Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car

Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car Tối ưu hóa thiết kế tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formular car luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG VĂN QUYẾT

TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG TREO XE ĐUA FORMULAR CAR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HOÀNG THĂNG BÌNH

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

của TS Hoàng Thăng Bình Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là độc lập, hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Hà Nội, ngày 04 tháng 01 năm 2013

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1 Cơ sở nghiên cứu của đề tài 3

1.2 Phương pháp thực hiện đề tài 5

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CUỘC THI FORMULA CAR, LUẬT CUỘC THI VÀ CÁC QUY ĐỊNH THIẾT KẾ 7

2.1 Tổng quan về cuộc thi Formula Car 7

2.1.1 Lịch sử của cuộc thi 7

2.1.2 Các quy tắc cạnh tranh 7

2.1.3 Mục tiêu của cuộc thi 8

2.2 Nội dung cuộc thi Formula Car 8

2.2.1 Kiểm tra xe 8

2.2.2 Nội dung thi 10

2.2.2.1 Nội dung phần thi tĩnh 11

2.2.2.2 Nội dung phần thi động 12

2.3 Quy định chung trong thiết kế xe của cuộc thi 15

2.4 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống treo xe Formula Car 25

2.5 Bố trí chung các hệ thống trên xe 26

2.6 Bố trí người lái trong khoang xe 27

2.6.1 Sơ đồ nhân chủng học (sơ đồ kích thước của con người) 29

2.6.2 Vị trí ghế ngồi 30

2.6.3 Dựng mô hình kích thước người lái xe Formula car 32

2.7 Lựa chọn động cơ sử dụng xe Formula car 32

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TREO NÓI CHUNG VÀ HỆ THỐNG TREO TRÊN XE FORMULA CAR 35

3.1 HỆ THỐNG TREO NÓI CHUNG 35

3.1.1 Nhiệm vụ 35

3.1.2 Phân loại 35

3.1.2.1 Hệ thống treo phụ thuộc 35

3.1.2.2 Hệ thống treo độc lập 39

3.1.3 Yêu cầu 46

3.1.4 Điều kiện làm việc 47

3.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TREO CHO XE FORMULA 47

3.2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu về hệ thống treo trên xe formula Car 47

3.2.1.1 Nhiệm vụ 47

3.2.1.2 Yêu cầu 47

3.2.2 Một số hệ thống treo điển hình và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo 49

3.2.2.1 Một số hệ thống treo điển hình 49

3.2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống treo cho xe Formula Car 51

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TREO XE FORMULA CAR 52

4.1 Yêu cầu khi chọn sơ bộ thiết kế hệ treo 52

4.2 Tính toán các thông số cơ bản của hệ treo 52

4.2.1 Bộ phận đàn hồi 52

4.2.1.1 Các thông số cơ bản 52

4.2.1.2 Đặc tính đàn hồi 54

4.2.1.3 Tính toán lò xo trụ 55

4.2.2 Bộ phận giảm chấn 56

4.3 Động lực học hệ thống treo – cơ sở thiết kế, tính toán và lựa chọn các chi tiết khác 60

4.3.1 Động lực học hệ thống treo 60

4.3.2 Sự ảnh hưởng của góc đặt bánh xe tới động lực học của xe 66

4.3.3 Tính toán thiết kế giá đỡ moay ơ và đòn ngang 68

CHƯƠNG 5: TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG TREO TRƯỚC XE FORMULA CAR BẰNG CÔNG CỤ TỐI ƯU HÓA TRONG SOLIDWORKS 72

5.1 Giới thiệu về công cụ tối ưu hóa trong Solidworks 72

5.2 Sơ đồ hóa các bước thực hiện 73

5.3 Xác định các chế độ tải trọng 76

5.3.1 Xác định chế độ tải trọng của xe khi phanh 76

5.3.2 Xác định chế độ tải trọng của xe khi quay vòng 78

5.4 Tính bền các chi tiết: 80

5.5 Tối ưu thiết kế giá đỡ moay ơ 84

KẾT LUẬN CHUNG 89

1 Phương pháp nghiên cứu 89

2 Kết quả đạt được 89

3 Những tồn tại và hướng phát triển 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Kiểm tra sự phù hợp yêu cầu thiết kế của xe 8

Hình 2.2: Kiểm tra việc thoát hiểm khi gặp sự cố 9

Hình 2.3: Kiểm tra tiếng ồn khí xả 10

Hình 2.4: Kiểm tra nghiêng xe 10

Hình 2.5: Kiểm tra khả năng trình bày 12

Hình 2.6: Kiểm tra gia tốc 13

Hình 2.7: Kiểm tra trên đường hình số 8 13

Hình 2.8: Sơ đồ đường đua hình số 8 14

Hình 2.9: Kiểm tra vượt chướng ngại vật 14

Hình 2.10: Kiểm tra chạy bền 15

Hình 2.11: Khoảng sáng gầm xe 17

Hình 2.12: Đai ốc liên kết bánh xe 17

Hình 2.13: Bu-lông bánh xe 18

Hình 2.14: Điểm hạn chế hành trình lái 20

Hình 2.15: Bố trí chung các hệ thống trên xe 26

Hình 2.16: Bố trí các cụm trên xe 26

Hình 2.17: Khoảng cách từ đỉnh đầu người lái tối thiểu là 50mm 27

Hình2.18: Khoảng cách từ phía sau đầu người lái đến đường chéo sau tối thiểu là 50mm 27

