Thiết kế khung và vỏ xe 03 bánh tiết kiệm nhiên liệu đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN

Giới thiệu đề tài

Trong những thập kỷ gần đây, thế giới đối mặt với nhiều vấn đề nghiêm trọng, trong đó hiện tượng ấm lên toàn cầu do hiệu ứng nhà kính và khủng hoảng năng lượng là hai vấn đề nổi bật nhất Các nhà khoa học và chính phủ các quốc gia đang tích cực tìm kiếm giải pháp cho những thách thức này Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng 54% trong khoảng thời gian từ năm 2001 đến 2025, đạt khoảng 404 triệu tỷ Btu.

623 triệu tỷ Btu vào năm 2025)

Hình 1.1 : Mức tiêu thụ năng lượng từ năm 1970 đến 2025 (triệu tỷ Btu) [1]

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, nhu cầu sử dụng năng lượng là rất lớn Đặc biệt là Mỹ và Trung Quốc

Hình 1.2: tiêu thụ năng lượng cho ngành giao thông vận tải ở Mỹ, Canada, Mexico từ năm

Hình 1.3: Tiêu thụ năng lượng cho ngành Giao thông vận tải ở Trung quốc và một số nước

Sự gia tăng nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, với 90% nhiên liệu đến năm 2010, đã dẫn đến việc gia tăng lượng khí CO2 từ khai thác và sử dụng năng lượng hóa thạch Điều này không chỉ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường mà còn góp phần vào biến đổi khí hậu.

Hình 1.4: Lượng khí CO2 thải ra môi trường từ việc đôt nhiên liệu hóa thạch trên thế giới từ năm 1970 đên 2025 ( triệu tấn ) [1]

Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hóa thạch là rất quan trọng bên cạnh việc phát triển các nguồn năng lượng sạch như mặt trời, gió và nước Để nâng cao ý thức tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường, đặc biệt là trong thế hệ trẻ, nhiều công ty đã tổ chức các cuộc thi chế tạo xe tiết kiệm năng lượng Tại Việt Nam, cuộc thi “Lái xe sinh thái - Tiết kiệm nhiên liệu Honda” do công ty Honda tổ chức là một ví dụ điển hình.

Khuynh hướng tiết kiệm nhiên liệu cho ôtô và môtô hiện nay tập trung vào cải tiến động cơ, giảm khối lượng thân xe, giảm lực cản không khí và giảm ma sát Tham gia cuộc thi “Lái xe sinh thái - Tiết kiệm nhiên liệu Honda”, các đội thi đã áp dụng những xu hướng này để tối ưu hóa hiệu suất, bao gồm cải tiến động cơ, nâng cao hiệu quả truyền lực, giảm ma sát ở ổ đỡ bánh xe, và thiết kế khung, vỏ xe với khối lượng nhẹ nhất và lực cản không khí thấp nhất.

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khung và vỏ xe cho cuộc thi Lái xe sinh thái – tiết kiệm nhiên liệu Honda EMC 2021

Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu và thiết kế khung, vỏ xe cho cuộc thi Lái xe sinh thái – tiết kiệm nhiên liệu Honda EMC 2021 sử dụng động cơ xăng 110cc, tập trung vào việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải ô nhiễm môi trường.

Cuộc thi Lái xe sinh thái – tiết kiệm nhiên liệu Honda EMC 2021 đặt ra các yêu cầu về động lực học, kết cấu và điều kiện làm việc của xe Nhóm thiết kế phải chế tạo khung và vỏ xe đáp ứng các tiêu chí của cuộc thi, đảm bảo kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, nhẹ, cứng vững và an toàn.

Cách tiếp cận

Dựa trên yêu cầu về điều kiện làm việc của xe từ ban tổ chức, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chiến thuật thi đấu hợp lý Phân tích chiến thuật này cho thấy nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu hao nhiên liệu, đồng thời cần chú ý đến các yếu tố liên quan đến cấu trúc và hình dạng của khung vỏ xe Từ những yếu tố này, chúng ta có thể đưa ra những quyết định tối ưu cho hiệu suất thi đấu.

