3.2.1. Các yêu cầu cơ bản đối với xe thiết kế
- Đảm bảo yêu cầu cơ bản đối với ô tô: khả năng mang tải, khả năng gia tốc, giảm tốc, dừng, khởi động dễ dàng, khả năng quay vòng, khả năng vượt dốc (trong 1 giới hạn nào đó), độ ổn định;
- Thuân lợi cho bố trí hệ thống truyền lực, sàn xe thấp, mở rộng tầm nhìn của người lái, không gian tiện nghi, thoáng mát, thuân lợi cho việc lên xuống, trọng lượng kết cấu nhỏ; - Ngoài ra, cần phải đảm bảo được an toàn giao thông, sự tiện nghi thoải mái cho người sử
dụng và có mức tiêu hao năng lượng thấp.
3.2.2. Phân tích lựa chọn các thông số ban đầu
Tải trọng:
Xe điện thiết kế thuộc dạng xe du lịch, tải trọng của xe được tính dựa vào số hành khách mà xe có thể chở được. Xe thiết kế là loại xe 4 chỗ, có thể chở tối đa 4 người. Ước lượng khối lượng ban đầu của 4 người là 280kg. Tải trọng của xe bao gồm tải trọng khung, vỏ, động cơ điện, các bánh xe, cầu, hệ thống treo, lái, phanh ... ước lượng khoảng 392kg, tải trọng ắc quy là 150kg và 20kg cho hành lí của hành khách.
Phân bố trọng lượng ô tô
Sự phân bố trọng lượng lên các trục của ô tô thiết kế khi không tải và khi đầy tải được xác định trên cơ sở giá trị các thành phần trọng lượng và vị trí tác dụng của chúng lên các trục của ô tô.
21
Tọa độ trọng tâm của ô tô thiết kế theo chiều dọc:
a: Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước.
b: Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau. Tọa độ trọng tâm của ô tô theo chiều cao hg:
Căn cứ vào giá trị các thành phần trọng lượng và tọa độ trọng tâm của chúng, ta xác định tọa độ trọng tâm của ô tô theo công thức:
m i i m i i i G l G a 1 1 ) ( ; b = L – a; m i i m i i i g G h G h 1 1 ) ( Trong đó:
li: khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc bánh trước đến toạ độ trọng tâm các thành phần khối lượng.
hi: chiều cao trọng tâm các thành phần khối lượng.
G: trọng lượng bản thân ô tô.
Các thành phần khối lượng bao gồm:
Gk : trọng lượng chassis và khung xương.
Gct: trọng lượng cầu trước và bánh xe.
Gcs: trọng lượng cầu sau và bánh xe.
Gm: trọng lượng động cơ.
Gat: trọng lượng acquy trước.
Gas: trọng lượng acquy sau.
Ggt: trọng lượng ghế trước.
22
Gl : trọng lượng hệ thống lái.
Glanh : trọng lượng hệ thống lạnh.
Phân bố phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh xe trước và sau
L b G
Z1 . ; Z2 = G – Z1 Trường hợp không tải
23
Bảng 3.2. Phân bố trọng lượng ô tô khi không tải.
TT TÊN GỌI
TRỌNG LƯỢNG
li(mm) hi(mm) Gi.li Gi.hi
KH (kg)
1 chassis và khung xương Gk 187 960 700 179520 130900
2 Cầu trước và bánh xe Gct 30 0 250 0 7500 3 Cầu sau và bánh xe Gcs 25 2100 250 52500 6250 4 Hệ thống lạnh Glanh 15 -180 510 -2700 76500 5 Động cơ, hộp giảm tốc Gm 75 2230 380 167250 28500 6 Acquy trước Gat 126 890 340 112140 42840 7 Acquy sau Gas 24 1950 511 46800 12264 8 Ghế trước Ggt 10 1020 580 10200 5800 9 Ghế sau Ggs 10 1820 630 18200 6300 10 Hệ thống lái Gl 40 -130 220 -5200 8800 Tổng Σ 542 578710 325654 Suy ra: a = 1068 (mm); b = L – a = 1032 (mm); hg = 600 (mm) Z1 = 2664 (N); Z2 = 2756 (N).
24
Hình 3.5. Tọa độ trọng tâm xe trong trường hợp xe không tải. Trường hợp đầy tải
25 Các thành phần khối lượng:
G: trọng lượng xe khi không tải.
