CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về khung chịu tải
2.1.1 Vai trò của khung chịu tải
Khung sườn chịu tải, hay còn gọi là khung gầm, là một bộ phận quan trọng của xe, đóng vai trò liên kết giữa thân vỏ và hệ thống treo Nó không chỉ chịu đựng mọi tải trọng mà còn định hình thiết kế tổng thể của xe.
Hiện nay, có nhiều loại kết cấu khung sườn cho xe, trong đó phổ biến nhất là khung hình thang (Body-on-frame) và khung liền khối (Unibody) Mỗi loại thiết kế mang lại những ưu điểm và hạn chế riêng, cần cải tiến liên tục để tối ưu hóa Việc lựa chọn kiểu khung sườn phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về hình dáng, khả năng chịu tải và vị trí bố trí các bộ phận chi tiết trên xe.
2.1.2 Các kiểu thiết kế khung phổ biến:
Khung sườn rời, hay còn gọi là khung sườn tách biệt, là thiết kế trong đó thân xe và khung gầm được phân tách rõ ràng, với khung có hình dạng giống như chiếc thang Đây là kiểu thiết kế khung gầm đầu tiên xuất hiện trong ngành công nghiệp ô tô và vẫn được sử dụng phổ biến, đặc biệt trên các dòng xe SUV hiện nay.
- Giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, dễ dàng thiết kế, lắp đặt, sửa chữa.
Thiết kế khung gầm và thân xe tách rời mang lại sự linh hoạt cho việc thiết kế và điều chỉnh cấu hình các bộ phận chi tiết trên ô tô, giúp quá trình thay đổi trở nên dễ dàng hơn.
- Thiết kế khung hình thang có thể chịu được tải trọng nặng do khả năng chống xoắn tốt.
- Độ ồn khi vận hành thấp hơn các kiểu khung khác, độ bền cao, ít bị hư hỏng do gỉ sét, ẩm ướt.
Do đặc điểm kết cấu, hai thanh đòn dọc cần có khả năng chịu lực tốt và độ cứng vững cao, nên khối lượng của kiểu khung gầm này thường nặng hơn so với các loại khác Điều này dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và giảm hiệu suất di chuyển.
Hai thanh đòn dọc là phần chịu lực chính, dẫn đến độ cứng xoắn thấp, khiến chúng dễ dàng bị biến dạng khi phải chịu tải trọng đứng hoặc di chuyển trên địa hình xóc, mấp mô.
Hình 2 1 Khung gầm Body-on-frame
Khung sườn Unibody, hay còn gọi là khung sườn liền, đã được sử dụng từ những năm 1930 nhờ vào những lợi ích vượt trội so với kiểu Body-on-frame, trong đó thân và gầm xe được kết hợp thành một khối thống nhất Sự phát triển của phần mềm thiết kế và mô phỏng 3D phức tạp đã thúc đẩy sự phổ biến của kiểu khung sườn này Hiện nay, nhiều mẫu xe dân dụng áp dụng thiết kế Unibody vì những ưu điểm mà nó mang lại.
- Khung sườn liền với thân xe sẽ giúp cho trọng tâm xe sẽ thấp hơn, từ đó giúp tăng tính ổn định cho xe khi quay vòng.
Xe có trọng lượng nhẹ hơn so với khung sườn rời, giúp nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và hiệu quả di chuyển.
Khung sườn liền thân khiến việc sửa chữa và phục hồi xe sau tai nạn trở nên phức tạp và tốn kém hơn.
- Khả năng chịu tải của xe cũng sẽ thấp hơn so với kiểu thiết kế Body-on-frame.
Hình 2 2 Kiểu khung liền thân Unibody
Giải pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm CAD (Thiết kế Hỗ trợ Máy tính) để thiết kế khung sườn xe và phần mềm CAE (Kỹ thuật Hỗ trợ Máy tính) để tính toán độ bền của khung là phương pháp hiệu quả Với kiểu khung đã chọn, việc áp dụng các công cụ thiết kế và mô phỏng trên máy tính giúp tối ưu hóa quy trình phát triển sản phẩm.
Về mặt thiết kế, ta có thể dùng AutoCAD, 3D MAX, … của AUTODESK, SOLIDWORKS, CATIA, … của Dassault Systemes.
