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 trịn 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 toán 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 công 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
3.2 Phương án thiết kế thân vỏ xe sinh thái Phương pháp chung 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 bôi 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 ô tô 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 ô tô tỷ lệ với hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và bình phương vận tốc ô tô. Theo công 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 còn 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 ô tô 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, ngoài 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 ơm sát vào khung để giúp cho vỏ được vững chắc khi đang di chuyển trên đường.
Thiết kế kĩ thuật phần vỏ xe Chọn thông số cơ bản
Trong quá trình thiết kế, các thơng 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 (Lđi).
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