Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cải tiến khung thân xe và hệ thống truyền lực, điều khiển của xe đua sinh thái ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI TIẾN KHUNG THÂN XE V

Tính cấp thiết của đề tài

Như chúng ta đã biết, hiện nay vấn đề đang nhức nhối nhất hiện tại của Trái Đất chính là vấn đề ô nhiễm môi trường sinh thái do các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người gây ra như khí thải từ các nhà máy, phương tiện giao thông, chặt phá rừng, rác thải hàng ngày ra môi trường… Với lượng xe máy, ô tô lưu thông như hiện nay đã vô tình thải vào môi trường một lượng khí độc rất lớn Không những thế, các nhà máy xí nghiệp đang từng ngày, từng giờ “tiêm thuốc độc” vào bầu khí quyển Điều này khiến cho bầu khí quyển vốn đã ô nhiễm nay lại càng trầm trọng hơn Thậm chí, ô nhiễm khí quyển đang trở thành vấn đề thời sự nóng bỏng trên toàn thế giới Chính vì vậy chúng ta phải đưa ra các giải pháp để giải quyết vấn đề cấp thiết này đặc biệt là vấn đề ô nhiễm không khí do các loại phương tiện giao thông thải ra hiện nay Ở nước ta hiện nay xe máy là loại phương tiện đang được sử dụng nhiều nhất, theo thống kê nửa đầu năm 2019, người Việt Nam chúng ta mua trung bình 8300 chiếc xe mỗi ngày và có khoảng 45 triệu chiếc xe máy đứng thứ 4 trên thế giới Ở Việt Nam, xe máy cũng chính là loại phương tiện giao thông phổ biến nhất Theo điều tra xác định tỷ lệ các loại xe trong một dòng xe thì có tới 85,8% xe là xe máy, 12,3% là ô tô, 1,2% là xe tải và xe buýt chỉ chiếm 0,7% Từ đó, người ta tính toán ví dụ như ở Hà Nội thì cứ 1km đường sẽ có tới 2.500 xe máy hoạt động Tuy xe máy hỗ trợ tốt cho cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của người dân, xe máy tại Việt Nam cũng đang là tác nhân hàng đầu gây nên ô nhiễm môi trường Tại Hà Nội, số lượng xe máy tăng bình quân 11,02%/năm, trong khi tại Thành phố Hồ Chí Minh, mức tăng là 9,79% đều đặn mỗi năm Tính toán tại 2 thành phố lớn nhất là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh cho thấy xe máy tiêu thụ đến 56% xăng và thải ra tới 94% hydrocarbon (HC), 97% carbon monoxide (CO) và 57% các oxide của nitrogen (NOx) trong tổng số các loại chất ô nhiểm thải ra bởi tất cả các loại xe cơ giới Các loại xe máy thuộc dòng xe đạt tiêu chuẩn Euro 1 và Euro 2 đang sử dụng phác thải trung bình tới 0,08 gam bụi/hành khách/km và 0,13 gam oxide của nitrogen/hành khách/km- những mức được xem là không hề thấp đối với độ chống chịu của môi trường

Chính vì vậy ngày nay các phương tiện giao thông đang chuyển từ dạng năng lượng hóa thạch sang năng lượng tái tạo như sự ra đời của xe điện, xe lai… Nhưng bên cạnh đó năng lượng hóa thạch vẫn đang đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong ngành vận tải thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Vì vậy việc thiết kế một chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu là một vấn đề quan tâm rất lớn của các hãng xe như HONDA, TOYOTA… để giảm thiểu tối đa sử dụng năng lượng hóa thạch và giảm khí thải ra môi trường

Cụ thể là để giảm lượng khí thải, Honda đã cố gẳng cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu của xe bằng cách giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng như nâng cao hiệu suất đốt nhiên liệu của động cơ Đó là phương pháp hữu hiệu nhất để giảm lượng khí thải độc hại cho môi trường Để làm được điều này Honda đã áp dụng hệ thống phun xăng điện tử từ ô tô lên xe máy, bắt đầu từ những chiếc mô tô cỡ lớn nhiều xilanh và hiện nay cũng đã áp dụng trên nhiều xe gắn máy cỡ nhỏ như: Wave RSX FI, Future Neo FI Hệ thống này hoạt động dựa trên sự kiểm soát chặt chẽ của ECU Nhờ đó nó kiểm soát được lượng phun nhiên liệu một cách lý tưởng hơn nhiều so với bộ chế hòa khí thông thường như trước đây

Song song với những cải tiến về công nghệ thì Honda cũng tạo ra nhiều cuộc thi hay chương trình liên quan đến bảo vệ môi trường, trong đó có cuộc thi HONDA ECM (Honda Eco Marathon Contest – cuộc thi xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu) để giúp các bạn trẻ thỏa mãn đam mê nghiên cứu và giúp các bạn nhận thức được tầm quan trọng của việc tiết kiệm nhiên liệu và môi trường đối với xã hội của chúng ta hiện nay Ông Keisuke Tsuruzono, Tổng giám đốc Honda Việt Nam, chia sẻ:

“Honda luôn nỗ lực triển khai các giải pháp tích cực cho các vấn đề liên quan đến môi trường Trong các cách tiếp cận đó, một khái niệm độc đáo đã hình thành là Cuộc thi Lái xe sinh thái – Tiết kiệm nhiên liệu Honda

Với thử thách “Bạn có thể đi được bao nhiêu km với 1 lít xăng?”, EMC không chỉ là sân chơi sáng tạo công nghệ mà còn mang ý nghĩa bảo vệ môi trường

EMC đóng vai trò ý nghĩa xã hội vô cùng to lớn, là động lực cho các bạn trẻ nỗ lực tạo nên những giá trị đặc biệt."

