Phương pháp chung
Từ bản vẽ khung và tham khảo các mẫu xe đã tham gia cuộc thi qua các năm. Từ đó phân tích và chọn kiểu dáng vỏ cho xe sinh thái và thiết kế theo kiểu dáng đã chọn.
Các thông số đầu vào:
- Chiều dài của khung đã thiết kế. - Chiều rộng của khung đã thiết kế. - Tầm quan sát của người lái. - Điều kiện hoạt động của xe.
- Hình dáng động học của xe đã chọn trước.
Các thông số đầu ra:
- Tầm quan sát người lái phải đảm bảo để an tồn cho người lái trong q trình lái. - Hình dáng vỏ phải đảm bảo như thiết kế ban đầu.
- Vỏ phải được thiết kế ôm sát và bắt chắc chắn vào khung. - Đặc tính khí động học phải đảm bảo là tối ưu nhất.
Phân tích lựa chọn hình dáng vỏ
Hình dáng vỏ tác động trực tiếp đến khả năng khí động học của xe và ở xe sinh thái thì khí động học là một vấn đề cực kì quan trọng để giảm lực cản của xe giúp cho xe ít tiêu hao nhiên liệu nhất. Vì vậy chúng ta phải phân tích và thiết kế vỏ theo những tiêu chí sau:
Theo khí động học của ơ tơ
Khi chuyển động, ô tô chịu tác dụng của nhiều loại lực cản: Lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát, lực cản gió. Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng lốp. Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của ô tô. Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bơi trơn. Cịn lực cản gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của ô tô. Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất khi nghiên cứu về các loại lực cản tác dụng lên ô tô, lực này được được xem là lực cản khí động học, được tạo ra bởi kết quả của hình dạng, sự ma sát của khơng khí với bề mặt vỏ ơ tơ và lực nâng ô tô làm sự thay đổi hệ số bám.
34
Hình 3.20 Các vùng áp suất khi ơ tơ chuyển động.
Lực cản: Sự chuyển động của ơ tơ đẩy khơng khí phía trước nó. Tuy nhiên, khơng khí khơng thể dịch chuyển ngay lập tức, điều này làm áp suất của không khí tăng lên tạo thành vùng khí có áp suất cao. Đồng thời, khơng khí phía sau ơ tơ khơng thể điền đầy khoảng trống ngay, nó tạo ra vùng khí có áp suất thấp. Do đó, sự chuyển động của ơ tơ tạo ra 2 vùng áp suất đối lập nhau.
Sự ma sát bề mặt: Khơng khí gần bề mặt của ơ tơ di chuyển với tốc độ tương đương ô tơ trong khi khơng khí ở xa hơn được giữ ngun. Tốc độ khác nhau của hai dịng khí sinh ra ma sát. Lực nâng: Khi ơ tơ chạy, luồng khí phía trên mui di chuyển với quãng đường dài hơn luồng không khí phía dưới gầm, phía trước nhanh hơn phía sau nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau của dịng khí tạo ra sự chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng ô tô lên làm giảm sức bám của lốp với mặt đường. Hiệu suất khí động học của ô tô được xác định bởi hệ số cản Cx(một số sách ở Việt Nam ký hiệu là K). Hệ số cản phụ thuộc vào diện tích cản chính diện, nó cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới lực cản khí động học. Hình dạng có hiệu suất khí động tốt nhất là hình dạng một giọt nước đang rơi (Cx 0, 04). Lực cản gió của ơ tơ tỷ lệ với hệ số cản khơng khí, diện tích cản chính diện và bình phương vận tốc ơ tơ. Theo cơng thức 4.13 tài liệu [2] ta có:
2 1 . .S.C .V 2 xx F Trong đó: Fω – Lực cản khơng khí (N). ρ – Mật độ khơng khí (kg/m3).
35 S – Diện tích cản chính diện của xe (m2).
Vx – Vận tốc tương đối giữa ơ tơ và khơng khí (m/s). Cx – Hệ số cản khơng khí.