Về mặt tính toán độ bền khung sườn ta có thể sủ dụng Module Simulation của SOLIDWORKS.
Để mô phỏng động lực học xe, có thể sử dụng phần mềm CarSim và CATIA Dựa trên kiến thức đã được đào tạo, SOLIDWORKS có thể được sử dụng để thiết kế khung xe, trong khi Module Simulation giúp tính toán độ bền của khung Cuối cùng, phần mềm CarSim sẽ hỗ trợ mô phỏng động lực học của xe một cách hiệu quả.
2.3 Tính toán thiết kế xe lai
2.3.1 Chọn thông số kỹ thuật cơ bản của xe
Dựa vào các thông số người thiết kế mong muốn:
- Bốn chỗ kể cả người lái
- Trọng lượng toàn bộ M = 600 kg
- Tốc độ tối đa 60 km/h
- Tốc độ trung bình 40 km/h
- Tỉ số truyền cực đại 4.2
- Bốn chỗ ngồi kể cả người lái
- Khối lượng đủ tải của xe: M`0 kg
- Hiệu suất truyền lực từ motor đến bánh xe chủ động: =0,9
- Mật độ không khí: =1.202 kg/ 3
- Hệ số quán tính quay: = 1,05
2.3.2 Thiết kế công suất định mức của motor
Giả sử một xe E-REV có thời gian tăng tốc từ 0 đến (m/s) trong (s) và các thông số cho trước:
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của xe và môi trường
Bán kính bánh xe Tổng khối lượng xe và hành khách
Hệ số lực cản lăn
Hệ số cản gió Diện tích cản gió Mật độ không khí Gia tốc trọng trường
Lực cản lăn - Rolling Resistance Force:
Lực cản không khí - Air Resistance Force
Lực cản dốc - Force required to go up hill:
Lực cần thiết để xe bắt đầu di chuyển:
Công suất cần thiết để xe bắt đầu di chuyển:
Công suất cần thiết để tăng tốc:
Hình 2 3 Khung gầm Body-on-frame
- Công suất cực đại cần thiết để tăng tốc:
Khi xe tăng tốc, công suất cần thiết tăng tốc cho đến khi công suất đạt đến mức công suất tối đa của motor:
Trong khoảng tốc độ từ 0 đến công suất cần thiết để vượt qua sức cản lăn và khí động học tương đối nhỏ, có thể đưa ra một kết quả gần đúng cho việc đánh giá công suất kéo.
Lưu ý rằng phương trình trên chỉ mang tính chất ước lượng nhằm đáp ứng yêu cầu tăng tốc Để xác định chính xác công suất định mức của motor, cần tiến hành kiểm tra thực nghiệm.
Hình 2 4 Đặc tính tốc độ mô-men của motor điện
Công suất kéo leo dốc tính bằng công thức sau:
Dựa vào vận tốc cực đại của xe là = 60 km/h = 16.7 m/s
Ta chọn hệ số giữa tốc độ cực đại motor/ tốc độ cơ bản motor: x = 4
Vận tốc cơ bản của xe ta sẽ dựa vào hệ số cơ bản của motor:
Dựa vào thời gian tăng tốc của xe từ 0 đến 40 km/h là không quá 35s:
Dựa vào thực tế theo công suất motor là 2,1kW, ta chọn motor BM1424HQF –
2.3.3 Thiết kế công suất định mức của động cơ xăng và máy phát Động cơ/máy phát điện trong truyền lực E-REV được sử dụng để cung cấp trạng thái công suất ổn định để duy trì mức SOC của PPS trong tình trạng tối ưu nhất Với điều kiện lái xe đầu tiên, xe vận hành hoàn toàn với công suất của PPS mà không có sự trợ giúp nào từ động cơ/máy phát (ICE OFF), khi lượng SOC trong PPS giảm đến mức dưới 80% tổng SOC.PPS, động cơ/máy phát lúc này sẽ được bật để cung cấp năng lượng sạc lại vào PPS Mức SOC hoạt động từ động cơ/máy phát ổn định từ SOC.Low – 30% SOC.PPS giúp xe tăng phạm vi hoạt động trên chuyến đi.