Qua những lời chia sẻ trên của ông Keisuke Tsuruzono chúng ta có thể thấy rằng cuộc thi này nói lên tầm quan trọng của việc tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và môi trường đối với xã hội của chúng ta hiện nay và trong tương lai Và vì thế qua cuộc thi này Honda cũng muốn giúp cho những bạn trẻ chúng ta, cũng như những người lớn ý thức được hơn trong việc bảo vệ môi trường sống của chúng ta hiện nay và lan tỏa điều tốt đẹp này đến trong cộng đồng ngày một nhiều hơn.

Giới thiệu về cuộc thi xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu

Được khởi nguồn từ Honda Nhật Bản vào năm 1981, cuộc thi Lái xe sinh thái – Tiết kiệm nhiên liệu Honda là một sự kiện hướng đến tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường Đây là sân chơi cạnh tranh lành mạnh nơi những người tham gia kết hợp sự sáng tạo, trí tưởng tượng và những hiểu biết về công nghệ để thiết kế ra những chiếc xe có khả năng cạnh tranh về hiệu suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng động cơ xăng của Honda

Cuộc thi hướng tới mục đích nâng cao niềm vui sáng tạo trong làm việc nhóm, cũng như ý thức bảo vệ môi trường cho giới trẻ Với khẩu hiệu “Bạn có thể đi được bao nhiêu km với 1 lít xăng?”, EMC đã ghi dấu sâu sắc trong cộng đồng, đặc biệt là với các bạn trẻ, trở thành một trong những cuộc thi sáng tạo công nghệ hướng tới bảo vệ môi trường được yêu thích tại nhiều nước châu Á

Nâng bước những đam mê, thổi bùng những sáng tạo, khuyến khích vượt qua thử thách và giáo dục ý nghĩa cộng đồng sâu sắc, EMC mang ý nghĩa xã hội to lớn, là động lực thúc đẩy các bạn trẻ - những thế hệ tương lai phát triển các giá trị bền vững trong ý thức bảo vệ môi trường toàn cầu

Cuộc thi lái xe sinh thái – Tiết kiệm nhiên liệu Honda được tổ chức tại Việt Nam lần đầu tiên vào năm 2010 Sau 11 năm tổ chức thành công tại Việt Nam và được các bạn trẻ nhiệt tình đón nhận, năm nay Honda Việt Nam tiếp tục triển khai cuộc thi Honda EMC lần thứ 12 với dự kiến vòng chung kết tổ chức vào giữa tháng 10.2021

Trường chúng ta cũng là một thành viên lâu năm của cuộc thi Honda EMC này cụ thể có đội CKĐ_Min10 năm 2014 đã đạt giải nhì của cuộc thi và giành một suất đặc biệt tham gia cuộc thi tại Nhật Bản với thành tích 1098,289 km/lít và tiếp sau đó là có những đội khác

4 tham gia và đạt thành tích cao như Thewind_UTE đã đạt giải tư trong cuộc thi năm 2020 với thành tích 509,403 km/lít.

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế khung vỏ xe bằng phần mềm Solidworks và sử dụng phần mềm Ansys Fluent để đảm bảo xe có đặc tính khí động học là tốt nhất

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền lực sao cho đủ bền và đảm bảo khả năng tăng tốc của xe mà không bị trượt hay tuột xích

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống lái sao cho đủ bền, đơn giản nhất có thể và cảm giác lái là tốt nhất cho người lái

Kết quả nghiên cứu phải thỏa mãn các yêu cầu về động học, động lực học, kết cấu và điều kiện làm việc của xe trong cuộc thi xe sinh thái HONDA EMC 2021.

Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế khung vỏ của xe đua sinh thái bằng Solidworks

1.1 Cơ sở lí thuyết về khung và thân vỏ xe

1.2 Phương án thiết kế khung xe bằng Solidworks

1.3 Phương án thiết kế vỏ xe bằng Solidworks

Nội dung 2: Nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống truyền lực

2.1 Cơ sở tính toán hệ thống truyền lực

2.2 Lựa chọn kiểu truyền động

2.3 Tính toán các lực cản chuyển động và tỉ số truyền của xe

2.4 Tính toán và kiểm tra bền cho bộ truyền xích

Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế hệ thống lái

3.1 Tổng quan về hệ thống lái

3.2 Tính toán hệ thống lái trên xe sinh thái

3.3 Kiểm tra bền một số chi tiết hệ thống lái

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết, tham khảo tài liệu trên các sách, mạng Internet…

- Phương pháp mô phỏng và mô hình hóa

Ý nghĩa của đề tài

Góp phần đưa ra một vài giải pháp cải tiến khung thân xe, hệ thống truyền lực, hệ thống điều khiển Đưa ra giải pháp cải thiện khí động học để góp phần vào việc tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường

Làm tài liệu tham khảo góp phần tạo cho các bạn sinh viên khóa sau có thể nghiên cứu, học hỏi qua những nội dung nhóm đã tích lũy được ở đồ án này

Tiêu chuẩn của cuộc thi Honda EMC

Đối với cuộc thi Honda EMC, tiêu chuẩn của phương tiện phải có từ 3 bánh xe trở lên và có kết cấu vững chãi dù đang chuyển động hay đứng yên Tất cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi phương tiện đứng trên bề mặt phẳng

- Chiều cao tổng thể: tối đa 1,8m

- Chiều dài tổng thể: tối đa 3,5m

- Khoảng cách giữa trục trước và trục sau: tối thiểu 1m

- Khoảng cách giữa hai bánh xe: tối thiểu 0,5 m

- Chiều rộng tổng thể: tối đa 1,7 m

- Ống xả phải nhô ra phía sau nhưng không quá 5 cm (Khí thải phải được xả ra từ đuôi xe)

 Để nâng cao độ an toàn, thân xe cần được thiết kế sao cho điểm đầu mũ bảo hiểm của người lái xe phải nằm sau trục bánh trước khi xe chạy Nghiêm cấm áp dụng các thiết kế mà đầu người lái xe chịu tác động trực tiếp khi xảy ra va chạm

