4.2.1. Phân tích, chọn phương án thiết kế
Trên cơ sở phân tích và chọn phương án thiết kế ban đầu là loại xe du lịch dùng chủ yếu cho mục đích tham quan của khách với tốc độ thấp (khoảng 25 km/h), được thiết kế 4 chỗ. Căn cứ vào đó ta có thể giới hạn các loại khung có thể dùng để làm cơ sở tham khảo cho việc thiết kế. Các loại khung đó bao gồm:
Khung chịu lực tất cả.
Khung và vỏ cùng chịu lực.
Vỏ chịu lực tất cả. Cụ thể như sau:
38
Vỏ nối với khung bằng các khớp nối mềm, độ cứng của khung rất lớn so với độ cứng của vỏ, do đó vỏ không chịu tác dụng của ngoại lực khi khung bị biến dạng. Thông thường loại khung chịu lực tất cả được áp dụng cho xe tải, xe khách, xe du lịch.
Hình 4.3: Loại khung ô tô chịu lực tất cả
- Khung và vỏ cùng chịu lực: Vỏ và khung nối cứng với nhau bằng đinh tán hoặc bằng bulông, như thế khung và vỏ chịu tất cả tải trọng.
Hình 4.4: Loại khung và vỏ cùng chịu lực tác dụng
- Vỏ chịu lực tất cả (không có khung): Loại vỏ chịu lực tất cả, thường áp dụng cho xe khách và xe con nhằm giảm trọng lượng của xe (có thể giảm được 20÷25% trọng lượng so với xe cùng loại có khung).
39
Hình 4.5: Loại vỏ chịu tất cả lực tác dụng
Trong các loại khung ở trên thì loại vỏ chịu lực tuy có ưu điểm là khối lượng nhỏ và độ cứng vững cao hơn các loại còn lại. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo loại này rất phức tạp nên giá thành rất cao và chỉ được sử dụng cho các xe du lịch hiện đại.
Loại khung và vỏ cùng chịu lực tuy có kết cấu rất vững chắc, có độ bền và tuổi thọ cao, đảm bảo tính an toàn cho người và thiết bị trên ô tô. Tuy nhiên, loại vỏ này có cấu tạo rất phức tạp, có khối lượng khá lớn, loại khung này phù hợp với sản xuất hang loạt, sau thời gian hoạt động khó bảo trì và thay thế sữa chữa các hệ thống thiết bị trên ô tô. Loại khung vỏ này phù hợp với các loại xe tải, xe con yêu cầu tính an toàn cao, các xe hoạt động ở các điều kiện đặc biệt.
Loại khung chịu tất cả lực tác dụng là loại khung có nhiều ưu điểm như tính cơ động cao, kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, việc chế tạo cũng đơn giản (Có thể gia công bằng tay dùng cho loại sản xuất đơn chiếc), bên cạnh đó việc chế tạo theo loại khung này cho phép thiết kế vỏ dể dàng hơn và linh hoạt hơn trong các phương án bố trí và lắp đặt các chi tiết, cụm chi tiết trên xe.
Đối với xe ta thiết kế là loại xe du lịch 4 chỗ tốc độ thấp, việc thiết kế chế tạo khung tuy không đòi hỏi nhiều yêu cầu khắt khe như việc chế tạo khung các loại ô tô có vận tốc lớn khác, tuy nhiên củng cần đáp ứng được các yêu cầu cơ bản như: Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, có thể gia công bằng tay, đảm bảo đồ bền và yêu cầu làm việc cùng với xe, dể lắp đặt và bố trí các cụm chi tiết và thiết kế vỏ xe. Dựa trên việc phân tích ưu điểm cũng như nhược điểm của các loại trên, ban đầu ta chọn loại khung và vỏ cùng chịu lực để thiết kế cho xe.
40
4.2.2. Phân tích chọn loại khung thiết kế cho xe
Sau khi lựa chọn được phương án thiết kế khung là loại khung và vỏ cùng chịu lực thì ta điểm qua một số loại khung thuộc loại khung chịu lực sử dụng trên các xe thể thao, xe con, xe du lịch, trên cơ sở đó kết hợp với điều kiện thực tế để chọn loại khung khung thích hợp.
- Khung chịu lực loại dầm dọc ở hai bên:
Hình 4.6. Hình dáng khung có hai dầm dọc hai bên
1,7: xà dọc; 2,3,4,5,6 : xà ngang
Đặc điểm của loại khung này là cấu tạo chủ yếu của nó là 2 dầm dọc.Các xà dọc và xà ngang được chế tạo bằng thép và được nối với nhau bằng mối ghép đinh tán hạn hữu nối với mối ghép hàn.
