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

TĨM TẮT
Trong tình hình về ơ nhiễm mơi trường và càng ngày càng cạn kiệt nguồn tài nguyên như
hiện nay thì các đề tài nghiên cứu để giảm tối đa nguồn nguyên liệu mà xe xả thải ra là cực kỳ
quan trọng. Ngoài những yếu tố như động cơ là tác nhân ảnh hưởng trực tiếp tới nguồn nhiên
liệu thì đề tài về khung xe và vỏ xe cũng ảnh hưởng không kém tới sự tiêu hao nhiên liệu trên
xe.
Nhiệm vụ đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khung và thân vỏ xe 03 bánh tiết kiệm
nhiên liệu để giảm tối đa công suất cản và khối lượng của xe mà vẫn đảm bảo độ ổn định và
đặc biệt sự an toàn khi vận hành xe.
Với thời gian gần 3 tháng nghiên cứu và thực hiện, nhóm chúng tơi đã hồn thành được
nhiệm vụ đề tài đặt ra. Nội dung được thể hiện rõ qua 5 chương gồm:
Chương 1. Tổng quan.
Chương 2. Điều kiện làm việc và yêu cầu thiết kế.
Chương 3. Cơ sở lý thuyết.
Chương 4. Thiết kế và mô phỏng đánh giá.
Chương 5. Kết luận và kiến nghị.

ii


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn…………………………………………………………………………………….i
Tóm tắt……. .............................................................................................................................ii
Mục lục…….. ..........................................................................................................................iii
Danh mục các hình ................................................................................................................... vi
Danh mục các bảng .................................................................................................................. xi
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu ....................................................................................xiii
Chương 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1
1.1.

Giới thiệu đề tài ........................................................................................................ 1

1.2.

Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................. 3

1.3.

Mục tiêu đề tài.......................................................................................................... 4

1.4.

Cách tiếp cận ............................................................................................................ 4

Chương 2: ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU THIẾT KẾ ..................................... 5
2.1.

Điều kiện làm việc ................................................................................................... 5

2.2.

Chiến thuật thi đấu ................................................................................................... 5

2.3.

Yêu cầu thiết kế........................................................................................................ 6

2.3.1.

Yêu cầu về kích thước .......................................................................................... 6

2.3.2.

Yêu cầu theo điều kiện làm việc ........................................................................... 6

2.3.3.

Yêu cầu khác......................................................................................................... 7

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................... 8
3.1.

Lý thuyết thiết kế khung xe và vỏ xe ....................................................................... 8

3.1.1.

Lực cản lăn ........................................................................................................... 8

3.1.2.

Lực cản khơng khí ................................................................................................ 9
Lý thuyết tính tốn độ bền khung xe ..................................................................... 11

3.2.
3.2.1.

Các lực tác dụng lên xe ....................................................................................... 11

3.2.1.1.

Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng ..................................................... 12
iii


3.2.1.2.

Khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng ....................................................... 13

3.2.1.3.

Khi xe phanh trên đường bằng phẳng .......................................................... 14

3.2.1.4.

Khi xe quay vịng trên đường bằng phẳng ................................................... 14

3.2.2.

Phần mềm tính tốn độ bền khung xe................................................................. 16

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ..................................................... 17
Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế .............................................................. 17

4.1.
4.1.1.

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung xe ........................................... 17

4.1.1.1.

Phương án chọn số bánh xe ......................................................................... 17

4.1.1.2.

Phương án chọn kích cỡ bánh xe ................................................................. 17

4.1.1.3.

Phương án đặt động cơ ................................................................................ 18

4.1.1.4.

Phương án kết cấu khung xe ........................................................................ 18

4.1.1.5.

Phương án vật liệu khung xe ....................................................................... 19

4.1.2.

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế vỏ xe ................................................. 19

4.1.2.1.

Phương án kiểu vỏ xe................................................................................... 19

4.1.2.2.

Phương án biên dạng vỏ xe .......................................................................... 20

4.1.2.3.