Hình 2 5 Công suất tải của 600 kg hành khách ô tô tại tốc độ không đổi
Hình 2 6 Động cơ/máy phát hoạt động
Khi SOC đạt 20% SOC.PPS, động cơ/máy phát sẽ khởi động và bắt đầu nạp lại vào PPS Sau khi mức nạp SOC đạt 30% SOC.PPS, động cơ/máy phát sẽ tắt Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi chuyến đi kết thúc, giúp tăng quãng đường di chuyển so với xe điện (EV) và giảm đáng kể khí thải so với xe hybrid (HEV).
Với tốc độ không đổi, công suất phát ra từ nguồn điện (động cơ/máy phát điện và/hoặc PPS) có thể được biểu diễn bằng:
Hiệu suất của hộp số (ηt) và motor kéo (ηm) là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá công suất tải của xe Hình 3.18 minh họa mối quan hệ giữa công suất tải và tốc độ xe cho một chiếc xe chở khách có trọng lượng 600 kg, không tính đến ηt và ηm.
Công suất tải trung bình có được biểu diễn bằng:
Trong phương trình 3.8, δ đại diện cho hệ số quán tính quay của xe, trong khi dV/dt là gia tốc của xe Giá trị này thể hiện công suất trung bình cần thiết để vượt qua lực cản lăn của lốp xe cũng như cản khí động học.
Công suất động cơ và máy phát trên xe EREV chủ yếu hỗ trợ trong giai đoạn mở rộng (Extender) Do đó, động cơ hoạt động ở chế độ tối ưu với vận tốc tối ưu là 40 km/h, tương đương 11.1 m/s.
→ Dựa vào thực tế ta sẽ chọn động cơ Xăng Wate AT 125cc Có công suất cực đại khoảng 7kW tại 7500rpm , moment cực đại là 10,6 Nm tại 5500 rpm.
PPS cần đảm bảo cung cấp đủ công suất cho motor kéo trong mọi tình huống và lưu trữ năng lượng hợp lý để ngăn chặn sự thất thoát điện do quá tải.
Công suất tối đa của PPS
Thiết kế công suất của hệ thống PPS cần đảm bảo luôn đáp ứng được công suất tối đa của motor trong mọi thời điểm Công suất yêu cầu của PPS được xác định dựa trên công suất định mức của mô tơ điện.
Công suất định mức lớn nhất của động cơ, hiệu suất của động cơ và hiệu suất truyền lực từ mô tơ đến bánh xe chủ động là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống truyền động.
Công suất này phải được thiết kế để hoạt động ở mức SOC.Low, chẳng hạn như 30%, vì PPS luôn hoạt động ở mức SOC.Low này trong chế độ CS.
Lưu trữ tối đa của PPS là yếu tố quan trọng trong EREV, ảnh hưởng đến hiệu suất xe, mức tiêu thụ nhiên liệu, chi phí ban đầu và chi phí vận hành Các thông số thiết kế lưu trữ năng lượng chủ yếu là năng lượng lưu trữ và năng lượng Tổng dung lượng của PPS có thể được xác định qua các chỉ số này.
Dung lượng sử dụng trong chế độ EV hoặc CD thuần túy được xác định bởi SOC.max, là mức tối đa của năng lượng lưu trữ khi được sạc đầy (thường bằng 1), và SOC.min, là mức SOC của PPS khi chuyển từ chế độ EV hoặc CD thuần sang chế độ CS.
SOC (State of charge) được định nghĩa là tỷ lệ lượng điện của ắc quy hiện có so với dung lượng cực đại.
Dung lượng ắc quy, ký hiệu là Q, được xác định bằng ampe-giờ (A.h) và biểu thị cho khả năng lưu trữ điện năng của ắc quy Một A.h tương đương với 3600 Coulomb (C), là đơn vị SI đo lường dung tích sạc của ắc quy.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUNG XE
Yêu cầu về cấu hình xe
Xe sử dụng động cơ xăng để cung cấp năng lượng cho máy phát, giúp nạp điện cho ắc quy và mở rộng quãng đường di chuyển Động cơ điện ở cầu sau kết hợp với ắc quy trở thành nguồn động lực chính cho xe.
Khung xe cần phải gọn nhẹ để tương thích với động cơ công suất nhỏ, với khối lượng xe khi không tải là 320kg và khối lượng không được treo khoảng 100kg.