Gnt: trọng lượng 2 người khoang lái.
Gns: trọng lượng 2 người sau.
Ghl: trọng lượng hành lý.
Bảng 3.3: Phân bố trọng lượng ô tô khi đầy tải
TT TÊN GỌI
TRỌNG LƯỢNG
li(mm) hi(mm) Gi.li Gi.hi
KH (kg)
1 Trọng lượng xe không tải G 542 1067 833 578710 325654
2 Hai người trước Gnt 140 890 870 124600 121800
3 Hai người sau Gns 140 1630 900 228200 126000
4 Hành lý Ghl 20 2080 730 41600 14600
Tổng Σ 842 973110 588054
Suy ra: a = 1155 (mm); b = 945 (mm); hg = 698 (mm) Z1 =3785 (N); Z2 = 4635 (N).
26
Hình 3.6. Tọa độ trọng tâm xe trong trường hợp xe đầy tải. Vận tốc:
Xe thiết kế với mục đích là di chuyển trong đô thị, do đó mà ta lựa chọn vận tốc phải đảm bảo phù hợp với cấu trúc hạ tầng đô thị, do đó ban đầu ta chọn vận tốc xe như sau.
Vận tốc cực đại của xe thiết kế : Vmax = 50km/h
Vận tốc nhỏ nhất của xe: Vmin = 5km/h Điều kiện đường:
Với mục đích di chuyển trong đô nên chọn loại đường xe chạy là đường nhựa tốt, với các hệ số như sau:
Hệ số cản lăn: f = 0,02
Hệ số bám: = 0,7
27
Động cơ điện:
Trên cơ sở tính toán sơ bộ công suất động cơ cần thiết đối với điều kiện ban đầu về tải trọng và vận tốc xe ta có các thông số sơ bộ như sau:
Động cơ điện: 3600W sử dụng ắc quy: 72V - 60Ah.
Hình 3.7. Động cơ điện của xe thiết kế. Hệ thống năng lượng
Thông qua việc tính chọn công suất cần thiết cho xe thiết kế và lựa chọn động cơ điện, ta lựa chọn công suất ắc quy sao cho nó có thể cung cấp đầy đủ năng lượng cho mục đích di chuyển của xe. Từ đó ta chọn ắc quy có điện áp – điện lượng là 12V – 60Ah mỗi ắc quy, với số lượng 6 ắc quy mắc nối tiếp nhau. Bên cạnh đó, để cung cấp điện cho các phụ tải như: đèn, kèn,… ta chọn thêm một ắc quy phụ tải có điện áp – điện lượng là 12V – 70Ah.
28
Hình 3.8. Hệ thống năng lượng của xe.
29
Hệ thống truyền lực:
Công thức bánh xe: 4x2
Kiểu truyền lực: Động cơ giảm tốc tích hợp trên cầu sau của xe
Chọn phương án dẫn động: hệ thống truyền lực với cầu sau chủ động. Phương án này dễ bố trí, lại có nhiều ưu điểm.
30
Hệ thống phanh: Kiểu loại cơ cấu phanh trước/sau: đĩa/đĩa.
Hình 3.11. Hệ thống phanh của xe. Hệ thống treo:
Ban đầu ta chọn loại treo độc lập cho cả cầu trước và sau. Trong quá trình tính toán thiết kế sẽ phân tích và thiết kế sau đó sẽ chọn loại treo phù hợp nhất.
31
Hình 3.12. Hệ thống treo độc lập của xe.
Hệ thống lái:
Có nhiều kiểu hệ thống lái, tuy nhiên với mục đích sử dụng và chế độ di chuyển tốc độ thấp nên ta có thể lựa chọn lại cơ cấu lái thanh răng – bánh răng. Vì nó có ưu điểm là đơn giản, giá thành rẻ và hoạt động khá ổn định.
32
Hệ thống điện và các thiết bị:
Các loại đèn: pha, xi nhan, phanh… đảm bảo cho quá trình di chuyển, chuyển hướng của xe, các đèn báo hiệu.