Phương án vật liệu vỏ xe.............................................................................. 20

4.1.2.4.

Phương vật liệu kính chắn gió ..................................................................... 21

4.2.

Thiết kế biên dạng hình học của khung xe và vỏ xe .............................................. 22

4.2.1.

Thiết kế biên dạng hình học của khung xe ......................................................... 22

4.2.1.1.

Kích thước các bộ phận chính trên xe ......................................................... 22

4.2.1.2.

Tư thế ngồi của người lái ............................................................................. 25

4.2.1.3.

Bố trí các bộ phận trên xe ............................................................................ 25

4.2.1.4.

Xây dựng biên dạng 2D cho khung xe ........................................................ 27

4.2.1.5.

Xây dựng bản vẽ khung xe 3D .................................................................... 28

4.2.2.

Thiết kế bản vẽ vỏ xe .......................................................................................... 30

4.2.2.1.

Xây dựng bản vẽ vỏ xe 2D .......................................................................... 30

4.2.2.2.

Xây dựng bản vẽ vỏ xe 3D .......................................................................... 31

Mô phỏng và đánh giá ............................................................................................ 32

4.3.
4.3.1.

Mô phỏng và đánh giá khung xe ........................................................................ 32

4.3.1.1.

Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng ..................................................... 36
iv

4.3.1.2.

Khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng ....................................................... 39

4.3.1.3.

Khi xe phanh trên đường bằng phẳng .......................................................... 42

4.3.1.4.

Khi xe quay vòng trên đường bằng phẳng ................................................... 46

4.3.1.5.

Đánh giá kết quả .......................................................................................... 50

4.3.2.

4.3.2.1.

Lập phương án tối ưu khung xe ................................................................... 50

4.3.2.2.

Mô phỏng, kiểm nghiệm lại độ bền sau khi tối ưu hố ............................... 52

4.3.3.

4.4.

Tối ưu hóa thiết kế của khung xe........................................................................ 50

Mô phỏng và đánh giá vỏ xe .............................................................................. 59

4.3.3.1.

Phương pháp mơ phỏng ............................................................................... 59

4.3.3.2.

Xây dựng mơ hình ....................................................................................... 60

4.3.3.3.

Chia lưới ...................................................................................................... 62

4.3.3.4.

Thiết lập điều kiện tính tốn ........................................................................ 63

4.3.3.5.

Thiết lập phương pháp tính tốn .................................................................. 65

4.3.3.6.

Kết quả ......................................................................................................... 68

4.3.3.7.

Đánh giá kết quả .......................................................................................... 69

Kết quả đạt được .................................................................................................... 70

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 73
5.1.

Kết luận .................................................................................................................. 73

5.2.

Hướng phát triển đề tài .......................................................................................... 73

Tài liệu tham khảo................................................................................................................... 74

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1 : Mức tiêu thụ năng lượng từ năm 1970 đến 2025 (triệu tỷ Btu)………………….. 1
Hình 1.2: tiêu thụ năng lượng cho ngành giao thông vận tải ở Mỹ, Canada, Mexico từ năm
2001 đến năm 2025…………………………………………………………………………... 2
Hình 1.3: Tiêu thụ năng lượng cho ngành Giao thơng vận tải ở Trung quốc và một số nước
Châu Á từ năm 2001 đến 2025………………………………………………………………. 2
Hình 1.4: Lượng khí CO2 thải ra mơi trường từ việc đơt nhiên liệu hóa thạch trên thế giới từ
năm 1970 đên 2025 ( triệu tấn )…………………………………………………………….... 3
Hình 2.1 : Sơ đồ đường đua……………………………………………………………………5
Hình 3.1: Lực cản lăn………………………………………………………………………... 8