Xe có kích thước gọn gàng, lý tưởng cho việc di chuyển trong khuôn viên trường học và phố phường Với chiều cao phù hợp cho người cao khoảng 1m8, người lái cảm thấy thoải mái, trong khi hành khách ngồi ở hàng ghế sau cũng có không gian dễ chịu về cả chiều cao lẫn chiều rộng.
- Phân bố tải trong lên cầu
Với hệ thống dẫn động cầu sau nên phân bố tải trọng phù hợp nhất là 4:6 trong đó tải trọng cầu sau chiếm 60%.
Với xe 4 chỗ ngồi chở được 2 người trưởng thành ở phía trước và 2 người ở phía sau với tổng khối lượng 280kg/4 người.
Thiết kế khung chịu tải chính
3.2.1 Chọn khung sườn chịu tải cho xe hybrid
Dựa trên các yêu cầu đã đề ra, chúng tôi đã chọn kiểu thiết kế khung rời - Body-on-frame được cải tiến Bản thiết kế sử dụng thép hộp 40x40x1.8 mm, một vật liệu phổ biến trên thị trường Khung xe được thiết kế tương thích với hệ thống treo độc lập ở phía trước và hệ thống treo phụ thuộc ở cầu sau Khoảng sáng gầm xe đạt 220mm, phù hợp cho việc di chuyển trên địa hình bằng phẳng và mấp mô thấp Ngoài ra, khung sườn phía trước được thiết kế để đảm bảo góc quay bánh xe dẫn hướng lớn nhất.
Để tối ưu hóa khả năng vượt chướng ngại vật của xe, cần thiết kế góc tiếp cận và góc thoát phù hợp với địa hình Góc tiếp cận là góc lớn nhất mà xe có thể đến gần chướng ngại vật mà không chạm phần mũi xe, trong khi góc thoát là góc lớn nhất mà xe có thể rời khỏi chướng ngại vật mà không chạm phần đuôi xe Các góc này càng lớn thì khả năng tiếp cận và rời chướng ngại vật càng cao Tuy nhiên, do xe được thiết kế chủ yếu để di chuyển trên đường bằng phẳng, yêu cầu về các góc này không cần quá lớn Ví dụ, xe ô tô 4 chỗ có góc tiếp cận là 15.40 độ và góc thoát là 37.99 độ.
3.2.2 Chọn vật liệu chế tạo khung
- Các loại vật liệu phổ biến:
Hiện nay, nhôm và thép là hai vật liệu phổ biến để làm khung xe, với nhôm ngày càng được ưa chuộng nhờ kiểu khung Unibody Khung xe bằng nhôm có ưu điểm vượt trội về khối lượng so với thép, với tỷ lệ sử dụng nhôm trên xe tăng từ 5% năm 1990 lên 9% năm 2009 và tiếp tục gia tăng Mặc dù ứng dụng nhôm trong ô tô đang phát triển mạnh mẽ, nhôm vẫn gặp phải một số hạn chế lớn như khả năng chịu lực kém hơn và giá thành sản xuất cao gấp 4 lần so với thép, khiến cho nó chưa thể hoàn toàn thay thế thép trong chế tạo khung xe.
Thép là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong chế tạo khung xe nhờ vào những ưu điểm nổi bật như giá thành chế tạo thấp, dễ dàng trong việc cắt, hàn và gia công, cùng với độ bền, độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt, đồng thời cũng dễ tạo hình.
Các mô hình xe sản xuất tại Việt Nam thường sử dụng thép CT3 trong quá trình chế tạo, với nhiều hình dạng đa dạng như thép hộp chữ nhật, thép hộp vuông, thép chữ I và thép ống.
Cơ tính của thép CT3 như sau (tra trong Sổ tay thép thế giới – GS.TS Trần Văn Địch) [2]: + Độ bền kéo: 373 – 481(MPa)
+ Độ bền chảy chia theo độ dày của thép: Nhỏ hơn 20mm: 245 (MPa); Từ 20-40mm: 235 (MPa); Từ 40-100mm: 226 (MPa); Lớn hơn 100mm: 216 (MPa)
Bảng 3 1 Thành phần hóa học của thép CT3 (%)
- Chọn vật liệu và tính số lượng: Đối với khung sườn chịu lực chính
+ Vật liệu: Thép hộp CT3 kích thước 40 x 40 x 2 (mm)
+ Hình dạng và kích thước:
Hình 3 2 Khung chịu lực chính
Bảng 3 2 Số lượng và chiều dài thép
3.2.3 Hình dạng tổng thể của xe
Nhóm đã thực hiện việc thi công ban đầu và tiến hành các chỉnh sửa cần thiết để đáp ứng yêu cầu về tính thẩm mỹ, sự thoải mái cho người lái và hành khách, cũng như tối ưu hóa không gian bố trí các chi tiết Dựa trên những điều chỉnh này, nhóm đã thiết kế lại và cung cấp bản vẽ thiết kế cùng kích thước tổng thể của chiếc xe.
