Thiết kế ô tô điện 5 chỗ ngồi

Ôtô chạy bằng pile nhiên liệu  Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ôtô trong tương lai là pile nhiên liệu. Pile nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng. Pile nhiên liệu trước đây chỉ được nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian nhưng ngày nay pile nhiên liệu đã bước vào giai đoạn thương mại hóa để cung cấp năng lượng cho ôtô. Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước. Vì vậy, có thể nói ôtô hoạt động bằng pile nhiên liệu là ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Ôtô chạy bằng pile nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Khó khăn vì vậy liên quan đến lưu trữ hydro dưới áp suất cao . Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pile nhiên liệu nhưng hệ thống như vậy rất cồng kềnh và phức tạp. Tuy nhiên ngày nay người ta đã thành công trong chế tạo các loại pile nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhưng việc áp dụng phương án này trên xe vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phương án làm giảm ô nhiễm khác, pile nhiên liệu chạy ôtô vẫn còn là loại nhiên liệu “xa xỉ” và “cao cấp”. Ngày nay người ta thấy rằng nếu sử dụng pile nhiên liệu để chạy ôtô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%. 1.2.7 Ôtô hybrid ( ôtô lai)  Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường. Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như Toyota, Honda,... đã tung ra thị trường những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lượng chất thải gây ô nhiểm môi trường được gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car). Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car). 2. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN 2.1. Giới thiệu chung Ô tô điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo; acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện. Ô tô điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh và hoạt động trơn tru. Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa ô tô điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong tương tự nhau.Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phương tiện sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn. 2.1. Cấu hình của ô tô điện Trước đây, các xe điện chủ yếu được chuyển đổi từ các ô tô thông thường bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu với một động cơ điện và pin trong khi giữ lại tất cả các thành phần khác, như trong hình 2.1. Nhược điểm như: khối lượng lớn, tính linh hoạt và hiệu suất thất là những nguyên nhân làm cho xe điện khó áp dụng rộng rãi. Hiện nay, ô tô hiện đại được tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của thân và khung sườn được thiết kế riêng. Điều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy nhất cho ô tô và làm cho các nguồn động lực đẩy bằng điện được sử dụng linh hoạt hơn. Nguồn năng lượng Động cơ điện Truyền động cơ khí Hình 2-1. Ô tô điện cổ điển Một ô tô điện cơ bản được minh họa trong hình 2.2. Nó bao gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và hệ thống phụ trợ. Hệ động lực điện bao gồm:hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, truyền động cơ khí, và bánh chủ động. Hệ thống năng lượng bao gồm nguồn năng lượng bộ phận quản lý năng lượng, và bộ phận tiếp năng lượng điện. Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ. Dựa trên các yếu tố đầu vào điều khiển từ chân ga và bàn đạp phanh, hệ thống điều khiển xe cung cấp tín hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lượng điện có chức năng điều chỉnh dòng điện giữa điện động cơ và nguồn năng lượng. Những nguồn năng lượng được tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp vào nguồn năng lượng chính. Hầu hết pin EV dễ dàng có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng tái sinh này. Quản lý năng lượng Sạc pin Nguồn năng lượng Trợ lực lái Nguồn năng lượng phụ Điều hòa không khí Truyền động cơ khí Động cơ điện Bộ chuyển đổi điện Tín hiệu điều khiển Phanh Chân ga Hình 2-2. Ô tô điện hiện đại Bộ phận quản lý năng lượng cùng với bộ phận điều khiển kiểm soát hoạt động phanh tái sinh và phục hồi năng lượng của nó. Nó cũng kết hợp với các bộ phận tiếp năng lượng để kiểm soát quá trình này và giám sát việc sử dụng các nguồn năng lượng. Nguồn cung cấp năng lượng phụ có chức năng cung cấp năng lượng cần thiết với các điện áp khác nhau cho tấc cả các thành phận phụ của xe như: điều hòa không khí, trợ lực lái, hệ thống đèn chiếu sáng… Có nhiều loại EV có thể cấu tạo khác nhau do các biến thể dựa trên đặc điểm của động lực điện và các nguồn năng lượng, như trong hình 2.3. Hình 2-3. Cấu hình các loại ô tô điện M: động cơ điện; HS: hộp số; VS: truyền lực chính và vi sai; GT: hộp giảm tốc a. Hình 2.3a cho thấy hình thức đầu tiên của xe điện, trong đó một động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong của một chiếc xe thông thường. Nó bao gồm một động cơ điện, một ly hợp, hộp số, và một bộ vi sai. Khớp ly hợp và hộp số có thể được thay thế bằng hộp số tự động. b. Với một động cơ điện có công suất liên tục trong một phạm vi tốc độ dài, một tỉ số truyền cố định có thể thay thế cho hộp số nhiều cấp và giảm bớt sự cần thiết của một ly hợp. Cấu hình này không chỉ làm giảm kích thước và trọng lượng của truyền động cơ khí, nó cũng đơn giản hoá cho con người trong việc điều khiển xe bởi vì sự thay đổi tỉ số truyền là không cần thiết. c. Tương tự như hình (b), động cơ điện, cặp bánh răng cố định và bộ vi sai có thể được bố trí tích hợp thành cụm trong khoảng giữa hai bán trục bánh xe chủ động. Việc điều khiển càng đơn giản và chắc chắn. d. Trong hình 4.3d, truyền động vi sai được thay thế bằng cách sử dụng hai động cơ điện. Mỗi động cơ dẫn động một bánh xe và hoạt động ở một tốc độ khác nhau khi chiếc xe chuyển hướng hay quay vòng. e. Nhằm tiếp tục đơn giản hóa việc điều khiển xe, động cơ có thể được đặt phía trong một bánh xe. Một cặp bánh răng nhỏ được đặt trong bánh xe để giảm tốc độ và nâng cao mô-men động cơ. f. Loại bỏ hoàn toàn truyền động bánh răng giữa động cơ điện và bánh xe chủ động, đầu ra roto của một động cơ điện tốc độ thấp đặt