Hình 3.2: Hệ số cản của một số vật thể……………………………………………………... 11
Hình 3.3: Các lực tác dụng lên xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng……………….. 12
Hình 3.4: Các lực tác dụng lên xe khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng…………………. 13
Hình 3.5: Các lực tác dụng lên xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng…………………... 14
Hình 3.6: Các lực tác dụng lên xe khi xe quay vịng trên đường bằng phẳng……………… 15
Hình 4.2: Các kích thước cơ bản của cơ thể người…………………………………………. 22
Hình 4.3: Kích thước động cơ……………………………………………………………… 24
Hình 4.4: Kích thước bánh xe……………………………………………………………… 24
Hình 4.5: Tư thế ngồi của người lái…………………………………………………………25
Hình 4.6: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu đứng……………………………………… . 25
Hình 4.7: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu cạnh. ………………………………………..26
Hình 4.8: Bố trí các hệ thống theo hình chiếu bằng………………………………………… 26
Hình 4.9: Hình chiếu đứng biên dạng khung xe……………………………………………. 27
vi


Hình 4.10: Hình chiếu bằng biên dạng khung xe…………………………………………… 27
Hình 4.11: Hình chiếu cạnh biên dạng khung xe……………………………………………. 28
Hình 4.12: Biên dạng 3D của khung xe…………………………………………………….. 28
Hình 4.13: Kích thước chi tiết của khung xe. ……………………………………………….29
Hình 4.14: Khối lượng của khung xe. ……………………………………………………….30
Hình 4.15: Hình chiếu đứng biên dạng của vỏ xe. …………………………………………..30
Hình 4.16: Hình chiếu bằng biên dạng của vỏ xe. …………………………………………..31
Hình 4.17: Hình chiếu cạnh biên dạng vỏ xe. ……………………………………………….31
Hình 4.18: Biên dạng 3D của vỏ xe. …………………………………………………………32
Hình 4.19: Minh hoạ thực nghiệm đo tải trọng phân bố của người tác dụng lên khung xe… 33
Hình 4.20: Các lực phân bố tác dụng lên khung xe. …………………………………………33
Hình 4.21: chọn vật liệu mơ phỏng. …………………………………………………………35
Hình 4.22: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng. …….36
Hình 4.23: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng. …………37

Hình 4.24. Đặt các lực tác dụng lên khung trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….37
Hình 4.25: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng.. 38
Hình 4.26: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng phẳng. 38
Hình 4.27: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe tăng tốc trên đường bằng phẳng. ………39
Hình 4.28: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng. ………….40
Hình 4.29: Đặt lực lên khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng. ……41
Hình 4.30: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng. …41
Hình 4.31: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng …42
Hình 4.32: Hệ số bám của các loại đường. ………………………………………………….42
vii


Hình 4.33: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng. …………43
Hình 4.34: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng. ……………44
Hình 4.35: Đặt các lực tác dụng lên khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….44
Hình 4.36: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng. ……45
Hình 4.37: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng. ….45
Hình 4.38: Sơ đồ lực tác dụng lên khung xe khi xe quay vịng trên đường bằng phẳng. ……46
Hình 4.39: Tạo ràng buộc trong trường hợp xe quay vòng trên đường bằng phẳng. ……….48
Hình 4.40: Đặt các lực tác dụng lên khung xe trong trường hợp xe quay vòng trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….48
Hình 4.41: Ứng suất của khung xe trong trường hợp xe quay vịng trên đường bằng phẳng..49
Hình 4.42: Chuyển vị của khung xe trong trường hợp xe quay vịng trên đường bằng phẳng.
……………………………………………………………………………………………….49
Hình 4.43: Các thanh chưa tối ưu của khung xe. ……………………………………………50
Hình 4.44: Biên dạng của khung xe sau khi tối ưu. …………………………………………51
Hình 4.45: Khối lượng khung xe sau tối ưu hố ……………………………………………..52
Hình 4.46: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng

phẳng. ……………………………………………………………………………………….53
Hình 4.47: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe đứng yên trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….54
Hình 4.48: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng phẳng.
……………………………………………………………………………………………….54
Hình 4.49: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe tăng tốc trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….55

