Phương pháp chung
Trong đề tài này nhóm chọn phương pháp học hỏi và cải tiến một số khung xe có sẵn của các đội đi trước để làm cơ sở cho thiết kế.
Các thông số đầu vào:
- Công thức bánh xe: 3x1.
- Sử dụng động cơ Honda Wave 110cc. - Vận tốc xe khoảng 25 – 42 km/h.
- Tải trọng: Chở được một người (tài xế tương đương 55 kg).
Các thông số đầu ra:
- Đáp ứng được những tiêu chí trong q trình thiết kế đưa ra như: độ bền, tính kinh tế nhiên liệu, khối lượng khung vỏ, đặc tính khí động học…
Một số thơng số tính tốn dự kiến của xe
Dựa vào tiêu chuẩn của cuộc thi về khung vỏ xe: Phương tiện tham gia cuộc thi phải có từ 3 bánh xe trở lên và có kết cấu vững chãi dù đang chuyển động hay đứng yên. Tất cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi phương tiện đứng trên bề mặt phẳng.
Kích thước:
- Chiều cao tổng thể: 550 mm. - Chiều dài tổng thể: 2700 mm. - Chiều dài trục cơ sở: 1450 mm.
- Khoảng cách giữa hai điểm đặt bánh xe: 500 mm. - Khoảng cách giữa hai đường tâm bánh xe: 700 mm. - Chiều rộng tổng thể: 450 mm.
- Khoảng cách gầm: 50 mm.
Khối lượng:
- Khối lượng của xe tính kể cả người lái: 85 kg. - Khối lượng của khung xe: 5,5 kg.
18 - Khối lượng vỏ xe: 7 kg.
Từ những thông số tiêu chuẩn của cuộc thi đã quy định sẵn, nhóm sẽ đo đạc và tính tốn lại sao cho phù hợp với tài xế cùng với đó là ý tưởng thiết kế của nhóm.
Lí thuyết cơ bản về khung xe sinh thái
Ở khung xe sinh thái thì nhóm chọn khung gầm hình ống rỗng để làm cơ sở để thiết kế khung chính cho xe.
Hình 3.1 Khung hình ống rỗng
Ở loại khung này sử dụng nhiều ống cắt hình trịn (hoặc hình vng). Các ống được đặt theo nhiều hướng khác nhau nhằm tạo ra lực cơ học chống lại các lực tác động từ khắp mọi nơi. Chúng được hàn lại với nhau và tạo thành một cấu trúc rất phức tạp. Có một số loại ơ tơ sử dụng khung gầm hình ống rỗng để có thể tăng tỷ số độ cứng/trọng lượng.
Ưu điểm của khung gầm dạng này là rắn chắc từ mọi phía, nhưng lại rất phức tạp, tốn kém và mất nhiều thời gian để chế tạo. Không thể sản xuất bằng dây chuyền tự động. Bên cạnh đó, loại khung này tạo khó khăn cho người lái khi ra vào ơ tơ.
Tận dụng những ưu điểm của khung hình ống rỗng, khung này cũng phù hợp với các tiêu chí nhóm đưa ra về khối lượng, độ bền, hệ số an toàn… và cũng đáp ứng các điều kiện cơ sở vật chất hiện có để thực hiện q trình gia cơng khung nên nhóm quyết định chọn kiểu khung này để thiết kế cho xe sinh thái.
19
Vật liệu chế tạo khung
Vật liệu dùng để chế tạo các thanh dầm thường là thép hợp kim hay thép carbon thấp hoặc trung bình như: CT2, CT3…
Đặc điểm của các loại thép này là:
- Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao, mềm hơn các loại thép cacbon.
- Ít nhạy cảm với tập trung ứng suất và có khả năng chống được oxi hóa cao. - Có tính dập nguội và có tính hàn tốt.
Thép hợp kim được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy, ô tơ, cần trục, cầu và cơng trình xây dựng địi hỏi cường độ chịu lực lớn.
Thông số kĩ thuật của thép CT3: - Thành phần hóa học:
Bảng 3.1 Bảng mơ tả thành phần hóa học của thép CT3
Mác thép C Mn Si S P
CT3 0.14 – 0.22 0.40 – 0.60 0.12 – 0.30 ≤ 0.05% ≤ 0.04% - Khối lượng riêng: 7.85g/cm3
- Tính chất cơ lý:
Bảng 3.2 Bảng mơ tả tính chất cơ lí của thép CT3
Mác thép Giới hạn chảy
(min) Giới hạn bền kéo Độ giãn dài (min) CT3 250 (N/mm2) 373 – 461 (N/mm2) 22 %
Kết luận: Chọn vật liệu chế tạo khung là thép carbon CT3. Thiết kế kĩ thuật phần khung xe
20
Hình 3.2 Kích thước cơ thể người lái. Bảng 3.3 Thơng số kích thước cơ thể người lái Bảng 3.3 Thơng số kích thước cơ thể người lái
Kích thước cơ thể người theo tiêu chuẩn (mm)
A 400 B 960 C 600 D 460 E 230 L 1660
21 Kích thước của người lái khi ngồi với tư thế lái xe:
Hình 3.3 Kích thước vị trí cơ thể người lái.
