Phân tích hình dáng của khung - TÍNH TOÁN, THIẾT K- 123docz.net

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUNG GẦM VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1.3. Phân tích hình dáng của khung

Hình dáng của khung loại hai dầm dọc bố trí hai bên thường cần phải đáp ứng yêu cầu chính là: kích thước đầu trước của khung được thu hẹp để đảm bảo góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng.

Vì xe Gocar điện có kết cấu hệ thống chịu lực tương đối đơn giản nên cũng thuận tiện cho việc lựa chọn và gia công các thanh dầm. Hai thanh dầm dọc của xe được bố trí song song và được nối bởi các thanh dầm ngang tạo thành dạng bậc thang.

- Chiều rộng và cao của các thanh dầm thay đổi theo chiều dài của khung.

- Việc thay đổi chiều dài nhằm giúp xe quay vòng dễ dàng (đảm bảo động học quay vòng).

Hình 3.1. Các kích thước cơ bản của khung xe

 Đối với các thanh dầm dọc:

Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm là hình chữ nhật quy cách 40x20 (mm), có chiều dày 2 (mm).

- Số lượng: 02 (thanh) - Chiều dài mỗi thanh : 2,1 (m)

- Khối lượng của 01 (m) dầm: 1,8 (kg)

- Khoảng cách hai dầm dọc là song song, ở giữa dầm được nới rộng đều sang hai để tạo không gian cho người ngồi. Phần đầu khung xe vẫn giữ biên dạng như ban đầu để phù hợp với hệ thống lái.

- Chiều cao của thanh dầm dọc cũng thay đổi phù hợp để lắp các bộ phận: cáp phanh, dây dẫn điện, sàn xe.

- Phần giữa của hai thanh dầm chính được bổ sung thêm 2 thanh dọc phụ để có thể tăng khả năng chịu uốn của khung.

 Đối với các thanh dầm ngang:

Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm ngang vật liệu thép mạ kẽm có biên dạng hình chữ nhật với quy cách 40x20 (mm), chiều dày 2 (mm).

- Số lượng: 09 (thanh)

- Khối lượng của 01 (m) dầm: 1.8 (kg)

- Chiều dài và khoảng cách giữa các thanh dầm ngang được bố trí phụ thuộc vào sự lắp đặt các chi tiết sao cho phù hợp.

- Các thanh dầm được nối với nhau bằng các mối hàn, để tăng thêm độ cứng vững thì ta dùng các tấm gia cường có dạnh hình chữ V hoặc L ở các vùng tập trung tải trọng hay ứng suất.

Hình 3.2. Hình dạng khung sườn 3D của xe Gocar

 Chọn vật liệu chế tạo các thanh dầm

Vật liệu dùng để chế tạo các thanh dầm là thép hộp hợp kim hay thép cácbon thấp hoặc trung bình.

Đặc điểm của các loại thép này là:

- Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao.

- Ít nhạy cảm với tập trung ứng suất.

- Có tính dập nguội và có tính hàn tốt.

Để đơn giản cho quá trình tính toán, cũng như kiểm tra bền ta chọn các vật liệu có sẵn trên thị trường với thông số kỹ thuật thép được catalog do nhà sản xuất cung cấp cụ thể như sau:

- Sử dụng thông số cơ tính của thép CT3 để định vật liệu.

- Sử dụng các loại thép hộp có trên thị trường, các loại thép sử dụng trong lĩnh vực xây dựng để định hình dạng các thanh dầm.

3.1.4. Kiểm tra bền khung xe

 Các giả thiết tính toán

Khung xe ô tô là một hệ kết cấu siêu tĩnh. Để đơn giản trong tính toán, ta có chỉ đề cập đến các vấn đề sau:

- Bỏ qua momen xoắn tác động lên khung do các cụm đặt xa dầm dọc gây ra.

- Trọng lượng khung coi như phân bố đều trên khung sườn xe.

- Vị trí trọng tâm và điểm đặt lực được tính theo một điểm nào đó.

- Khung được được liên kết ngàm thông qua hai cầu xe.

 Vật liệu chế tạo và ứng suất cho phép

Khung xe được chế tạo từ thép hộp mạ kẽm có biên dạng hình chữ nhật quy cách 40x20 (mm) và chiều dày 2 (mm) và giới hạn chảy là σch = 34 (kG/mm2).

Ứng suất uốn cho phép của vật liệu được xác định theo [6, tr.104] như sau:

[σ] = σch

n (3.1) = 34

1,5 = 22,67 (kG/mm2) = 222,36 (N/mm2) Trong đó: n là hệ số an toàn với n = 1.5

Bảng 3.1. Tọa độ các điểm của khung xe trong RDM

Điểm số Tọa độ các điểm trong không gian

X Y Z

1 0 0 0

2 500 0 0

3 500 -130 0

4 650 0 0

5 916.6 0 0

6 1183.3 0 0

7 1450 0 0

8 1450 -200 0

9 1800 0 0

10 1800 -180 300

11 1800 -200 300

12 2100 0 0

13 0 440 0

14 500 440 0

15 500 570 0

16 650 440 0

17 916.6 440 0

18 1183.3 440 0

19 1450 440 0

20 1450 640 0

21 1800 440 0

22 1800 620 300

23 1800 640 300

24 2100 440 0

Sau khi nhập các điểm xong, ta có các thanh dầm như sau:

Hình 3.3. Thứ tự các điểm nút của khung sườn trong RDM

 Phân tích các tải trọng tác dụng lên khung xe Tải trọng tác dụng lên khung có thể chia ra :

- Tải trọng tĩnh: do trọng lượng các cụm bắt lên khung của động cơ như người hệ thống lái, ắc quy, động cơ.