Tiết diện các xà ngang, hình dáng và khoảng cách củng như kiểu chọn loại bố trí xà ngang phụ thuộc vào chế độ tải trọng đặt lên khung, việc bố trí các hệ thống như động cơ, hộp số gắn
41
lên chúng. Vật liệu chế tạo thanh xà ngang thường dùng là các loại thép các bon thấp và trung bình như 20, 25, 30T...
Các xà dọc thì người ta có thể dùng lọai tiết diện hình ống, hộp, hình chữ C. Trong số đó thì loại thép dập chữ C là loại được dùng phổ biến nhất. Bên cạnh đó để giảm trọng tâm của xe, thì người ta uốn xà dọc vòng lên ở vị trí đở các cầu xe.
Ngoài ra thì trên xà dọc người ta có thể khoan nhiều lỗ nhằm mục đích nối với vỏ xe hay các cụm khác bằng bulong, đinh tán. Ngoài ra người ta còn để nhiều lỗ trống để khung chịu ứng suất đều.
Ưu điểm: Khung gầm lọai này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp, có giá thành rẻ, phù hợp với sản xuất đơn chiếc, dễ bảo dưỡng sửa chữa.
Nhược điểm: Vì có cấu trúc 2 chiều nên độ cứng xoắn thấp hơn hẳn so với các loại khung gầm khác, đặc biệt là khi chịu tác động của trọng tải đứng hoặc xóc nảy lên.
Ngày nay nhiều loại ô tô dùng loại khung này từ xe du lịch, xe khách đến xe tải.
- Khung chịu lực loại dầm dọc ở giữa:
Đặc điểm của lọai khung gầm hình xương sống là rất đơn giản: Cũng như loại khung có cấu trúc hai dầm dọc, loại khung này các xà ngang và xà dọc được chế tạo từ thép. Xà dọc là một xương sống có tiết diện hình ống rắn chắc (thường cắt hình chữ nhật).Các xà ngang được ghép vào dầm dọc ở giữa bằng mối ghép hàn và mối ghép đinh tán.Việc bố trí các xà ngang về số lượng, tiết diện và khoảng cách nó còn tùy thuộc vào việc ta chọn bố trí các cụm như động cơ, hộp số, ghế ngồi trên khung. Vật liệu chế tạo thanh xà ngang thường dùng là các loại thép các bon thấp và trung bình như 20, 25, 30T...
42
Hình 4.7. Hình dáng khung gầm hình xương sống
Ưu điểm:
Thích hợp cho dòng xe thể thao loại nhỏ. Dễ chế tạo bằng tay kéo theo chi phí thấp đối với các dây chuyền sản xuất quy mô nhỏ. Cấu trúc đơn giản giúp giảm chi phí. Tiết kiệm không gian hơn cả loại khung gầm liền khối.
Nhược điểm:
Không phù hợp với dòng xe thể thao high-end. Khung gầm xương sống không thể bảo vệ người lái trong các vụ va chạm. Do đó, nó cần đi kèm các thiết bị bù khác trong thân xe. Không tiết kiệm chi phí nếu sản xuất hàng loạt. Chế tạo đơn chiếc hoạc bằng tay khó khăn. Loại khung gầm này có thể ứng dụng cho dòng xe thể thao loại nhỏ nhưng không thích hợp với loại ô tô lớn. Loại khung gầm này có thể ứng dụng cho dòng xe thể thao loại nhỏ nhưng không thích hợp với loại ô tô lớn.
Các loại xe sử dụng khung gầm hình xương sống: Lotus Espirit, Elan Mk II, TVR và Marcos.
- Khung chịu lực loại hỗn hợp (hay hình chữ X):
43
Hình 4.8: Hình dáng khung gầm hình chữ X
Tuy có kết cấu khác với hai loại khung trên, tuy nhiên loại khung có kết cấu hình chữ X cũng có những đặc điểm tương tự như hai loại khung trên.Các xà dọc và xà ngang được chế tạo bằng thép và được nối với nhau bằng mối ghép đinh tán hạn hữu nối với mối ghép hàn.
Tiết diện các xà ngang, hình dáng và khoảng cách củng như kiểu chọn loại bố trí xà ngang phụ thuộc vào chế độ tải trọng đặt lên khung, việc bố trí các hệ thống như động cơ, hộp số gắn lên chúng. Vật liệu chế tạo thanh xà ngang thường dùng là các loại thép carbon thấp và trung bình như 20, 25, 30T...