Còi theo quy định của luật giao thông
Các công tắc điều khiển hệ thống: công tắc khởi động, công tắc đèn, công tắc còi… Chọn chassis và hình dáng vỏ xe:
Được phân tích cụ thể trong phần thiết kế khung – vỏ, ban đầu ta chọn như sau:
Chassis kiểu: Giới hạn là loại khung dùng cho ô tô du lịch
33
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ THÂN VỎ XE ĐIỆN ĐÔ THỊ CỠ NHỎ 4.1. Tổng quan về khung vỏ
4.1.1. Tổng quan về khung xe
Công dụng của khung
Khung xe trước tiên là dùng để tạo nên độ cứng vững cho xe, đảm bảo an toàn cho người trên xe, các tải trọng trên xe, các phần tử khác trên xe. Khung xe còn là khuôn để định vị và lắp các hệ thống trên xe như động cơ, hộp số, hệ thống truyền lực, vi sai và bộ phận treo... Một vai trò nữa đó là dùng để định hình và lắp vỏ xe tạo nên tính thẩm mĩ cho xe.
Yêu cầu đối với khung xe
Trong quá trình làm việc xe phải chịu tải trọng rất lớn từ mặt đường tác dụng lên và cả trọng lượng của hàng trên xe. Khung ô tô là phần tử chịu tải dùng để đỡ và bắt chặt động cơ, các cụm của hệ thống truyền lực, đồng thời nó là nơi chịu toàn bộ tải trọng của xe, những thay đổi từ mặt đường lên xe khi xe chuyển động, tác động của lực cản khí động, lực quán tính, lực phanh và các lực do va chạm. Do mục đích sử dụng, do chế độ khai thác và tải trọng của ô tô rất đa dạng và phức tạp nên khung ô tô phải có kết cấu hợp lý, hình dạng thích hợp để có thể bố trí lắp đặt các cụm, hệ thống, thiết bị khác trên xe, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản về độ cứng vững, độ bền. Để đảm bảo tính cứng vững và độ an toàn tuyệt đối cho hành khách, cho các chi tiết trên xe đặc biệt là khi có tai nạn xảy ra. Vì thế kết cấu khung đòi hỏi các yêu cầu sau:
- Có trọng lượng nhỏ mà vẫn đảm bảo được tuổi thọ tương ứng với thời hạn phục vụ của ô tô;
- Có hình dạng thích hợp, đảm bảo tháo lắp các cụm dễ dàng, hạ thấp được chiều cao trọng;
- Độ cứng vững cao, đồ bền cao cùng với thời gian hoạt động của xe; - Kết cấu gọn nhẹ, dễ bố trí các chi tiết, cụm chi tiết của xe;
- Đảm bảo hành trình hoạt động của hệ thống treo; - Kết cấu hợp lý để hạ thấp trọng tâm của xe.
4.1.2. Tổng quan về vỏ xe
34
Vỏ xe là chi tiết tạo nên tính thẩm mĩ cho xe. Nó đóng vai trò vô cùng quan trong trong quá trình thiết kế và hoàn thành một chiếc xe. Không những để tạo tính thẩm mĩ cho xe, vỏ xe còn giúp bảo vệ những chi tiết bên trong xe như động cơ, ắc quy, bộ điều khiển khỏi những tác động bên ngoài và đặc biệt là bảo vệ người ngồi trong xe.
Yêu cầu đối với vỏ xe
- Vỏ xe thiết kế phải mang tính thẩm mĩ cao và phù hợp với mục đích sử dụng, công nghệ chế tạo đơn giản, dể dàng trong quá trình lắp ráp, khối lượng nhẹ và đảm bảo độ bền với thời gian phục vụ của xe;
- Có độ cứng vững đủ lớn để khi biến dạng không làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của các cụm và các cơ cấu lắp đặt trên nó, không gây kẹt, vênh các cánh cửa và vỡ kính;
- Vỏ xe phải có dạng khí động tốt để giảm lực cản khi chuyển động với tốc độ cao. Bố trí các bộ phận điều khiển thuận tiện, tầm nhìn của người lái và khách hàng thoáng, lên xuống dễ dàng.
4.1.3. Phân loại
Theo mối quan hệ giữa khung và vỏ, ô tô hiện nay thường có 2 loại cấu trúc khung vỏ gồm:
- Cấu trúc khung rời (body on frame) như SUV, Pickup…
Có phần khung xe và thân xe riêng biệt, với phần khung thường được thiết kế như 1 chiếc thang, hệ thống lái truyền động và thân xe được đặt cố định trên khung xe. Nó như một bệ thép dày và cứng để cho phần vỏ và động cơ bám vào. Loại này thường rất chắc chắn và khỏe. Chịu va chạm tốt hơn nhiều so với loại khung liền vỏ.