Hình 3 3 Mô hình xe nhìn từ mặt bên
Hình 3 4 Mô hình xe nhìn từ phía trước, sau xe
Hình 3 5 Mô hình xe nhìn từ trên
3.2.4 Phân bố tải trọng trên xe
Kích thước và khối lượng của các chi tiết:
Bảng 3 3 Kích thước và khối lượng của các chi tiết chính trên xe
Khung xe Động cơ xăng + máy phát Động cơ điện Cầu xe +hộp số Bánh xe Ắc quy Ghế ngồi phía trước Ghế ngồi phía sau
Tổng khối lượng của xe: m = 322 kg
19 Để thuận tiện cho việc tính toán tải trọng phân bố lên các cầu, ta xem khung xe là một dầm ngang, ta sẽ được như sau:
Để xác định sự phân bố tải trọng lên hai cầu xe, cần tìm phản lực từ mặt đường Phương pháp cân bằng moment sẽ được sử dụng để tính toán chính xác tải trọng phân bố lên từng cầu.
Xét cân bằng moment tại E ta có:
( 1 AE) = (.AE) + ( BE) + [(+ ).CE] + (.DE) (1)
Thay các giá trị vào phương trình trên:
Mặt khác phản lực từ mặt đường tác dụng lên xe bằng với trọng lượng từ xe tác dụng lên cầu:
Với 1 là tải trọng từ xe tác dụng đặt lên cầu trước => 1 = 1750 (N)
Tổng trọng lượng được treo của xe là:
= + + + + %0+50+1500+1000+1500C00(N) Từ các thông số vừa tìm được, ta lấy tỉ lệ 1 = 1750 = 0,406 => 1 = 40%
Tỉ lệ phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau là 40:60 = 4:6, thỏa mãn với điều kiện đặt ra từ đầu.
Tính toán độ bền khung chịu tải
Sau khi thiết kế khung xe Extended Range Electric, ta dùng Module Simalation tích hợp trong phần mềm SolidWorks để tính toán kiểm tra độ bền cho khung xe.
3.3.1 Thiết lập các thông số tính toán bền cho khung xe
- Chọn kiểu phân tích Static
- Gán vật liệu chọn vật liệu thép CT3
- Đặt ràng buộc và các lực tác động lên khung xe
Để tạo lưới mesh, độ chính xác của tính toán phụ thuộc vào cách chia lưới, trong đó kích thước phần tử lưới cần điều chỉnh theo từng chi tiết Các chi tiết nhỏ yêu cầu chia lưới mịn hơn để đạt hiệu quả cao Module Simulation sử dụng thuật toán chia lưới tự động, giúp điều chỉnh kích thước mô hình và đánh giá chất lượng lưới Để đảm bảo chất lượng tốt nhất cho kết quả tính toán, cỡ lưới nhỏ nhất được chọn làm mặc định trong phương pháp chia lưới này.
Bảng 3 4 Bảng thông số lưới một số chi tiết chi tiết chia tự động bởi Solidworks
- Chạy chương trình mô phỏng và xuất kết quả theo:
Stress (ứng suất), Displacement (chuyển vị) và Strain (biến dạng).
- Đánh giá độ an toàn của khung xe
Solidworks tích hợp trình thuật sĩ tính toán hệ số an toàn, giúp đánh giá mức độ an toàn trong thiết kế Kết quả tính toán được biểu thị bằng màu sắc, với màu xanh cho thấy độ bền đạt yêu cầu, không có vị trí nào có hệ số an toàn thấp hơn 21 Nhóm nghiên cứu đã chọn hệ số an toàn là 1,5 cho mô hình để thực hiện kiểm tra.