Các xà dọc thì người ta có thể dùng lọai tiết diện hình ống, hộp, hình chữ C. Trong số đó thì loại thép dập chữ C là loại được dùng phổ biến nhất. Bên cạnh đó để giảm trọng tâm của xe, thì người ta uốn xà dọc vòng lên ở vị trí đở các cầu xe.
Ưu điểm: Có độ cứng vững tốt, chịu được độ xoắn cao, dễ bố trí các hệ thống cũng như thiết bị, đảm bảo tính an toàn cao cho các hệ thống và thiết bị trên ô tô.
44
Nhược điểm: có khối lượng lớn, chế tạo phức tạp, giá thành đắt và chỉ phù hợp với sản xuất hang loạt.
Với tất cả các phân tích ở trên. Để thiết kế phù hợp với điều kiện tải trọng nhỏ, tốc độ thấp, chủ yếu vận hành trong thành phố, bên cạnh đó công nghệ chế tạo ở Việt Nam còn hạn chế, để thuận lợi trong việc bố trí các hệ thống trên xe do đó mà ta chọn loại khung với hai dầm dọc chịu lực chính ở hai bên và các dầm ngang trên nền 2 dầm dọc. Các kích thước B, H được xác định trong quá trình phân tích tính chọn kích thước.
4.3. Tính toán bền khung xe
4.3.1. Xác định kích thước sơ bộ của khung
Chủ yếu là xác định chiều dài và chiều rộng của sườn và nó phụ thuộc vào số lượng và kích thước của các thành phần bố trí trên nó (sơ đồ bố trí chung).
Xác định chiều rộng B: chiều rộng của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào số lượng, chiều rộng và cách bố trí ghế. Trong phương án bố trí ghế cho ô tô bốn chỗ ngồi thì chọn bố trí hai dãy ngang với các kích thước được xác định sơ bộ như sau:
Thông số ban đầu là xe chở 4 người, mỗi người có chiều cao trung bình 1.70m, cân nặng 70kg, ghế bố trí theo kiểu ghế đôi. Ta chọn chiều rộng B của xe là 1300 mm.
L: Là chiều dài cơ sở, L được xác định trên cơ sở bán kính quay vòng bánh xe và độ ổn định của xe trong quá trính di chuyển. Nếu L quá lớn sẽ làm cho xe quay vòng khó, đặc biệt là đường hẹp như ở Việt Nam, độ ổn định của xe cũng sẽ giảm. Ngược lại, nếu L bé thì việc bố trí các hệ thống sẽ gặp khó khăn, độ bền khung sẽ khó đảm bảo hơn. Ngoài ra đối với xe ta thiết kế thì chiều dài L còn liên quan đến việc bố trí các hệ thống, chi tiết trên xe như các đăng, bố thí theo nhân trắc học...Với mục đích thiết kế xe 4 chỗ cho việc di chuyển trong đô thị, với đặc thù đường Việt Nam hẹp do đó chiều dài cơ sở L phải được chọn phù hợp. Trên cơ sở đó ban đầu ta chọn L = 2100mm
45
Hình 4.9. Kích thước sơ bộ của khung.
Để tiết kiệm thời gian nên ta chọn khung xe có sẵn, từ đó chế tạo mới phần vỏ xe sao cho phù hợp với người Việt, dẽ dàng di chuyển trong khu vực chật hẹp và đảm bảo thẩm mỹ.
H: Dựa vào tiêu chuẩn về chiều cao người Việt Nam ta chọn sao cho đảm bảo hài hòa và tính thẩm mỹ giữa chiều dài toàn bộ, chiều cao và chiều rộng. Chọn sao cho tầm nhìn của người lái được rộng nhất, dễ quan sát nhất. Với ý như vậy ta chọn H < 1600 mm. Từ đó ta có kích thước sơ bộ của xe thiết kế như sau:
46
Hình 4.10. Kích thước của xe thiết kế
Phân tích bố trí các hệ thống, chi tiết trên xe ta xác đinh được kích thước cơ bản của xe thiết kế. Xác định kích thước khung trên cơ sở đảm bảo độ cứng vững của khung. Điều này là vô cùng quan trọng bởi vì độ cứng vững của khung đảm bảo độ cứng vững, tính ổn định và an toàn cho xe.Ngoài ra việc xác đinh kích thước khung cần đảm bảo sao cho thuận lợi nhất về mặt lắp ghép vỏ cho xe, khối lượng khung xe là bé nhất.