 Yêu cầu thiết kế khung và vỏ xe Đưa ra và chọn phương án thiết kế phù hợp nhất với yêu cầu thiết kế

Xây dựng biên dạng khung xe và vỏ xe dựa trên thiết kế và bố trí hệ thống trên xe, sử dụng phần mềm Solidworks và Ansys để mô hình hóa, mô phỏng và kiểm nghiệm độ bền khung xe cùng đặc tính khí động học của vỏ xe Quá trình này giúp điều chỉnh và tối ưu hóa thiết kế hiệu quả hơn.

Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả

ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU THIẾT KẾ

Điều kiện làm việc

Xe chạy trên sân thi đấu có tổng chiều dài ~9,5 km trong thời gian tối thiểu ~22 phút 24 giây

Hình 2.1 : Sơ đồ đường đua [2]

Tốc độ chạy: Tốc độ trung bình tối thiểu là 25 km/h Tốc độ xe không quá 30 km/h tại những khúc cua

Thi đấu trên đường trải nhựa không có chướng ngại vật, không có dốc.

Chiến thuật thi đấu

Theo quy định của cuộc thi, tốc độ trung bình tối thiểu yêu cầu là 25 km/h Để tiết kiệm nhiên liệu, chúng ta sẽ không để động cơ hoạt động liên tục trong suốt thời gian thi đấu nhằm giảm thiểu mức tiêu hao năng lượng Dựa trên kinh nghiệm từ các đội thi trước, chúng ta sẽ áp dụng chiến thuật hợp lý để tối ưu hóa lượng nhiên liệu tiêu thụ.

Chiến thuật đua xe hiệu quả là tăng tốc lên 35km/h, sau đó tắt động cơ và để xe trớn cho đến khi tốc độ giảm xuống 15km/h Sau đó, khởi động lại động cơ và lặp lại quy trình này cho đến khi hoàn thành 8 vòng đua, đồng thời hạn chế tối đa việc sử dụng phanh.

Yêu cầu thiết kế

2.3.1 Yêu cầu về kích thước

Xe thi đấu cần tuân thủ kích thước quy định trong giới hạn cho phép của ban tổ chức Tham khảo Bảng 2.1 để biết kích thước yêu cầu cụ thể.

Khoảng cách trục trước và trục sau >= 1

Khoảng cách giữa 2 bánh xe >= 0.5

Kích thước nhỏ gọn nhưng phải phù hợp bố trí các hệ thống trên xe:

2.3.2 Yêu cầu theo điều kiện làm việc

Trong quá trình hoạt động, xe cần hoạt động hiệu quả ở nhiều chế độ khác nhau, do đó khung xe phải đảm bảo độ bền để duy trì sự ổn định Dựa vào các điều kiện làm việc, chúng ta xác định yêu cầu về độ bền cho khung xe.

+ Đảm bảo độ bền khi xe ở trạng thái tỉnh

+ Đảm bảo độ bền khi xe đạt tốc độ là 35km/h

+ Đảm độ bền khi xe quay vòng

+ Đảm độ bền khi xe phanh

+ Đảm bảo tầm nhìn cho người lái

+ Khả năng thoát của người lái khi gặp sự cố

+ Thiết kế khung xe dễ gia công và sửa chữa

+ Đảm bảo phù hợp với công nghệ chế tạo

+ Giá thành trong mức cho phép

+ Khối lượng nhỏ nhất có thể để giảm lực cản lăn làm tiêu hao nhiên liệu

+ Vỏ xe đảm bảo phù hợp, lắp ráp được vào khung xe và tháo lắp dễ dàng

+ Có khối lượng nhẹ với công nghệ chế tạo phù hợp

Để đạt được hệ số cản gió thấp nhất, việc thiết kế xe với hình dáng khí động học tối ưu là rất quan trọng Mặc dù tốc độ cao nhất đạt 35km/h không ảnh hưởng nhiều đến hệ số cản gió, nhưng nó vẫn góp phần làm cho xe tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn.

+ Khả năng định hình và tính thẩm mỹ

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết thiết kế khung xe và vỏ xe

Trong quá trình vận hành, tiêu hao nhiên liệu của xe phụ thuộc vào nhiều yếu tô như: + Hoạt động của động cơ

Trong thiết kế khung và vỏ xe, hai yếu tố quan trọng cần xem xét là lực cản lăn và lực cản không khí Để tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu hao trong quá trình vận hành, việc giảm thiểu cả lực cản lăn và lực cản không khí là điều cần thiết.