 Phương tiện phải được thiết kế sao cho trong tư thế lái xe, chân của người lái xe không bị vượt ra ngoài khung xe (sàn xe) Nghiêm cấm các thiết kế mà cơ thể người lái xe chịu tác động trực tiếp khi xảy ra va chạm

Ngoài ra, để nâng cao an toàn, phương tiện phải được thiết kế sao cho cơ thể và hai chân tách biệt với mặt đường

- Góc lái: Phương tiện tham gia cuộc thi cần phải có bán kính quay vòng tối đa 5m

- Tầm nhìn phía trước: Người lái xe, ở tư thế lái xe thông thường, phải không bị cản trở tầm nhìn phía trước, góc nhìn bên trái – phải đảm bảo tối thiểu 90º mà không cần gương, kính viễn vọng Trong trường hợp trời mưa, kính chắn gió phía trước có thể bị mờ, cần có các hành động thích hợp, chẳng hạn như tháo bỏ kính chắn gió.

 Để đảm bảo khả năng quan sát phía sau, mỗi phương tiện phải được trang bị gương chiếu hậu có khung, ở cả bên trái và phải Diện tích gương chiếu hậu ở mỗi bên tối thiểu là 40 cm2 (Ví dụ: cao 5cm x rộng 8cm)

 Người lái xe, ở tư thế lái thông thường, phải đảm bảo nhìn được trạng thái của phương tiện di chuyển ở phía sau

 Trong trường hợp trời mưa, nếu kính chắn gió bị mờ, phải có các hành động thích hợp, như tháo bỏ kính chắn gió.

Khảo sát một số thiết kế về thân vỏ của xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu qua các năm

Những mẫu xe không bao hai bánh trước

Trong các cuộc thi Honda EMC những năm qua, các mẫu xe với thiết kế phần vỏ ôm sát vào khung đều đã đạt những thứ hạng cao như:

Hình 2.1 Đội CKĐ_MIN10 đến từ Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP.HCM

Hình 2.2 Đội Super Cup 50 đến từ Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.3 Đội Thewind_UTE đến từ Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP.HCM

Nhận xét: Tất cả các thiết kế trên đều được thiết kế trên cơ sở xe 3 bánh với 2 bánh trước dẫn hướng và 1 bánh sau dẫn động Cả 2 bánh trước đều được thiết kế nằm ngoài vỏ xe Ưu điểm:

- Dễ chế tạo khung sườn và vỏ xe

- Có nhiều tài liệu, mẫu thiết kế tham khảo giúp thuận tiện cho việc thiết kế và cải tiến

- Sử dụng 1 bánh xe dẫn động sẽ đơn giản hơn 2 bánh dẫn động, vì việc thiết kế bộ truyền xích cho 1 bánh dẫn động sẽ dễ dàng hơn so với thiết kế bộ vi sai cho 2 bánh

- Phần vỏ xe ôm sát khung sườn giúp hệ số cản và khối lượng của xe được giảm đáng kể

- Thiết kế xe với trọng tâm thấp giúp xe chuyển động ổn định hơn, không bị lật khi qua cua

- Do thiết kế xe thon và dài nên tài xế phải gần như nằm lái, gây ra sự không thoải mái

- Không sử dụng hệ thống treo sẽ giảm độ bám của xe với mặt đường (không đáng kể)

- Do thiết kế đơn giản và được sử dụng qua nhiều năm nên các mẫu xe trên sẽ không được thẩm mỹ

Những mẫu xe có phần vỏ bao cả hai bánh trước

Trong các cuộc thi Honda EMC những năm qua, các mẫu xe với thiết kế phần vỏ bao toàn bộ hai bánh trước đã đạt được những thành tích đáng kể như:

Hình 2.4 Đội Shimofusa đến từ Nhật Bản

Hình 2.5 Đội Yazaki đến từ Hải Phòng Việt Nam

Nhận xét: Tất cả các thiết kế trên đều được thiết kế trên cơ sở xe 3 bánh với 2 bánh trước dẫn hướng và 1 bánh sau dẫn động Phần vỏ xe được thiết kế bao cả 2 bánh dẫn hướng Ưu điểm:

- Thiết kế bao 2 bánh dẫn hướng sẽ tăng tính thẩm mỹ cho xe

- Thiết kế xe ngắn hơn làm giảm khối lượng phần khung xe

- Khó khăn trong việc thiết kế vỏ xe

- Khối lượng phần vỏ sẽ tăng lên

- Tăng hệ số cản do diện tích cản chính diện xe sẽ lớn hơn

- Để khắc phục được việc diện tích cản tăng thì phải làm cho vỏ xe nhỏ lại, làm hẹp không gian người lái như đội Shimofusha

Nhận xét chung và kết luận

Nhận xét chung: Các mẫu xe trên đều là những mẫu xe quen thuộc và được rất nhiều đội tham gia thiết kế Và tất cả những mẫu xe đó đều đã đạt được thứ hạng cũng như thành tích ở những năm tham gia cuộc thi

- Đội CKĐ-MIN10 – Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật thành phố Hồ Chí Minh với thành tích hạng nhì cuộc thi Honda EMC Việt Nam 2014 với thành tích 1098,286 km/lít

- Đội SUPERCUB50 – Đại học Công Nghiệp Hà Nội đạt thành tích hạng nhất của cuộc thi Honda EMC Việt Nam 2020 với thành tích 1091,1 km/lít

- Đội THEWIND_UTE – Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đạt thành tích hạng tư cuộc thi Honda EMC Việt Nam 2020 với thành tích 509,403 km/lít

- Đội SHIMOFUSA – Trung học phổ thông Shimofusa Nhật Bản đạt thành tích 7 lần vô địch cuộc thi Honda EMC Nhật Bản với thành tích gần nhất năm 2018 là 2086,916 km/lít

- Đội YAZAKI – Doanh nghiệp Yazaki Hải Phòng, Việt Nam đạt thành tích là mẫu xe được yêu thích nhất cuộc thi Honda EMC Việt Nam 2017