viii


Hình 4.50: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
……………………………………………………………………………………………….55
Hình 4.51: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe phanh trên đường bằng phẳng.
……………………………………………………………………………………………….56
Hình 4.52: Ứng suất của khung xe tối ưu trong trường hợp xe xoay vòng trên đường bằng
phẳng……………………………………………………………………………………….. 56
Hình 4.53: Chuyển vị của khung xe tối ưu trong trường hợp xe xoay vòng trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….57
Hình 4.54: Xe hồn chỉnh khi lắp các bộ phận, các hệ thống khác trên xe. …………………58
Hình 4.55: Quy trình thực hiện mơ phỏng vỏ xe. …………………………………………….59
Hình 4.56: Mẫu vỏ xe 3D. …………………………………………………………………..60
Hình 4.57: Đưa mơ hình vỏ xe vào Ansys. ………………………………………………….61
Hình 4.58: Tạo miền tính tốn. ………………………………………………………………61
Hình 4.59: Chia lưới. ………………………………………………………………………..62
Hình 4.60: Chất lượng của lưới. …………………………………………………………….63
Hình 4.61: Chọn lưu chất tính tốn. …………………………………………………………64
Hình 4.62: Thiết lập điều kiện đầu vào. ……………………………………………………..64
Hình 4.63: Thiết lập điều kiện đầu ra. ……………………………………………………….65
Hình 4.64: Lựa chọn thuật tốn. …………………………………………………………….66

Hình 4.65: Thiết lập vector lực cản. …………………………………………………………66
Hình 4.66: Chọn sơ vịng lặp. ……………………………………………………………….67
Hình 4.67: Phân bố vận tốc của khơng khí theo thời gian qua mặt cắt dọc. …………………68
Hình 4.68: Phân bố áp suất trên bề mặt vỏ xe. ……………………………………………….69
Hình 4.69: Biên dạng tổng thể của xe sau khi tối ưu. ……………………………………….70

ix


Hinh 4.70 : Bản vẽ gia công khung xe. ………………………………………………………71
Hinh 4.71: Bản vẽ gia công vỏ xe. …………………………………………………………..72

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Kích thước yêu cầu của ban tổ chức………………………………………………. 6
Bảng 4.1:So sánh phương án số bánh xe………………………………………………........ 17
Bảng 4.2: So sánh phương án kích cỡ bánh xe…………………………………………....... 17
Bảng 4.3: So sánh phương án đặt động cơ………………………………………………….. 18
Bảng 4.4: So sánh phương án kết cấu khung xe……………………………………………. 18
Bảng 4.5: So sánh tính chất cơ học của inox 304 và thép SS400…………………………… 19
Bảng 4.6: So sánh phương án kiểu vỏ xe………………………………………………........ 20
Bảng 4.7: So sánh phương án vật liệu vỏ xe. ………………………………………………..20
Bảng 4.8: So sánh phương án vật liệu kính chắn gió. ……………………………………….21
Bảng 4.9: Kích thước cơ thể người lái. ………………………………………………………23
Bảng 4.10: Tổng khối lượng của xe. …………………………………………………………32
Bảng 4.11: Giá trị các lực phân bố tác dụng lên khung xe………………………………….. 34
Bảng 4.12: Hệ số cản lăn của mặt đường. …………………………………………………..39

Bảng 4.13 : Kết quả mô phỏng……………………………………………………………… 50
Bảng 4.14: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe đứng yên trên đường bằng
phẳng……………………………………………………………………………………….. 52
Bảng 4.15: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe tăng tốc trên đường bằng
phẳng……………………………………………………………………………………. ….52
Bảng 4.16: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe phanh trên đường bằng phẳng.
……………………………………………………………………………………………….53
Bảng 4.17: Các lực và phản lực tác dụng lên khung xe khi xe quay vòng trên đường bằng
phẳng. ……………………………………………………………………………………….53

xi


Bảng 4.18: Kết quả mô phỏng khung xe ban đầu và sau khi tối ưu hoá……………………. 57
Bảng 4.19: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới……………………………………………….. 62

xii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
EMC

- Eco Mileage Challenge.