bên trong bánh xe có thể được kết nối trực tiếp với các bánh xe. Việc kiểm soát tốc độ của động cơ điện tương đương với việc kiểm soát tốc độ của bánh xe, và vì thế tốc độ của xe được điều khiển. Tuy nhiên, việc sắp xếp đòi hỏi các động cơ điện phải có mộtmô-men xoắn cao hơn để khởi động và tăng tốc xe. 2.3. Nhu cầu sử dụng ô tô điện phục vụ du lịch và sử dụng trong các cơ sở y tế Xe điện là loại phương tiện giao thông đã có từ rất lâu của thế kỷ trước, và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong nhiều loại phương tiện. Đặt biệt ngày nay, xe điện không còn đơn thuần là xe điện công cộng và tàu điện như thế kỷ trước nữa. Ngày nay xe điện được ứng dụng trên nhiều loại phương tiện, các phương tiện này dùng động cơ điện để làm xe chuyển động. Có thể liệt kê một số loại xe điện theo lĩnh vực và theo cách sử dụng của chúng như sau: 2.3.1. Phương tiện cá nhân: + Xe ô tô điện : xe điện sử dụng nguồn điện acqui, dùng năng lượng mặt trời. Các loại xe này được ứng dụng trên cả ô tô cá nhân, ô tô tải, ô tô tải phục vụ công cộng. Hình 2-4 Ô tô điện của hãng Nissan Hình 2-5 Ô tô điện sử dụng ở Chicago + Xe máy điện và xe đạp điện: là loại phương tiện đang có xu hướng phát triển mạnh. Hình 2-6 Xe đạp điện của Trung Quốc sản xuất 2.3.2. Các phương tiện công cộng: + Tàu điện : tàu điện được ứng dụng từ rất lâu là loại phương tiện dùng chở khách trong thành phố và khá phổ biến ở các nước trên thế giới cũng như nước ta. Hình 2-7 Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris - Lyon + Mê trô : là loại phương tiện vận chuyển hành khách trong thành phố cũng như đường dài, như các tuyến metro trong các thành phố lớn ở châu Âu, và tuyến Metro đường dài từ Paris đến London. Hình 2-8 Tàu điện ngầm tiện dụng nhất ở Pháp. 2.3.3. Các phương tiện dùng chuyên biệt trong các lĩnh vực giải trí thể thao, các lĩnh vực công nghiệp, các loại xe chuyên dùng trong các ngành: + Xe điện dùng trong công viên: là loại xe điện dùng chuyên chở hành khách trong công viên. Các loại tàu điện cao tốc, cảm giác mạnh trong công viên. Hình 2-9 Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt + Loại xe điện dùng trong thể thao: phục vụ các mục đích khác nhau, như trong lĩnh vực Golf… Hình 2-10 Xe điện sử dụng trong sân golf 2.3.4. Các loại phương tiện dùng trong các lĩnh vực chuyên dùng, vận chuyển, nâng chuyển hàng hóa, phục vụ cho người tàn tật Xe điện sẽ được sử dụng trong các bệnh viên vận chuyển nhanh chóng bệnh nhân cũng như các y bác sĩ để kịp thời cứu chữa bệnh nhân, đây là một hướng mới của đề tài. Tuy nhiên để có thể áp dụng hợp lí có hiệu quả cần nghiên cứu thay đổi kết cấu, bố trí lại các trang thiết bị để phù hợp với điều kiện sử dụng trong y tế. 3. THIẾT KẾ TỔNG THỂ Ô TÔ ĐIỆN 5 CHỖ 3.1. Thiết kế chung Hình 3-1 Hình chiếu đứng ô tô điện Hình 3-2 Hình chiếu bằng ô tô điện Hình 3-3 Hình chiếu phía đầu xe Hình 3-3 Hình chiếu phía sau đuôi xe 1.Bảng điều khiển; 2. Bánh xe trước; 3.Cản trước; 4. Cơ cấu lái; 5. Ghế khoang lái; 6. Acquy; 7. Khung xe; 8. Truyền lực chính; 9. Động cơ điện 1 chiều; 10. Gương chiếu hậu; 11. Đèn sau; 12. Biển kiểm soát; 13. Đèn xi nhan; 14. Đèn trước; 15. Kính; 16. Tấm che nắng; 17. Thanh chống vỏ; 18. Ghế hành khách; 19. Bánh sau Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của ô tô thiết kế TT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Loại phương tiện Ô tô điện 5 chỗ 2 Công thức bánh xe 4 x 2 3 Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) mm 3150x1460x1590 4 Chiều dài cơ sở mm 1480 5 Vết bánh trước/sau mm 1200 6 Chiều dài đầu xe mm 775 7 Chiều dài đuôi xe mm 535 8 Khoảng sáng gầm xe mm 121 9 Góc thoát trước/sau độ 22/31 10 Bán kính thông qua dọc mm 2200 11 Bán kính thông qua ngang mm 1285 3.2. Phân bố trọng lượng ô tô Sự phân bố trọng lượng lên các trục của ô tô thiết kế khi không tải và khi có tải được xác định trên cơ sở giá trị các thành phần trọng lượng và vị trí tác dụng của chúng lên các trục của ô tô. 3.2.1. Cơ sở lý thuyết: Tọa độ trọng tâm của ô tô thiết kế theo chiều dọc : a: khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước. b: khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau. Tọa độ trọng tâm của ô tô theo chiều cao hg: Căn cứ vào giá trị các thành phần trọng lượng và tọa độ trọng tâm của chúng, ta xác định tọa độ trọng tâm của ô tô theo công thức: ; b = L – a ; ; Trong đó: li: khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc bánh trước đến toạ độ trọng tâm các thành phần khối lượng. hi: chiều cao trọng tâm các thành phần khối lượng. G: trọng lượng bản thân ô tô. Các thành phần khối lượng bao gồm: Gk : trọng lượng sat-xi và khung xương; Gct: trọng lượng cầu trước và bánh xe; Gcs: trọng lượng cầu sau và bánh xe; Gm: trọng lượng động cơ; Gcd: trọng lượng khớp cac-đăng; Gat: trọng lượng acquy trước; Gas: trọng lượng acquy sau; Ggt: trọng lượng ghế khoang lái; Ggs: trọng lượng ghế sau; Gl : trọng lượng hệ thống lái. Phân bố trọng lượng trên các cầu: ; Z2 = G – Z1 ; 3.2.2. Trường hợp không tải: Sơ đồ phân bố trọng lượng ô tô như sau: Hình 3-4 Sơ đồ phân bố tải trọng khi ô tô không tải Ta có bảng số liệu sau: Bảng 3-2 Phân bố trọng lượng ô tô khi không tải TT TÊN GỌI TRỌNG LƯỢNG li(mm) hi(mm) Gi.li Gi.hi KH (kg) 1 Sat-xi và khung xương Gk 180 976 627 175680 112860 2 Cầu trước và bánh xe Gct 60 0 260 0 15600 3 Cầu sau và bánh xe Gcs 80 1840 260 147200 20800 4 Khớp cac-đăng Gcd 5 1472 300 7360 1500 5 Động cơ Gm 45 1065 339 47925 15255 6 Acquy trước Gat 70 92 548 6440 38360 7 Acquy sau Gas 140 1787 603 250180 84420 8 Ghế khoang lái Ggt 6 250 738 1500 4428 9 Ghế sau Ggs 9 1249 748 11241 6732 10 Hệ thống lái Gl 20 -250 292 -5000 5840 Tổng Σ 615 642526 305795 Suy ra: a = 1045 (mm); b = 795 (mm); hg = 497 (mm); Z1 = 2658 (N); Z2 = 3492 (N). 3.2.3. Trường hợp đầy tải: Các thành phần trọng lượng gồm: G : trọng lượng xe khi không tải; Gnt: trọng lượng 2 người khoang lái; Gns: trọng lượng 3 người sau; Ghl: trọng lượng hành lý; Sơ đồ phân bố trọng lượng: Hinh5-5 Sơ đồ phân bố tải trọng khi ô tô đầy tải Ta có bảng số liệu sau: Bảng 3-3 Phân bố tải trọng khi ô tô đầy tải TT TÊN GỌI TRỌNG LƯỢNG li(mm) hi(mm) Gi.li Gi.hi KH (kg) 1 Trọng lượng xe không tải G 615 1045 497 642526 305795 2 Hai người khoang lái Gnt 130 90 949 11700 123370 3 Ba người sau Gns 195 1088 959 212160 187005 4 Hành lý Ghl 20 1851 822 37020 16440 Tổng Σ 960 903406 632610 Suy ra: a = 941 (mm); b = 899 (mm); hg = 659 (mm). Z1 = 4690 (N); Z2 = 4910(N). 