Như vậy chúng ta muốn cải thiện khí động học của ơ tơ thì đồng nghĩa với việc chúng ta phải giảm Cx. Q trình hồn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển được mơ tả trên hình 3.21. Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những chiếc ơ tơ có hình dáng giống xe ngựa cổ xưa, hệ số cản (trên hình ký hiệu là Cw) rất lớn (0,65 ÷ 1,0). Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 và ngày nay nó chỉ cịn là 0,28 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt được Cx = 0,25 ÷ 0,27. Tuy nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ơ tơ gần như đã hồn thiện về hình dạng khí động học thì việc giảm được dù chỉ 0,01 trong Cx ngày càng trở nên khó khăn hơn. Vì vậy, trong giai đoạn này đồ thị gần như nằm ngang.
36
Hình 3.22 Hệ số cản của một số vật thể có hình dạng khác nhau.
Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tưởng chính là giọt nước rơi trong khơng khí. Nếu những chiếc ơ tơ có hình dạng như vậy thì lực cản khí động học là nhỏ nhất. Ở phần dưới của hình 3.22 mơ tả một số dạng vỏ xe có hệ số cản nhỏ hơn 0,1 và thậm chí có thể đạt giá trị 0,04. Vì vậy nhóm quyết định hình dạng vỏ kiểu như giọt nước để giảm tối đa lực cản khơng khí.
Theo mục đích sử dụng
Dựa vào việc phân tích các mẫu xe đã có của các đội năm trước của trường, những đội khác trong nước, ngồi nước và theo những ưu nhược điểm nhóm đã đưa ra ở phần 2.2 Chương 2. Tận dụng những ưu điểm của những thiết kế trước và khắc phục những nhược điểm của các xe đó và đưa ra mẫu thiết kế hồn chỉnh nhất cho xe.
Khi phân tích lựa chọn hình dáng xe thiết cần chú ý tới hai vấn đề: Quan hệ hình dáng vỏ xe chọn theo mục đích sử dụng và hình dáng mẫu xe theo mối quan hệ giữa khung với vỏ.
Hình dáng của vỏ xe còn phụ thuộc: Mục đích sử dụng, điều kiện sử dụng (đường bằng, đường có địa hình phức tạp, kiểu dáng ơ tơ đua, thể thao...).
37 Vì xe thiết kế để tham gia cuộc thi xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu nên chỉ bố trí vị trí cho đúng một người lái ngồi, bố trí vị trí đặt động cơ sau người lái và phải thiết kế nhỏ gọn và giúp người lái dễ quan sát nhất có thể.
Chọn vỏ xe thiết kế
Vỏ được thiết kế theo hình dạng của khung phải đảm bảo ôm sát vào khung để giúp cho vỏ được vững chắc khi đang di chuyển trên đường.
Thiết kế kĩ thuật phần vỏ xe Chọn thơng số cơ bản
Trong q trình thiết kế, các thông số kích thước của vỏ xe được lựa chọn dựa trên các cơ sở như:
- Kích thước của khung xe. - Đối tượng điều khiển xe. - Điều kiện hoạt động.
Các kích thước tổng thể bao gồm:
- Kích thước tổng thể (Dài x Rộng x Cao). - Kích thước chiều dài cơ sở E.
- Kích thước chiều dài đầu xe (Lđầu). - Kích thước chiều dài đuôi xe (Lđuôi).
Để lựa chọn các thơng số kích thước của vỏ xe ta cần sơ đồ bố trí tổng thể các bộ phận trên xe:
Do đặc điểm xe sinh thái được thiết kế dưới dạng xe tự chế 3 bánh (hai bánh trước và một bánh sau) nên xe sẽ có sơ đồ tổng thể như sau:
38
Hình 3.23 Sơ đồ tổng thể thân vỏ.
- Kích thước tổng thể (DxRxC): 2700x450x550 mm. - Chiều dài trục cơ sở E: 1450 mm.
- Chiều dài đầu: 800 mm. - Chiều dài đuôi: 450 mm.
Khoang người lái:
- Là khoảng không gian dành riêng cho người lái và các bộ phận điều khiển.
- Là khoảng không gian được thiết kế riêng biệt với khoang động cơ, được ngăn cách bởi một tấm cách nhiệt, thể tích buồng lái được tính từ mũi xe đến hết phần ghế của người lái.
- Khoảng không gian buồng lái được thiết kế bảo đảm các tiêu chí và quy định sau: Kính chắn gió được làm từ vật liệu trong suốt (polycacbonate) nhìn xuyên qua một cách rõ nét, có khả năng chống hấp thụ nhiệt và chống tia cực tiếp, bảo vệ người lái.
