3.3.3.1. Giả thiết về tải trọng và chế độ tĩnh
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 lái, ắc quy...
- Tải trọng động: Sinh ra khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng và tải trọng ngang khi 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 ô tô chuyển động trên đường mấp mô lớn gây xoắn khung. Ảnh hưởng 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 theo hai chế độ đặc trưng nhất là:
Chế độ 1: Ô tô chuyển động với tốc độ lớn trên đường và phanh gấp, khung
chịu tải trọng thẳng đứng và bị uốn.
Chế độ 2: Ô tô chuyển động trên đường và quay vòng gấp, khung chịu xoắn.
Đối với ô tô mô hình thì điều kiện làm việc tương đối nhẹ nhàng, tốc độ vừa phải. Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên ô tô theo phương thẳng đứng ít thay đổi và địa hình làm việc là bằng phẳng ít gồ ghề.
3.3.3.2. Khối lượng khung
Sau khi có được bản vẽ kết cấu khung ô tô và chọn vật liệu chế tạo, ta tính được khối lượng của khung ô tô như sau:
Khối lượng riêng của các loại thép đã chọn như sau
Hình 3.6: Khung ô tô mô hình thiết kế
Bảng 3.1: Bảng tính toán tổng khối lượng ô tô mô hình
TT Tên gọi Quy cách Vật
liệu Chiều dài (mm) Sl Đơn Vị Khối lượng (kg)
1 Thanh ngang 30x30x2,5 Thép CT3 860 8 Thanh 5,504
2 Thanh xiên 60x30x2,5 Thép CT3 290 2 Thanh 2,95
3 Thanh dọc 1 60x30x2,5 Thép CT3 1.571 2 Thanh 15,7 4 Thanh dọc 2 60x30x2,5 Thép CT3 940 2 Thanh 9,4 5 Các phụ kiện - - 25 6 Hệ thống lái - - 1 5 7 ắc qui - - 2 Cái 40 8 Mối hàn - - 0,5 9 Khung gá vỏ 16x16x1,2 Thép CT3 60.000 1 Bộ 60 10 Vỏ - Composite 1 Vỏ 80 11 Pin mặt trời - - 2 Tấm 20
12 Người ngồi 4 Người 260
13 Động cơ điện 1 Cái 20
14 Cầu xe 1 Cái 22
Tổng khối lượng ô tô 578
Như vậy, tổng khối lượng ô tô là: 578 (kg).
3.3.3.3. Ứng dụng phần mềm RDM tính toán khung ô tô 1) Vật liệu chế tạo và ứng suất cho phép
Khung dọc chính được chế tạo từ thép CT3 có quy cách □ 60× 30× 2,5 và giới hạn chảy là: ch = (26 ÷34) kG/mm2
Ứng suất uốn cho phép của vật liệu được xác định theo công thức:
Với n là hệ số an toàn: n = 1,5
2) Phân tích các tải trọng tác dụng lên khung sườn
Hình 3.7: Sơ đồ phân bố các nút trên khung ô tô trong RDM (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều kiện biên:
- Nút 3 và 17 là gối đỡ hệ thống treo trước nên xem hai nút này như hai khớp quay.
- Nút 8 và 22 là gối đỡ đầu cố định của nhíp lá (hệ thống treo sau) nên xem hai nút này như hai khớp quay.
- Nút 11 và 25 lag gối đỡ đầu di động của nhíp lá nên xem hai nút này như hai khớp trượt.
Phân bố tải trọng
Trọng lượng phần khung vỏ 80 kG, khối lượng pin năng lượng mặt trời 20 kG Trọng lượng tác dụng lên khung là 536kG (trừ động cơ và cầu sau 42 kg): Sẽ được phân bố đều ở 14 nút (1, 3, 6, 7, 8, 11, 12, 15, 17, 20, 21, 22, 25, 26) của các thanh đà ngang của phần sườn và lực phân bố tại các điểm nút này đều nhau.
Trọng lượng bình ắc quy: 40 kG ta giả sử 2 thanh đà ngang đỡ ắc quy tuyệt đối cứng, khi đó trọng lượng ắc quy sẽ được phân bố ở 4 điểm nút số (7, 9, 21, 23) trên 2 đà dọc chính với giá trị trọng lượng bằng nhau.
Trọng lượng cơ cấu truyền động lái: 5 kG ta qui trọng lượng tập trung tại 2 điểm nút số (2, 16).
Trọng lượng ghế ngồi khi có người 260 kG. Do khối lượng này được đỡ trên 2 thanh đà ngang. Giảsử 2 thanh đà ngang đủ bền, ta cóthể qui khối lượng này về 6 nút (3, 5, 6, 17, 19, 20) trên 2 thanh dọc chính có trọng lượng tác dụng ở mỗi điểm bằng nhau.
Động cơ được gá lắp trên cầu sau. - Chế độ phanh gấp
Khi phanh gấp, khung xương bị uốn do tác dụng của lực quán tính.
Khi phanh gấp ta bỏ qua khối lượng của khung giàn, khung chỉ chịu lực quán tính và được xác định như sau: Theo [1 Trang 275]
Pjk = mkv . jpmax= (Gkv /g). jpmax (kG) (3-1) Trong đó: jpmax - Gia tốc lớn nhất của ô tô khi phanh, theo [1 Trang 278]
jpmax = g.φ (3-2)
Với φ: Hệ số bám của lốp với đường, với loại đường nhựa tốt φ = (0,6 ÷ 0,75). Chọn φ = 0,7.
jpmax = 9,81×0,7 = 6,867 ( m/s2).