- Tải trọng động: chủ yếu là tải trọng thẳng đứng, sinh ra khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng và tải trọng ngang khi xe tăng tốc hoặc quay vòng.

Các tải trọng thẳng đứng phân bố đối xứng với các dầm dọc sẽ gây uốn khung.

Các tải trọng phân bố không đối xứng xuất hiện khi ôtô chuyển động trên đường mấp mô lớn (khi các bánh xe đi qua các chướng ngại vật hay các ụ mấp mô) sẽ gây xoắn khung.

Ảnh hưởng của các tải trọng ngang tác dụng lên khung nói chung nhỏ, có thể bỏ qua.

Với các đặc điểm chịu tải như vậy nên khung được tiến hành tính toán chế độ đặc trưng nhất là :

- Chế độ 1: Xe chuyển động với tốc độ lớn trên đường mấp mô nhỏ, khung chịu tải trọng thẳng đứng và bị uốn.

- Chế độ 2: Xe chuyển động trên đường mấp mô lớn với một bánh gặp mấp mô hay bị treo lên. Trong trường hợp này khung chịu xoắn.

Đối với mô hình xe Gocar chạy điện thì điều kiện làm việc tương đối nhẹ nhàng, tốc độ vừa phải. Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên xe theo phương thẳng đứng ít thay đổi và địa hình làm việc là bằng phẳng ít gồ ghề. Do vậy, để tính bền cho khung ta chỉ tính khung theo chế độ 1 và tính bền khung theo uốn trong trường hợp xe phanh gấp và quay vòng.

 Các tải trọng tác dụng lên khung sườn

- Trọng lượng phần khung vỏ 50 kg, sẽ được phân bổ ở 20 nút 1, 2, 4 , 5, 6 , 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 21, 22, 24 của các thanh đà ngang của phần sườn và lực phân bố tại các nút này đều nhau.

- Trọng lượng ắc quy 15 kg ta giả sử 2 thanh đà ngang đỡ ắc quy tuyệt đối cứng khi đó trọng lượng ắc quy sẽ phân bố ở 4 điểm nút 7, 9, 19, 21 trên 2 thanh đà dọc chính với giá trị và trọng lượng bằng nhau.

- Trọng lượng cơ cấu truyền động lái 4 kg ta quy trọng lượng tập trung tại 2 điểm nút số 2 và số 14.

- Trọng lượng ghế ngồi khi có người ngồi là 80 kg, khối lượng này được đỡ trên 3 thanh đà ngang. Ta quy khối lượng này về 6 nút cụ thể như sau: trọng lượng đặt chân người ngồi 20 kg lên nút 2, 14. Trọng lượng còn lại 60 kg chia đều trên 4 nút 6, 7, 18, 19 trên hai thanh ngang nơi đặt ghế người ngồi với mỗi nút có giá trị tải trọng như nhau.

 Trường hợp phanh gấp

Khi phanh gấp khung xương bị uốn do tác dụng của lực quán tính và được xác định như sau:

Pj = m.jpmax (3.2) Trong đó: jpmax là gia tốc lớn nhất của ô tô khi phanh.

Jpmax = g.φ (3.3)

= 10.0,6 = 6 (m/s2)

Với: - φ là hệ số bám trên đường nhựa ướt, chọn φ= 0,6 - m là tổng trọng lượng đặt trên khung, m = 150 (kg)

Do đó ta có Pj = m.jpmax = 150.6 = 900 (N)

Ta có thể chia phần lực quán tính này tại 20 điểm là 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24 trên khung sườn đều nhau và bằng 90 N.

Sử dụng phần mềm RDM để tính toán ta có kết quả sau:

- Biểu đồ phân bố lực:

Hình 3.4. Hình hiển thị biểu đồ phân bố lực lên khung khi xe phanh gấp

- Biểu đồ biến dạng của khung xe:

Hình 3.5. Biến Dạng khung khi xe phanh gấp

- Biểu đồ lực dọc:

Hình 3.6. Biểu đồ lực dọc tác động lên khung khi xe phanh gấp

Lực dọc lớn nhất tại điểm nút 9 và 19, điểm hàn thanh đỡ gá bộ phận đàn hồi giảm chấn của xe.

- Biểu đồ lực cắt:

Hình 3.7. Biểu đồ lực cắt tác động lên khung khi xe phanh gấp

Lực cắt lớn nhất trên thanh dầm ngang tại tại điểm nút số 11 và 23.