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC Ô TÔ ĐIỆN 5 CHỖ 4.1. Xác định công suất của động cơ điện và nguồn acquy 4.1.1. Xác định các thông số của động cơ điện: Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo FM dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường FL , lực cản lên dốc FD , lực cản gió FG và lực quán tính khi tăng tốc FQ . Hình 4-1 Các lực tác dụng lên ô tô khi lên dốc Phương trình cân bằng lực như sau: FM = FL + FD + FG + FQ (4-1) Lực cản lăn được tính: FL = f.G (4-2) Trong đó: f là hệ số cản lăn. Theo phạm vi hoạt động thường xuyên của xe là công viên, hệ số cản lăn được tính cho đường đất cứng với f = 0,025 ÷ 0,035. Chọn f = 0,025; G là tổng trọng lượng của xe, ở đây G = 960.10 = 9600 (N); Suy ra: FL = 9600.0,025 = 240 (N). Lực cản lên dốc được tính: FD = G.sinα (4-3) Trong đó: α là góc dốc của mặt đường, chọn α = 180 (tương ứng với độ dốc 33%); Suy ra: FD = 9600.0,33 =3168 (N). Lực cản gió được tính: FG = k.S.v2 ; (4-4) Trong đó: k là hệ số cản không khí. Đối với xe con vỏ hở k = 0,4÷0, 5 (Ns2/m4); chọn k = 0,4 (Ns2/m4); S là diện tích cản chính diện. S = 0,8.B.H B: chiều rộng toàn bộ ô tô, B = 1,46 (m); H: chiều cao toàn bộ của ô tô, H = 1,59 (m); Nên S = 0,8.1,46.1,59= 1,86 (m2). V là vận tốc lớn nhất của xe,vận tốc lớn nhất của xe được chọn là v = 40(km/h) = 11,11 (m/s); Suy ra: FG = 0,4.1,86.11,112 =91,7 (N). Lực quán tính: FQ = M.a (4-5) Trong đó: M là khối lượng toàn bộ, M = 960 (kg); a là gia tốc của xe. Chọn gia tốc a = 1(m/s2); Suy ra: FQ = 960.1 = 960 (N). Từ những tính toán trên, thay các giá trị vừa tính được vào công thức (4-1) ta được: FM = 240 +3168+ 91,42 + 960 = 4460 (N). Tuy nhiên, để hạn chế công suất cho động cơ điện ta không cho phép xe hoạt động ở chế độ có cả 4 lực cản xảy ra cùng lúc. Chẳng hạn, khi xe lên dốc ta chỉ cho phép xe chạy đều và vận tốc nhỏ nên bỏ qua lực quán tính và lực cản gió, hoặc khi xe đang chạy ở tốc độ tối đa thì xem như không tồn tại lực cản lên dốc và lực quán tính. Như vậy, lực cần thiết của động cơ điện ở hai trường hợp này được tính lại là: FMD = FL + FD = 240 + 3168 = 3408 (N) FMG = FL + FG = 240 + 91,42 = 331,7(N). Cả hai trường hợp này đều có lực cản chung nhỏ hơn trường hợp tổng quát và phù hợp với chế độ hoạt động thực tế của xe. Ta chọn trường hợp xe vược dốc để xác định momen yêu cầu tại bánh xe và chạy ở tốc độ tối đa để xác định cân bằng công suất cho động cơ điện. Khi ô tô vượt dốc momen yêu cầu tại bánh xe được tính: Mbx = FMD . Rbx = 3408. 0,26 = 875 (Nm). Và công suất cản của xe khi chạy ở tốc độ tối đa lúc này là: PCG = FMG . v = 331,7 . 11,1 = 3686 (W). Công suất cần thiết của động cơ điện để cân bằng với công cản của xe trong trường hợp này là: PM = PCG / h (4-6) với h là hiệu suất của hệ thống truyền lực, chọn sơ bộ h = 0,95; Suy ra: PM = 3682/ 0,95= 3880 (W) Vậy ta chọn động cơ điện một chiều có công suất tại số vòng quay lớn nhất của nó lớn hơn 3,88 kW. Và momen yêu cầu phải đảm bảo khả năng vượt dốc lớn nhất của xe. Hiện nay trên thị trường chúng tôi tìm được loại động cơ sau: Tên gọi: WarP13 Hình dạng tổng thể: Hình 4-2 Hình dáng ngoài của động cơ Các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp: Hình 4-3 Đặc tính của động cơ Động cơ được sử dụng ở điện áp 72V. Như đã dự kiến trong phần thiết kế tổng thể ta dùng 6 acquy loại 12 V mắc nối tiếp nhau. Dựa trên đường đặc tính của động cơ ta thấy tại công suất khoảng 3,88kW (tương đương 4,47HP) tốc độ động cơ đạt 2100 v/p và dòng điện là 90Ampe, đây là chế độ hoạt động khi xe đạt tốc độ lớn nhất 40km/h. Tại công suất khoảng 21kW (27HP) động cơ đạt momen lớn nhất và dòng điện qua động cơ là 380Ampe, đây là chế độ hoạt động khi xe vượt dốc. Như vậy ta cần điều chỉnh dòng điện phóng của acquy từ 90Ampe đến 380Ampe. 4.1.2. Xác định các thông số cho bộ nguồn ắc quy: Loại ắc quy được chọn để lắp đặt cho xe là ắc quy axít chì vì nó thông dụng và giá thành tương đối thấp. Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào số giờ mà xe chạy hết bình và tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động điện so với tổng khối lượng xe theo tỷ lệ tối ưu là không quá 30%. Vì dung lượng ắc quy được sản xuất theo tiêu chuẩn, chọn loại bình có hiệu điện thế 12(V) và dung lượng 200(AH). Dung lượng acquy bằng tích giữa dòng điện phóng và thời gian phóng điện : AH = IM . t. Theo đặc tuyến của acquy thì dòng phóng định mức bằng dung lượng của acquy và dòng phóng cho phép có thể đạt gấp 3 lần dòng định mức. Vì vậy ta tính được thời gian hoạt động của xe như sau : t = AH / IM (giờ) (4-7) Thời gian hoạt động tối đa của xe được tính cho trường hợp công suất nhỏ 3,88kW và dòng điện phóng là 90Ampe. Suy ra : t = 200 / 90 = 2,22 (giờ) = 133 (phút). Thời gian hoạt động tối thiểu của xe được tính cho trường hợp công suất lớn và dòng điện phóng yêu cầu đạt 380Ampe. Suy ra : t = 200 / 380 = 0,53 (giờ) = 32 (phút). Sau khi chọn được loại ắc quy, chúng ta cần kiểm tra lại tỷ lệ khối lượng của hệ thống truyền động so với tổng khối lượng của xe. Nếu vượt quá tiêu chuẩn thì hoặc là giảm bớt dung lượng của ắc quy (giảm số giờ chạy hết bình) hoặc là chọn loại ắc quy khác có tỷ trọng khối lượng trên dung lượng nhỏ hơn. Dựa vào thông số kỹ thuật của bình ắc quy do nhà sản xuất cung cấp, loại bình ắc quy 12(V)-200(AH) có khối lượng m = 35(kg). Động cơ điện 72(V) có khối lượng m2 = 45(kg). Như vậy, tổng khối lượng của hệ thống truyền động điện sẽ là: m = 6 . m1 + m2 = 6 . 35 + 45 = 255 (kg) Tính hệ số tỷ lệ khối lượng: l = m / M = 255 / 960 = 0,27 < 30% Như vậy, tỷ lệ này đã đạt yêu cầu kỹ thuật. 4.1.3. Tổng hợp các thông số của động cơ điện và bộ ắc quy: 4.1.3.1. Động cơ điện: Tên gọi WarP13 72V. Công suất tối đa 21kW. Số vòng quay định mức 2100 v/p. Momen cực đại 190 Nm. Khối lượng 45 kg. 4.1.3.2. Acquy : Tên gọi Pinaco N200, 12V 200Ah. Kích thước 518 x 275 x 214. Khối lượng 35kg. Hình 4-4 Đồ thị momen động cơ theo tốc độ Hình 4-5 Đồ thị cường độ dòng điện theo số vòng quay động cơ 4.2. Tính toán các thông số động học của ô tô điện 4.2.1. Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực: 4.2.1.1. Lựa chọn phương án bố trí hệ truyền động: Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều gần giống với đường đặc tính kéo lý tưởng của ô tô, đồng thời động cơ điện có thể đổi chiều quay dễ dàng nên chúng ta có thể thiết kế hệ thống truyền lực mà không cần hộp số như ở động cơ đốt trong. Như vậy, hệ thống truyền lực của xe này được thiết kế theo các phương án sau: a. Phương án 1 : Thiết kế lại truyền lực chính với tỉ số truyền theo yêu cầu. Các phương án lắp đặt : Dùng trục cac-đăng : Đặt điểm: Động cơ bố trí cố định trên khung xe. Phải thiết kế bộ truyền bánh răng nón với tỉ số truyền lớn và vỏ cầu mới. Nên tăng khối lượng, cồng kềnh và giảm khoảng sáng gầm xe. Không dùng trục cac-đăng : Đặt điểm : Động cơ đặt trên cầu sau. Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ và vỏ cầu mới. Bố trí hệ dẫn động thành một cụm nên gọn nhẹ, dể lắp đặt. Nhưng bộ vi sai phải bố trí lệch qua một bên, độ dài hai bán trục không bằng nhau nên không thể lắp đặt (do hai bán trục của xe Suzuki bằng nhau). b. Phương án 2 : Dùng lại truyền lực chính của xe Suzuki. Các phương án lắp đặt : Dùng trục cac-đăng : Đặt điểm : Động cơ bố trí trên khung xe, tận dụng được truyền lực chính của xe Suzuki. Có thể bố trí cặp bánh răng cố định với động cơ. Không dùng trục cac-đăng : Đặt điểm : Động cơ được bố trí ngay trên cầu sau. Chiều dài bán trục không thay đổi. Nhưng phải thiết kế bộ truyền bánh răng có khoảng cách trục lớn nên làm tăng kích thước bánh răng, cồng kềnh, giảm khoảng sáng gầm xe. Theo kết quả phân tích ở trên, ta chọn phương án 2a. 4.2.1.2. Xác định tỉ số truyền : Từ sơ đồ này, tỷ số truyền của hệ thống xác định theo công thức: (4-8) trong đó wM , nM là vận tốc góc và số vòng quay định mức của động cơ điện và wbx nBX là vận tốc góc và số vòng quay cần thiết lớn nhất của bánh xe. Ta có nM = 2100 (v/ph) và nBX được xác định theo công thức: (4-9) Thay các giá trị có được vào công thức (4-8) ta được: . Do lựa chọn phương án bố trí động cơ không dùng cac-đăng và dùng lại truyền lực chính của xe Suzuki. Tỉ số truyền của truyền lực chính xe Suzuki là i = 5,125. Theo tính toán thì tỉ số truyền cần thiết của xe thiết kế là iH = 5,08 không chênh lệch nhiều so với tỉ số truyền lực chính của xe Suzuki, cho nên để đơn giản cho việc chế tạo xe ta sử dụng truyền lực chính của xe Suzuki mà không cần thiết kế thêm bộ truyền bánh răng. Kiểm tra tỉ số truyền theo điều kiện lực kéo lớn nhất tại bánh xe : Momen cản lớn nhất tại bánh xe : MCbxx = FMD.rbx = 3408.0,26 = 875 (Nm) Momen kéo lớn nhất tại bánh xe : MKbx = MM . iH . h = 190. 5,125.0,95 = 925 (Nm) Ta thấy MKbx > MCbx . Vậy chỉ cần một tỉ số truyền duy nhất xe có thể hoạt động ở mọi chế độ khi chạy ở vận tốc cực đại và cả khi vượt dốc. Nên tỷ số truyền chung của hệ thống truyền lực là iH = 5,125. 4.2.2. Khả năng leo dốc của ô tô - độ dốc cực đại: Độ dốc cực đại được xác định theo hai trường hợp là lực cản cân bằng với lực bám và lực cản cân bằng với lực kéo cực đại của động cơ điện (ứng với mô men kéo cực đại). Sau đó so sánh và chọn giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị tìm được. Theo điều kiện lực bám ta có: G . j . cosa = G . f . cosa + G . sina (4-10) Û j= f + tga Û . Û a = 300 . Theo điều kiện không trượt trơn của lực bám, ô tô có thể leo lên được độ dốc tối đa có góc bằng 300 hay độ dốc 57%. Theo điều kiện lực kéo cực đại của ô tô ta có: (4-11) Với: MMmax = 190(Nm) là mô men cực đại của động cơ điện; iH = 5,125 là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực; rbx = 0,26(m) là bán kính bánh xe ; h = 0,95 là hiệu suất của hệ thống truyền lực. Thay các giá trị vào biểu thức (4-11) ta được: Û 0,025 . cosa + sina =0,375 Giải ra được a 210 hay độ dốc 38%. Như vậy độ dốc cực đại mà xe có thể leo được là 38% (a = 210). 4.2.3. Vận tốc cực đại của ô tô : Ô tô đạt vận tốc cực đại khi động cơ điện quay với số vòng quay lớn nhất, nmax = 2100 (v/p). Ta có : (4-12) Và (4-13) Suy ra vận tốc cực đại của ô tô là: 4.2.4. Đồ thị cân bằng lực kéo : Với : (m/s) ; (4-14) (Nm) ; (4-15) PΣc = PL + PG (N). (4-16) Bảng 4-1 Kết quả tính toán sức kéo n (v/p) Vxe(m/s) Vxe(km/h) Mdc(Nm) Mkbx Pk PG PL P Σc 200 1.0 4 190.0 925.1 3601.6 0.8 240 240.8 400 2.1 8 190.0 925.1 3601.6 3.3 240 243.3 600 3.1 11 190.0 925.1 3601.6 7.4 240 247.4 800 4.2 15 190.0 925.1 3601.6 13.1 240 253.1 914 4.8 17 190.0 925.1 3601.6 17.1 240 257.1 1000 5.2 19 187.1 910.9 3546.5 20.4 240 260.4 1200 6.3 23 106.1 516.7 2011.6 29.4 240 269.4 1400 7.3 26 65.7 319.9 1245.5 40.1 240 280.1 1600 8.4 30 43.4 211.2 822.2 52.3 240 292.3 1800 9.4 34 30.1 146.4 570.0 66.2 240 306.2 2000 10.5 38 21.7 105.5 410.8 81.8 240 321.8 2100 11.0 40 18.6 90.7 352.9 90.1 240 330.1 2200 11.5 42 16.1 78.4 305.4 98.9 240 338.9 Hình 4-6 Đồ thị cân bằng lực kéo 4.3. Tính toán thiết kế hệ thống truyền lực: Như đã giới thiệu ở trên, hệ thống truyền lực của ô tô thiết kế sử dụng truyền lực chính của xe Suzuki 500kg , động cơ được nối với truyền lực chính thông qua trục cac-đăng. Do đó khi thiết kế hệ thống truyền lực ta chỉ cần tính toán thiết kế cơ cấu nối trục. 4.3.1. Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực Hình 4-7 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền lực 1. Động cơ điện 1 chiều ; 2. Trục cac-đăng ; 3. Truyền lực chính ; 4. Dầm cầu ; 5. Thép tấm gá động cơ 4.3.2. Tính bền then: Để truyền moment xoắn và truyền động từ trục đến bánh răng và ngược lại thì ta dùng then. Then là chi tiết ghép được tiêu chuẩn hóa. Ta chọn then theo TCVN 150-64. Vật liệu then là thép 45 và là loại then bằng. Chọn và tính then ta tiến hành như sau: Chọn tiết diện then theo đường kính trục, chiều dài then xác định bằng cách tính theo sức bền dập và cắt. Tuỳ theo điều kiện làm việc của mối ghép then (trị số và đặc tính tải trọng, trị số mômen xoắn, số lượng then... ), mỗi then không nhất thiết chỉ lắp vào những trục, có đường kính nằm trong phạm vi tương ứng với các trị số ghi trong bảng tiêu chuẩn. Đối với trục bậc khi cùng chịu một mômen xoắn nên chọn then có cùng tiết diện để việc gia công rãnh then trên trục được thuận tiện. Hình 4-8 Sơ đò tính bền then Trong trường hợp cần thiết có thể tăng chiều dài mayơ, sao cho mối ghép then thoã mãn điều kiện bền, mà không cần lắp nhiều then hoặc lấy then có tiết diện lớn hơn. Chọn tiết diện then: Đối với trục : Ở tiết diện C ta có đường kính trục: dm-m= 35 mm. Theo bảng 7-23 ta có: b = 10 mm h = 8 mm t1 = 4,5 mm k = 3,6 mm t2 = 4,2 mm * Kiểm nghiệm sức bền then: Điều kiện bền dập tiếp xúc giữa then và mayơ và tiếp xúc giữa then và trục: (4-17) Kiểm nghiệm sức bền cắt của then: (4-18) Trong đó: Mx_mômen xoắn cần truyền, (Nmm) t1_chiều sâu phần tiếp xúc giữa then và rãnh trên trục,mm k_ phần tiếp xúc giữa then và mayơ,mm t2_chiều sâu của rãnh trên mayơ,mm d_ đường kính trục,mm l_ chiều dài then,mm b_chiều rộng then,mm [s]_ứng suất dập cho phép, [s]=100N/mm2. [t]_ ứng suất cắt cho phép , [t]= 87N/mm2. Nhận xét: Trong ba công thức trên có: k < t < b Mà [s]»[t]. Vậy ta chọn công thức (1) để kiểm tra, nếu thoả đk (1) tức là thoả mãn cả ba điều kiện trên . Chọn chiều dài cho vị trí lắp với mayơ trên trục l = 0,8.lmayơ = 0,8.40 = 32mm Ta có: MxI= 190000Nmm dI = 35 (mm) k = 3,6 (mm) Theo công thức 1: (4-19) = 94,25 (N/mm2) < [s]=100N/mm2 Vậy then đủ bền. 5. KHUNG VỎ 5.1 Công dụng, phân loại , yêu cầu 5.1.1 Công dụng Khung và vỏ (thùng) được lắp trên nó, tạo thành hệ thống chịu tải của ô tô máy kéo. Khung dùng để bố trí lắp đặt các cụm, các hệ thống điều khiển và chuyển động. Vỏ (thùng) xe dùng để chứa người lái, hành khách và hàng hóa, bảo vệ cho người và hàng hóa an toàn khi di chuyển trên đường. 5.1.2 Phân loại Hiện nay có nhiều cách phân loại khác nhau. Nếu phân loại theo sự phân phối tải trọng giữa khung và vỏ phụ thuộc vào độ cứng và mối liên kết giữa chúng, hệ thống chịu tải có thể chia ra: Loại khung: Vỏ được nối với khung qua các phần tử đàn hồi. Độ cứng của khung lớn hơn nhiều so với vỏ và vỏ không chịu tác dụng của ngoại lực khi khung bị biến dạng. Loại vỏ chịu lực: Loại này không có khung và vỏ chịu tất cả các ngoại lực Loại vỏ liền khung: Khung và vỏ được nối khung bằng đinh tán mối hàn hay bu-lông. Chúng đồng thời tiếp nhận và chịu tải trọng. Loại kết cấu không khung, khi các điều kiện khác như nhau, nhẹ hơn so với kết cấu có khung, độ cứng vững cao hơn. Nhưng công nghệ chế tạo phức tạp hơn , thường sử dụng trên các ô tô khách cỡ nhỏ hay ô tô du lịch. Kết cấu loại khung có ưu điểm là: trên cùng một khung có thể chế tạo nhiều kiểu ô tô có thùng khác nhau. Kết cấu cho phép chia nhỏ và đơn giản hóa quá trình lắp ghép, sửa chữa. Có khả năng giảm tiếng ồn trong thùng xe nhờ các đệm đàn hồi đặt ở chỗ nối tiếp khung và thùng. 5.1.3 Yêu cầu Hệ thống chịu tải đảm bảo các yêu cầu sau: Có trọng lượng nhỏ mà vẫn đảm bảo được tuổi thọ tương ứng với thời hạn phụ vụ của ô tô. Có độ cứng vững đủ lớn để khi biến dạng không làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của các cụm và các cơ cấu lắp đặt trên nó, không gây kẹt, vênh các cánh cửa và vỡ kính. Có hình dạng thích hợp, đảm bảo tháo lắp các cụm dễ dàng, hạ thấp được chiều cao trọng tâm của xe, chiều cao chất tải nhỏ. Thùng xe phải có dạng khí động tốt để giảm lực cản khi chuyển động với tốc độ cao. Bố trí các bộ phận điều khiển thuận tiện, tầm nhìn của người lái và khách hàng thoáng, lên xuống dễ dàng. 5.2 Kết cấu khung Kết cấu khung có một số kiểu khác nhau tùy theo loại xe và điều kiện sử dụng như: Khung có xà dọc ở hai bên: sử dụng phổ biến trên các loại ô tô Hình 5.1 Khung xương có xà quanh chu vi Khung có xà dọc ở giữa kiểu xương cá: dùng trên một số xe du lịch và xe tải. Ưu điểm của loại này là có độ cứng xoắn cao và dễ thay đổi để dùng cho các xe có công thức bánh và kích thước cơ sở khác nhau. Hình 5.2 Bố trí dầm sàn ôtô khách Thaco KB80SLI Khung kiểu nạn hình chữ X: là dạng trung gian giữa hai loại trên. Hình 5.3 Khung xe loại chữ X Tùy các loại khung có kết cấu cụ thể khác nhau nhưng thường có những đặt điểm chung sau: Hình dáng : Khung của ô tô du lịch loại xà dọc bố trí hai bên thường mở rộng ở giữa và thu hẹp ở hai đầu tương ứng với vết bánh xe. Kích thước đầu trước của khung còn phải đảm bảo góc quay lớn nhất cho các bánh xe dẫn hướng. Các xà dọc ở vùng bánh xe thường được uốn cong để đảm bảo động học các bánh xe và hạ thấp trọng tâm. Các xà dọc của khung xe tải thường được bố trí song song và được nối với nhau bằng một số thanh ngang tạo thành dạng “bậc thang”. Chiều rộng và chiều cao của xà dọc có thể thay đổi theo chiều dài tùy thuộc vào tải trọng tác dụng. Các xà dọc có thể là hình ống, hình hộp chữ [. Trong đó phổ biến nhất là chữ [ dập từ thép lá, dày từ 2,5-3.5 mm đối với ô tô du lịch, 5-9mm đối với ô tô tải và khách tùy theo tải trọng ô tô. Đối với các ô tô tải trọng cực lớn, để đảm bảo tính kinh tế kĩ thuật, có thể sử dụng thép cán định hình chữ [. So với dập từ thép lá, tuy có khối lượng lớn nhưng tính chất cơ lí và độ bền cao hơn. Các xà ngang: chủ yếu dùng để lắp đặt các tổng thành của xe ( như buồng lái, động cơ, hộp số.....). Nên tiết diện ngang và khoảng cách vị trí giữa chúng phụ thuộc vào yêu cầu, bố trí lắp đặt các tổ hợp sao cho thuận tiện. Các xà ngang đa số có profin hở. Trong một số trường hợp, để tăng độ cứng xoắn cho khung người ta sử dụng profin kín hay ống tròn. Vật liệu: Thường là thép hợp kim hoặc cacbon thấp và trung bình, như: 20, 25, 30T, 15GT....