- Nhóm sẽ thừa kế lại thiết kế truyền thống của trường:

 Thiết kế xe 3 bánh (2 bánh trước dẫn hướng, 1 bánh sau dẫn động)

 Phần vỏ không bao 2 bánh trước và thiết kế ôm sát khung sườn xe để chắc chắn và giảm hệ số cản gió

 Không sử dụng hệ thống treo để giảm khối lượng, giúp xe đơn giản hơn trong việc thiết kế

- Các điểm mà nhóm cần phải thay đổi:

 Phần khung sườn sẽ làm bằng sắt thay vì làm Inox như các nhóm trước để giảm chi phí (khối lượng của 2 vật liệu trên không chênh lệch nhiều)

 Khoản chi phí tiết kiệm được từ việc thiết kế khung sườn sẽ được đầu tư vào việc thiết kế vỏ, làm cho vỏ vừa nhẹ, thẩm mỹ và đặc biệt là phải có hình dạng khí động học tốt nhất

Khảo sát hệ thống truyền lực của xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu những năm trước

Hình 2.6 Phương án thiết kế bộ truyền trung gian Ưu điểm:

- Có thể truyền được mômen giữa hai trục có khoảng cách lớn mà ít sảy ra sự cố tuột xích

- Có thể truyền mômen với một tỷ số truyền lớn mà bánh xích không cần quá lớn

- Chi phí cho bộ truyền lớn

- Cần không gian để đặt bộ truyền

- Tổn thất do hiệu suất của bộ truyền xích bị nhân đôi

- Tổn thất công suất lớn do ma sát sinh ra trên các cụm ổ lăn của trục trung gian và trên đĩa xích trung gian

Hình 2.7 Phương án thiết kế bộ truyền trực tiếp Ưu điểm:

- Có cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt, giá thành rẻ

- Bị tổn thất công suất ít trong quá trình truyền mômen từ trục chủ động đến trục bị động cho các khâu không cần thiết như trục trung gian, đĩa xích trung gian…

- Khi muốn truyền mômen giữa 2 trục có khoảng cách trục lớn đòi hỏi cần phải có đai hoặc xích dài do đó dễ gây tuột đai, tuột xích, đứt xích

- Do cấu trúc của bộ truyền chỉ có một cặp puly hoặc bánh đai nên khi muốn có một tỷ số truyền rất lớn hay rất nhỏ thì bánh đai, đĩa xích bị động sẽ rất lớn hay bánh đai, đĩa xích bị động rất nhỏ và ngược lại

Với những ưu điểm của bộ truyền trung gian như: Truyền được mômen lớn ở khoảng cách xa mà không cần đĩa xích quá lớn, không xảy ra sự cố tuột xích đảm bảo an toàn cho phương tiện khi tham gia cuộc thi nên nhóm chọn thiết kế hệ thống truyền lực theo kiểu bộ truyền trung gian

Khảo sát hệ thống lái của xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu qua các năm

Phương án dẫn động lái bằng hai thanh kéo dọc

Hình 2.8 Phương án dẫn động lái bằng hai thanh kéo dọc Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản, dễ thi công lắp đặt

- Giảm được một phần nhỏ khối lượng

- Khi bán kính quay vòng nhỏ, cần đánh lái với một góc lớn hoặc người lái dùng lực đánh lái thừa sẽ làm cho bánh trước bị chụm quá gây nguy hiểm

- Hệ thống lái này độ rơ rất cao dẫn đến khi người lái đánh lái sẽ bị chậm đi một khoảng thời gian nào đó

- Khó khăn trong việc thiết kế và tính toán động học hình thang lái

Phương án dẫn động lái bằng hình thang lái

Hình 2.9 Phương án dẫn động lái bằng hình thang lái Ưu điểm:

- Chế tạo đơn giản, đáp ứng được khả năng đánh lái khi góc đánh lái lớn (bán kính vòng cua nhỏ)

- Không bị trượt bánh xe khi quay vòng

- Có thể tính toán được động học của hình thang lái dễ dàng

- Kết cấu phức tạp hơn so với phương án 1

- Chi phí gia công các vật liệu làm hệ thống lái cao hơn

- Từ những ưu nhược điểm của các phương án trên cộng với kinh nghiệm của những năm trước và khả năng thực tế Nhóm đã lựa chọn phương án dẫn động lái bằng hình thang lái

- Phần tử cơ bản của dẫn động lái là hình thang đantô, nó được tạo bởi cầu trước, đòn kéo ngang và các đòn bên Sự quay vòng của xe rất phức tạp, để đảm bảo mối quan hệ động học của bánh xe phía trong và phía ngoài khi xe quay vòng là một điều khó thực

16 hiện Hiện nay người ta chỉ đáp ứng gần đúng mối quan hệ động học đó bằng hệ thống khâu khớp và đòn kéo tạo nên hình thang lái Do đó chọn phương án dẫn động lái với hình thang lái đantô.

Giải pháp chung của đề tài

Sau khi tham khảo các mẫu xe đã tham gia cuộc thi Honda EMC trong và ngoài nước qua các năm:

- Về phần khung, vỏ sẽ sử dụng ý tưởng thiết kế xe 3 bánh như truyền thống của trường, với 2 bánh dẫn hướng đặt phía trước và 1 bánh dẫn động đặt phía sau Phần vỏ sẽ được thiết kế ôm sát khung xe, chú trọng đến khối lượng và khả năng khí động học

- Về phần hệ thống lái, nhóm sẽ lựa chọn phương án dẫn động lái bằng hình thang lái

Sẽ chú trọng tới việc chọn vật liệu cùng với cách bố trí để không chiếm khối lượng và không gian ở khoang người lái

- Về phần hệ thống truyền động, do khoảng cách từ cốt máy của động cơ đến bánh sau khá xa và cần truyền một tỉ số truyền lớn nên nhóm quyết định sử dụng bộ truyền trung gian và đồng thời bộ truyền trung gian còn giúp giảm khả năng tuột xích trong quá trình xe di chuyển để đảm bảo an toàn cho người lái