Khi bánh xe di chuyển trên mặt đường, lực cản lăn sẽ xuất hiện tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, tác động song song với mặt đường và ngược chiều chuyển động.

Lực cản lăn xuất hiện do biến dạng của lốp khi tiếp xúc với mặt đường, sự hình thành vết bánh xe trên bề mặt đường, và ma sát giữa lốp và mặt đường.

Lực cản lăn được xác định theo công thức:

Để giảm lực cản lăn của xe, công thức Ff = mgf cho thấy rằng lực cản lăn Ff phụ thuộc vào khối lượng xe m, gia tốc trọng trường g và hệ số cản lăn f Trong nghiên cứu này, chúng ta chỉ tập trung vào việc giảm khối lượng xe m, vì việc giảm khối lượng sẽ giúp giảm lực cản lăn hiệu quả.

Khối lượng của xe bao gồm những khối lượng chính sau:

Để giảm khối lượng xe, cần tối ưu hóa khung và vỏ xe mà vẫn đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động Thiết kế khung và vỏ xe phải đạt được khối lượng nhỏ nhất có thể mà không ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của xe.

Khối lượng khung xe chịu ảnh hưởng lớn từ việc lựa chọn vật liệu và cách bố trí các hệ thống Do đó, việc chọn vật liệu phù hợp và bố trí hệ thống một cách hợp lý sẽ giúp giảm đáng kể khối lượng của khung xe.

Lực khí động được hình thành từ sự chênh lệch áp suất giữa các dòng chuyển động phía trước và phía sau của vật thể Sự khác biệt này có thể do chênh lệch vận tốc hoặc do lực tác động trực tiếp của dòng khí.

Lực tác động lên ô tô phụ thuộc vào hướng gió và phương hướng di chuyển Nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy hình dáng của chim cánh cụt khi di chuyển trong nước là tối ưu nhất, giúp giảm hệ số cản khí động.

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động học tác động lên ô tô, người ta tách thành 3 thành phần chính:

Lực cản (Drag force) là thành phần lực song song với bề mặt đường mà xe di chuyển, chủ yếu là lực cản không khí Đây được xem là yếu tố chính của lực khí động, vì khi xe chuyển động theo phương này, vận tốc tương đối giữa dòng khí và xe đạt mức tối đa.

Lực nâng là hiện tượng xảy ra khi xe di chuyển, theo lý thuyết khí động học, luồng không khí phía trên mui xe có quãng đường di chuyển dài hơn so với luồng không khí phía dưới gầm xe Sự khác biệt về vận tốc giữa không khí phía trước và phía sau xe dẫn đến chênh lệch áp suất theo nguyên lý Bernoulli, tạo ra lực nâng vuông góc với bề mặt đường Lực này làm xe nâng lên, dẫn đến giảm sức bám của lốp với mặt đường.

+ Lực hông (Side force): sinh ra do dòng khí tác dụng vào bên hông thân xe, thường có lực nhỏ nhất

Qua những nghiên cứu cũng như rất nhiều thực nghiệm trước đây người ta nhận thấy rằng lực cản gió được xác định với công thức sau:

𝑣 0 - Vận tốc tương đối giữa xe và gió

𝐶 𝑑 - Hệ số cản không khí

𝐴 - Tiết diện cản gió tối đa của xe

Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản của không khí bao gồm tiết diện cản gió của xe (𝐴), hệ số cản không khí (𝐶𝑑) và vận tốc tương đối (𝑣) Trong đó, tiết diện cản gió và hệ số cản không khí là những yếu tố quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế của vỏ xe Để giảm lực cản của không khí (𝐹𝜔), cần tập trung vào việc giảm cả tiết diện cản gió (𝐴) và hệ số cản không khí (𝐶𝑑).

Hệ số cản khí động của ô tô phụ thuộc vào hình dáng khí động học, độ bóng bề mặt và các góc cạnh Việc tính toán lực cản không khí cho xe là một thách thức lớn, do thân xe được cấu thành từ nhiều hình dạng khác nhau với các hệ số cản không khí riêng biệt.