Hình 2.19: Các thanh chéo bảo vệ bên có góc nghiêng tối thiểu là 30 độ và đặt cách đỉnh tối đa 160mm 28

Hình 2.20: Khoảng cách từ thanh bảo vệ bên tới mặt đất 28

(phải từ 300-350mm) 28

Hình 2.21: Mô hình người ngồi theo tiêu chuẩn của quốc gia Đức VDI 2780 29

Hình 2.22: Vị trí ghế ngồi người lái xe Formula car 31

Hình 2.23: Mô hình kích thước người lái (cao 165 cm) 32

Hình 2.24: So sánh công suất giữa các động cơ 33

Hình 2.25: So sánh mô men xoắn giữa các động cơ lựa chọn 33

Hình 3.1: Hệ thống treo phụ thuộc loại dùng là nhíp 37

Hình 3.2: Hệ thống treo phụ thuộc dùng lò xo trụ 39

Hình 3.3: Hệ thống treo độc lập với phần tử đàn hồi là lò xo với đòn treo dọc 41

Hình 3.4: Hệ thống treo độc lập hai đòn ngang 42

Hình 3.5: Hệ thống treo kiểu Macpherson 43

Hình 3.6: Hệ thống treo độc lập đòn chéo, phần tử đàn hồi lò xo 43

Hình 3.7: Hệ thống treo độc lập, phần tử đàn hồi thanh xoắn 44

Hình 3.8: Hệ thống treo kiểu 2 càng chữ A dùng cần đẩy và cò mổ 45

Hình 3.9: Hệ thống treo 2 đòn ngang giảm chấn đặt giữa 49

Hình 3.10 Hệ thống treo 2 đòn ngang giảm chấn đặt ngoài 50

Hình 4.1 Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo 55

Hình 4.2 Góc đặt giảm chấn 57

Hình 4.3: Đặc tính giảm chấn 60

Hình 4.4: Cấu tạo hệ thống treo 2 đòn ngang 61

Hình 4.5: Góc kết cấu hệ thống treo 62

Hình 4.6: Các góc đặt bánh xe 62

Hình 4.7: Tâm quay tức thời 63

Hình 4.8: Tâm quay tức thời hệ thống treo nhìn từ đầu xe 63

Hình 4.9: Quan hệ lực chống chúi bánh trước và lực chống bênh bánh sau với lực quán tính tác dụng vào bánh trước, bánh sau 64

Hình 4.10: Tâm quay tức thời nhìn từ sườn xe 64

Hình 4.11: Lực squat 65

Hình 4.12: Lực chống squat 65

Hình 4.13: Quan hệ giữa góc camber với mô hình chuyển động của xe 67

Hình 4.14: Quan hệ giữa độ dài đòn ngang với góc camber 67

trong quá trình xe chuyển động 67

Hình 4.15: Ảnh hưởng độ dài đòn ngang tới độ chụm bánh xe trong quá trình xe chuyển động 68

Hình 4.16: Mối tương quan hình học của đòn ngang với các cụm chi tiết khác 70

Hình 5.1: Logo của phần mềm Solidworks 72

Hình 5.2: Thiết kế 3D các chi tiết trên hệ thống treo 74

Bản vẽ thiết kế chi tiết giã đỡ moay ơ được trình bày trên Phụ lục 1 74

Hình 5.3: Sơ đồ các bước thực hiện tối ưu hóa 75

Hình 5.4: Lực tác dụng lên giá moay ơ khi phanh 76

Hình 5.5: Lực tác dụng lên đòn ngang dưới 77

Hình 5.6: Lực tác dụng lên đòn ngang trên 77

Hình 5.7: Lực tác dụng lên moay ơ khi quay vòng 78

Hình 5.8: Sơ đồ tính bền chi tiết 80

Hình 5.9: Ứng suất trên giá moay ơ khi phanh 81

Hình 5.10: Ứng suất trên đòn trên chính khi phanh 81

Hình 5.11: Ứng suất trên đòn dưới chính khi phanh 82

Hình 5.12: Ứng suất trên giá moay ơ khi quay vòng 82

Hình 5.13: Ứng suất trên đòn trên chính khi quay vòng 83

Hình 5.14: Ứng suất trên đòn trên phụ khi quay vòng 83

Hình 5.15: Sơ đồ tối ưu hóa 86

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Nội dung thi 11

Bảng 2.2: Ống thép tiêu chuẩn 24

Bảng 2.3: Bảng kích thước cơ thể người lái xe Formula Car 30

Bảng 2.4: Bảng kích thước giữa các bộ phận người lái xe Formula car 32

Bảng 5.1 Bảng kê kích thước tối ưu 84

Bảng 5.2 Bảng thiết lập giá trị khởi tạo trong môi trường solid 88

Bảng 5.3 Bảng kết quả tối ưu 88

1

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô là một phương tiện giao thông đường bộ quan trọng trong mạng lưới giao thông của các quốc gia Ngày nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng ngành công nghiệp sản xuất ô tô có một tốc độ tăng trưởng vượt bậc Để đáp ứng với sự phát triển đó đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật phải dồi dào với trình độ kỹ thuật cao Do vậy, trong quá trình đào tạo, các trường đại học khối kỹ thuật đã không ngừng cải tiến phương pháp dạy và học, tăng cường giao lưu học hỏi giữa các trường với các trường, giữa các trường với các doanh nghiệp, kết hợp với Hiệp Hội Kỹ Sư Ô Tô tổ chức nhiều cuộc thi chế tạo xe ô tô, để nâng cao trình