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KHUNG VỎ CỦA XE

Tính toán thiết kế khung xe sinh thái

Trong đề tài này nhóm chọn phương pháp học hỏi và cải tiến một số khung xe có sẵn của các đội đi trước để làm cơ sở cho thiết kế

Các thông số đầu vào:

- Sử dụng động cơ Honda Wave 110cc

- Vận tốc xe khoảng 25 – 42 km/h

- Tải trọng: Chở được một người (tài xế tương đương 55 kg)

Các thông số đầu ra:

- Đáp ứng được những tiêu chí trong quá trình thiết kế đưa ra như: độ bền, tính kinh tế nhiên liệu, khối lượng khung vỏ, đặc tính khí động học…

Một số thông số tính toán dự kiến của xe

Dựa vào tiêu chuẩn của cuộc thi về khung vỏ xe: Phương tiện tham gia cuộc thi phải có từ 3 bánh xe trở lên và có kết cấu vững chãi dù đang chuyển động hay đứng yên Tất cả các bánh xe phải tiếp xúc với mặt đất khi phương tiện đứng trên bề mặt phẳng

- Chiều cao tổng thể: 550 mm

- Chiều dài tổng thể: 2700 mm

- Chiều dài trục cơ sở: 1450 mm

- Khoảng cách giữa hai điểm đặt bánh xe: 500 mm

- Khoảng cách giữa hai đường tâm bánh xe: 700 mm

- Chiều rộng tổng thể: 450 mm

- Khối lượng của xe tính kể cả người lái: 85 kg

- Khối lượng của khung xe: 5,5 kg

- Khối lượng vỏ xe: 7 kg

Từ những thông số tiêu chuẩn của cuộc thi đã quy định sẵn, nhóm sẽ đo đạc và tính toán lại sao cho phù hợp với tài xế cùng với đó là ý tưởng thiết kế của nhóm

Lí thuyết cơ bản về khung xe sinh thái Ở khung xe sinh thái thì nhóm chọn khung gầm hình ống rỗng để làm cơ sở để thiết kế khung chính cho xe

Hình 3.1 Khung hình ống rỗng Ở loại khung này sử dụng nhiều ống cắt hình tròn (hoặc hình vuông) Các ống được đặt theo nhiều hướng khác nhau nhằm tạo ra lực cơ học chống lại các lực tác động từ khắp mọi nơi Chúng được hàn lại với nhau và tạo thành một cấu trúc rất phức tạp Có một số loại ô tô sử dụng khung gầm hình ống rỗng để có thể tăng tỷ số độ cứng/trọng lượng Ưu điểm của khung gầm dạng này là rắn chắc từ mọi phía, nhưng lại rất phức tạp, tốn kém và mất nhiều thời gian để chế tạo Không thể sản xuất bằng dây chuyền tự động Bên cạnh đó, loại khung này tạo khó khăn cho người lái khi ra vào ô tô

Tận dụng những ưu điểm của khung hình ống rỗng, khung này cũng phù hợp với các tiêu chí nhóm đưa ra về khối lượng, độ bền, hệ số an toàn… và cũng đáp ứng các điều kiện cơ sở vật chất hiện có để thực hiện quá trình gia công khung nên nhóm quyết định chọn kiểu khung này để thiết kế cho xe sinh thái

Vật liệu chế tạo khung

Vật liệu dùng để chế tạo các thanh dầm thường là thép hợp kim hay thép carbon thấp hoặc trung bình như: CT2, CT3… Đặc điểm của các loại thép này là:

- Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao, mềm hơn các loại thép cacbon

- Ít nhạy cảm với tập trung ứng suất và có khả năng chống được oxi hóa cao

- Có tính dập nguội và có tính hàn tốt

Thép hợp kim được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy, ô tô, cần trục, cầu và công trình xây dựng đòi hỏi cường độ chịu lực lớn

Thông số kĩ thuật của thép CT3:

Bảng 3.1 Bảng mô tả thành phần hóa học của thép CT3

Bảng 3.2 Bảng mô tả tính chất cơ lí của thép CT3

Mác thép Giới hạn chảy

(min) Giới hạn bền kéo Độ giãn dài (min)

Kết luận: Chọn vật liệu chế tạo khung là thép carbon CT3

Thiết kế kĩ thuật phần khung xe

Thông số kích thước cơ thể người lái:

Hình 3.2 Kích thước cơ thể người lái

Bảng 3.3 Thông số kích thước cơ thể người lái

Kích thước cơ thể người theo tiêu chuẩn (mm)

Kích thước của người lái khi ngồi với tư thế lái xe:

Hình 3.3 Kích thước vị trí cơ thể người lái

Từ các kích thước tiêu chuẩn của người lái, nhóm thiết kế được sơ bộ khung xe với các kích thước sau:

Hình 3.4 Hình ảnh mô tả cơ thể người khi ngồi trên xe

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

Hình 3.5 Bản vẽ khung xe hoàn 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 hoàn chỉnh

Chọn vật liệu là các ống tròn và vuông bằng thép CT3 như hình vẽ:

Hình 3.6 Hình ảnh kích thước của vật liệu

Bảng 3.4 Khối lượng các thành phần trên xe sinh thái

STT Thành phần Khối lượng Đơn vị

3 Hệ thống truyền lực 1 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 Mô hình xác định vị trí trọng tâm

Trọng lượng bản thân xe (bỏ qua động cơ): F1 = 15.10 = 150 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"0 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:

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:

Hình 3.8 Các bước kiểm nghiệm bền cho khung xe

Bước 1: Xây dựng mô hình 3D Để tạo mô hình cho việc mô phỏng ta sử dụng phần mềm Solidworks Nhấp chọn vào lệnh Sketch gồm các lệnh 2D và 3D giúp chúng ta phác thảo ra mô hình