- Biểu đồ momen xoắn:

Hình 3.8. Biểu đồ momen xoắn của khung khi xe phanh gấp

Momen xoắn lớn nhất tại điểm nút số 3 và 15 trên thanh ngang lắp bánh xe.

- Biểu đồ momen uốn:

Hình 3.9. Biểu đồ momen uốn của khung khi xe phanh gấp

Momen uốn lớn nhất trên thanh ngang tại vị trí 7, 19. Nơi chịu tải trọng của người ngồi và tải trọng ắc quy.

- Biểu đồ ứng suất:

Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất của khung khi xe phanh gấp

Ứng suất lớn nhất trên thanh ngang ở vị trí nút số 3 và 15 có giá trị:

Ϭu = 15,65 (N/mm2) < [Ϭu] = 222,36 (N/mm2)

 Trường hợp xe quay vòng

Khi quay vòng các cột đứng và thanh ngang khung trần chị tác dụng của lực quán tính ly tâm theo chiều ngang và chiều dọc và thành phần lực theo phương thẳng đứng.

Lực li tâm quán tính theo chiều ngang và chiều dọc:

Plt = G

g ∙vn2

R (3.4) R là bán kính quay vòng nhỏ nhất của xe.

R = b 2 + L

tagα = 0.66

2 + 1,3

tag40° = 1,87 (m) (3.5)

Trong đó: - α = 40°, là góc quay vòng lớn nhất - b là khoảng cách 2 tâm trụ đứng - L là chiều dài cơ sở

vn là tốc tộ giới hạn khi quay vòng, vn = 30 (km/h) = 8,3 (m/s) Thay các giá trị vào công thức ta có:

Plt = 1500

10 ∙ 8,32

1,87 = 5526 (N)

Lực li tâm theo chiều dọc:

Pltd = Plt.sinα = 5526.sin40° = 3552 (N) (3.6) Vậy lực li tâm theo chiều dọc phân bố đều ở 20 điểm nút 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13. 14. 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24 với giá trị như nhau là 177,6 (N).

Lực li tâm theo chiều ngang:

Pltng = Plt.cosα = 5226.cos40° = 4233 (N) (3.7) Vậy lực li tâm theo chiều dọc phân bố đều ở 20 điểm nút 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13. 14. 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24 với giá trị như nhau là 211,6 (N).

Sử dụng phần mềm RDM để tính toán khung xương ta có kết quả sau:

- Biểu đồ đặt lực:

Hình 3.11. Biểu đồ đặt lực lên khung xe ở chế độ quay vòng - Biến dạng của khung xương khi đặt lực:

Hình 3.12. Biến Dạng khung khi xe quay vòng

- Biểu đồ lực dọc:

Hình 3.13. Biểu đồ lực dọc tác động lên khung khi xe quay vòng

Lực dọc lớn nhất tại điểm nút 4 và 16 trên thanh ngang nơi bắt đầu nới rộng sàn xe tạo không gian cho người ngồi.

- Biểu đồ lực cắt:

Hình 3.14. Biểu đồ lực cắt tác động lên khung khi xe quay vòng

Lực cắt lớn nhất trên thanh dầm ngang liên kết trục với hai bánh dẫn hướng tại điểm nút số 2, 14.

- Biểu đồ momen xoắn:

Hình 3.15. Biểu đồ momen xoắn của khung khi xe quay vòng

Momen xoắn lớn nhất trên thanh dầm ngang đỡ hai đầu phuộc đàn hồi giảm chấn của xe tại điểm nút số 11 và 23.

- Biểu đồ momen uốn:

Hình 3.16. Biểu đồ momen uốn của khung khi xe quay vòng

Momen uốn lớn nhất trên thanh dầm ngang lắp hai trụ tâm xoay gá bánh xe tại vị trí 3 và 15.

- Biểu đồ ứng suất:

Hình 3.17 Biểu đồ ứng suất của khung khi xe phanh gấp

Ứng suất lớn nhất trên thanh dầm ngang và ở vị trí nút số 3 và 15 có giá trị như sau:

Ϭu = 57,47 (N/mm2) < [Ϭu] = 222,36 (N/mm2)

Kết luận: Vậy khung sườn hoàn toàn đủ bền khi phanh gấp hoặc quay vòng.

3.1.5. Chế tạo khung xe

Bước 1: Chuẩn bị vật tư và các dụng cụ, phương tiện trang thiết bị phụ trợ cầm tay.

Hình 3.18. Các dụng cụ, thiết bị phụ trợ cầm tay

Bước 2: Sử dụng các dụng cụ đo để đo đạc theo theo kích thước bản vẽ thiết kế, sau đó đánh dấu cẩn thận.

Hình 3.19. Đo và đánh dấu chuẩn kích thước trên kim loại

Bước 3: Gá đặt chi tiết lên êtô, sử dụng máy cắt cầm tay để cắt chi tiết theo dấu vạch chuẩn.

Hình 3.20. Cắt kim loại