35
Hình 4.1. Cấu trúc khung rời
Ưu điểm:
Cấu trúc khung rời cho phép các kỹ sư thiết kế có thể thực hiện các thay đổi dễ dàng trên phần khung xe mà không cần chỉnh sửa phần chassis gầm xe (thường có dạng hình thang to bản). Thậm chí có thể thiết kế một mẫu xe hoàn toàn mới dựa trên nền chassis cũ mà chỉ thay đổi phần khung xe, điều này giúp tiết kiệm tối đa chi phí phát triển, thử nghiệm cũng như đầu tư dây chuyền lắp ráp cho một bộ chassis hoàn toàn mới. Khả năng chịu tải và chống vặn xoắn rất tốt của cấu trúc khung rời thực sự phù hợp với các mẫu xe lớn như bán tải (Pick-up), xe tải và xe khách. Nếu muốn có một chiếc xe thuần chất offroad chuyên trị đường khó, không gì phù hợp hơn là một mẫu xe Pick-up hay SUV sử dụng cấu trúc khung trên thân. Thực tế cũng cho thấy dạng cấu trúc này mang đến khả năng cách âm gầm xe tuyệt vời hơn cấu trúc Unibody;
Nếu bị hư hại nặng liên quan đến thân vỏ hay chassis sau tai nạn, thì việc phục hồi một chiếc xe sử dụng cấu trúc khung rời đơn giản, tiết kiệm thời gian và chi phí hơn rất nhiều so với cấu trúc Unibody.
36
Nhược điểm:
Các mẫu xe sử dụng cấu trúc khung rời thường khá nặng do bản thân phần chassis bằng thép hợp kim cứng đã có trọng lượng tương đối. Điều này dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu lớn hơn, hoạt động kém ổn định khi vào cua ở tốc độ cao do trọng tâm cao. Vì vậy, hầu hết các mẫu xe dùng cấu trúc khung rời đều thích hợp để ghép đôi với một động cơ diesel mạnh mẽ với momen xoắn lớn;
Phần chassis gầm xe cứng cũng giới hạn phần nào việc thiết kế các vùng biến dạng (crumple zone), điều này tăng nguy cơ va đập mạnh cho hành khách lẫn tài xế khi xe xảy ra va chạm. Tuy nhiên, điều này cũng đã được khắc phục dần dần nhờ những tiến bộ ở mảng điện tử, cảm biến của ô tô. ABS, ESP, phanh tự động khẩn cấp sử dụng dữ liệu từ radar hoặc bộ phận thu phát sóng siêu âm, BAS….đó chính là lời giải tương đối hoàn chỉnh cho bài toán đó.
- Cấu trúc khung gầm liền khối (Unibody) như Sedan, compack…
Đối với cấu trúc này sẽ không xuất hiện bộ khung rời mà thay vào đó có kết cấu liền khối, gồm chassis, sàn xe và thân xe là một thể thống nhất, được thực hiện gia cố ở những vị trí nhất định.
37
Ưu điểm:
Cấu trúc khung liền thân (Unibody) có thể tạo hình hay bẻ cong dễ dàng, nên các kỹ sư có thể tính toán và thiết kế các vùng hấp thụ xung lực tối ưu khi xảy ra va chạm. Từ đó, cấu trúc khung gầm liền khối (Unibody) chính là đáp án tối ưu nhất cho việc đảm bảo an toàn cho hành khách bên trong cabin;
Trọng lượng nhẹ hơn của cấu trúc Unibody giúp giảm mức tiêu hao nhiên liệu. Sàn xe, khung xe nằm liên kết 1 khối với chassis nên trọng tâm xe được hạ thấp, giúp tăng tối đa ổn định khi xe vào cua hơn hẳn so với cấu trúc khung rời (Body-on-Frame).
Nhược điểm:
Do chassis và khung xe cùng các bộ phận khác kết nối cùng một khối nên việc sửa chữa, phục hồi xe sau tai nạn nặng là một việc khá tốn kém. Mặt khác, do trải qua tai nạn nặng nên độ ổn định khung xe hay chassis xe dù được phục hồi nhưng vẫn bị ảnh hưởng ít nhiều.
4.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung4.2.1. Phân tích, chọn phương án thiết kế 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