3.3.2 Tính toán các lực đặt lên khung chịu tải
Bảng 3 5 Các lực đặt lên khung chịu tải
Khung chịu tải Động cơ điện hệ thống treo sau
3.3.3 Kết quả tính toán bằng module Simulation
Sau khi xác định được các lực tác động trên xe, bạn có thể tiến hành tính toán Các bước tính toán đã được trình bày ở phần trước Cần lưu ý rằng các vị trí liên kết của hệ thống treo sẽ được cố định, trong khi các vị trí liên kết với lò xo sẽ được gắn với lực đàn hồi.
Khung chịu tải chính có khối lượng đáng kể, do đó cần tính toán thêm tác động của trọng lực, vị trí và độ lớn, mà phần mềm sẽ tự động xử lý Các bảng thông số dưới đây được xuất ra từ kết quả mô phỏng Hình ảnh mô phỏng biến dạng và độ chuyển vị được phóng đại gấp 10 lần so với tỉ lệ mặc định của phần mềm để thuận tiện cho việc quan sát và đánh giá.
Bảng 3 6 Cấu hình vật liệu chi tiết của thép CT3 trong SolidWorks Đối với khung chịu tải chính và hệ thống treo trước:
Bảng 3 7 Kết quả tính ứng suất của khung chịu tải chính và hệ thống treo trước
Bảng 3 8 Kết quả tính chuyển vị của khung chịu tải chính và hệ thống treo trước
Bảng 3 9. Kết quả tính biến dạng của khung chịu tải chính và hệ thống treo trước
Bảng 3 10 Kết quả tính độ an toàn của khung chịu tải chính và hệ thống treo trước
Vị trí nguy hiểm: Không có vị trí nào nguy hiểm
(hệ số an toàn dưới 1.5)
Bảng 3 11 Kết quả tính toán ứng suất của khung chịu tải hệ thống treo sau
Type VON: von Mises Stress
Bảng 3 12 Kết quả tính toán chuyển vị của khung chịu tải hệ thống treo sau dạng của khung chịu tải hệ thống treo sau
Bảng 3 14 Kết quả tính toán độ an toàn của khung chịu tải hệ thống treo sau
- Ứng suất lớn nhất: σ max = 1.519e+ 007 (N/m^2) < σ CT3
Hình 3 8 Vị trí có ứng suất lớn nhất trên khung chịu tải chính
- Chuyển vị lớn nhất: ∆ = 2.225 − 001 (mm)
Hình 3 9 Vị trí có độ chuyển vị lớn nhất trên khung chịu tải chính
- Vị trí nguy hiểm: Không có vị trí nào nguy hiểm (hệ số an toàn dưới 1,5):
Hình 3 10 Không có vị trí nào có hệ số an toàn nhỏ hơn 1,5
Khung chịu tải trước và sau đều đủ bền theo các điều kiện tải trọng đã đặt ra.
Thi công khung xe lai
Dựa trên bản vẽ thiết kế của nhóm, chúng tôi tiến hành khảo sát và tính toán để chuẩn bị các nguyên vật liệu cần thiết cho quá trình thi công.
3.4.1 Thi công khung chịu lực hệ thống treo trước và treo sau
Quá trình thi công khung sườn chịu lực chính là bước quan trọng nhất trong việc chế tạo xe Đội ngũ thi công đã thực hiện từng công đoạn một cách cẩn thận, từ việc cắt chi tiết, hàn nối cho đến mài mịn, nhằm đảm bảo các liên kết tại mối hàn đạt chất lượng tối ưu và tăng cường độ bền cho khung chịu lực.
Hình 3 11 Chế tạo khung sườn chịu lực chính
3.4.2 Thi công khung chịu lực hệ thống treo trước và treo sau
Hình 3 12 Chế tạo khung chịu lực hệ thống treo trước, treo sau
3.4.3 Thi công hệ thống lái, phanh
Vì khối lượng xe không quá nặng nên nhóm sử dụng hệ thống lái không trợ lực. Cảm nhận vô lăng vừa phải không quá nặng.
Hình 3 13 Thi công hệ thống lái, hệ thống phanh
3.4.4 Lắp động cơ và máy phát
Hình 3 14 Lắp động cơ và máy phát
Nhóm sử dụng thép ống đường kính 21mm làm khung vỏ cho xe,vừa nhẹ vừa đủ chắc chắn.