Từ các mô phỏng các tính toán nghiên cứu người ta ghi nhận hệ số cản của một số hình dạng vật thể như sau:

Hình 3.2: hệ số cản của một số vật thể [4].

Lý thuyết tính toán độ bền khung xe

3.2.1 Các lực tác dụng lên xe

Dựa theo điều kiện làm việc ta có bốn trường hợp sau:

+ Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Mặc dù chiến thuật thi đấu không yêu cầu sử dụng phanh, chúng ta vẫn cần kiểm tra độ bền của nó để chuẩn bị cho các tình huống khẩn cấp có thể xảy ra.

3.2.1.1 Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Khi xe đứng yên trên mặt đường phẳng, có ba lực chính tác động lên xe, bao gồm trọng lượng tổng thể G = mg và các phản lực pháp tuyến Fz1, Fz2 tác dụng lên các bánh xe của cầu trước và cầu sau trong trạng thái tĩnh.

Hình 3.3: Các lực tác dụng lên xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng[3]

Phương trình cân bằng lực và lấy mômen tại O2 :

G - Trọng lượng toàn bộ xe

𝑍 1 , 𝑍 2 - Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau

13 a - Khoảng các từ cầu trước đến trọng tâm C của xe b - Khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm C của xe h - tọa độ trọng tâm xe theo chiều cao

L - Khoảng cách từ cầu trước đến cầu sau

3.2.1.2 Khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng

Khi xe tăng tốc, lực quán tính 𝐹 𝑗 xuất hiện ngược chiều với chuyển động của xe Mục tiêu của bài toán này là tính toán độ bền khung xe, trong đó lực cản không khí 𝐹 𝜔 không có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền khung, vì vậy lực này sẽ được bỏ qua.

Hình 3.4: Các lực tác dụng lên xe khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng [3]

Phương trình cân bằng lực và lấy momem ở O2 ta có:

𝐹 𝑓1 , 𝐹 𝑓2 - Lực cản lăn ở cầu trước và cầu sau

𝑀 𝑓1 , 𝑀 𝑓2 - Momen cản lăn ở cầu trước và cầu sau

𝐹 𝑗 - Lực quán tính khi tăng tốc

3.2.1.3 Khi xe phanh trên đường bằng phẳng

Khi phanh thì lực cản không khí 𝐹 𝜔 và lực cản lăn 𝐹 𝑓1 , 𝐹 𝑓2 không đáng kể, có thể bỏ qua

Vì phanh chỉ được bố trí ở bánh sau nên ta có sơ đồ lực dưới đây:

Hình 3.5: Các lực tác dụng lên xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng [3]

Phương trình cân bằng lực và lấy momen tại O2 ta có:

𝐹 𝑗𝑝 - Lực quán tính khi phanh

3.2.1.4 Khi xe quay vòng trên đường bằng phẳng

Khi ô tô quay vòng sẽ suất hiện lực quán tính ly tâm và phản lực tiếp tuyến Hai lực này ngược chiều nhau

Hình 3.6: Các lực tác dụng lên xe khi xe quay vòng trên đường bằng phẳng

Phương trình cân bằng lực và lấy momen tại điểm A ta có:

𝑍 1 ′ , 𝑍 1 ′′ - phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước

𝑍 2 - phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe ở cầu sau

𝑌 1 ′ , 𝑌 1 ′′ - Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước

𝑌 2 - Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe ở cầu sau

𝐹 𝑗𝑦 - Lực quán tính ly tâm

𝑐 - Khoảng cách tâm của hai bánh xe cầu trước

3.2.2 Phần mềm tính toán độ bền khung xe

SolidWorks Simulation là một công cụ phân tích thiết kế tích hợp trong SolidWorks, cung cấp giải pháp toàn diện cho các loại phân tích như ứng suất, tần số, mất ổn định, nhiệt và tối ưu thiết kế Hệ thống này cho phép người dùng nhanh chóng giải quyết các vấn đề phức tạp nhờ vào khả năng tính toán mạnh mẽ và linh hoạt.

Nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp tĩnh học trong Solidworks Simulation để tính toán chuyển vị, biến dạng và ứng suất trên khung xe, từ đó tối ưu hóa khả năng bền vững của khung.