Hình 3.9 Thanh công cụ của Solidwords

Mô hình sau khi phác thảo sẽ có hình dạng các đường trong mặt phẳng 3D

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

Hình 3.11 Khung sau khi đã được gán các thanh dầm bằng Weldments

Bước 2: Gán vật liệu cho mô 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 mô hình

Bước 3: Thiết lập các thông số đầu vào

Trước khi tiến hành phân tích cần đặt tải trọng và ràng buộc cho mô 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 mô hình, gán các lực tác dụng và chia lưới cho mô hình

Chọn vào Fixtures để tạo ràng buộc cố định cho mô hình

Hình 3.13 Gán các rằng buộc cố định cho mô hình

Chọn vào External Loads để đặt các lực tác dụng lên mô hình

Hình 3.14 Các lực tác dụng lên mô hình

Bảng 3.5 Bảng mô tả các lực tác dụng lên mô hình

Kí hiệu Ý nghĩa Giá trị

Mũi tên đỏ Tải trọng phân bố của toàn bộ người lái

Mũi tên vàng Tải trọng phân bố của toàn bộ khung vỏ xe

Mũi tên xanh Tải trọng phân bố của toàn bộ cụm động cơ

Bước 4: Chia lưới cho mô hình

Chọn Create Mesh để chia lưới cho mô hình Solidworks giải bài toán siêu tĩnh này bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Hình 3.15 Mô 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 quá trình mô phỏng như: Stress, Displacement và Factor of Safety tương ứng với ứng suất, chuyển vị và hệ số an toàn của khung

Phân tích ứng suất trong khung xe:

Hình 3.16 Biểu đồ ứng suất của khung

Phương án thiết kế thân vỏ xe sinh thái

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 toàn cho người lái trong quá 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 ô tô

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 Còn 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 không khí với bề mặt vỏ ô tô và lực nâng ô tô làm sự thay đổi hệ số bám

Hình 3.20 Các vùng áp suất khi ô tô chuyển động

Lực cản: Sự chuyển động của ô tô đẩy không khí phía trước nó Tuy nhiên, không khí không 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, không khí phía sau ô tô không thể điền đầy khoảng trống ngay, nó tạo ra vùng khí có áp suất thấp Do đó, sự chuyển động của ô tô tạo ra 2 vùng áp suất đối lập nhau

Sự ma sát bề mặt: Không khí gần bề mặt của ô tô di chuyển với tốc độ tương đương ô tô trong khi không khí ở xa hơn được giữ nguyên Tốc độ khác nhau của hai dòng khí sinh ra ma sát Lực nâng: Khi ô tô 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 dòng 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 C x (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 (C x 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:

Fω – Lực cản không khí (N) ρ – Mật độ không khí (kg/m 3 )

S – Diện tích cản chính diện của xe (m 2 )

Vx – Vận tốc tương đối giữa ô tô và không khí (m/s)

Cx – Hệ số cản không khí

Như vậy chúng ta muốn cải thiện khí động học của ô tô thì đồng nghĩa với việc chúng ta phải giảm Cx Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển được mô tả trên hình 3.21 Có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trước năm 1930 với những chiếc ô tô 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 hoàn 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

Hình 3.21 Quá trình cải thiện hình dạng khí động học của ô tô nhằm giảm hệ số cản

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 không khí Nếu những chiếc ô tô có hình dạng như vậy thì lực cản khí động học là nhỏ nhất Ở phần dưới của hình 3.22 mô 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 không 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 hoàn 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 ô tô đua, thể thao )

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 ôm 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 thông 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

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 (Lđuôi) Để lựa chọn các thông 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:

Hình 3.23 Sơ đồ tổng thể thân vỏ

- Kích thước tổng thể (DxRxC): 2700x450x550 mm

- Chiều dài trục cơ sở E: 1450 mm

- 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 người lái

Cơ sở tính toán hệ thống truyền lực

Các thông số và yêu cầu của xe sinh thái

Sau khi thiết kế khung vỏ ta được các thông số của xe như sau:

Bảng 4.1 Bảng mô tả các thông số cơ bản của xe sinh thái

Khối lượng xe tính cả người lái 85 kg

Xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu chạy trên đường nhựa khô tiêu chuẩn Để bảm bảo việc tiết kiệm nhiên liệu của xe yêu cầu hệ thống truyền lực của xe phải giúp xe tăng tốc nhanh, thời gian tăng tốc ngắn Dựa trên quãng đường đua và thời gian giới hạn đua yêu cầu xe phải chạy với tốc độ tối đa là 42km/h và tốc độ tối thiểu là 25km/h Xe phải tăng tốc lên tốc độ 42km/h trong thời gian nhanh nhất rồi tắt máy thả tự trôi đến khi tốc độ giảm xuống 25km/h thì lại bật máy khởi động và tăng tốc lên 42km/h lặp lại chu kì trên

Thông số của động cơ Honda Wave 110cc

Bảng 4.2 Bảng mô tả thông số của động cơ Honda Wave 110cc

Loại động cơ Xăng, 4 kì, 1 xilanh, làm mát bằng không khí Công suất tối đa 6,18 kW tại 8000 vòng/phút Dung tích nhớt máy 0,8 lít sau khi thay nhớt

1 lít sau khi rã mãy

Hệ thống khởi động Đạp chân/Điện

Moment cực đại 8,56 Nm tại 5500 vòng/phút

Dung tích xy – lanh 109,1 cm 3 Đường kính x hành trình piston 50 mm x 55,6 mm

Lựa chọn kiểu truyền động

Các kiểu truyền động hiện nay:

- Truyền động bằng xích

- Truyền động bằng bánh răng

- Truyền động bằng trục các – đăng

Dựa trên những yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế hệ thống truyền lực ta chọn kiểu truyền động bằng xích Ưu điểm của bộ truyền xích là:

- Kết cấu đơn giản, dễ điều chỉnh, thay thế nhanh, nhẹ…

- Truyền được lực kéo lớn, đáp ứng nhanh nhu cầu tăng tốc của xe

- Hiệu suất truyền động cao ɳ ≈ 0,93

Nhược điểm của bộ truyền xích là:

- Xích chóng mòn gây tiếng động

- Dễ va đập, tuột xích

- Thường xuyên phải điều chỉnh, bảo dưỡng

Với bộ truyền xích ta sẽ có rất nhiều cách để bố trí chúng trên hệ thống truyền lực chúng ta đang thiết kế Tuy nhiên điều chúng ta cần làm ở đây là thiết kế bố trí sao cho bộ truyền xích là tối ưu nhất, thích hợp nhất nhưng vẫn mang lại hiệu suất cao và giá thành rẻ nhất Theo những phân tích ưu nhược điểm ở mục 2.3 Chương 2 thì nhóm chọn bộ truyền xích trung gian

Hình 4.1 Bộ truyền xích trung gian

Tận dụng quán tính của xe

Việc tận dụng được lực quán tính của xe có khả năng chạy quán tính không bị phanh bởi động cơ là rất quan trọng cho việc tiết kiệm nhiên liệu trên xe Nó giúp cho xe có khả năng chạy trơn một quãng đường rất xa khi động cơ không nổ máy

Các phương án được đặt ra để có thể làm bánh xe làm sao để chúng ta có thể tận dụng được quán tính của xe, giúp xe chạy trơn trong khi động cơ vẫn tắt mà bánh xe không bị kìm hãm bởi động cơ quay trơn trong quá trình tắt máy mà không ảnh hưởng đến việc truyền mômen từ động cơ đến bánh xe trong quá trình động cơ làm việc là:

Sử dụng ly hợp từ Ưu điểm: Hiệu suất cao, lực truyền tải lớn, độ bền lớn

Nhược điểm: Phức tạp, giá thành cao, tiêu thụ điện áp ắc quy lớn điều khiển phụ thuộc vào người lái xe

Sử dụng khớp một chiều: Ưu điểm: Giá thành thấp, hiệu suất tương đối cao, đơn giản, dễ gia công để lắp đặt trên bộ truyền, tự động làm bánh xe quay trơn khi số vòng quay bánh xe lớn hơn số vòng quay trên động cơ

Nhược điểm: Tuổi thọ thấp hơn ly hợp từ

Kết luận: Từ những ưu điểm của hai phương án trên quyết định chọn sử dụng khớp một chiều do ưu điểm của nó vượt trội hơn ly hợp từ

Hình 4.2 Cơ cấu khớp một chiều trên xe

Tính toán các lực cản chuyển động và tỉ số truyền của xe

Hình 4.3 Sơ đồ lực và momen tác dụng khi xe tăng tốc

Trên hình 4.3 trình bày sơ đồ các lực và momen tác dụng lên ô tô đang chuyển động tăng tốc Ý nghĩa của các kí hiệu trên hình vẽ như sau: a - Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh xe trước b - Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh xe sau

L - Chiều dài cơ sở của xe

G - Trọng lượng toàn bộ của ô tô

F k - Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động

F f - Lực cản lăn ở các bánh xe bị động

F f - Lực cản lăn ở các bánh xe chủ động

F j - Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định

Z Z - Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu trước, cầu sau

M f - Momen cản lăn ở các bánh xe bị động

M f - Momen cản lăn ở các bánh xe chủ động

Theo tài liệu lực cản lăn được tính theo công thức 4.5 tài liệu [2]:

Khối lượng của bánh xe gồm cả người lái: 85 kg

Trọng lượng của xe là: Gm g 85.10850N

Hệ số cản lăn: f 0, 02 (điều kiện đường nhựa khô) Đường bằng phẳng nên góc:  1 0

Theo tài liệu lực cản không khí được tính theo công thức 4.13 tài liệu [2]:

Hệ số cản không khí: C x 0, 081 (theo mô phỏng)

Diện tích cản chính diện: S  0.25   m 2 (theo mô phỏng)

Mật độ không khí: 1, 225(kg m/ 3 )

Vận tốc tương đối giữa ô tô và không khí:V m s b ( / )

Do xe chạy đều trên đường bằng phẳng và không kéo móc nên lực cản lên dốc, lực quán tính và lực cản kéo móc coi như bằng 0

Suy ra tổng lực cản:

Theo phần 3.1.6 ta có L tt 1243, 24(mm)

Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh xe sau:

Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh xe trước:

Phản lực tại bánh xe chủ động:

Theo tài liệu lực cản do ma sát được tính theo công thức:

Phản lực tại bánh xe chủ động: Z 2 384,997( )N

Hệ số ma sát của mặt đường:  0,8(do xe chạy trên đường nhựa khô)

F    N Để xe tránh xảy ra hiện tượng trượt lết ở bánh xe chủ động thì lực kéo phải thỏa mãn điều kiện F k max F 

Theo tính toán về thời gian và quãng đường chạy của xe, cũng như tham khảo các đội thi trước, khi tham gia cuộc thi xe có tốc độ trung bình khoảng 35 km/h, ta sẽ tính toán hệ thống truyền lực sao cho động cơ hoạt động vào vùng kinh tế nhiên liệu cao nhất và đáp ứng khả năng tăng tốc của xe

Theo tính toán các công thức 4.6 và 4.8, lập được bảng giá trị và vẽ được đồ thị đặc tính ngoài của động cơ:

Hình 4.4 Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ

Trong bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu có ích thường có giá trị thấp nhất, có nghĩa là hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao nhất tại vùng tốc độ trung bình và momen xoắn trung bình Vùng tối ưu này có giá trị cụ thể và khác nhau phụ thuộc vào tùy động cơ, ví dụ như động cơ hình 4.5:

P e( k W) ne(v/ph) Đồ thị đường đặc tính ngoài của động cơ

Hình 4.5 Bản đồ suất tiêu hao nhiên liệu có ích của một động cơ đốt trong thực tế