Tầm quan sát của tài xế được đảm bảo cả phía trước phía sau và bên hơng xe; gương chiếu hậu được đặt cả hai bên với vị trí bảo đảm tầm nhìn của người lái. Khoang lái đủ rộng không quá chật hẹp gây cản trở tầm hoạt động của người lái.
39
Khoang động cơ:
- Khoang động cơ là nơi lắp đặt động cơ và các hệ thống khác đảm bảo hoạt động bình thường của xe.
- Khoang động cơ được thiết kế riêng biệt với khoang người lái nhầm đảm bảo sự an tồn cho người lái.
Thiết kế hình dạng vỏ xe
Dựa vào các kích thước và các tiêu chí ở phần trên, hình dạng vỏ xe được thiết kế như sau:
Hình 3.24 Bảng vẽ tổng thể phần vỏ xe.
Mơ phỏng khí động học phần vỏ xe
Để mô phỏng khí động học cho phần vỏ xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu có thể sử dụng nhiều phần mềm như Solidworks, Ansys Fluent, … Nhưng nhóm quyết định chọn phần mềm Ansys Fluent để thực hiện.
Ansys Fluent được lập trình theo các phương trình cơ bản của dịng chất lỏng. Đó là các phương trình Navie - Stock, Becnuli hay Euler. Các thông số trong cài đặt chính giúp chúng ta khép kín được các ràng buộc để Ansys tính tốn. Có thể thiết kế mơ hình 2D, 3D hoặc chuyển đổi từ các phần mềm vào Ansys Fluent khác vô cùng linh hoạt. Cũng trong
40 Module này, các thông số như môi chất (độ nhớt, chế độ chảy, khối lượng riêng...), điều kiện vào, ra (vận tốc, nhiệt độ, áp suất...) được cài đặt nhằm mô phỏng một cách gần nhất với thực tế, giúp kết quả được khách quan hóa.
Từ kết quả thu nhận được, chúng ta có thể biết được vận tốc, nhiệt độ, áp suất cũng như quỹ đạo chuyển động và ảnh hưởng của các biên dạng lên dòng chảy. Đồ thị Ansys xuất ra hỗ trợ tối đa cả về định tính và định lượng.
Ở phần này, nhóm sẽ khơng đi chun sâu vào nghiên cứu các phương trình tính tốn của phần mềm mà chỉ nghiên cứu các bước để thực hiện mô phỏng khí động học của phần vỏ xe.
Để thực hiện được q trình mơ phỏng, ta thực hiện theo các bước sau:
41
Bước 1: Xây dựng mơ hình 3D
Ở bước này, sử dụng phần mềm Solidworks để xây dựng mơ hình 3D. Sau đó, đưa mơ hình vào Ansys Fluent.
Hình 3.26 Mơ hình 3D trong phần mềm Solidworks.
42
Bước 2: Chia lưới cho mơ hình
Chia lưới là hành động để biến file 3D đơn thuần (file từ các phần mềm thiết kế như Catia, Solidworks, NX...) thành 1 mơ hình dạng nhiều phần tử liên kết với nhau bằng các NODE(nốt). Vậy tư duy đơn giản hố là cơng đoạn phân mảnh khối 3D thành nhiều phần tử liên kết từ trong khối ra ngoài bề mặt khối.
Số phần tử lưới được chia từ thấp đến cao để đánh giá độ chính xác của mơ phỏng, số lượng phần tử lưới lần lượt là: 216223, 458503, 738133 tương đương với kích thước mỗi phần tử lưới là: 0.15mm, 0.1mm, 0.7mm.
Hình 3.28 Mơ hình sau khi chia lưới.
Bước 3: Thiết lập các thông số đầu vào
Sau khi chia lưới xong ta đặt các điều kiện biên để tiến hành mơ phỏng tính tốn kết quả.
43
Hình 3.29 Chọn chế độ dịng chảy rối cho mơ phỏng.
Vận tốc dòng khí được thiết lập lần lượt là: 10 km/h, 20 km/h, 30 km/h, 40 km/h, 50 km/h.
Các thơng số mơi trường mà nhóm nghiên cứu đã sử dụng bao gồm nhiệt độ là 270C; mật độ khơng khí là 1,225 (kg/m3); độ nhớt động học của khơng khí là 1,7894 x10-5
(kg/ms).
