Hình 4.5: Tư thế ngồi của người lái. 4.2.1.3. Bố trí các bộ phận trên xe
❖ Hình chiếu đứng
26
❖ Hình chiếu bằng
Hình 4.7: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu cạnh.
❖ Hình chiếu cạnh
27
4.2.1.4. Xây dựng biên dạng 2D cho khung xe
Dựa vào bố trí các bộ phận trên xe ta tiến hành xây dựng biên dạng 2D cho khung xe.
❖ Hình chiếu đứng
Hình 4.9: Hình chiếu đứng biên dạng khung xe.
❖ Hình chiếu bằng
28
❖ Hình chiếu cạnh
Hình 4.11: Hình chiếu cạnh biên dạng khung xe.
4.2.1.5. Xây dựng bản vẽ khung xe 3D
Dựa vào biên dạng 2D đã thiết kế ta tiến hành xây dựng biên dạng 3D.
29 + Dùng thép vuông 25x25mm dày 1.2mm để làm dầm cho vị trí chịu tải chính trên xe. + Dùng thép chữ nhật 20x10mm dày 1mm làm dầm cho mũi xe và phần thân xe chịu tải vừa.
+ Dùng thép tròn 10mm dày 0.8mm để làm phần tựa đầu cũng như ngăn cách buồng người lái xe và động cơ để đảm bảo an toàn.
❖ Kích thước chi tiết của khung xe:
30
❖ Khối lượng khung xe tính toán bằng Solidworks
Hình 4.14: Khối lượng của khung xe.
Theo hình trên, ta thấy khối lượng tính toán bằng Solidworks của khung xe là: m=7184 (g)
4.2.2. Thiết kế bản vẽ vỏ xe
4.2.2.1. Xây dựng bản vẽ vỏ xe 2D
Dựa trên các phương án vỏ xe đã chọn và biên dạng hình học của khung xe, chúng ta tiến hành xây dựng biên dạng 2D cho vỏ xe.
❖ Hình chiếu đứng
31
❖ Hình chiếu bằng
Hình 4.16: Hình chiếu bằng biên dạng của vỏ xe.
❖ Hình chiếu cạnh
Hình 4.17: Hình chiếu cạnh biên dạng vỏ xe. 4.2.2.2. Xây dựng bản vẽ vỏ xe 3D
32
Hình 4.18: Biên dạng 3D của vỏ xe.
4.3. Mô phỏng và đánh giá
4.3.1. Mô phỏng và đánh giá khung xe
❖ Tổng khối lượng của xe Bảng 4.10: Tổng khối lượng của xe.
Các phần chính Khối lượng ( kg) Người lái 54 Khung xe 7,2 Động cơ 14 Vỏ xe 6 Tổng cộng 81,2
❖ Thực nghiệm tải trọng người tác dụng khung xe
Nhóm đã sử dụng cân để biết được tải trọng tác dụng lên khung xe tại các điểm tiếp xúc người với khung xe như thế nào, từ đó mô phỏng trên Solidworks để ra kết quả chính xác hơn.
33
Hình 4.19: Minh hoạ thực nghiệm đo tải trọng phân bố của người tác dụng lên khung xe.
Như vậy ta có:
+ Lực bàn chân tác dụng lên khung: 𝑃1 = 𝑚1. 𝑔 = 2.10 = 20 𝑁
+ Lực thân tác dụng lên khung: 𝑃2 = 𝑚2. 𝑔 = 30.10 = 300 𝑁
+ Lực lưng, vai tác dụng lên khung: 𝑃3 = 𝑚3. 𝑔 = 22.10 = 220 𝑁
34 Bảng 4.11: Giá trị các lực phân bố tác dụng lên khung xe.
Kí hiệu P1 P2 P3 P4
Lực tác dụng từ chân lên khung
Lực tác dụng từ thân người lên
khung
Lực tác dụng từ lưng và vai lên
khung Lực tác dụng từ động cơ lên khung Giá trị (N) 20 300 220 140
❖ Quy trình thực hiện mô phỏng
Quy trình thực hiện mô phỏng kiểm tra bền khung xe thực hiện bằng phần mềm Solidworks được thể hiện trong sơ đồ :
❖ Các thông số đầu vào Chọn hệ số an toàn k = 1,75. Nhập mô hình và gán vật liệu Chọn phần tử Tạo liên kết Đặt ràng buộc Đặt tải Chia lưới Chạy mô phỏng
35 Vật liệu : Thép SS400 có độ bền kéo giới hạn (tensile strength) [𝜎𝑏] = 510 (𝑀𝑃𝑎) và ứng suất chảy (yield strength) [𝜎𝑐] = 245 (𝑀𝑃𝑎) với khối lượng riêng d = 7850 (kg/m3) .
Ứng suất cho phép [𝜎] = 245
1,75 = 140 𝑀𝑃𝑎.
❖ Chọn vật liệu mô phỏng
36
4.3.1.1. Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng
Hình 4.22: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
Với G là trọng lượng toàn bộ xe ( bao gồm trọng lượng: khung xe, người lái, động cơ).
⇒ G= 810 ( N)
Phương trình cân bằng lực và lấy mômen tại O2 ta được:
{𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝑍1𝐿 − 𝐺b = 0 ⇒{ 𝑍1+ 𝑍2− 810 = 0 𝑍1. 1450 − 810.1085 = 0 ⇒{𝑍2 = 204 (𝑁) 𝑍1 = 606 (𝑁)
37
❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
Hình 4.23: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
❖ Đặt lực
Hình 4.24. Đặt các lực tác dụng lên khung trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
38
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng
Hình 4.25: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
Hình 4.26: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
39
4.3.1.2. Khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng
Khi tăng tốc xe sẽ sinh ra lực quán tính và lực này tác động vào khung xe cần xem xét.
Hình 4.27: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
Bảng 4.12: Hệ số cản lăn của mặt đường.
Loại đường Hệ số cản lăn
Đường nhựa bê tông 0,012-0,015
Đường rải đá 0,023-0,03
Đường đất khô 0,025-0,035
Đường đất sau khi trời mưa 0,05-0,15
Đường cát 0,1-0,3
Vì đường thi đấu là đường nhựa bê tông nên ta chọn hệ số cản lăn 𝑓 = 0.012.
Ở đây xem hệ số cản lăn của bánh sau và bánh trước là như nhau. Lúc này ta có: + Lực cản lăn: 𝐹𝑓 = 𝐹𝑓1+ 𝐹𝑓2 = 𝐺𝑓 = 810.0,012 = 9,7 (𝑁).
+ Mô men cản lăn: 𝑀𝑓 = 𝑀𝑓1+ 𝑀𝑓2 = 𝐺𝑓𝑟𝑏 = 810.0,012.0,25 = 2,4 (𝑁𝑚).
Theo kinh nghiệm, việc tăng tốc từ 15 km/h đến 35km được thực hiên trong vòng 4s.
⇒ gia tốc j = 35−15
4 = 5 m/s2
40 Phương trình cân bằng lực và lấy momem ở O2 ta có:
{ 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝐹𝑘 − 𝐹𝑗 − 𝐹𝑓1− 𝐹𝑓2 = 0 𝑍1𝐿 + 𝐹𝑗ℎ − 𝐺𝑏 − 𝑀𝑓1− 𝑀𝑓2 = 0 ⇔ { 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝐹𝑘 − 𝐹𝑗 − 9,7 = 0 𝑍1𝐿 + 𝐹𝑗ℎ − 𝐺𝑏 − 2,4 = 0 ⇒ 𝑍1 =𝐺𝑏−𝐹𝑗ℎ−2,4 𝐿 = 810.1085−405.200−2,4 1450 = 550 (N) 𝑍2 = 260 (N) 𝐹𝑘 = 414,7 (N) 𝐹𝑗 = 405 (N) ❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
41
❖ Đặt lực
Hình 4.29: Đặt lực lên khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng.