độ kỹ thuật và khả năng thích nghi khi ra trường của các sinh viên, học viên sau đại học Formula Student SAE là một trong các cuộc thi đó

Formula Student SAE là một cuộc thi được tài trợ bởi Hiệp hội Kỹ sư ô tô (Society of Automotive Engineers –SAE) của nước sở tại, tổ chức thường niên dành cho sinh viên và học viên cao học khối kĩ thuật trên toàn thế giới Ở cuộc thi này, sinh viên sẽ mang đến những chiếc xe đua công thức cỡ nhỏ do chính mình xây dựng, thiết kế, chế tạo Đánh giá những chiếc xe trong cuộc thi, là đánh giá về về tính năng hoạt động, ý tưởng thiết kế, tiêu hao nguyên vật liệu và chi phí sản xuất…

Tham dự cuộc thi các đội sẽ tự thiết kế và chế tạo ra những chiếc xe đua công thức nhỏ để cạnh tranh với nhau Thông qua cuộc thi sinh viên, học viên sau đại học có thể trải nghiệm sự thú vị và niềm tự hào khi được ứng dụng những kiến thức đã học để tự chế tạo ra những chiếc xe và đặc biệt là nâng cao năng lực tự phát hiện và tự giải quyết vấn đề cũng như phát huy được khả năng làm việc của các thành viên và hiệu quả của sự làm việc theo nhóm Thông qua việc thiết kế chế tạo sản phẩm giúp cho từng cá nhân thu được nhiều kinh nghiệm quý báu

Xuất phát từ niềm đam mê thiết kế và chế tạo ô tô, mong muốn được tham

dự các cuộc thi Xuất phát từ vai trò đặc biệt của hệ thống treo xe đối với sự thành công của một chiếc xe Từ quá trình nghiên cứu luật cuộc thi, tham khảo

2

các đội thi trong các cuộc thi và điều kiện thực tế tại Việt Nam Tác giả đã chọn

đề tài “Tối ưu hoá thiết kế, tính toán mô phỏng hệ thống treo xe đua Formula Car”

Nội dung thực hiện trong luận văn này được trình bày qua các chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 2: Tìm hiểu cuộc thi Formula Car, luật cuộc thi và các quy định thiết kế

Chương 3: Giới thiệu về hệ thống treo nói chung và hệ thống treo trên xe Formula Car

Chương 4: Thiết kế tính toán hệ thống treo xe Formula Car

Chương 5: Tối ưu hóa hệ thống treo xe Formula Car bằng công cụ tối ưu hóa trong Solidworks

Trong thời gian thực hiện khóa học và thời gian hoàn thành luận văn, tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của TS Hoàng Thăng Bình và các thầy trong bộ môn Ôtô và Xe chuyên dụng – Viện cơ khí động lực –Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thày cô, các bạn đồng nghiệp và các độc giả khác

Hà nội, ngày 5 tháng 1 năm 2013

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Cơ sở nghiên cứu của đề tài

Ngành công nghiệp ô tô không chỉ đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải, góp phần phát triển sản xuất và kinh doanh thương mại Đây là một ngành kinh

tế mang lại lợi nhuận rất cao nhờ sản xuất ra những sản phẩm có giá trị trị vượt trội Sớm nhận thức được tầm quan trọng của ngành công nghiệp này các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Anh, Pháp, Hàn Quốc … đã rất chú trọng cho việc phát triển ngành công nghiệp ô tô của riêng mình trong quá trình công nghiệp hóa nhằm không chỉ phục vụ trong nước mà còn xuất khẩu ra nước ngoài

Ở Việt Nam, chúng ta cũng đã cố gắng xây dựng ngành công nghiệp ô tô của riêng mình với mục tiêu sản xuất thay thế nhập khẩu và từng bước tiến tới xuất khẩu Chính phủ Việt Nam đã luôn khẳng định vai trò chủ chốt của ngành công nghiệp ô tô trong sự phát triển kinh tế và luôn tạo điều kiện thuận lợi thông qua việc đưa ra các chính sách ưu đãi để khuyến khích các doanh nghiệp trong nước và nước ngoài đầu tư vào sản xuất ô tô và phụ tùng Mặc dù vậy sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam vẫn còn ở mức thấp cả về số lượng, chất lượng và sự hiện đại Các doanh nghiệp mới chỉ dừng ở mức độ lắp giáp các chi tiết nhập khẩu hoặc đã sản xuất ra những chi tiết đơn giản nhưng giá thành cao, chất lượng kém, tốn thời gian

Thực tế đó đặt ngành công nghiệp ô tô Việt Nam trước những thách thức lớn trong vấn đề tăng tỷ lệ nội địa hóa các chi tiết ô tô từ đó tính toán, thiết kế và chế tạo ô tô Chúng ta rất cần tăng cường giao lưu học hỏi các công nghệ chế tạo

ô tô giữa các trường, các doanh nghiệp ô tô trong nước và mở rộng tới các quốc gia trên thế giới Nghiên cứu công nghệ chế tạo ô tô từ các nước bạn và phát triển áp dụng vào Việt Nam, dần đưa nền công nghiệp ô tô của Việt Nam lên một tầm cao mới từng bước hội nhập khu vực và thế giới