44
Bước 4: Chạy mô phỏng và thu kết quả
Ứng với mỗi lần chia phần tử lưới, ta có lần lượt 5 giá trị của vận tốc. Sau khi chạy mô phỏng ta thu được 15 giá trị của hệ số cản Cx cho trong bảng sau:
Bảng 3.6 Giá trị hệ số cản Cx trong q trình mơ phỏng
Phần tử lưới Vận tốc 216223 458503 738133 Giá trị TB 10 km/h 0.09748745 0.09738123 0.09714535 0.09734 20 km/h 0.08480347 0.08447731 0.08354966 0.08429 30 km/h 0.07868539 0.07828456 0.07697335 0.07798 40 km/h 0.07486916 0.07443138 0.07273383 0.07401 50 km/h 0.07217289 0.07170121 0.07048692 0.07145 Giá trị Cx trung bình 0.08102
Trường phân bố vận tốc quanh xe
45 Thang màu sắc từ xanh da trời đến màu đỏ thể hiện độ lớn vận tốc tại những vùng khác nhau quanh mơ hình. Tại vùng đầu xe ln có vận tốc nhỏ hơn ở những vùng khác do dịng khí khi di chuyển đến vùng này sẽ xuất hiện một điểm đình trệ (stagnation point). Ngay tại điểm đình trệ vận tốc dịng khí bằng khơng và dịng khí sẽ chia làm hai phần, một phần đi dọc theo phía trên xe và một phần đi dọc theo phía dưới xe. Bên cạnh đó, biên dạng xe thay đổi (các góc bo trịn, góc nghiêng) dẫn đến sự phân bố vận tốc tại những vùng đó cũng thay đổi. Vùng sau đi xe hình thành xốy thấp áp ảnh hưởng đến lực cản khí động của xe, vậy để giảm lực cản khí động cần phải loại bỏ hoặc giảm kích thước vùng xoáy.
Trường phân bố áp suất quanh xe
Hình 3.32 Phân bố áp suất theo mặt cắt dọc của mơ hình.
Thang màu sắc từ xanh da trời đến màu đỏ thể hiện độ lớn áp suất tại những vùng khác nhau quanh mơ hình. Tại phía trước mơ hình ln có áp suất lớn hơn ở những vùng khác trên mơ hình do sự tách rời của dịng khí, chính sự chênh áp này là yếu tố cơ bản tạo nên lực cản khí động khi ô tô di chuyển về phía trước. Sự chênh áp càng lớn thì lực cản khí động càng tăng và để làm giảm lực cản khí động thì cần tăng áp suất phía sau mơ hình.
46 Ở nửa dưới của thân xe có vùng áp suất xanh da trời, đó là vùng áp suất âm, nó sẽ tạo sự chênh áp với vùng phía trên của thân xe làm cho xe không bị ảnh hưởng bởi lực nâng và tăng lực bám với mặt đường giúp cho công suất động cơ phát ra sẽ được sử dụng tối ưu.
Đánh giá tính khả thi của mơ hình
Kết quả tính tốn giá trị hệ số cản được ghi lại ở bảng ta nhận thấy với giá trị Cxtb = 0.08102 là hệ số cản thấp và chấp nhận được so với những giá trị Cx tham khảo ban đầu. Từ giá trị Cx trung bình ta tính được lực cản khơng khí Fω tác động lên thân xe thông qua công thức: Lực cản không khí: 1 2 . . . . 2, 44( ) 2 xx F C S V N Trong đó: 0, 081 x C 2 0, 25 S m (từ kết quả mô phỏng) 3 1, 225(kg m/ ) 125 9 x V (m/s)
Như vậy, với giá trị Cx và Fω tính được từ kết quả mơ phỏng cho thấy tính năng khí động học của mơ hình tốt, đáng tin cậy. Từ đó nhóm nghiên cứu quyết định chọn mơ hình trên để thi công chế tạo vỏ cho xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu.
Thi công vỏ xe
Chọn vật liệu làm vỏ
Để chọn vật được liệu làm vỏ ta cần dựa trên những yêu cầu mục tiêu đã đề ra trước đó như:
- Nhẹ là tiêu chí ưu tiên hàng đầu để giảm khối lượng của toàn bộ thân xe nhằm giảm cản lăn.
- Bền, vật liệu cần có độ bền nhất định chịu được những tác dụng lực trong quá trình hoạt động và trong những điều kiện khác nhau.
47 - Không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường và không gây ảnh hưởng đến sức