để đảm bảo yêu cầu: Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao Ít nhạy cảm với tập trung ứng suất Có tính dập nguội và có tính hàn tốt Các mối ghép: Mối ghép giữa các xà có thể thực hiện bằng đinh tán hay hàn. Mối ghép đinh tán dùng nối các xà ngang với xà dọc có độ cứng không cao, tạo điều kiện làm đồng đều ứng suất khi xoắn khung và có tính công nghệ tốt hơn. Hình 5.4 Mối ghép hàn Mối ghép bằng bulong chỉ sử dụng trong trường hợp sản xuất loại nhỏ. Để tăng độ cứng vững của khung khi biến dạng chéo trong mặt phẳng ngang, các chỗ nối giữa xà ngang và xà dọc có thể được cường hóa bằng các gân vát xiên. Hình 5.5 Mối ghép đinh tán và bulong dùng trên xe tải 6.TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CHỊU TẢI CỦA XE 6.1. Xác định loại khung – vỏ để thiết kế cho xe Khung - vỏ là một trong những bộ phận quan trọng cấu thành nên xe. Kết cấu hợp lý của nó sẽ quyết định độ bền, hình dáng, kích thước cũng như khả năng cơ động của xe. Khung và vỏ được lắp trên nó sẽ tạo thành một hệ thống chịu tải của xe. Khung dùng để bố trí - lắp đặt các cụm, các hệ thống điều khiển và hệ thống chuyển động của xe. Hiện nay, các Công ty sản xuất ôtô có rất nhiều phương án cũng như dây chuyền chế tạo khung vỏ. Tuy nhiên, phương án hay được sử dụng nhiều nhất là dựa vào sự phân phối tải trọng giữa khung và vỏ phụ thuộc vào độ cứng và mối liên kết giữa chúng. Theo phương án này ta có rất nhiều sự lựa chọn kiểu khung vỏ (hệ thống chịu tải) để thiết kế cho xe . Trong các loại hệ thống chịu tải trên thì loại vỏ chịu lực tuy có ưu điểm là khối lượng nhỏ và độ cứng vững cao hơn các loại còn lại. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo loại này rất phức tạp cho nên giá thành rất cao và chỉ được sử dụng cho các xe du lịch hiện đại. Đối với xe ô tô điện thì hệ thống chịu tải (Khung - vỏ) phải được thiết kế phù hợp sao cho đáp ứng những yêu cầu chính sau: Có khối lượng nhỏ nhưng phải đảm bảo được tuổi thọ tương ứng với thời gian phục vụ của xe. Độ cứng vững phải đủ lớn để khi có biến dạng vẫn không ảnh hưởng đến sự làm việc của xe và các bộ phận lắp trên xe. Khung xe phải có kết cấu thích hợp sao cho thuận tiện trong việc bố trí các chi tiết, thiết bị. Vỏ xe phải có độ bền và hình dáng thích hợp sao cho có thể bảo vệ được các cơ cấu lắp trên xe. Không cần thiết phải đạt yêu cầu về độ thẫm mỹ và dạng khí động tốt vì xe chuyển động với vận tốc không lớn nên các lực cản chuyển động tương đối nhỏ. Để thỏa mãn những yêu cầu trên thì em quyết định chọn loại hệ thống chịu tải là loại khung để thiết kế cho xe ô tô điện. Đặc điểm chính của loại hệ thống chịu tải này là: Khung là chi tiết chịu lực chính của xe, độ cứng của khung lớn hơn nhiều so với vỏ. Vỏ được lắp trên khung một cách linh hoạt, thuận tiện trong quá trình tháo lắp. Vỏ không chịu tác dụng của ngoại lực khi khung bị biến dạng. 6.2. Chọn kết cấu của khung Trong nhiều kết cấu của các loại khung thông dụng thì khung có kết cấu với hai dầm dọc hai bên có nhiều ưu điểm và thích hợp với loại xe đang thiết kế. Hơn nữa đây là loại khung thông dụng, công nghệ gia công hiện đang phổ biến ở nước ta nên giá thành tương đối thấp so với các loại khác. Ngoài ra, loại khung này rất thích hợp với các loại xe có kích thước nhỏ. 6.2.1. Hình dáng của khung Hình dáng của khung loại hai dầm dọc bố trí hai bên thường cần phải đáp ứng yêu cầu chính là: Kích thước đầu trước của khung phải đảm bảo góc quay lớn nhất của bánh xe dẫn hướng. Vì xe ô tô điện có kết cấu hệ thống chịu lực tương đối đơn giản nên cũng thuận tiện cho việc lựa chọn và gia công các thanh dầm. Hai thanh dầm dọc của xe được bố trí song song và được nối bởi các thanh dầm ngang tạo thành dạng bậc thang. Chiều rộng và cao của các thanh dầm thay đổi theo chiều dài của khung. Việc thay đổi chiều dài nhằm giúp xe quay vòng dễ dàng (đảm bảo động học quay vòng) Đối với các thanh dầm dọc: Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm là hình chữ [ (80 x 40) (mm), được dập từ thép lá có chiều dày (1,5¸2,5) (mm) Số lượng: 02 (thanh) Chiều dài mỗi thanh :3 (m) Khối lượng của 01 (m) dầm: 7,05 (kg) Khoảng cách hai dầm dọc không song song mà thay đổi dạng hình thang phù hợp với hệ thống lái. Chiều cao của thanh đà dọc cũng thay đổi phù hợp để lắp các bộ phận: truyền lực chính, sàn xe. Phần giữa của hai thanh đà chính được uốn xuống để hạ thấp sàn xe, dễ dàng cho việc lên, xuống xe. Hình 6.1. Sơ đồ kết cấu khung xe. Đối với các thanh dầm ngang: Chọn biên dạng (mặt cắt ngang) của thanh dầm là hình chữ [ (65 x36) (mm), được dập từ thép lá có chiều dày (1,5¸2,5) (mm). Số lượng: 04 (thanh) Chiều dài mỗi thanh :0,6 (m) Khối lượng của 01 (m) dầm: 5,9(Kg) Khoảng cách giữa các thanh dầm ngang được bố trí phụ thuộc vào sự lắp đặt các chi tiết sao cho phù hợp. Các thanh dầm được nối với nhau bằng các mối hàn hay bằng đinh tán, để tăng thêm độ cứng vững thì ta dùng các tấm ke gia cường. 6.2.2. Chọn vật liệu chế tạo các thanh dầm Vật liệu dùng để chế tạo các thanh dầm thường là thép hợp kim hay thép cácbon thấp hoặc trung bình như : 20, 25, 30T... Đặc điểm của các loại thép này là: Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao. Ít nhạy cảm với tập trung ứng suất. Có tính dập nguội và có tính hàn tốt. Để đơn giản cho quá trình tính toán, cũng như kiểm tra bền ta chọn các vật liệu có sẵn trên thị trường. Sử dụng thép CT3 để tính bền Sử dụng các loại thép hộp có trên thị trường, các loại thép sử dụng trong lĩnh vực xây dựng. 6.3. Tính toán khung xe Khung xe được cấu tạo từ: stt Tên chi tiết Số lượng Chiều dài (mm) Chiều rộng(mm) Diện tích(m2) Loại thép Khối lượng(kg) 1 Thanh đà dọc Chassis chính 2 2900 U80x46 41 2 Thanh đà ngang chính 4 600 U65x36 14 3 Thanh đà ngang phụ đỡ sàn 8 1400 H20x40 21 4 Thanh đà dọc phụ 1 480 U65x36 3 5 Vỏ xe làm từ thép tấm 1 2800 1400 3.92 0,5mm 15 6 Thanh chống vỏ sử dụng thép hộp 11 16000 H20x40 30 7 Sàn xe sử dụng thép tấm dày 1 2800 1400 3.92 1,5mm 46 8 Kính xe 1 0.88 10 Tổng khối lượng khung vỏ 180 Tính toán trọng tâm của khung vỏ xe: Chọn trục sau của bánh xe làm gốc tọa độ, chi tiết dạng hộp co trọng tâm đặt tại tâm của chi tiết, các chi tiết có hình dạng phức tạp ta chia thành các khối đơn giản để lấy trọng tâm ta có bảng sau: STT Tên chi tiết x(mm) y(mm) Tong m m(kg) x.m y.m 1 Thanh đà dọc chính 920 297 41 20.4 18809 6072 920 297 20.4 18809 6072 2 Thanh đà ngang chính 2210 359 14 3.5 7823 1271 1662 359 3.5 5883 1271 440 240 3.5 1558 850 -363 341 3.5 -1285 1207 3 Thanh đà ngang phụ đỡ sàn 2305 408 21 2.6 5970 1057 1495 340 2.6 3872 881 916 300 2.6 2372 777 541 300 2.6 1401 777 361 300 2.6 935 777 113 393 2.6 293 1018 -403 393 2.6 -1044 1018 -528 393 2.6 -1368 1018 4 Thanh đà dọc phụ 1940 352 3 2.8 5494 997 5 Vỏ xe 905 1617 15 15.0 13575 24255 6 Thanh chống vỏ xe 1409 890 30 5.0 7045 4450 1409 890 5.0 