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

4.1.1 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung xe

4.1.1.1 Phương án chọn số bánh xe

Theo quy định của ban tổ chức thì xe thi đấu phải có từ 3 bánh trở lên, nhóm nghiên cứu đưa ra hai phương án trên:

Bảng 4.1:So sánh phương án số bánh xe

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

4 bánh, 2 bánh trước và 2 bánh sau

Không gian rộng cho người lái, dễ lắp đặt các hệ thống, ổn định khi quay vòng

Cần có vi sai, khối lượng lớn hơn, cần kỹ thuật cao

3 bánh, 2 bánh trước và 1 bánh sau

Khối lượng nhẹ hơn, ít cản lăn hơn,

Khó điều khiển khi quay vòng

4.1.1.2 Phương án chọn kích cỡ bánh xe Ở đây ta sử dụng bánh xe đạp để giảm diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

Bảng 4.2: So sánh phương án kích cỡ bánh xe

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Bánh lớn Dễ dàng tìm kiếm Tăng trọng tâm của xe, khó lắp đặt, cần không gian lớn

Bánh nhỏ Giảm trọng tâm của xe, dễ lắp đặt, cần không gian nhỏ

Khó tìm kiếm kích thước phù hợp

➢ Dựa trên mục đích chính là gọn nhẹ và đơn giản, chúng ta chọn phương án:

+ 3 bánh, 2 bánh trước và một bánh sau

4.1.1.3 Phương án đặt động cơ

Theo nghiên cứu và tham khảo các nhóm đi trước, nhóm nghiên cứu đưa ra hai phương án đặt động cơ lên khung xe như sau:

Bảng 4.3: So sánh phương án đặt động cơ

Động cơ đặt đứng có ưu điểm là khối lượng nhỏ và dễ lắp đặt, nhưng nhược điểm là cần phải thay đổi cấu trúc, bao gồm việc cắt bỏ phần hộp số của động cơ Ngược lại, động cơ nằm ngang không yêu cầu thay đổi cấu trúc động cơ, mang lại sự thuận tiện hơn trong quá trình lắp đặt.

Tốn nhiều không gian, khối lượng cao

➢ Để đảm bảo xe nhỏ nhất có thể, nhóm nghiên cứu chọn phương án động cơ đặt đứng

4.1.1.4 Phương án kết cấu khung xe

Dựa vào khả năng thi công, nhóm nghiên cứu đưa ra hai phương án kết cấu khung xe như sau:

Bảng 4.4: So sánh phương án kết cấu khung xe

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Khung hình thang Nhẹ, dễ thi công Độ cứng xoắn thấp, khó gá lắp vỏ xe vào khung xe

Khung không gian Cấu trúc chắc chắn, dễ gá lắp vỏ xe vào khung xe

Để đảm bảo xe hoạt động ổn định ở nhiều chế độ khác nhau và thuận tiện cho việc lắp ráp vỏ xe vào khung, chúng ta lựa chọn phương án khung không gian.

4.1.1.5 Phương án vật liệu khung xe

Theo nghiên cứu và kinh nghiệm từ các nhóm đi trước thì có hai loại vật liệu thích hợp nhất như sau:

Bảng 4.5: So sánh tính chất cơ học của inox 304 và thép SS400[5]

Vật liệu Giới hạn bền kéo (Mpa)

Giới hạn bền chảy (Mpa)

Dựa vào phân tích, khối lượng thép SS400 có độ bền cao hơn và khối lượng riêng nhẹ hơn inox, vì vậy nhóm quyết định chọn thép SS400 cho khung xe Mặc dù tiết diện hình tròn có khả năng chịu uốn và xoắn tốt hơn, nhưng việc gia công ở các điểm nối sẽ khó khăn và giảm độ chính xác của khung xe Do đó, để đảm bảo khung xe đạt độ chính xác tối ưu, nhóm đã chọn tiết diện hình chữ nhật cho vật liệu.

