương 3, vật liệu được sử dụng để làm KX là thép, ta cần phải nhập các thông số kỹ thuật của thép vào hệ thống Engineering Data. Tuy nhiên, đối với vật liệu thép thì thông số đã có sẵn trong thư viện của ANSYS nên ta có thể chọn trực tiếp các thông số này, việc nhập chỉ cần thiết với các loại vật liệu mới chưa có dữ liệu trong thư viện của ANSYS.

Đại lượng Thông số Đơn vị

Shear modulus 7.6923e+10 Pa Young’s modulus 2e+11 Pa Bulk modulus 1.6667e+10 Pa Tensile strength 4.6e+08 Pa Yield strength 2.5e+08 Pa Thermal expansion coeffiecient 1.2e-05 1/C Thermal conductivity coeffiecient 60.5 W/m. C

Specific heat 434 J/kgC

Density 7850 kg/m3

Poison’s ratio 0.3 n/a

Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của thép dựa được lấy từ Structural Steel

4.1.2 Mô hình hóa các thiết kế của khung xe

Sau khi chọn vật liệu, tôi tiến hành mô hình hoá vật mẫu trên nền tảng đồ hoạ Space Claim của ANSYS. Trong nghiên cứu này, tôi đưa ra cùng một kích thước KX nhưng sử dụng hai vật liệu khác nhau (Hình 4.1):

 Thép hộp 20mm*20mm*1.4mm (Khung 1)

Hình 4.1: Mô hình khung xe 1 và khung xe 2

4.1.3 Chia nhỏ mẫu mô phỏng thành các phần tử – Meshing

Từ mô hình, tôi tiến hành phân chia mẫu ban đầu thành các phần tử rời rạc. Hình 4.2 và hình 4.3 biểu diễn mô hình lưới của hai kết cấu KX.

Hình 4.2: Mô hình lưới của khung xe 1

Ta có thống kê về số lượng phần tử và các nút liên kết ở bên trong vật mẫu Khung 1 được thể hiện trong bảng 4.2.

Số lượng nút 23052 Số lượng phần tử 11647

Bảng 4.2: Thống kê số phần tử và số nút trên khung xe 1

Hình 4.3: Mô hình lưới của khung xe 2

Ta có thống kê về số lượng phần tử và các nút liên kết ở bên trong vật mẫu khung xe 2 được thể hiện trong bảng 4.3.

Số lượng nút 23052 Số lượng phần tử 11647

Bảng 4.3: Thống kê số phần tử và số nút trên khung xe 2

4.1.4 Thiếp lập các điều kiện ban đầu

Sau khi thiết kế và hoàn thành việc mô hình hoá trên máy tính, tôi tiến hành đo đạc khối lượng và tính toán tải mà KX phải chịu. Giả sử điều kiện đặt ra của bài toán là KX phải mang tải trọng bao gồm một người lái xe với khối lượng là 55 kg và mang trên mình khối động cơ Honda 110 CC với trọng lượng ước là vào khoảng 25 kg. Tải trọng mà KX phải tải là:

Tổng khối lượng mà khung phải chịu:

M=mngười lái+mđộng cơ=55kg+15kg=70kg

Tổng tải trọng mà KX phải chịu

Hình 4.4 biểu diễn sơ đồ gối đỡ và tải tác dụng lên tổng thể khung xe, Hình 4.5 biểu diễn 4 vị trí được cố định bằng gối đỡ Fixed Supports trên KX và Hình 4.6 là thiết lập tải trọng tác dụng lên bề mặt KX trên nền tảng phần mềm mô phỏng ANSYS.

Hình 4.4: Các gối đỡ cố định và tải trọng mà khung xe phải chịu

Để mô phỏng biến dạng của KX, chúng ta cần cố định KX tại bốn vị trí, nơi đặt hai bánh lái ở trước và hai chân cố định bánh ở phía sau. Bố trí các gối đỡ sát với điều kiện thực tế như vậy sẽ giúp đánh giá được ĐBD của KX dưới tác dụng của tải trọng.

Tiếp theo là xác định vị trí đặt tải trọng, vùng màu đỏ là vị trí ngồi của người lái xe và vị trí đặt động cơ trên KX. Lưu ý rằng, mũi tên đỏ chỉ có mục đích biểu diễn phương chiều của tải trọng tác dụng lên KX, không có tác dụng biểu diễn điểm đặt lực, thực tế lực phân bố đều trên khu vực màu đỏ của KX chứ không phải tập trung về một điểm như trong Hình 4.5.

Hình 4.6: Phân phối tải trọng của khung xe 1 và khung xe 2

4.1.5 Kết quả mô phỏng

4.1.5.1 Biến dạng toàn phần

Mô phỏng đầu tiên được thực hiện là phân tích biến dạng của KX 1 và KX 2 khi chịu tải. Hình 4.7 với thang màu hiển thị độ biến dạng của KX 1 và Khung 2 dưới tác dụng của tải.

Ta thấy rằng, điểm chung của cả hai trường hợp là ĐBD tập trung nhiều nhất ở vùng trung tâm của KX 1 và KX 2. Hai đầu của cả 2 KX nơi đặt các gối đỡ cố định biến dạng thấp nhất – vùng màu xanh lam có giá trị xấp xỉ bằng 0.

Điểm khác biệt giữa hai trường hợp là giá trị biến dạng cực đại của KX trong hai trường hợp. Dựa vào kết quả thu được, ta nhận thấy rằng ĐBD dưới cùng một

tải trọng của 2 KX với tiết diện vật liệu khác nhau là khác nhau. Đối với KX làm