Kiểm tra động lực trên xe
Hình 3 15 Sơn và lắp sàn cho xe 3.5 Kiểm tra động lực trên xe
Hệ thống động lực trên xe bao gồm động cơ điện làm nguồn chính dẫn động toàn bộ xe, kết hợp với động cơ xăng để cung cấp năng lượng cho máy phát điện, nạp điện cho ắc quy Vì vậy, động cơ điện cần đáp ứng các tiêu chuẩn khởi động, tăng tốc và đảm bảo vận hành ổn định cho xe.
3.5.1 Tính toán và kiểm tra động cơ điện
Với động cơ điện BM142HQF có công suất là 2,2kw và điện áp 60V ta tiến hành kiểm tra khả năng đáp ứng của động cơ
Bảng 3 15 Bảng thông số của động cơ điện
Động cơ điện 2,2 kW có khả năng tăng tốc từ 0 lên 40 km/h trong một khoảng thời gian nhất định, điều này được xác định dựa trên phương trình công suất Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lực kéo và tốc độ của động cơ sẽ giúp đánh giá hiệu suất tăng tốc của nó.
Để đáp ứng yêu cầu về hệ thống động lực cho quá trình khởi động và tăng tốc của xe, động cơ điện cần có hệ số tốc độ x = 4 Loại động cơ điện sử dụng là loại 2 số tiến, với vận tốc cực đại Vmax đạt 60 km/h.
Thay các giá trị vào (1):
Khối lượng M = 600kg (chở đủ 4 người)
Chạy với tốc độ: V max = 60km/h
Vận tốc cơ sở = 15 km/h = 4,17 m/s
Vận tốc cuối cùng khi đạt được quá trình tăng tốc: = 40 km/h = 11,11 m/s Thời gian đạt được vận tốc : =?
Hệ số ma sát lăn: = 0,015
Hệ số khí động học: = 0,3
Diện tích mặt trước của xe: = 0,5 2
Mật độ không khí: = 1,206 kg/ 3
Ta kiểm tra với công suất của động cơ là 2,2 kw ta cần thời gian =? để xe có thể đạt được vận tốc mong muốn :
Vậy với nguồn động lực chính từ mô tơ điện BM142HQF-2200W60V ta cần 30s để có thể tăng tốc từ 0 lên 40 km/h.
3.5.2 Kiểm tra đáp ứng của nguồn điện
Trên thị trường hiện nay, xe hybrid chủ yếu sử dụng hai loại nguồn năng lượng: ắc quy và pin Lithium Tuy nhiên, do giá thành của pin Lithium quá cao và tính ứng dụng thực tế trên xe không tối ưu hơn ắc quy, nhóm đã quyết định chọn ắc quy làm nguồn năng lượng chính cho xe.
Sau khi khảo sát thị trường, nhóm đã quyết định chọn ắc quy viễn thông Vision 6FM65E-X 12V 65Ah, một loại ắc quy khô kín khí xả sâu không cần bảo dưỡng Ắc quy này rất phù hợp cho các bộ kích điện, bộ lưu điện, xe điện và xe sân golf Ưu điểm nổi bật của ắc quy này là giá thành hợp lý, dễ lắp đặt và bố trí thuận tiện trên xe.
Bộ nguồn được chọn là 5 ắc quy Vision 6FM65E-X 12V 65Ah, kết nối nối tiếp với tổng điện áp 60V và dung lượng 65Ah Để đảm bảo tuổi thọ của ắc quy, cần duy trì dung lượng còn lại sau khi sử dụng là 30%, nghĩa là chỉ sử dụng 70% dung lượng nguồn.
Công suất khả dụng của ắc quy (kí hiệu là H) là:
H = (Điện áp).(Dung lượng).(Tỉ lệ sử dụng) = 60.65.0.7 = 2730 (Wh)
Để đáp ứng yêu cầu di chuyển với vận tốc trung bình 40 km/h và dòng điện trung bình của mô tơ đo là 32A, năng lượng cần thiết cho xe di chuyển 1km, ký hiệu là M, được xác định.
M Quãng đường xe có thể di chuyển được = M H = 2730 48 = 56,875 (km)
Như vậy, với bộ nguồn trên, xe có thể di chuyển được quãng đường 56 km với vận tốc trung bình 40 km/h cho mỗi lần nạp đầy điện.