4.1.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế vỏ xe

4.1.2.1 Phương án kiểu vỏ xe

Theo nghiên cứu và kinh nghiệm từ các nhóm đi trước, có 2 loại kiểu vỏ xe thường gặp như sau:

Bảng 4.6: So sánh phương án kiểu vỏ xe

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Vỏ xe bao kín hoàn toàn Tính khí động học tốt hơn, tính thẩm mỹ cao

Công tác chế tạo đòi hỏi công nghệ cao, khó liên kết với khung xe,chi phí chế tạo lớn

Vỏ xe bao kín một phần Gia công đơn giản, dễ liên kết với khung xe, chi phí chế tạo tương đối nhỏ

Tính khí động học không tối ưu

➢ Yêu cầu thiết kế là dễ dang chế tạo, và dễ dàng gắn lên khung xe nên ta chọn phương án vỏ xe bao kín một phần

4.1.2.2 Phương án biên dạng vỏ xe

Hình giọt nước có hệ số cản thấp nhất, do đó, biên dạng vỏ xe giống hình giọt nước được coi là tối ưu nhất.

4.1.2.3 Phương án vật liệu vỏ xe

Bảng 4.7: So sánh phương án vật liệu vỏ xe

Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm

Composite gia cường sợi thủy tinh

Nhẹ, chắc chắn và dễ tạo hình, nhưng việc tạo khuôn chính xác với biên dạng mong muốn là cần thiết Tuy nhiên, giá thành cao và quy trình thi công gồm nhiều công đoạn kéo dài có thể gây ra độc hại.

Composite gia cường sợi carbon

Rất nhẹ, chắc chắn, dễ tạo hình

Phải tạo khuôn chính xác với biên dạng cần tạo hình Giá thành rất cao Nhiều công đoạn và thời gian lâu và độc hại khi thi công

Với yêu cầu thiết kế, vỏ xe cần nhẹ nhưng vẫn đảm bảo khả năng gia công và chi phí chế tạo hợp lý, chúng ta đã lựa chọn vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh cho vỏ xe.

4.1.2.4 Phương vật liệu kính chắn gió

Trên thị trường có hai loại nhựa trong suốt như sau:

Bảng 4.8: So sánh phương án vật liệu kính chắn gió

Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm

Nhựa PET Rất nhẹ, chi phí thấp, có độ trong suốt cao dễ quan sát

Khó tạo hình với các hình dạng 3D

Nhựa Mica Nhẹ, chi phí thấp, có độ trong suốt cao dễ quan sát

Khó tạo hình với các hình dạng 3D

➢ Từ phân tích ta thấy, cả hai loại vật liệu khá là giống nhau nhưng nhựa PET có khối lượng nhẹ hơn nên ta chọn nhựa PET

Thiết kế biên dạng hình học của khung xe và vỏ xe

4.2.1 Thiết kế biên dạng hình học của khung xe

4.2.1.1 Kích thước các bộ phận chính trên xe

❖ Kích thước cơ bản của con người

Hình 4.2: Các kích thước cơ bản của cơ thể người[6]

❖ Kích thước của người lái

Bảng 4.9: Kích thước cơ thể người lái

Chiều rộng vai 370 Chiều rộng hông

❖ Kích thước động cơ Động cơ theo yêu cầu của ban tổ chức: động cơ honda 110cc

Hình 4.3: Kích thước động cơ

Hình 4.4: Kích thước bánh xe

4.2.1.2 Tư thế ngồi của người lái

Hình 4.5: Tư thế ngồi của người lái

4.2.1.3 Bố trí các bộ phận trên xe

Hình 4.6: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu đứng

Hình 4.7: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu cạnh

Hình 4.8: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu bằng

4.2.1.4 Xây dựng biên dạng 2D cho khung xe

Dựa vào bố trí các bộ phận trên xe ta tiến hành xây dựng biên dạng 2D cho khung xe

Hình 4.9: Hình chiếu đứng biên dạng khung xe

Hình 4.10: Hình chiếu bằng biên dạng khung xe

Hình 4.11: Hình chiếu cạnh biên dạng khung xe

4.2.1.5 Xây dựng bản vẽ khung xe 3D

Dựa vào biên dạng 2D đã thiết kế ta tiến hành xây dựng biên dạng 3D

Hình 4.12: Biên dạng 3D của khung xe

+ Dùng thép vuông 25x25mm dày 1.2mm để làm dầm cho vị trí chịu tải chính trên xe

+ Dùng thép chữ nhật 20x10mm dày 1mm làm dầm cho mũi xe và phần thân xe chịu tải vừa