EIA

- Energy Information Administration.

a

- Khoảng các từ cầu trước đến trọng tâm C của xe (mm).

𝐴

- Tiết diện cản gió tối đa của xe (m2).

b

- Khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm C của xe (mm).

𝑐

- Khoảng cách tâm của hai bánh xe cầu trước (mm).

𝐶𝑑

- Hệ số cản khơng khí.

f

- Hệ số cản lăn.

𝐹𝑘

- Lực kéo tiếp tuyến (N).

𝐹𝑓1 , 𝐹𝑓2

- Lực cản lăn ở cầu trước và cầu sau (N).

𝐹𝑗

- Lực quán tính khi tăng tốc (N).

𝐹𝑝

- Lực phanh bánh sau (N).

𝐹𝑗𝑝

- Lực quán tính khi phanh (N).

𝐹𝑗𝑦

- Lực quán tính ly tâm (N).

𝐹𝜔

- Lực cản khơng khí (N).

g

- Gia tốc trọng trường (m/s2).

G

- Trọng lượng toàn bộ xe (N).

h

- tọa độ trọng tâm xe theo chiều cao (mm).

k

- Hệ số an toàn của vật liệu.
xiii


L

- Khoảng cách từ cầu trước đến cầu sau (mm).

m

- Khối lượng của khung xe (g).

𝑀𝑓1 , 𝑀𝑓2

- Momen cản lăn ở cầu trước và cầu sau (Nm).

P1

- Lực tác dụng từ chân lên khung xe (N).

P2

- Lực tác dụng từ thân người lên khung xe (N).

P3

- Lực tác dụng từ vai, gáy lên khung xe (N)

P4

- Lực tác dụng của động cơ lên khung xe (N).

R

- Bán kính quay vòng của xe (m).

𝑣

- Vân tốc của xe (m/s).

𝑣0

- Vận tốc tương đối giữa xe và gió (m/s).

𝑌1′ , 𝑌1′′

- Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước (N).

𝑌2

- Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe ở cầu sau (N).

𝑍1 , 𝑍2

- Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và

cầu sau (N).
𝑍1′ , 𝑍1′′

- phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước (N).

𝑍2

- phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên bánh xe ở cầu sau (N).

𝜌

- Mật độ khơng khí (Kg/m3).

𝜑

- Hệ số bám.

[𝜎𝑏 ]

- Ứng suất kéo giới hạn của vật liệu (MPa).

[𝜎𝑐 ]

- Ứng suất chảy giới hạn của vật liệu (MPa).

[𝜎 ]

- Ứng suất cho phép của vật liệu (MPa).

xiv

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu đề tài

Thế giới vào những thập kỷ gần đây đang đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt. Trong
đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất và thu hút sự quan tâm của tất cả các nhà khoa học
cũng như Chính Phủ các quốc gia hiện là hiện tượng ấm lên toàn cầu do tác động của hiệu ứng
nhà kính và sự khủng hoảng về năng lượng. Theo dự báo của Cơ quan thơng tin về năng lượng
(EIA) vào năm 2004, trong vịng 24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng
lượng trên tồn thế giới có thể tăng thêm 54% (ước tính khoảng 404 triệu tỷ Btu năm 2001 tới
623 triệu tỷ Btu vào năm 2025).

Hình 1.1 : Mức tiêu thụ năng lượng từ năm 1970 đến 2025 (triệu tỷ Btu) [1].
Trong lĩnh vực giao thông vận tải, nhu cầu sử dụng năng lượng là rất lớn. Đặc biệt là Mỹ
và Trung Quốc.

1


Hình 1.2: tiêu thụ năng lượng cho ngành giao thơng vận tải ở Mỹ, Canada, Mexico từ năm
2001 đến năm 2025 [1].