Trên cơ sở đã có khung xe, ta tiến hành tính toán lại theo trình tự để làm cơ sở cho việc chế tạo khung mới sau này.
47
Hình 4.11. Khung xe.
4.3.2. Phân tích bố trí chung
Bố trí các hệ thống, thiết bị trên ô tô đóng vai trò quan trong trong việc giải quyết bài toán cân bằng trên xe, kết cấu và tính năng động học của xe.
Bố trí hợp lí sẽ giúp cho xe có kết cấu gọn nhẹ, độ cứng vững cao, tính động học tốt hơn, giảm được rung khi vận hành. Bố trí các chi tiết, cụm chi tiết còn quyết định đến kích thước và hình dáng của ô tô.
Với ô tô thiết kế là ô tô du lịch bốn chỗ, chủ yếu phục vụ cho khách du lịch tham quan ở thành thị, các khu du lịch, resort. Khi bố trí các hệ thống lên chassis phải tính toán kỹ phân bố tải trọng tác dụng lên ô tô (tải trọng động và tĩnh). Ngoài ra khi bố trí các chi tiết, cụm chi tiết cần đảm bảo tính năng động học, động lực học, tính năng dẫn hướng quay vòng của ô tô.
48
Phân tích bố trí các chi tiết, hệ thống trên xe:
Ghế ngồi: Được bố trí qua việc phân tích về tính tiện lợi và thoải mái của người sử dụng, trên cơ sở tham khảo cách bố trí của các loại ô tô trên thị trường. Bố trí ghế ta có thể chọn từ hai phương án bố trí ghế đơn và ghế đôi. Đối với ghế đơn thì có ưu điểm là tạo cảm giác thoải mái và rộng rãi cho hành khách tuy nhiên việc chế tạo ghế đơn lại tốn nhiều thời gian hơn và phức tạp hơn ghế đôi. Sử dụng phương án thiết kế ghế đơn cho ghế trước để tạo cảm giác thoải mái cho lái xe, thiết kế ghế đôi cho ghế sau để tiết kiệm được không gian, đơn giản về công nghệ chế tạo vẫn đảm bảo những yêu cầu chung về ghế ngồi. Tuy nhiên, thiết kế ghế đôi chú trọng những yêu cầu của người điều khiển ô tô hơn những yêu cầu của hành khách. Đặc biệt là yều cầu về thuận tiện khi điều khiển. Việc bố trí cụ thể được thể hiện trên bản vẽ với khoảng cách được xác định mang lại cảm giác thoải mái cho người sử dụng. Việc chế tạo ghế phải tuân theo những quy định về nhân trắc học được quy định các tiêu chuẩn nghành, cụ thể ta có tiêu chuẩn ngành SỐ TIÊU CHUẨN 22TCN 256 – 99 (tham khảo trên internet).
49 Ắc quy: Trên không gian xe có thể bố trí ắc quy ở nhiều nơi như ở dưới ghế trước, ở không gian phần đầu xe. Đối với việc bố trí ở trước không gian đầu xe có ưu điểm là tận dụng được không gian phần đầu xe, tạo độ cân bằng hơn cho xe, tuy nhiên nó lại có nhiều nhược điểm như bố trí quá xa động cơ điện do đó dây dẫn sẻ dài gây tổn hao, thứ hai là việc bố trí trươc sẻ gây khó khăn hơn cho quá trình điều khiển và hoạt động của hệ thống lái. Phương án 2 có thể bố trí ở dưới ghế sau. Phương án này nhiều ưu điểm như tạo tính cân bằng cho xe, ắc quy gần với động cơ điện do đó dây dẫn sẽ ngắn và ít tổn hao, kết cấu rất gọn, dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng. Song song, pin thường được bố trí dưới hàng ghế trước hoặc sau để đảm bảo tính thẩm mỹ, hay nói cách khác, pin sẽ được đặt dưới ghế ngồi. Do đó, với đề tài này, dưới hàng ghế sau không có đủ khoảng trống nên pin sẽ được đặt dưới hàng ghế trước.
Hình 4.13. Bố trí ăc quy
Bố trí động cơ điện – hộp giảm tốc và hộp điều khiển: có hai phương án bố trí động cơ điện. Đối với loại dùng cầu độc lập với động cơ điện:
50 Thứ nhất là động cơ đặt phía trước, dẫn động cầu trước, kết cấu sẽ đơn giản, dễ sữa chữa hơn cầu sau do đã loại bỏ các chi tiết truyền động. Khả năng