Từ các kích thước tiêu chuẩn của người lái, nhóm thiết kế được sơ bộ khung xe với các kích thước sau:
Hình 3.4 Hình ảnh mơ tả cơ thể người khi ngồi trên xe.
Với những kích thước và số liệu trên cùng với ưu nhược điểm của các mẫu khung mà nhóm đã phân tích ở phần 2.2 Chương 2, nhóm đã thiết kế được khung hoàn chỉnh cho xe sinh thái.
22
Hình 3.5 Bản vẽ khung xe hồn chỉnh.
Kiểm nghiệm bền bằng Solidworks
Nghiên cứu sử dụng phần mềm Solidworks để kiểm nghiệm trạng thái bền tĩnh của khung xe thiết kế ở phần 3.1.5, từ đó xây dựng nên khung xe hồn chỉnh.
Chọn vật liệu là các ống tròn và vng bằng thép CT3 như hình vẽ:
23
Bảng 3.4 Khối lượng các thành phần trên xe sinh thái
STT Thành phần Khối lượng Đơn vị
1 Người lái 55 Kg 2 Động cơ 15 Kg 3 Hệ thống truyền lực 1 Kg 4 Hệ thống lái 1 Kg 5 Ắc quy 0.5 Kg 6 Khung xe 5.5 Kg 7 Vỏ xe 7 Kg Tổng 85 Kg
Điều kiện tải trọng tĩnh tác dụng lên khung xe bao gồm: trọng lượng người lái, vỏ xe, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống lái, ắc quy… trên xe. Khối lượng các thành phần được cho như bảng trên. Như vậy, tổng tải trọng tĩnh của xe là W 850( )N .
Tọa độ trọng tâm chính của xe bao gồm trọng tâm chính của bản thân xe, trọng tâm của người lái và trọng tâm động cơ đặt trên xe. Đó là các nguồn trọng lượng chính và đáng kể trên xe.
Hình 3.7 Mơ hình xác định vị trí trọng tâm.
24 Trọng lượng bản thân xe (bỏ qua động cơ): F1 = 15.10 = 150 N.
Trọng lượng người lái: F2 = 55.10 = 550 N. Trọng lượng cụm động cơ: F3 = 15.10 = 150 N.
Đặt trục toạ độ cách vách ngăn với khoang động cơ với khoảng cách: 1100 mm. Gán khối lượng cho các bộ phận trong Solidworks, các khoảng cách đo được:
Theo phương dọc của xe, khoảng cách từ trục toạ độ đến trọng tâm bản thân xe L1 = 1200 mm, đến trọng tâm người lái L2 = 1335 mm và đến trọng tâm động cơ L3 = 950 mm.
Theo phương thẳng đứng, khoảng cách từ trục toạ độ đến trọng tâm bản thân xe
H1=220 mm, đến trọng tâm người lái H2 = 165 mm và đến trọng tâm động cơ H3 = 120 mm.
Phương trình để xác định tọa độ trọng tâm của xe như sau: - Theo phương dọc: 1 12233 WL 150.1200 550.1335 150.950 850. 1243, 24 tt tt tt F LF LF L L Lmm - Theo phương thẳng đứng: 112233 W 150.220 550.165 150.120 850. 166, 76 tt tt tt F HF HF HH H Hmm
Việc ứng dụng Solidworks để kiểm nghiệm độ bền của khung xe với điều kiện tải trọng như trên được thực hiện qua các bước sau:
25
Hình 3.8 Các bước kiểm nghiệm bền cho khung xe.
Bước 1: Xây dựng mơ hình 3D
Để tạo mơ hình cho việc mơ phỏng ta sử dụng phần mềm Solidworks. Nhấp chọn vào lệnh Sketch gồm các lệnh 2D và 3D giúp chúng ta phác thảo ra mơ hình.
Hình 3.9 Thanh cơng cụ của Solidwords.
26
Hình 3.10 Khung phác thảo bằng 3D sketch.
Sau khi phác thảo xong dùng lệnh Weldments để gán các thanh dầm có các kích thước khác nhau vào đúng đoạn mà chúng ta cần gán.