4

Hiệp hội kỹ sư ô tô Việt Nam, các trường đại học khối kỹ thuật và các doanh nghiệp cũng cần phải thường thường xuyên hơn trong việc phối kết hợp tổ chức các cuộc thi về chế tạo xe ô tô Formula CAR Đó là một điều kiện thuận lợi nhất để các kỹ sư tương lai của Việt Nam có thể học hỏi và trau dồi các kỹ năng cần có để tính toán, thiết kế và chế tạo ô tô Formula SAE là một cuộc thi được tổ chức thường niên dành cho sinh viên đại học, học viên sau đại học của các trường đại học trên toàn thế giới được tài trợ bởi Hiêp hội kỹ sư ô tô của nước sở tại Trong cuộc thi đó sinh viên tự tìm hiểu, thiết kế, chế tạo ra một chiếc

xe đua công thức cỡ nhỏ, thiết kế tối ưu sáng tạo mang phong cách riêng, thi đấu với các đội đua khác và đặc biệt tuân thủ các yêu cầu quy định của cuộc thi FORMULA SAE Để phát huy được hết khả năng của sinh viên, các đội đua được giả tưởng là họ sẽ thiết kế cho một công ty chuyên về thiết kế, chế tạo và phải chứng minh chiếc xe của mình chuyên nghiệp, đáp ứng kĩ thuật, an toàn và

có khả năng thương mại hóa

Tác giả đã nghiên cứu một số cuộc thi Formula SAE ở Mỹ, Nhật Bản, Úc….Để chế tạo thành công chiếc xe Formula Car đáp ứng yêu cầu của cuộc thi Formula SAE, các đội phải trải qua rất nhiều công đoạn quan trọng và một trong

số các công đoạn đó là tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống treo xe Formula Car

Hệ thống treo xe có vai trò rất quan trọng: giảm các tải trọng động tác động từ mặt đường lên xe, truyền các lực từ bánh xe chủ động làm thân xe cùng chuyển động… Thành công trong việc chế tạo hệ thống treo xe sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến thành công trong việc chế tạo chiếc xe Formula Car và thành tích của các đội thi

Do đó nghiên cứu tính toán, thiết kế, tối ưu hệ thống treo xe Formula Car nhằm giảm khối lượng, đảm bảo tính bền phù hợp với điều kiện ở Việt Nam là vấn đề đang được quan tâm để chúng ta có thể tính toán, thiết kế thành công chiếc xe Formula Car đủ điều kiện tham dự cuộc thi Formula SAE

Trước đây để tính toán, thiết kế và tối ưu hệ thống treo xe ô tô cũng như các chi tiết khác người ta thường dùng các phương pháp truyền thống và các các

5

công thức thực nghiệm, sau đó người ta cho chế tạo và thử nghiệm nhiều lần nếu

có vấn đề gì thì lại tính toán lại, chọn lại các thông số và tiếp tục chế tạo và chạy thử đến khi nào hoạt động đảm bảo kỹ thuật người ta mới cho sản xuất hàng loạt Phương pháp truyền thống này rất mất thời gian, lãng phí nguyên vật liệu và công sức làm cho giá thành sản phẩm tăng lên đáng kể, kết quả cũng chưa được tối ưu

Ngày nay công nghệ thông tin đã phát triển mạnh mẽ máy tính đã trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người tạo điều kiện cho con người phát huy hết khả năng của mình Tin học đã được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế tạo máy Các chương trình tính toán, thiết kế, tối ưu được thiết lập tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí

Chính vì các lý do đó tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp tối ưu

thiết kế hệ thống treo xe formula Car”

1.2 Phương pháp thực hiện đề tài

Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều phần mềm để tính toán, thiết kế và tối ưu hệ thống treo xe Formula Car như: Cattia, Solidworks…Tuy nhiên trong đề tài này tác giả chọn phần mềm Solidworks

Mục đích của việc nghiên cưú: tính toán mô phỏng hệ thống treo Formula Car trong 3D, Sử dụng công cụ Solidworks Simulation để tối ưu các chi tiết cơ bản của hệ thống treo formula đáp ứng điều kiện chế tạo tại Việt Nam cũng như đáp ứng tiêu chuẩn cuộc thi Formula SAE

Các bước thực hiện đề tài cụ thể như sau:

+ B1: Nghiên cứu luật cuộc thi, các quy định thiết kế và tham khảo các đội thi

+ B2: Giới thiệu về hệ thống treo nói chung và hệ thống treo trên xe formula Car

+ B3: Sử dụng phần mềm Solidworks tính toán, thiết kế hệ thống treo Formula Car theo các phương án

6

+ B4: Kiểm nghiệm bền hệ thống treo Formula Car bằng công cụ Solidworks Simulation

+ B5: Tối ưu chi tiết trong hệ thống treo xe Formula Car bằng công cụ tối

ưu hóa của Solidworks

7

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CUỘC THI FORMULA CAR, LUẬT CUỘC THI

VÀ CÁC QUY ĐỊNH THIẾT KẾ 2.1 Tổng quan về cuộc thi Formula Car

2.1.1 Lịch sử của cuộc thi

Cuộc thi được bắt đầu vào năm 1978 và ban đầu được gọi là SAE Mini Indy

Năm 1979, SAE Mini-Indy được tổ chức tại Đại học Houston Người khởi xướng là Tiến sĩ Kurt M.Marshek Cuộc thi được lấy cảm hứng từ một bài báo xuất hiện trong tạp chí Popular Mechanics, một chiếc xe làm từ gỗ và được trang

bị một động cơ năm mã lực Có 13 trường tham dự 11 trường thi đấu, trường Đại học Texas ở El Paso đã giành được chiến thắng