Việc cải tiến xe điện thành xe hybrid hoặc trang bị hệ thống năng lượng mặt trời không chỉ tăng quãng đường di chuyển mà còn nâng cao tính cơ động cho xe.
MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM
Kiểm tra khả năng đáp ứng của xe theo chu trình ECE15
Sau khi đã nạp dữ liệu thời gian, quãng đường cho chu trình ECE15, ta tiến hành các bước như sau:
Bước 1: Chọn Run Math Model để gán tất cả thiết lập dữ liệu chuẩn bị cho việc chạy mô phỏng
Bước 2: Chọn Video để xem mô phỏng bằng video
Hình 4 17 Ảnh được xuất ra trong video mô phỏng chu trình ECE15
Sau khi xem mô phỏng video nhấn nút để trở về.
Bước 3: Chọn Plot để xuất đồ thị
Đồ thị tốc độ yêu cầu và tốc độ xe mô phỏng theo chu trình ECE15 cho thấy đường màu đỏ biểu diễn vận tốc xe yêu cầu (km/h) và đường màu xanh biểu diễn vận tốc mô hình xe đạt được (km/h) Sự gần như trùng khớp giữa hai đường này chứng tỏ rằng mô hình xe đã đáp ứng chính xác vận tốc mong muốn trong chu trình thử nghiệm tại thành phố ECE15, khẳng định hệ thống động lực học của mô hình đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra.
Kiểm tra khả năng tăng tốc của xe
Sau khi đã nạp dữ liệu thời gian, quãng đường cho chu trình tăng tốc, ta tiến hành các bước như sau:
Bước 1: Chọn Run Math Model để gán tất cả thiết lập dữ liệu chuẩn bị cho việc chạy mô phỏng
Bước 2: Chọn Video để xem mô phỏng bằng video
Hình 4 19 Ảnh được xuất ra trong video mô phỏng chu trình tăng tốc
Sau khi xem mô phỏng video nhấn núi để trở về.
Bước 3: Chọn Plot để xuất đồ thị
Đồ thị thể hiện sự so sánh giữa tốc độ yêu cầu và tốc độ xe mô phỏng, với đường màu đỏ biểu thị vận tốc xe yêu cầu trong quá trình tăng tốc (km/h) và đường màu xanh thể hiện vận tốc mà mô hình xe đạt được (km/h).
Kết quả mô phỏng trong 30 giây thử nghiệm cho thấy đường màu đỏ và màu xanh gần như trùng nhau, chứng tỏ rằng xe đáp ứng 90% yêu cầu về vận tốc so với lý thuyết tính toán khả năng tăng tốc.
So sánh tốc độ của xe khi thay đổi tải trọng
Bước 1: Tạo một chiếc xe khác có dữ liệu như chiếc xe Xe Hybrid 2019 đã thiết lập trước đó.
Bước 2: Thay đổi tải trọng trong phần thiết lập thông số kích thước của xe
Hình 4 21 Màn hình thiết lập thông số cho xe Xe Full Tai
Bước 3: Chọn Overlay videos and plots with other run
Bước 4: Chọn mũi tên mục No dataset selected → *More Examples (Extra License Options) → Xe Hybrid 2019
Hình 4 22 Màn hình lựa chọn xe để so sánh
Hình 4 23 Đồ thị so sánh hai xe
Hình 4 24 Ảnh được xuất từ video mô phỏng so sánh hai xe
Màn hình hiển thị sự kết hợp giữa mô phỏng video và đồ thị, trong đó đường màu đỏ thể hiện vận tốc yêu cầu trong quá trình tăng tốc của xe Full Tai (km/h) Đường màu xanh dương đại diện cho vận tốc mà mô hình xe Full Tai đạt được (km/h), trong khi đường màu xanh lá cây là vận tốc yêu cầu trong quá trình tăng tốc của xe 1.
Tai (km/h). Đường màu xám dương là vận tốc mô hình xe Xe 1 Tai đạt được (km/h).
Kết quả từ đồ thị cho thấy đường màu xanh dương lệch nhẹ so với đường màu xám, điều này chỉ ra rằng khi xe đạt tải trọng tối đa, vận tốc sẽ thấp hơn so với khi có một người lái Điều này phù hợp với kết quả tính toán và thử nghiệm thực tế.