27
Bước 2: Gán vật liệu cho mơ hình
Sử dụng Edit Material để gán vật liệu cho khung, Solidworks có hỗ trợ các loại vật liệu khá đa dạng và phổ biến như các loại: inox, thép, sắt, đồng, nhôm, nhựa tổng hợp, bê tông… và các chỉ dẫn về thông số các thành phần rất cụ thể.
Vật liệu làm khung của nhóm là thép CT3 nên sẽ chọn là ASTM A36 Steel.
Hình 3.12 Bảng chọn vật liệu cho mơ hình.
Bước 3: Thiết lập các thông số đầu vào
Trước khi tiến hành phân tích cần đặt tải trọng và ràng buộc cho mơ hình. Trong Solidworks có hỗ trợ về phần này. Vào Solidworks Simulation sau đó Module Simulation hiện ra với các thông số như: Fixtures, External Loads, Mesh để cố định mơ hình, gán các lực tác dụng và chia lưới cho mơ hình.
28
Hình 3.13 Gán các rằng buộc cố định cho mơ hình.
Chọn vào External Loads để đặt các lực tác dụng lên mơ hình.
29
Bảng 3.5 Bảng mô tả các lực tác dụng lên mơ hình
Kí hiệu Ý nghĩa Giá trị
Mũi tên đỏ Tải trọng phân bố của toàn bộ người lái
550N
Mũi tên vàng Tải trọng phân bố của toàn bộ khung vỏ xe
150N
Mũi tên xanh Tải trọng phân bố của toàn bộ cụm động cơ
150N
Bước 4: Chia lưới cho mơ hình
Chọn Create Mesh để chia lưới cho mơ hình. Solidworks giải bài tốn siêu tĩnh này bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Hình 3.15 Mơ hình sau khi đã được chia lưới và thiết lập các thông số đầu vào.
Bước 5: Chạy mô phỏng và thu kết quả
Tại phần Results có các kết quả của q trình mơ phỏng như: Stress, Displacement và Factor of Safety tương ứng với ứng suất, chuyển vị và hệ số an tồn của khung.
30
Hình 3.16 Biểu đồ ứng suất của khung. Nhận xét : Nhận xét :
Dựa vào kết quả ta thấy ứng suất uốn cho phép Yield strength là 2,5.10 (8 N m/ 2), đây là ứng suất uốn cho phép của vật liệu thép CT3.
Ứng suất lớn nhất của khung xe tại vị trí Max cũng là vị trí giao giữa các dầm có giá trị 1,959.10 (8 N m/ 2). Đảm bảo điều kiện bền do nhỏ hơn ứng suất uốn cho phép.
Tại các vị trí có ứng suất nhỏ (thang màu xanh dương đậm), có thể giảm kích thước các thanh này để cho khung được nhẹ hơn.
Phân tích chuyển vị trong khung:
31
Nhận xét :
Dựa vào kết quả của chuyển vị trên khung xe, chuyển vị lớn nhất là 3,299mm (thang màu đỏ đậm nhất) tại vị trí giữa xe giao giữa các dầm dọc và ngang.
Để hạn chế độ võng có thể tăng kích thước, tiết diện, các thanh dầm dọc, ngang, nhưng với chuyển vị lớn nhất chỉ 3,299mm là quá nhỏ so với khoảng sang gầm xe là 50mm nên không cần thay đổi tránh trường hợp thừa bền trong khung.
Phân tích hệ số an tồn trong khung xe:
Hình 3.18 Biểu đồ hệ số an tồn của khung. Nhận xét: Nhận xét:
Dựa vào bảng kết quả phân tích, hệ số an tồn nhỏ nhất (thang màu đỏ đậm nhất phía dưới) tại vị trí nối giữa thanh dầm dọc và ngang có giá trị là 1,794.
Hệ số an tồn khuyến cáo cho mơ hình sẽ là 3 (từ thang màu cam trở lên). Thấy được mơ hình vẫn có những điểm nối có hệ số an tồn nhỏ hơn 3 nhưng hầu hết đều lớn hơn 3, mặt khác mơ hình dùng để tham gia cuộc thi và những lần chạy thử nên số lần sử dụng khơng q nhiều. Vì vậy, chấp nhận được mơ hình với các hệ số an tồn trên.
Thi cơng khung xe
Bước 1: Chuẩn bị vật liệu là các ống thép CT3 như bản thiết kế ở trên. Bước 2: Dùng máy cắt, máy uốn, cắt uốn thép theo số liệu của bản thiết kế.
32 Bước 3: Dùng máy hàn điện hàn các chi tiết ống lại với nhau để tạo thành một khung xe hoàn chỉnh.
Bước 4: Dùng máy mài đánh bóng lại các vị trí hàn để cho khung xe nhìn thẩm mĩ hơn và chống gỉ sét.
Khung xe sau khi thi công
33