Năm 1980, mặc dù Tiến sĩ William Shapton (trường Đại học Công nghệ Michigan) đề cập đến ý tưởng lưu trữ một cuộc thi tương tự Tuy nhiên, trong năm 1980, không đơn vị nào bước lên tổ chức cuộc thi SAE mini-Indy

Năm 1981 Formula SAE đầu tiên được tổ chức tại Hoa Kỳ do Hiệp hội

Kỹ sư ô tô (SAE) tổ chức, cuộc thi được đánh giá như một công cụ giáo dục để phát triển kiến thức và kỹ năng của sinh viên, học viên cao học các trường đại học kỹ thuật

Năm 2000, cuộc thi SAE công thức đầu tiên được tổ chức tại Úc Ở đó có hơn 25 trường đại học tới từ Úc, Mỹ, Nhật Bản và châu Âu tham dự Cuộc thi xe công thức SAE sau đó cũng được tổ chức ở Anh và Nhật Bản

Đến nay đã có hơn 140 đội thi đến từ nhiều quốc gia trên thế giới tham

gia

2.1.2 Các quy tắc cạnh tranh

Xe ô tô dự kiến sẽ có bốn bánh, khoang lái hở, tổng dung tích làm việc của xy lanh tối đa 610cc, xe phải có hệ thống treo, bánh xe có đường kính tối thiểu 50cm, chiều dài cơ sở tối thiểu 1525mm, xe có khả năng rất cao trong gia

8

tốc, phanh, lái, khí động học, các yếu tố tối ưu và có thể đưa vào sản xuất và bảo dưỡng dễ dàng với chi phí sản xuất tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo về an toàn khi đua xe

2.1.3 Mục tiêu của cuộc thi

1 Chiếc xe có hiệu suất cao về khả năng tăng tốc, phanh và xử lý tình huống Chiếc xe cũng phải chạy đủ bền để hoàn thành tất cả các vòng kiểm tra của cuộc thi Formula car SAE, đảm bảo an toàn khi đua xe

2 Đảm bảo các chỉ tiêu đánh giá gồm: thẩm mỹ, chi phí, thiết kế hợp lý,

bảo trì, sản xuất được và độ tin cậy cao

3 Mỗi xe sẽ được đánh giá tổng thể thiết kế so với thiết kế khác để xác định là tốt nhất

4 Cạnh tranh về giá cả trên thị trường

5 Cạnh tranh về tính ứng dụng thực tiễn (thực hiện các bài thực hành)

6 Khả năng sáng tạo, chế tạo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của cuộc thi, luật của cuộc thi

7 Chiếc xe đạt điểm cao nhất trong cuộc thi

2.2 Nội dung cuộc thi Formula Car

2.2.1 Kiểm tra xe

Hình 2.1: Kiểm tra sự phù hợp yêu cầu thiết kế của xe

Hình 2.2: Kiểm tra việc thoát hiểm khi gặp sự cố

- Kiểm tra động cơ

- Kiểm tra hệ thống treo

- Kiểm tra khung xe

- Kiểm tra bánh xe

- Kiểm tra phanh (khóa 4 bánh)

- Kiểm tra tiếng ồn (tiếng ồn khí xả nhỏ hơn 110dB) (Hình 2.3)

10

Hình 2.3: Kiểm tra tiếng ồn khí xả

Thí nghiệm về nghiêng xe (xe nghiêng 450, yêu cầu xe không rò rỉ nhiên liệu, cho xe nghiêng 600 với lái xe ngồi trên xe, yêu cầu xe không bị lật) (Hình 2.4)

Hình 2.4: Kiểm tra nghiêng xe

Và một số mục khác như lốp, điện, hệ thống lái…

2.2.2 Nội dung thi

Cuộc thi Formula SAE gồm hai phần thi chính: đó là phần thi tĩnh và phần thi động

11

Bảng 2.1: Nội dung thi

Tĩnh

Trình bày 75

Phân tích kỹ thuật 150

Phân tích chi phí 100

Động Khả năng tăng tốc 75

Chống trượt 50

Vượt chướng ngại vật 150

Tiết kiệm nhiên liệu 100

Chạy bền 300

Tổng điểm 1000

2.2.2.1 Nội dung phần thi tĩnh

• Chi phí:

- Đánh giá mức độ chế tạo và tính phù hợp với báo cáo chi phí xe

- Hạng mục phụ tùng mua sẽ được tiến hành kiểm tra miệng (nhằm đánh giá kiến thức và mức độ nắm bắt được về phụ tùng được chọn mua) Thang điểm [100 điểm]

• Trình bày:

Đánh giá năng lực trình bày của sinh viên (mỗi đội sẽ tự trình bày phương án

thiết kế của mình dựa trên tài liệu xây dựng) (Hình 2.5) Thang điểm [75 điểm]

12

Hình 2.5: Kiểm tra khả năng trình bày

• Thiết kế:

- Dựa trên tài liệu và trên chiếc xe , đánh giá việc đã sử dụng kỹ thuật nào,

đã cất công ở đâu và tính phù hợp với thị trường của những kỹ thuật đã sử dụng

đó

- Kiểm tra về sự phù hợp giữa thiết kế của xe và các chi tiết cấu thành, tính mới, tính gia công, tính bảo dưỡng sửa chữa, tính lắp ráp…Thang điểm [150 điểm]

2.2.2.2 Nội dung phần thi động

• Gia tốc:

Gia tốc từ 0-75m Mỗi đội 2 lái xe, mỗi lái xe chạy hai lần, tổng cộng 4 lần

chạy và đo thời gian (Hình 2.6) Thang điểm [75 điểm]

13

Hình 2.6: Kiểm tra gia tốc

• Chạy số 8:

- Đánh giá tính năng quay vòng trên đường hình số 8 Mỗi đội 2 lái xe, mỗi lái

xe chạy hai lần, tổng cộng 4 lần chạy và đo thời gian (Hình 2.7+2.8) Thang

điểm [50 điểm]

Hình 2.7: Kiểm tra trên đường hình số 8

14

Hình 2.8: Sơ đồ đường đua hình số 8

• Tránh chướng ngại vật:

Chạy 2 vòng trên đường đua thẳng, quay vòng, gấp khúc khoảng 800m Mỗi đội

2 lái xe, mỗi lái xe chạy 2 lần Tổng cộng 4 lần chạy và đo thời gian Chạy bền sẽ

theo thứ tự các đội nhanh xếp trước (Hình 2.9) Thang điểm [150 điểm]

Hình 2.9: Kiểm tra vượt chướng ngại vật

15

• Tiêu hao nhiên liệu:

Đánh giá lượng tiêu hao nhiên liệu khi chạy bền Thang điểm [100 điểm]

Hình 2.10: Kiểm tra chạy bền

2.3 Quy định chung trong thiết kế xe của cuộc thi

• Hình dạng xe:

- Phải có 4 bánh và khoang lái hở (giống xe đua công thức 1)

- Chiều dài cơ sở nhỏ nhất là 1525 mm

- Độ rộng của vết bánh xe nhỏ (bánh trước hoặc bánh sau) không nhỏ hơn 75% độ rộng của vết bánh lớn nhất

16

• Hệ thống treo:

Xe phải được trang bị hệ thống treo với các giảm chấn cả trước và sau hoạt động tốt, sao cho bánh xe có thể di chuyển dễ dàng tối thiểu 50,8 mm, trong đó 25,4 mm nén lại và 25,4 mm trả lại so với ghế lái Các giám khảo có quyền loại những chiếc xe không thể hiện được sự nỗ lực nghiêm túc trong việc làm hệ thống treo hoặc chứng minh nó không thích hợp cho các phần thi

Tất cả các điểm bắt hệ thống treo phải được nhìn thấy dễ dàng trong quá trình kiểm tra kỹ thuật

• Khoảng sáng gầm xe

Khoảng sáng gầm xe phải đủ cao để không cho bất kỳ phần nào của xe chạm tới mặt đường (ngoài lốp xe) trong khi đua Nếu xảy ra bất kỳ bộ phận nào của xe chạm tới mặt đường thì sẽ bị tước mất một lần chạy hoặc toàn bộ phần thi động

Chú thích:

Mục đích của quy tắc này là “body skirts” hoặc các thiết bị khác được

thiết kế, chế tạo, tiếp xúc không mong muốn với mặt đất, theo ý kiến của “ Ban

tổ chức phần thi động” có thể dẫn đến hư hại đường đua Nếu xe dự thi nào vi

phạm sẽ bị tước mất một lần chạy hay toàn bộ phần thi động (Hình 2.11)

18

- Tiêu chuẩn “bu-lông” của bánh xe phải đảm bảo kỹ thuật, bất kỳ sự thay đổi nào sẽ phải chịu sự giám sát trong quá trình kiểm tra kỹ thuật Nhóm nghiên cứu sử dụng các “bu-lông” đã thay đổi hoặc tùy chỉnh theo thiết kế sẽ phải cung

cấp bằng chứng rằng đã thực hiện tốt kỹ thuật trong khi thiết kế (Hình 2.13)

Hình 2.13: Bu-lông bánh xe

- Vành xe có thể được sử dụng vật liệu bằng nhôm , nhưng phải đảm bảo cứng và trong tình trạng nguyên sơ (tình trạng nguyên sơ có nghĩa là trong điều kiện ban đầu, điều kiện mới, tức là chưa sử dụng) Trong điều kiện đó là tốt nhất, vì nó là lần đầu tiên sử dụng

• Lốp xe: Xe có thể được sử dụng hai loại lốp xe như sau:

• Lốp khô: các lốp trên xe khi trình bày để kiểm tra kỹ thuật được xác định

là "lốp khô" Các lốp xe khô có thể có nhiều kích thước hoặc kiểu loại khác nhau Lốp xe có thể nhẵn bóng hoặc đã được xử lý

• Lốp ướt: lốp ướt có nhiều kích thước hoặc kiểu loại, có thể được xử lý hoặc cắt rãnh tuy nhiên phải đảm bảo yêu cầu sau:

+ Nếu rãnh đã được cắt giảm độ sâu hoặc sửa đổi thì phải có tài liệu bằng chứng, chứng minh nó đã được thực hiện theo mẫu hoa lốp hoặc rãnh lốp do cung cấp bởi các nhà sản xuất lốp xe cung cấp, đại lý lốp do các đội thi lựa chọn + Độ sâu hoa lốp tối thiểu là 2,4 mm (3/32 inch)

• Hệ thống lái:

- Hệ thống lái của xe phải là hệ thống lái cơ khí với bánh trước dẫn động lên ít nhất 2 bánh xe (không được sử dụng hệ thống lái có trợ lực) Tuy nhiên cấm

sử dụng hệ thống lái " bằng dây" (by wire)