42
Hình 4.31: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng
Theo kết quả cho thấy, ứng suất lớn nhất σ = 133,4 (MPa) <[σ] = 140 (MPa).
4.3.1.3. Khi xe phanh trên đường bằng phẳng
Để đảm bảo có thành tích tốt nhất khi thi đấu, ta sẽ không sử dụng phanh trong quá trình thi đấu. Nhưng có những trường hợp cần phải phanh gấp để đảm bảo an toàn. Vì thế ở đây ta vẫn đề cập đến trường hợp phanh xe trên đường bằng phẳng.
Khi phanh xe sẽ sinh ra lực quán tính và lực này tác động vào khung xe cần xem xét.
43 Vì đường thi đấu là đường nhựa, bê tông xi măng mới, khô. Nên ta chọn hệ số bám 𝜑 = 0,7.
Hình 4.33: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng.
Phương trình cân bằng lực và lấy momen tại O2 ta có:
{ 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝐹𝑝 − 𝐹𝑗𝑝 = 0 𝑍1𝐿 − 𝐺𝑏 − 𝐹𝑗𝑝ℎ = 0 (4.1) ⇒𝑍1= 𝐺𝑏+𝐹𝑗𝑝ℎ 𝐿 𝑍2= 𝐺 −𝐺𝑏+𝐹𝑗𝑝ℎ 𝐿 = 𝐺 −𝐺𝑏+𝑚.𝑗𝑝.ℎ 𝐿 Với𝐹𝑗𝑝 = 𝑚.jp
Vì đây là trường hợp phanh gấp nên lực phanh ở đây là lực phanh lớn nhất. Lúc này, 𝐹𝑝 =
𝑍2. 𝜑 Từ (4.1) ta có 𝐹𝑝= 𝐹𝑗𝑝⟺𝑍2. 𝜑 = 𝑚.jp⟺(𝐺 −𝐺𝑏+𝑚.𝑗𝑝.ℎ 𝐿 ). 𝜑 = 𝑚.jp ⇒jp = 𝑔𝐿𝜑−𝑔𝑏𝜑 ℎ𝜑+𝐿 =10.1450.0,7−10.1085.0,7 200.0,7+1450 =1,61 (m/s2) ⇒ 𝐹𝑗𝑝 =𝑚.jp = 81,2.1,61 = 130,4 (N) 𝑍1= 624 (N) 𝑍2= 186 (N)
44
❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
Hình 4.34: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
❖ Đặt lực
Hình 4.35: Đặt các lực tác dụng lên khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
45
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng
Hình 4.36: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
Hình 4.37: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
46
4.3.1.4. Khi xe quay vòng trên đường bằng phẳng
Khi xe quay vòng sẽ sinh ra 2 lực ly tâm thành phần chính là Fjx và Fjy, tuy nhiên Fjy là lực chính gây mất ổn định cũng như độ bền của xe nên chỉ xét Fjy.
Hình 4.38: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe quay vòng trên đường bằng phẳng.