Gkv- là tổng khối lượng các phần tải trọng đặt lên khung: Gkv = 536 kG Do đó, ta có : Pjk = mkv× jpmax = (536/9,81)×6,867= 375,3 (kG) = 3753 (N) Sử dụng RDM để tính toán ta có các kết quả sau:
+ Biểu đồ phân bố lực:
Hình 3.8: Mô hình đặt lực trên khung xương ở chế độ phanh gấp
Hình 3.9: Biến dạng của khung xương khi ở chế độ phanh gấp
+ Biểu đồ lực dọc:
Hình 3.10: Biểu đồ lực dọc ở chế độ phanh gấp
Lực dọc lớn nhất tại điểm nút số 3 và 17 trên thanh dọc chính: Nmax =227,77 (N). + Biểu đồ lực cắt:
Hình 3.11: Biểu đồ lực cắt ở chế độ phanh gấp
Lực cắt lớn nhất trên thanh dầm ngang tại điểm nút số 6,7,20,21: TYmax = 283,26 (N).
+ Biểu đồ momen xoắn:
Hình 3.12: Biểu đồ mô men xoắn ở chế độ phanh gấp
Momen xoắn lớn nhất tại điểm nút số 3 và 17 trên thanh dọc chính: Mxmax = 35607,8 (N.mm).
+ Biểu đồ momen uốn:
Hình 3.13: Biểu đồ mô men uốn ở chế độ phanh gấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Momen uốn lớn nhất trên thanh dọc tại vị trí số 4 và 16: MFYmax = 0 (N.mm) MFZmax = 133599 (N.mm)
+ Biểu đồ ứng suất
Ứng suất lớn nhất trên thanh dọc và ở vị trí nút số 3 và 17: u = 21,36 (N/mm2) < [u] = 170,04 ÷ 222,36 (N/mm2)
Kết luận: Khung thiết kế đủ bền khi ô tô phanh gấp. Chế độ quay vòng
Khi quay vòng các cột đứng và thanh ngang khung trần chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm theo chiều ngang và chiều dọc và thành phần lực theo phương thẳng đứng:
- Lực quán tính li tâm theo chiều ngang và chiều dọc: theo [1 Trang 65] Plt = (mkv.V2)/R = (Gkv/g)V2/Rmin (3-3) Trong đó:
Rmin = 3141,5 (mm) (theo phần tính toán hệ thống lái) G - Gia tốc trọng trường.
Gkv- là tổng khối lượng các phần tải trọng đặt lên khung. V- Tốc độ giới hạn khi quay vòng, V = 9,72 (m/s). Thay các trị số vào biểu thức Plt ta có:
Plt = (536/9,81)×9,722/3,1415 = 1643,2 kG = 16432 N
+ Lực li tâm theo chiều ngang:
Pltng= Plt × cos = 31415× cos 320= 26641 (N) (3-4)
Vậy lực ly tâm phân bố theo chiều ngang ở 10 điểm nút như phần tính toán phanh gấp là: 26641 N
+ Lực li tâm theo chiều dọc:
Pltd = Plt ×sin = 31415×sin 320 = 16647 (N) (3-5)
Vậy lực ly tâm phân bố theo chiều dọc ở 10 điểm nút như phần tính toán phanh gấp là: 16647 N.
Hình 3.15: Mô tả lực ly tâm khi ô tô quay vòng
Sử dụng phần mềm RDM để tính toán khung xương ta có kết quả sau:
+ Biểu đồ đặt lực:
Hình 3.16: Mô hình đặt lực ở chế độ quay vòng
+ Biểu đồ biến dạng:
Hình 3.17: Biến dạng của khung xương ở chế độ quay vòng
+ Biểu đồ lực dọc:
Hình 3.18: Biểu đồ lực dọc ở chế độ quay vòng
+ Biểu đồ lực cắt:
Hình 3.19: Biểu đồ lực cắt ở chế độ quay vòng
Lực cắt lớn nhất trên thanh dầm ngang tại điểm nút số 8 và 22: TYmax = 585,13 (N); TZmax = 1589,17 N.
+ Biểu đồ mô men xoắn:
Hình 3.20: Biểu đồ mô mem xoắn ở chế độ quay vòng
Mô men xoắn lớn nhất tại điểm nút số 8 và 22 trên thanh dọc chính: Mxmax = 46,50111 (N.m).
+ Biểu đồ mô men uốn: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mômen uốn lớn ở nhất ở điểm nút số 3 và17: MFYmax = 284,93591 (N.m)
MFZmax= 134,393 93 (N.m)
+ Biểu đồ ứng suất:
Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất ở chế độ quay vòng
Ứng suất lớn nhất tại điểm nút số 3 và 17 nối với hệ thống treo: u = 103,46 (N/mm2) < [u] = (170,04 ÷ 222,36) N/mm2
Kết luận: Với vật liệu thép đã chọn khung đủ bền khi ô tô quay vòng ngặt. 3.3.3.4. Thiết kế kỹ thuật khung ô tô (xem bản vẽ số 2 phần phụ lục)