- Hệ thống lái phải có kết cấu hạn chế hành trình “steering stop” xác định,

để đảm bảo bán kính quay vòng và ngăn chặn va chạm vào các thanh liên kết với trục Các điểm hạn chế hành trình lái có thể được đặt trên các giá đỡ moay ơ (upright) đảm bảo khi hoạt động các lốp xe không chạm vào các bộ phận của hệ

thống treo và các bộ phận của khung trong suốt cuộc thi (Hình 2.14)

20

Hình 2.14: Điểm hạn chế hành trình lái

- Phải tác động lên ít nhất 2 bánh xe

- Cho phép độ rơ là 70

21

- Phải là hệ thống lái cơ khí với bánh trước dẫn động

- Các tay lái được gắn vào trụ đảm bảo lái xe có thể thoát ra khỏi xe nhanh chóng khi cần thiết Người lái xe phải nhanh chóng thoát ra khỏi xe khi lái xe thấy không bình thường

- Các vô lăng phải có một vành đai liên tục hình tròn hoặc hình bầu dục, nhưng không được có phần lõm

• Hệ thống phanh:

+ Tổng quát :

- Chiếc xe phải được trang bị hệ thống phanh tác động lên tất cả bốn bánh

xe và được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển duy nhất

- Hệ thống phanh được bố trí đến cả 4 bánh xe hoặc tối thiểu phải có 2 cơ cấu phanh trên 2 cầu xe và hệ dẫn động phải có tối thiểu 2 dòng, để đảm bảo xe vẫn có thể phanh được khi 1 dòng bị hỏng Phanh dẫn động bằng thủy lực phải

có khoang dự trữ dầu, phải có 2 đường dầu độc lập

- Có thể phanh bằng cách hạn chế sự trượt của vi sai

- Hệ thống phanh phải khóa được cả 4 bánh xe khi cần thiết

- Hệ thống phanh không được dẫn động bằng dây

- Không được sử dụng ống nhựa làm ống tuyô

- Các hệ thống phanh phải có bộ phận bảo vệ khi các va chạm xảy ra

- Bàn đạp phanh phải chịu được 1 lực tối đa là 2000N

- Bàn đạp phanh có thể được chế tạo từ thép, nhôm, hoặc titan

+ Kiểm tra hệ thống phanh:

Khi kiểm tra, hệ thống phanh đạt yêu cầu phải có khả năng khóa cả 4 bánh xe và dừng xe khi đạt một quãng đường nhất định dưới sự giám sát của người giám định cuộc thi

22

+ Công tắc quá giới hạn phanh:

- Công tắc quá giới hạn phanh phải được thiết kế trên xe Nó được kích hoạt trong trường hợp hệ thống phanh bị lỗi, không hoạt động Mục đích để tắt động cơ, ngắt hoạt động của hệ thống đánh lửa và bơm nhiên liệu để đảm bảo an toàn

- Sự điều khiển lặp đi lặp lại của công tắc không có tác dụng bật lại nguồn cho các bộ phận này

- Chuyển đổi này phải được thực hiện với các bộ phận tương tự, không thông qua bộ điều khiển logic lập trình, đơn vị điều khiển động cơ hoặc các bộ điều khiển số tương tự

+ Đèn phanh:

- Đèn phanh phải phát ra ánh sáng đỏ, công suất tối thiểu 15W, có thể nhìn

rõ được từ phía sau Nếu sử dụng đèn LED thì khi sáng phải có thể nhìn thấy rõ dưới ánh sáng mặt trời

- Đèn xe phải được lắp ở giữa đường trung tâm của bánh xe và đầu vai người lái xe theo chiều dọc và khoảng đường trung tâm của xe theo chiều ngang

Chú ý : Có thể tận dụng khí thải của động cơ tùy mục đích

- Động cơ có thể được sửa đổi trong giới hạn của luật cuộc thi

23

- Nếu sử dụng nhiều động cơ thì tổng dung tích làm việc của tất cả các xi lanh cũng không được vượt quá 610 cc và không khí nạp phải cùng đi qua một đường nạp duy nhất

+ Kiểm tra động cơ:

Ban tổ chức sẽ tiến hành đo hoặc tháo một số chi tiết quan trọng của động

cơ ra để kiểm tra

+ Kiểm tra hệ thống kiểm soát tiếng ồn:

- Hệ thống kiểm soát tiếng ồn phải đảm bảo với mọi tốc độ của động cơ theo quy định

- Có thể thay đổi vị trí hay kết cấu ống xả để đảm bảo tiêu chuẩn tiếng ồn nhưng cần bố trí ống xả tại vị trí dễ thấy để tiện cho quá trình kiểm tra

- Phải được trang bị bộ giảm âm (tiếng ồn không được vượt quá 110 db)

- Kiểm tra độ ồn có thể được thực hiện tại bất kì thời điểm nào trong quá trình thi Nếu chiếc xe không đủ tiêu chuẩn về độ ồn thì các đội phải điều chỉnh lại cho đến khi thỏa mãn, chiếc xe mới được thi tiếp

• Khung xe:

Các quy định tiêu chuẩn an toàn xác định kích thước thép cho các bộ phận khác nhau của khung:

24

Bảng 2.2: Ống thép tiêu chuẩn

Khung chính và khung trước

x 1.25 mm hoặc Ống vuông 26.0 mm x 26.0 mm

x 1.2 mm

Vách ngăn bảo vệ phía trước,

giằng hỗ trợ

Ống tròn 25.4 mm x 1.65 mm hoặc Ống tròn 25.0 mm x 1.5 mm hoặc Ống tròn 26.0 mm x 1.2 mm