7045 4450 -350 890 5.0 -1750 4450 -350 890 5.0 -1750 4450 7 Sàn xe 920 317 46 46.2 42465 14632 8 Kính xe 1050 2470 10 10.0 10500 24700 Tổng khối lượng khung vỏ xe 180 169.8 146655 106449 Kết quả tính toán x = 864 mm y =627 mm 6.3.1.Tải trọng và chế độ tính Tải trọng tác dụng lên khung có thể chia ra : Tải trọng tĩnh : do trọng lượng các cụm bắt lên khung của động cơ như người lái, ắc quy, động cơ..... Tải trọng động: chủ yếu là tải trọng thẳng đứng, sinh ra khi ôtô chuyển động trên đường không bằng phẳng và tải trọng ngang khi xe tăng tốc hoặc quay vòng Các tải trọng thẳng đứng phân bố đối xứng với các dầm dọc sẽ gây uốn khung. Các tải trọng phân bố không đối xứng xuất hiện khi ôtô chuyển động trên đường mấp mô lớn (khi các bánh xe đi qua các chướng ngại vật hay các ụ mấp mô) sẽ gây xoắn khung. Ảnh hưởng của các tải trọng ngang tác dụng lên khung nói chung nhỏ, có thể bỏ qua. Với các đặc điểm chịu tải như vậy nên khung được tiến hành tính toán chế độ đặc trưng nhất là : Chế độ 1: Xe chuyển động với tốc độ lớn trên đường mấp mô nhỏ, khung chịu tải trọng thẳng đứng và bị uốn. Chế độ 2: Xe chuyển động trên đường mấp mô lớn khi một bánh gặp mấp mô hay bị treo lên. Trong trường hợp này khung chịu xoắn. Đối với xe ô tô điện thì điều kiện làm việc tương đối nhẹ nhàng, tốc độ vừa phải. Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên xe theo phương thẳng đứng ít thay đổi và địa hình làm việc thì bằng phẳng ít gồ ghề. Do vậy, để tính bền cho khung ta chỉ tính khung theo chế độ 1 tức là tính khung theo uốn trong trường hợp tĩnh và nhân thêm một hệ số an toàn. 6.3.2. Tính khung theo uốn Giả thiết : Khi tính toán coi như dầm dọc chịu hoàn toàn tải trọng. Không tính toán các dầm ngang và bỏ qua mômen xoắn do các cụm đặt xa dầm dọc gây ra. Trọng lượng các cụm được phân đều cho hai dầm coi như chúng tác dụng trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trọng tâm tiết diện dầm dọc. Khung được coi như một dầm đặt trên hai gối đỡ là hai cầu xe. Trọng lượng thùng xe coi như phân bố đều theo chiều dài thùng xe. Vị trí trọng tâm các cụm tức điểm đặt lực được tính từ một điểm nào đó. Sử dung phần mềm RDM phiên bản 6.16 bằng cách đặt các ngoại lực, cũng như gán các giá trị về vật liệu cho kết cấu, ta cố thê tính bền cho khung, vỏ ô tô. Tùy vào mối liên kết ma ta đặt lực tác dụng lên khung cho hợp lí, tuy nhiên để đơn giản các ngoại lực ta chọn thành lực tập trung. Các ngoại lực đặt tập trung tại các điểm lên kết giữa dầm ngang và dầm dọc. Khối lượng các chi tiết được phân bố đều lên chi tiết Sơ đồ tính : Hình 6.2 Mô hình tính toán khung xương Hình 6.3 Biểu đồ biến dạng khung xương Hình 6.4. Biểu đồ lực cắt Hình 6.5. Biểu đồ momen xoắn Hình 6.6. Biểu đồ momen uốn Hình 6.7. Biểu đồ ứng suất Kiểm nghiệm bền khung ôtô bằng phần mềm tính toán sức bền RDM. Kết quả tính toán: Momen uốn lớn nhất tại Mumax=130,36Nm= 1303 (kG/cm). Dầm dọc khung ôtô có tiết diện [80x40x4,5(mm) có momen kháng uốn được tính như sau: Wx = dh(h+6b)/6 Với d=0,45 cm; h=8 cm; b=4 cm Thay vào ta tính được: Wx = 19,2 ( cm3) Ứng suất uốn tại vị trí momen uốn lớn nhất là: su = Mumax /Wx = 1303/19,2 = 67,86 (kG/cm2). Ta thấy ứng suất uốn này gần bằng với ứng suất uốn do phần mềm RDM xuất ra. Nên các kết quả sau ta lấy tử RDM để so sánh luôn. Ứng suất cho phép của khung ôtô được tính theo biểu thức sau: [s] = ss / 1,5 (Kđ +1) Ta tính kiểm tra đối với thép CT3 có giới hạn chảy sch = 2400 kG/cm2 nếu đủ bền thì vật liệu làm khung chắc chắn bền vì vật liệu làm khung có cơ tính tốt hơn nhiều. Trong đó : [s] ứng suất cho phép phát sinh tại dầm dọc ss : ứng suất giới hạn chảy của vật liệu chế tạo khung ôtô ss = 2400 kG/cm2 Kđ : hệ số tải trọng động, chọn Kđ = 2,5 Từ đó ta tính được: [s] = ss / 1,5 (Kđ +1) = 2400/1,5 (2,5+1)= 457,14 (kG/cm2) Như vậy su= 67,86 kG/cm2 < [s] = 457,14 kG/cm2 nên khung ôtô đủ bền 6.3.3. Tính khung theo chế độ phanh gấp Khi phanh gấp, khung xương bị uốn do tác dụng của lực quán tính. Pjk = mkv .jpmax = (Gkv /g). jpmax (kG) Tính gia tốc phanh chậm dần: - Lực phanh lớn nhất được giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường nên: Ppmax= Zb.j Trong đó: Ppmax: lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường. Zb: phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe j : hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Mặt khác lực quán tính Pj được xác định theo biểu thức: Pj = G.jp/g Ở đây g – gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2 ) jp: gia tốc chậm dần khi phanh Vì trong quá trình phanh thì lực cản lăn Pf1 và Pf2 không đáng kể có thể bỏ qua do đó có thể viết : Pjmax = Ppmax Suy ra G.j = G.jpmax/g G: trọng lượng toàn bộ của ô tô Vậy jpmax = g. j = 9,81.0,6 = 5,886 (m/s2) Gqt - Nếu coi các cột vòm chính bị ngàm cứng ở vị trí hàn nối với thanh giằng ngang, và các khối lượng khác được gắn chặt trên khung xe thì Gqt là trọng lượng tính từ thanh dầm ngang lên nóc ô tô: Gqt = 685 kG; Lực quán tính được đặt đều tại các liên kết của khung: Pj = G.jp/g = 411 kG = 4110N Lực quán tính này được đặt tập trung tại tám điểm trên khung( giữa các liên kết hàn của dầm ngang với dầm dọc). Suy ra Pj1 = 510N Sử dụng phần mềm RDM ta tính bền khung ô tô ta có kết quả như sau: + Biểu đồ phân bố lực: Hình 6.8. Biếu đồ đặt lực Hình 6.9. Biểu đồ biến dạng của khung vòm Hình 6.10.Biểu đồ lực cắt Hình 6.11.Biểu đồ lực dọc Hình 6.12. Biểu đồ momen xoắn Hình 6.13. Biểu đồ momen uốn Moment uốn lớn nhất tại chân cột 2:Mumax =130,36Nm + Biếu đồ ứng suất: Hình 6.14. Biểu đồ ứng suất Ứng suất lớn nhất tại chân số cột vòm: sux = 6,45MPa = 64,5 (kG/cm2) Tra bảng ta có giới hạn ứng suất của thép CT3 thông thường dùng làm khung vỏ ôtô [su] = 2600 ¸ 3400 kG/cm2 . sux = 64,5 (kG/cm2) < [su] = 457,14 (kG/cm2); Như vậy khung xe đủ bền khi ô tô phanh gấp. 6.3.4 Tính khung theo chế độ quay vòng Khi quay vòng các cột đứng và thanh ngang khung trần chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm theo chiều ngang và chiều dọc và thành phần lực theo phương thẳng đứng : - Lực quán tính li tâm theo chiều ngang và chiều dọc: Plt = (mkv.V2) / r = (Gkv/g)V2/ r r = Rqmin /cosa Trong đó : Rqmin - Bán kính quay vòng