+ Dùng thép tròn 10mm dày 0.8mm để làm phần tựa đầu cũng như ngăn cách buồng người lái xe và động cơ để đảm bảo an toàn

❖ Kích thước chi tiết của khung xe:

Hình 4.13: Kích thước chi tiết của khung xe

❖ Khối lượng khung xe tính toán bằng Solidworks

Hình 4.14: Khối lượng của khung xe

Theo hình trên, ta thấy khối lượng tính toán bằng Solidworks của khung xe là: mq84 (g)

4.2.2 Thiết kế bản vẽ vỏ xe

4.2.2.1 Xây dựng bản vẽ vỏ xe 2D

Dựa trên các phương án vỏ xe đã chọn và biên dạng hình học của khung xe, chúng ta tiến hành xây dựng biên dạng 2D cho vỏ xe

Hình 4.15: Hình chiếu đứng biên dạng của vỏ xe

Hình 4.16: Hình chiếu bằng biên dạng của vỏ xe

Hình 4.17: Hình chiếu cạnh biên dạng vỏ xe

4.2.2.2 Xây dựng bản vẽ vỏ xe 3D

Từ biên dạng 2D ta xây dựng biên dạng 3D cho vỏ xe

Hình 4.18: Biên dạng 3D của vỏ xe.

Mô phỏng và đánh giá

4.3.1 Mô phỏng và đánh giá khung xe

❖ Tổng khối lượng của xe

Bảng 4.10: Tổng khối lượng của xe

Các phần chính Khối lượng ( kg)

❖ Thực nghiệm tải trọng người tác dụng khung xe

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng cân để đo tải trọng tác động lên khung xe tại các điểm tiếp xúc, từ đó mô phỏng trên phần mềm Solidworks nhằm đạt được kết quả chính xác hơn.

Hình 4.19: Minh hoạ thực nghiệm đo tải trọng phân bố của người tác dụng lên khung xe

+ Lực bàn chân tác dụng lên khung: 𝑃1 = 𝑚1 𝑔 = 2.10 = 20 𝑁

+ Lực thân tác dụng lên khung: 𝑃2 = 𝑚2 𝑔 = 30.10 = 300 𝑁

+ Lực lưng, vai tác dụng lên khung: 𝑃3 = 𝑚3 𝑔 = 22.10 = 220 𝑁

Hình 4.20: Các lực phân bố tác dụng lên khung xe

Bảng 4.11: Giá trị các lực phân bố tác dụng lên khung xe

Lực tác dụng từ chân lên khung

Lực tác dụng từ thân người lên khung

Lực tác dụng từ lưng và vai lên khung

Lực tác dụng từ động cơ lên khung Giá trị

❖ Quy trình thực hiện mô phỏng

Quy trình thực hiện mô phỏng kiểm tra bền khung xe thực hiện bằng phần mềm Solidworks được thể hiện trong sơ đồ :

❖ Các thông số đầu vào

Chọn hệ số an toàn k = 1,75

Nhập mô hình và gán vật liệu Chọn phần tử Tạo liên kết Đặt ràng buộc Đặt tải Chia lưới Chạy mô phỏng

Vật liệu : Thép SS400 có độ bền kéo giới hạn (tensile strength) [𝜎 𝑏 ] = 510 (𝑀𝑃𝑎) và ứng suất chảy (yield strength) [𝜎 𝑐 ] = 245 (𝑀𝑃𝑎) với khối lượng riêng d = 7850 (kg/m 3 ) Ứng suất cho phép [𝜎] = 245

❖ Chọn vật liệu mô phỏng

Hình 4.21: chọn vật liệu mô phỏng

4.3.1.1 Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Hình 4.22: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Với G là trọng lượng toàn bộ xe ( bao gồm trọng lượng: khung xe, người lái, động cơ)

Phương trình cân bằng lực và lấy mômen tại O2 ta được:

Tạo ràng buộc ở 4 vị trí là vị trí lắp bánh xe

Hình 4.23: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Hình 4.24 Đặt các lực tác dụng lên khung trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng

❖ Kết quả ứng suất và chuyển vị của khung xe qua mô phỏng

Hình 4.25: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Hình 4.26: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng

Theo kết quả cho thấy, ứng suất lớn nhất σ = 127,5 (MPa)