Theo đồ thị hình 4.4 và 4.5 ta có thể thấy được momen xoắn cực đại tại dải tốc độ trung bình từ 2500 vòng/phút đến 4200 vòng/phút ứng với suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ là tốt nhất và cũng đảm bảo được công suất, mômen xoắn của động cơ nên ta chọn giá trị tốc độ động cơ 3500 vòng/phút để tính tỉ số truyền của xe ứng với tốc độ trung bình của xe

35 km/h khi tham gia cuộc thi

Tốc độ góc của bánh xe: 2

Số vòng quay bánh xe chủ động: n b

Theo tài liệu ta có: e t b i n

Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực:i t

Số vòng quay của bánh xe chủ động:n b (vòng/phút)

Số vòng quay của trục khuỷu động cơ:n e (vòng/phút)

 n   Như vậy tỉ số truyền tổng của xe là: i t 9, 42

Tính lực kéo của xe

Theo tài liệu [1] ta có:

Công suất có ích của động cơ: P k e   w

Công suất có ích của động cơ: P e max 6,18  kw

Số vòng quay của trục khuỷu động cơ: n e (vòng/phút)

Số vòng quay của trục khuỷu ở công suất cực đại của động cơ:n e P (vòng/phút)

Các hệ số thực nghiệm a, b, c Đối với động cơ xăng a  b c 1

Sau khi có các giá trị P e và n e ta tính được momen xoắn M e (momen của động cơ) theo công thức sau:

Theo tài liệu ta có công thức tính lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động:

Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động:F k

Momen kéo của bánh xe chủ động:M k

Bán kính bánh xe chủ động:r b

Tỉ số truyền của hệ thống truyền lực:i t

Hiệu suất của hệ thống truyền lực: t vì chọn bộ truyền xích để hở theo bảng 2.3 tài liệu [1] và truyền trung gian có 2 bộ truyền xích nên:    t  1 t 2 t 0,93.0,930,8649

Vận tốc bánh xe tương ứng với công suất của động cơ:

Ta thiết lập bảng thông số mối quan hệ của công suất động cơ, momen xoắn động cơ, lực cản tổng cộng, lực kéo và vận tốc của xe phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ

Bảng 4.3 Giá trị quan hệ giữa F cản , F k , P e ,M e ,V b phụ thuộc vào n e ne (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Từ bảng số liệu trên ta lập được đồ thị:

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn các lực trên xe sinh thái

- Dựa vào đồ thị ta thấy F k max 300,51  N F  308  N tại số vòng quay động cơ là

- F k min 266, 70  N F can max 19,392  N đảm bảo xe thắng lực cản và chuyển động được

- Trong quá trình chuyển động lực kéo của xe luôn lớn hơn lực cản và nhỏ hơn lực bám tại các số vòng quay động cơ khác nhau đảm bảo xe luôn chuyển động tốt và tỉ số truyền của hệ thống truyền lực đã tính toán ở trên là hợp lí và phù hợp với xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu

Nhân tố động lực học D và khả năng tăng tốc của xe

Khi so sánh tính chất động lực học của các loại ô tô khác nhau và ứng với các điều kiện làm việc của xe ở các loại đường khác nhau, người ta muốn có một thông số thể hiện được ngay tính chất động lực học của ô tô

Phương trình lực kéo không thuận lợi để đánh giá các loại ô tô khác nhau Cho nên cần phải có một thông số đặc trưng cho tính chất động lực học của xe mà chỉ số kết cấu không có mặt trong đó Thông số đó gọi là đặc tính động học của ô tô, ký hiệu là D:

Qua biểu thức trên ta thấy: Giá trị của D chỉ phụ thuộc vào các thông số kết cấu của xe, vì thế có thể xác định cho mỗi xe cụ thể

Từ phương trình lực kéo khi xe không kéo Rơmóc:

Ta chuyển WV x 2 sang vế trái và chia 2 vế cho G thì nhận được:

- Đặc tính động lực học D thể hiện khả năng ô tô thắng lực cản tổng cộng và khả năng tăng tốc

- Khi xe chuyển động đều thì j 0 và D

- Để ô tô chuyển động được thì phải thỏa mãn: D

- Giá trị của D cũng bị giới hạn bởi điều kiện bám F  F k max Bởi vậy chúng ta phải đưa thêm đặc tính động học theo điều kiện bám:

- Để ô tô chuyển động không bị trượt quay thì: D  D

- Để duy trì cho ô tô chuyển động phải thỏa mãn 2 điều kiện sau: D  D

Từ công thức 4.14 ta có:

Khi tăng tốc trên đường bằng phẳng không dốc thì i=0 và suy ra:

Ta có công thức tính hệ số khối lượng quay  j như sau:

Với i h 1 tỉ số truyền của hộp số nên suy ra:

Từ công thức 4.17 ta suy ra:

Theo các công thức 4.12, 4.15, 4.17 và với các số vòng quay động cơ, tốc độ của xe khác nhau ta lập được bảng số liệu nhân tố động lực học và gia tốc sau:

Bảng 4.4 Giá trị quan hệ giữa F φ , F k , P e ,j ,V b , D phụ thuộc vào n e ne (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Từ bảng số liệu trên ta lập được đồ thị đặc tính động học của xe:

Hình 4.7 Vùng sử dụng đồ thị đặc tính động học D theo điều kiện bám của bánh xe chủ động và điều kiện cản của mặt đường

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện khả năng tăng tốc của xe

- Theo hình 4.7 ta thấy đồ thị đặc tính động lực học D nằm trong vùng hoạt động cho phép, đảm bảo mối quan hệ D  D nên suy ra xe có đặc tính động lực học tốt

- Theo hình 4.8 ta thấy đồ thị j thể hiện khả năng tăng tốc của xe ứng với vùng hoạt động của xe là 25 – 42 km/h là lớn nhất nên suy ra xe có khả năng tăng tốc tốt, rút ngắn thời gian hoạt động của động cơ.