Hình 1.3: Tiêu thụ năng lượng cho ngành Giao thông vận tải ở Trung quốc và một số nước
Châu Á từ năm 2001 đến 2025 [1].
Cùng với sự tăng trưởng của nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sự phụ thuộc vào nhiên liệu
hóa thạch (90% nhiên liệu hóa thạch đến năm 2010), lượng khí CO2 do việc khai thác và sử
dụng năng lượng hóa thạch khơng ngừng tăng qua các năm gây ảnh hưởng xấu đến môi trường

và gây biến đổi khí hậu.

2


Hình 1.4: Lượng khí CO2 thải ra mơi trường từ việc đơt nhiên liệu hóa thạch trên thế giới từ
năm 1970 đên 2025 ( triệu tấn ) [1].
Như vậy, trong một bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và biến đổi
khí hậu ngày càng phức tập, ngồi việc tìm ra và sử dụng tốt những nguồn năng lượng sạch
như mặt trời, gió, nước,… việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch một cách hiệu quả là
điều rất quan trọng. Nhằm nâng cao ý thức tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường, đặc biệt
là trong thế hệ trẻ. Một số công ty đã tổ chức các cuộc thi chế tạo xe tiết kiệm năng lượng. Ở
Việt Nam, chúng ta có cuộc thi “ Lái xe sinh thái - Tiết kiệm nhiên liệu Honda” do công ty
Honda tổ chức.
Khuynh hướng tiết kiệm nhiên liệu tiêu hao đối với ôtô, môtô hiện nay tập trung vào cải
tiến động cơ, giảm khối lượng thân xe, giảm lực cản khơng khí, giảm ma sát,…Tham gia cuộc
thi “ Lái xe sinh thái - Tiết kiệm nhiên liệu Honda” , các đội cũng tiếp cận các khuynh hướng
như thế cải tiến động cơ, hiệu quả truyền lực, giảm ma sát tại cái ổ đỡ bánh xe và cuối cùng
nắm phần quan trọng là khung và vỏ xe có khối lượng thấp nhất, lực cản khơng khí nhỏ nhất.
1.2.

Đối tượng nghiên cứu

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

3


1.3.

Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khung và vỏ xe cho cuộc thi Lái xe sinh thái – tiết kiệm
nhiên liệu Honda EMC 2021, với nguồn động lực là động cơ xăng 110cc theo hướng tiết kiệm
nhiên liệu và giảm thiểu nguồn khí thải gây ơ nhiễm mơi trường.
Trong đó, cuộc thi Lái xe sinh thái – tiết kiệm nhiên liệu Honda EMC 2021 đưa ra các yêu
cầu về động lực học, kết cấu, điều kiện làm việc của xe. Từ đó, nhóm đưa ra nhiệm vụ thiết
kế, chế tạo khung vỏ xe đáp ứng các yêu cầu, thể lệ cuộc thi, đồng thời khung xe và vỏ xe
phải có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, khối lượng nhỏ, cứng vững và an toàn.
1.4.

Cách tiếp cận

Từ yêu cầu về điều kiện làm việc của xe được ban tổ chức đưa ra, nhóm nghiên cứu đưa
ra chiến thuật thi đấu. Tiếp theo phân tích chiến thuật ảnh hưởng như thế nào đến tiêu hao
nhiên liệu, các yếu tố nào cần chú ý liên quan đến kế cấu hình dạng của khung vỏ xe, từ đó
chúng ta đưa ra được:
 Yêu cầu thiết kế khung và vỏ xe.
Đưa ra và chọn phương án thiết kế phù hợp nhất với yêu cầu thiết kế.
Xây dựng biên dạng khung xe và vỏ xe dựa trên phương án thiết kế và bố trí các hệ thống
trên xe.
Ứng dụng các phần mềm Solidwords và phần mềm Ansys để xây dựng mô hình, mơ phỏng,
kiểm nghiệm độ bền khung xe và đặc tính khí động học của vỏ xe. Từ đó, điều chỉnh và tối ưu
hóa thiết kế.
Thi cơng chế tạo.
Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả.

4

Chương 2: ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU THIẾT KẾ

2.1.