Phương trình cân bằng lực và lấy momen tại điểm A ta có:
{ 𝑍1′ + 𝑍1′′+ 𝑍2− 𝐺 = 0 𝑌1′+ 𝑌1′′+ 𝑌2− 𝐹𝑗𝑦 = 0 𝑍1′𝑐 + 𝑍2𝑐 2− 𝐺𝑐 2− 𝐹𝑗𝑦ℎ = 0 (4.2) Từ (4.2) ta có: 𝑌1′+ 𝑌1′′+ 𝑌2 = 𝐹𝑗𝑦 Với 𝐹𝑗𝑦= 𝑚𝑣2 𝑅 (4.3) Ta có: Bán kính quay vòng tối đa R = 5m ( quy định của ban tổ chức) Khi xe bắt đầu trượt ngang: 𝑌1′+ 𝑌1′′+ 𝑌2 = 𝐹𝑗𝑦 = 𝐺 𝜑 = 𝑚𝑔𝜑 (4.4) Từ (4.4), (4.5), để xe không bị trượt khi quay vòng:
𝑚𝑣2
𝑅 < 𝑚𝑔𝜑
47
⇒ 𝑣2 < 10.0,7.5
⇒ v< 5,9 m/s (4.5)
Khi xe quay vòng, xe sẽ có xu hướng lật đổ quanh trục BO2 ( vì chỉ quanh vòng bên trái). Khi vận tốc xe tăng tới giá trị giới hạn, xe sẽ lật đổ. Lúc này, bánh xe tại điểm A sẽ không còn tiếp xúc với mặt đường nữa, nên 𝑍1′′ = 0.
Phương trình mô men đối với đường thẳng đi qua 2 điểm A,B ta được:
𝑍2𝐿 − 𝐺𝑎 = 0⇒𝑍2 = 𝐺𝑎
𝐿 = 203 (N) Từ (4.2) ⇒𝑍1′ = 607 (N)
Phương trình mô men đối với đường thẳng đi qua O2 và dọc theo thân xe ta được:
𝑍1′.𝑐 2 - 𝐹𝑗𝑦. ℎ = 0 ⇒ 𝐹𝑗𝑦 = 1138 (N) ⟺𝑚𝑣2 𝑅 = 1138 ⇒𝑣2 = 70,25 ⇒𝑣 = 8,38 (m/s)
Để xe không bị lật đổ khi quay vòng thì vận tốc quay vòng < 8,38 (m/s) (4.6)
Từ (4.5), ( 4.6), để đảm bảo tốc độ cũng như an toàn khi xoay vòng ta chọn: 𝑣= 5 m/s.
𝐹𝑗𝑦= 𝑚𝑣2
𝑅 = 81,2.52
5 = 405 (N)
Phương trình mô men đối với đường thẳng đi qua 2 điểm A,B ta được:
𝑍2𝐿 − 𝐺𝑎 = 0⇒𝑍2 = 𝐺𝑎
𝐿 = 203 (N)
Từ (4.2) ⇒𝑍1′ = 411,5 (N), 𝑍1′′= 195,5 (N).
Phương trình mô men đối với đường thẳng đi qua điểm B và vuông góc với mặt đường ta được:
𝑌2𝑙 = 𝐹𝑗𝑦𝑎 ⇒𝑌2 = 𝐹𝑗𝑦𝑎
48 Từ (4.2) ⇒ 𝑌1 =𝑌1′ + 𝑌1′′ = 303 (N)
❖ Tạo ràng buộc
Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe.
Hình 4.39: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe quay vòng trên đường bằng phẳng.
❖ Đặt lực
Hình 4.40: Đặt các lực tác dụng lên khung xe trong trường hợp xe quay vòng trên đường bằng phẳng.
49
❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng.
Hình 4.41: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe quay vòng trên đường bằng phẳng.
Hình 4.42: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe quay vòng trên đường bằng phẳng.
50
4.3.1.5. Đánh giá kết quả
Bảng 4.13 : Kết quả mô phỏng.
Trường hợp Ứng suất cực đại (Mpa) Chuyển vị lớn nhất (mm)
Đứng yên 127.5 3.739
Tăng tốc 119.6 2.854
Phanh 96.4 2.854
Xoay vòng 133.4 3,544
Dựa vào kết quả có thể thấy trường hợp xe xoay vòng chịu ứng suất lớn nhất (133.4) MPa), tiếp theo là trường hợp xe đứng yên (127.5MPa), kết quả rất gần đối với ứng suất cho phép (140MPa) nên nhóm nhận thấy muốn an toàn hơn thì phải tối ưu hoá lại thiết kế và khung để đảm bảo độ cứng, vững và an toàn hơn.