của ô tô, Rqmin = 3,85(m) V - Tốc độ giới hạn khi quay vòng, V = 5,55 (m/s); tga = b/Rqmin = 0,894/3,85 = 0,232 Suy ra a =130 Ta được: r = Rqmin /cosa = 3,85 /cos(13) = 3,95 m Thay các trị số vào biểu thức Plt ta có: Plt = (685/9,81).5,552/3,85 = 559 kG L b a Plty Plt Pltx Rmin α + Lực ly tâm theo chiều ngang tác dụng lên cột vòm : Pltng = Plt . cosa = 559.cos13 = 545 (kG) + Lực ly tâm theo chiều dọc tác dụng lên cột vòm : Pltd = Plt . sina = 559.sin13 = 126 (kG) Lực quán tính được đặt tập trung tại tám điểm trên khung (giữa các liên kết hàn của dầm ngang với dầm dọc, ta giả thiết lực truyền từ các chi tiết đến khớp nối sau đó đến thanh dầm ngang và cuối cùng truyền tới dầm dọc của khung xe) Suy ra Pltng1 = 680N Pltd = 160N Sử dụng phần mềm RDM tính bền ta có kết quả như sau: + Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên khung vòm: Hình 6.15 Biểu đồ đặt lực Hình 6.16 Biểu đồ biến dạng Hình 6.17 Biểu đồ lực cắt Hình 6.18 Biểu đồ lực dọc Hình 6.19 Biểu đồ momen xoắn Hình 6.20 Biểu đồ momen uốn tác dụng lên khung ô tô Hình 6.21 Biểu đồ ứng suất Ứng suất cực đại: smax = 46,75 MPa = 467,5(kG/cm2) Như vậy ứng suất tính toán std = 467,5kG/cm2 < [s]= 2600 ¸ 3400 kG/cm2. Vậy khung xương đủ bền trong trường hợp quay vòng. 6.4. Kiểm tra bền thân vỏ Khung xương ô tô là một hệ kết cấu siêu tĩnh . Để đơn giản trong tính toán, có thể coi các cột đứng chịu toàn bộ lực tác dụng, còn các thanh liên kết phụ là kết cấu gia cường. Khi vận hành, hệ khung xương chịu tác dụng của các tải trọng sau đây: - Tải trọng tĩnh do trọng lượng bản thân khung vỏ - Tải trọng động khi ô tô phanh gấp hoặc quay vòng. Do tải trọng động tác dụng khi ô tô phanh gấp hoặc quay vòng lớn hơn tải trọng tĩnh nên khi tính bền khung xương chỉ tính toán cho trường hợp khung xương chịu tải trọng động. Vật liệu chế tạo và ứng suất cho phép Các cột đứng của hệ khung xương ¨ 20x 40 x 2mm được chế tạo từ thép cacbon thấp có giới hạn chảy. sch = 2400 kG/cm2 Ứng suất uốn cho phép của vật liệu được xác định theo công thức : [sch] = sch / [n.(Kđ + 1)] = 2400 / [1,5(0,8 + 1)] = 889 (kG/cm2); Ở đây : Kđ - Hệ số tải trọng động, Kđ = 0,8; n - Hệ số an toàn : n = 1,5 Khối lượng khung và vỏ phân bố đều lên chiều dài tổng của khung xe: q = Gkv/l = 450/1600 = 0,28125 kG/cm 6.4.1. Chế độ phanh gấp Khi phanh gấp, khung xương bị uốn do tác dụng của lực quán tính. Pjk = mkv .jpmax = (Gkv /g). jpmax (kG) Tính gia tốc phanh chậm dần: - Lực phanh lớn nhất được giới hạn bởi điều kiện bám giữa bánh xe với mặt đường nên: Ppmax= Zb.j Trong đó: Ppmax: lực phanh cực đại có thể sinh ra từ khả năng bám của bánh xe với mặt đường. Zb: phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe j : hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Mặt khác lực quán tính Pj được xác định theo biểu thức: Pj = G.jp/g Ở đây g – gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2 ) jp: gia tốc chậm dần khi phanh Vì trong quá trình phanh thì lực cản lăn Pf1 và Pf2 không đáng kể có thể bỏ qua do đó có thể viết : Pjmax = Ppmax Suy ra G.j = G.jpmax/g G: trọng lượng toàn bộ của ô tô Vậy jpmax = g. j = 9,81.0,7 = 6,867 (m/s2) Gkv - Nếu coi các cột vòm chính bị ngàm cứng ở vị trí hàn nối với thanh giằng ngang thì Gkv là trọng lượng thân vỏ tính từ thanh dầm ngang lên nóc ô tô: Gkv = 45 kG; Lực quán tính được đặt đều tại các liên kết của khung: Pj = G.jp/g = 31,5 kG Sử dụng phần mềm RDM ta tính bền khung ô tô ta có kết quả như sau: + Biểu đồ phân bố lực: Hình 6.22 Biếu đồ đặt lực Hình 6.23 Biểu đồ biến dạng của khung vòm Hình 6.24 Biểu đồ lực cắt Hình 6.25 Biểu đồ momen xoắn Hình 6.26 Biểu đồ momen uốn Moment uốn lớn nhất tại chân cột vòm số 2:Mumax =74,2(daN.cm) + Biếu đồ ứng suất: Hình 6.27 Biểu đồ ứng suất Ứng suất lớn nhất tại chân số cột vòm: sux = 10,18MPa = 101,8 (kG/cm2) < [su] = 889 (kG/cm2); Như vậy các cột đứng đủ bền khi ô tô phanh gấp 6.4.2. Chế độ quay vòng Khi quay vòng các cột đứng và thanh ngang khung trần chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm theo chiều ngang và chiều dọc và thành phần lực theo phương thẳng đứng : - Lực quán tính li tâm theo chiều ngang và chiều dọc: Plt = (mkv.V2) / r = (Gkv/g)V2/ r r = Rqmin /cosa Trong đó : Rqmin - Bán kính quay vòng của ô tô, Rqmin = 3,85(m) V - Tốc độ giới hạn khi quay vòng, V = 5,55 (m/s); tga = b/Rqmin = 0,894/3,85= 0,232 Suy ra a =130 Ta được: r = Rqmin /cosa = 3,85 /cos(13) = 3,85 m Thay các trị số vào biểu thức Plt ta có: Plt = (45/9,81).5,552/3,85 = 36,7 kG + Lực ly tâm theo chiều ngang tác dụng lên cột vòm : Pltng = Plt . cosa = 36,7.cos13 = 35,8 (kG) + Lực ly tâm theo chiều dọc tác dụng lên cột vòm : Pltd = Plt . sina = 36,7.sin13 = 8,3(kG) - Lực tác dụng lên khung xe theo phương thăng đứng: G3 = 45 (kG) Þ Trọng lượng này phân bố đều lên 1 cột vòm: qG3 = G3/n.l = 45/(3.140)= 0,107 (kG/cm). Sử dụng phần mềm RDM tính bền ta có kết quả như sau: + Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên khung vòm: Hình 6.28 Biểu đồ đặt lực Hình 6.29 Biểu đồ biến dạng Hình 6.30 Biểu đồ lực cắt Hình 6.31 Biểu đồ momen xoắn Hình 6.32 Biểu đồ momen uốn Hình 6.33 Biểu đồ ứng suất Ứng suất cực đại: smax = 45,02 MPa = 450,2 (kG/cm2) Tra bảng ta có giới hạn ứng suất của thép CT3 thông thường dùng làm khung vỏ ôtô [s] = 2600 ¸ 3400 kG/cm2 . Như vậy ứng suất tính toán std = 450,2kG/cm2 < [s]. Vậy khung xương đủ bền. 6.5 Tính bền liên kết giữa ghế với sàn ô tô Ghế khách được liên kết với sàn ô tô thông qua các bulông M8. Ở đây ta tính bền đối với ghế hành khách 03 chỗ ngồi là trường hợp mối ghép chịu tải trọng lớn nhất. Điều kiện đảm bảo bền mối ghép bulông này là: Pms > Pj Trong đó: Pj - Lực quán tính do trọng lượng của ghế 3 chỗ ngồi và trọng lượng của 3 hành khách sinh ra khi phanh: Pj = Gqt.jp/g = 204.6,867/9,81 = 142,8 (kG); Gqt - Trọng lượng của ghế 03 chỗ ngồi và trọng lượng của 03 hành khách, Pms - Lực ma sát giữa mặt bích chân ghế và sàn ô tô sinh ra do lực ép của các bulông. Pms = Pe . fms Pe = pe .i = 900.16= 14400 kG Pms = 14100.0,2 Lực siết do 2 bulông M8 Liên kết giữa chân ghế với sàn ô tô sinh ra: = 2880 kG Pms = 2880 kG > Pj =142,8kG. Như vậy: Mối ghép giữa chân ghế và sàn ô tô đủ bền.