Chú ý 1: Được phép sử dụng thép hợp kim với độ dầy ống theo tiêu chuẩn và

không giới hạn khối lượng

Chú ý 2: Đối với khung xe Formula Car cụ thể:

- Sử dụng ống thép với đường kính bên ngoài quy định, nhưng với độ dầy ống có thể lớn hơn

- Hoặc thay thế ống tròn bằng ống vuông có cùng kích thước hoặc lớn hơn

25

2.4 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống treo xe Formula Car

Nghiên cứu luật cuộc thi Formula Car Quy định về an toàn

Các yếu tố tối ưu

Xác định lựa chọn hệ thống treo phù hợp

với tiêu chuẩn thiết kế

Lựa chọn vật liệu chế tạo hệ thống treo

Thiết kế các chi tiết của hệ thống treo

26

2.5 Bố trí chung các hệ thống trên xe

Việc bố trí các hệ thống trên xe có ảnh hưởng rất lớn đến việc chế tạo hệ thống treo xe Chiếc xe tham dự cuộc thi Formula Sae là một chiếc xe đua công thức cỡ nhỏ có một chỗ ngồi với 4 bánh xe và khoang lái hở Tổng dung tích làm việc của tất cả xy lanh động cơ không quá 610 cc Để giảm khối lượng so với việc sử dụng động cơ ô tô, hầu hết các đội đua trên thế giới đều lựa chọn động cơ của xe motor 600 cc với hộp số đi kèm

Trên xe Formula Car hầu hết đó là động cơ đặt sau dẫn động cẩu sau, sử

dụng truyền động xích từ hộp số đến vi sai (Hình 2.15 + 2.16)

Hình 2.15: Bố trí chung các hệ thống trên xe

1 Người lái 2 Động cơ 600cc 3 Hệ thống truyền lực (visai torsen)

4 Hệ thống lái 5 Ắc quy 6 Khung xe

Hình 2.16: Bố trí các cụm trên xe

27

2.6 Bố trí người lái trong khoang xe

Thiết kế chỗ ngồi của người lái xe Formula Car phải bảo đảm:

- Đảm bảo không gian ghế ngồi, thoải mái khi điều khiển

- Đảm bảo khả năng quan sát rộng

- Đảm bảo khả năng điều khiển bằng chân (bàn đạp ly hợp, phanh, ga,…)

- Đảm bảo khả năng điều khiển bằng tay (vô lăng, các loại công tắc)

- Đảm bảo tính an toàn cho người lái khi xảy ra va chạm

Hình 2.17: Khoảng cách từ đỉnh đầu người lái tối thiểu là 50mm

Hình2.18: Khoảng cách từ phía sau đầu người lái đến đường chéo sau tối

thiểu là 50mm

29

2.6.1 Sơ đồ nhân chủng học (sơ đồ kích thước của con người)

Hiện tại ở Việt Nam chúng ta chưa có tiêu chuẩn về sơ đồ kích thước của người lái xe Dựa sơ đồ nhân chủng học theo tiêu chuẩn của Đức, tác giả xây

dựng được sơ đồ kích thước của người lái xe theo người Việt Nam (Hình 2.21)

Kích thước của người lái xe Formula Car được xây dựng theo kích thước chiều cao của người Việt Nam

Kích thước các bộ phận trên cơ thể:

1.KT1: kích thước từ khớp cổ tay tới khớp khủy tay

2.KT2: kích thước từ khởi khủy tay tới khớp vai

3.KT3: kích thước từ khớp vai tới khớp hông

4.KT4: kích thước từ khớp hông tới khớp đầu gối

5.KT5: kích thước từ khớp đầu gối tới khớp cổ chân

6.KT6: kích thước từ khớp cổ chân tới khớp mặt bàn chân

7.KT7: chiều cao trung bình

Hình 2.21: Mô hình người ngồi theo tiêu chuẩn của quốc gia Đức VDI 2780

30

Góc giữa trục cẳng chân và đùi là 100º - 130 º

Góc giữa trục của đùi và trục của thân người là 100 º - 105 º

Góc giữ trục cổ tay và cánh tay là 105 º - 115 º

Góc giữa trục cổ tay và mặt phẳng vành vô lăng là 4 º

Góc giữa trục thân người với trục thẳng đứng qua đầu là 20 º - 30 º

Giá trị các góc giữa các bộ phận trên cơ thể: đây là các giá trị góc trung bình thích hợp đảm bảo cho việc thiết kế ghế ngồi được thuận tiện

Góc giữa khủyu chân và bàn chân phải là rất quan trọng vì luôn luôn đặt lên bàn đạp ga

Từ mô hình nhân chủng học của con người, tác giả đã xây dựng được các kích thước cơ bản của người lái xe Formula Car như sau:

Bảng 2.3: Bảng kích thước cơ thể người lái xe Formula Car

Ngoài các thông số trên, khi thiết kế ghế ngồi người ta còn quan tâm tới:

- Điểm tiếp xúc với ghế ngồi H làm cơ sở cho việc thiết kế (H là điểm tiếp xúc với ghế ngồi – là điểm quay của chân và thân người)

- Điểm tiếp xúc F: là giao điểm của 3 mặt phẳng (mặt phẳng sàn xe, mặt phẳng bàn đạp, mặt phẳng đi qua dọc ống chân)