4.3.2. Tối ưu hóa thiết kế của khung xe
4.3.2.1. Lập phương án tối ưu khung xe
❖ Phương án tối ưu hóa độ bền khung xe.
Theo kết quả đã mô phỏng ban đầu, trường hợp xe đứng yên và xoay vòng trên đường bằng phẳng đang chịu ứng suất cao nhất. Vì vậy chúng ta sẽ tìm ra những điểm ứng suất cao và thay đổi một số nơi trên khung không cần thiết để tối ưu hơn.
51 Tại các thanh dầm màu đỏ đang chịu tải trọng cao, vì tham dẩm này là vị trí tải trọng người và động cơ tác dụng trực tiếp lên nên phần lớn tiết diện khung này đang chịu ứng suất cao.
Tăng độ dày thanh dầm (20x10mm) từ 1mm lên 1.4mm để tăng độ cứng, vững cho khung
Tại 2 thanh hai bên màu xanh dương đang chịu tải thấp, vị trí đặt thanh này chưa tối ưu.
Di chuyển thanh dầm màu xanh dương đến vị trí giữa khung xe (vị trí thanh màu xanh lá) để tối ưu hơn kết cấu của khung.
❖ Khung xe sau khi tối ưu
Sau khi thay đổi kết cấu khung ban đầu chúng ta được khung xe tối ưu.
52
Hình 4.45: Khối lượng khung xe sau tối ưu hoá 4.3.2.2. Mô phỏng, kiểm nghiệm lại độ bền sau khi tối ưu hoá
Chúng ta tiến hành mô phỏng lại 4 trường hợp với quy trình, điểm ràng buộc, điểm đặt và giá trị tải trọng như cũ (mục 4.3.1). Ta được kết quả sau mô phỏng.
Dựa trên cơ sở tính toán ở mục 4.3.1 ta có các lực và phản lực tác dụng lên khung xe như sau:
Bảng 4.14: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
Lực G Z1 Z2
Giá trị (N) 820 613 207
Bảng 4.15: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
Lực G Z1 Z2 Fj Fk
53 Bảng 4.16: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng.
Lực G Z1 Z2 Fjp
Giá trị (N) 820 632 188 132
Bảng 4.17: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe quay vòng trên đường bằng phẳng.
Lực G Z1’ Z1’’ Z2 Y1 Y2 Fjy
Giá trị (N)
820 416 198 206 305 103 408
❖ Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng
Hình 4.46: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
54
Hình 4.47: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.
❖ Khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng
Hình 4.48: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
55
Hình 4.49: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
❖ Khi xe phanh trên đường bằng phẳng
Hình 4.50: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
56
Hình 4.51: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
❖ Khi xe xoay vòng trên đường bằng phẳng
Hình 4.52: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe xoay vòng trên đường bằng phẳng.
57
Hình 4.53: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe xoay vòng trên đường bằng phẳng.
Bảng 4.18: Kết quả mô phỏng khung xe ban đầu và sau khi tối ưu hoá.
Trường hợp Ứng suất cực đại (Mpa) Chuyển vị lớn nhất (mm) Ứng suất cho phép (MPa) Ban đầu Tối ưu Ban đầu Tối ưu
Đứng yên 127.5 104.5 3.739 3.43 140
Tăng tốc 119.6 104.5 3.514 3.193 140
Phanh 96.38 78.6 2.854 2.854 140
Xoay vòng 133.4 110.4 4.253 3.544 140
Sau khi tối ưu hoá, mô phỏng, kiểm nghiệm lại độ bền chúng ta thấy được ứng suất cực đại và chuyển vị lớn giảm nhiều so với ban đầu, nhỏ hơn ứng suất cho phép 140 (MPa).