Điều kiện làm việc

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

Hình 2.1 : Sơ đồ đường đua [2]
Tốc độ chạy: Tốc độ trung bình tối thiểu là 25 km/h. Tốc độ xe không quá 30 km/h tại
những khúc cua.
Thi đấu trên đường trải nhựa khơng có chướng ngại vật, khơng có dốc.
2.2.

Chiến thuật thi đấu

Từ quy định của cuộc thi ta có tốc độ chạy: Tốc độ trung bình tối thiểu là 25 km/h.
Để tiết kiệm nhiên liệu chúng ta sẽ không cho động cơ hoạt liên tục trong khoảng thời gian
thi đấu vì điều đó sẽ làm tiêu hao năng lượng hơn. Dựa vào kinh nghiệm của các đội thi trước
ta đưa ra chiến thuật phù hợp để tối ưu lượng tiêu hao nhiên liệu.
Chiến thuật: Cho xe hoạt động tăng tốc lên 35km/h sau đó tắt động cơ thả trớn cho đến
khi tốc độ còn 15km/h thì tiếp tục khởi động lại động cơ, cứ tuần hồn cho đến khi hồn thành
hết 8 vịng đua. Hạn chế sử dụng phanh ít nhất có thể.

5


2.3.

Yêu cầu thiết kế

2.3.1. Yêu cầu về kích thước
Xe thi đấu phải đảm bảo kích thước nằm trong giới hạn chi phép mà ban tổ chức đã đề ra.
Bảng 2.1: Kích thước yêu cầu của ban tổ chức [2].
Kích thước

Giá trị ( m )

Chiều cao tổng thể

<= 1800

Khoảng cách trục trước và trục sau

>= 1

Chiều dài tổng thể

<= 3.5

Khoảng cách giữa 2 bánh xe

>= 0.5

Chiều rộng tổng thể

>= 1.7

Bán kính quay vịng

<=5

Kích thước nhỏ gọn nhưng phải phù hợp bố trí các hệ thống trên xe:
+ Người lái
+ động cơ
+ Bánh xe
+ Hệ thống truyền động
+ Hệ thống lái
2.3.2. Yêu cầu theo điều kiện làm việc
❖ Khung xe
Trong quá hoạt động, xe sẽ làm việc ở nhiều chế động khác nhau. Vì thế khung xe phải
đảm bảo độ bền ở các chế độ đó để xe có thể hoạt động một cách ổn định. Dựa theo điều kiện
làm việc ta đưa ra yêu cầu về độ bền cho khung xe như sau:
+ Đảm bảo độ bền khi xe ở trạng thái tỉnh
+ Đảm bảo độ bền khi xe đạt tốc độ là 35km/h
6


+ Đảm độ bền khi xe quay vòng
+ Đảm độ bền khi xe phanh
❖ Vỏ xe
+ Đảm bảo tầm nhìn cho người lái
+ Khả năng thoát của người lái khi gặp sự cố.
2.3.3. Yêu cầu khác
❖ Khung xe
+ Thiết kế khung xe dễ gia công và sửa chữa
+ Đảm bảo phù hợp với công nghệ chế tạo
+ Giá thành trong mức cho phép.

+ Khối lượng nhỏ nhất có thể để giảm lực cản lăn làm tiêu hao nhiên liệu.
❖ Vỏ xe
+ Vỏ xe đảm bảo phù hợp, lắp ráp được vào khung xe và tháo lắp dễ dàng.
+ Có khối lượng nhẹ với cơng nghệ chế tạo phù hợp.
+ Có hệ số cản gió nhỏ nhất bằng cách thiết kế xe với hình dáng khí động tốt. Mặc dù theo
chiến thuật vận tốc cao nhất là 35km/h ảnh hưởng không cao đến hệ số cản gió nhưng đó cũng
là yếu tố đóng góp cho xe trở nên tiết kiệm nhiên liệu hơn.
+ Khả năng định hình và tính thẩm mỹ.

7


Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1.

Lý thuyết thiết kế khung xe và vỏ xe

Trong quá trình vận hành, tiêu hao nhiên liệu của xe phụ thuộc vào nhiều yếu tô như:
+ Hoạt động của động cơ
+ Hiệu suất truyền lực
+ Chất lượng nhiên liệu
+ Lực cản lăn
+ Lực cản không khí
+…
Ở đây đề tài chỉ tìm hiểu thiết kế khung và vỏ xe nên các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến
thiết kế khung xe và vỏ xe cần được xem xét là lực cản lăn và lực cản không khí. Để đảm bảo
lượng nhiên liệu tiêu hao là ít nhất trong quá trình vận hành thì ta cần giảm lực cản lăn và lực
cản khơng khí.
3.1.1. Lực cản lăn
Khi bánh xe chuyển động trên mặt đường, sẽ có lực cản lăn tác dụng song song với mặt

đường và ngược chiều chuyển động tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.

Hình 3.1: Lực cản lăn [3].
8


Lực cản lăn phát sinh là do có sự biến dạng của lốp với mặt đường, do sự tạo thành vết
bánh xe trên mặt đường và do ma sát ở bề mặt tiếp xúc giữa lốp với đường.
Lực cản lăn được xác định theo công thức:
Ff = mgf
Với:
m

- Khối lượng của khung xe.

g

- Gia tốc trọng trường.

f

- Hệ số cản lăn.

Để giảm được lực cản lăn ta cần giảm hệ số cản lăn f và khối lượng xe m. Nhưng trong
phạm vi nghiên cứu của đề tài ta chỉ cần xem xét đến khối lượng xe m. Vậy để giảm lực cản
lăn ta cần giảm khối lượng của xe.
Khối lượng của xe bao gồm những khối lượng chính sau:
+ Khối lượng khung xe
+ Khối lượng vỏ xe
+ Khối lượng động cơ

Vì khối lượng động cơ là khơng thay đổi nên muốn giảm khối lượng của xe ta phải giảm
khối lượng của khung và vỏ xe. Vậy nên thiết kế của khung xe và vỏ xe phải có khối lượng
nhỏ nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo an tồn trong q trình hoạt động.
Khối lượng của khung xe bị ảnh ảnh rất nhiều bởi cách chọn vật liệu và bố trí các hệ thống
trên khung xe. Vì vậy, việc chọn vật liệu và có cách bố trí các hệ thống một cách hợp lý sẽ
giảm đáng kể khối lượng của khung xe.
3.1.2. Lực cản khơng khí
Lực khí động là lực sinh ra bởi sự chênh lệch áp suất của các dòng chuyển động từ phía
trước ra phía sau của vật thể do chênh lệch vận tốc hoặc lực tác động trực tiếp của dịng khí
9


lên ô tô. Lực này tác động vào ô tô có phương bất kỳ phụ thuộc vào hướng gió. Thực tế qua
nghiên cứu, thử nghiệm và kinh nghiệm cho thấy hình dáng của chim cánh cụt khi đang di
chuyển trong dịng nước là hình dạng tối ưu nhất với hệ số cản khí động.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động học tác động lên ơ tơ, người ta tách thành 3
thành phần chính:
+ Lực cản (Drag force): Thành phần có phương song song với bề mặt đường di chuyển
là lực cản khơng khí. Đây được coi là thành phần chính của lực khí động vì xe chuyển động
theo phương này nên vận tốc tương đối giữa dịng khí và xe là lớn nhất.
+ Lực nâng (Lift force): theo lý thuyết khí động học, khi xe chạy, luồng khơng khí phía
trên mui xe di chuyển với quãng đường dài hơn luồng khơng khí phía bên dưới gầm xe, phía
trước nhanh hơn phía sau nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau của dịng khí sẽ
phát sinh chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng có phương vng góc với bề mặt đường sẽ nâng
xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp.
+ Lực hông (Side force): sinh ra do dịng khí tác dụng vào bên hơng thân xe, thường có
lực nhỏ nhất.
Qua những nghiên cứu cũng như rất nhiều thực nghiệm trước đây người ta nhận thấy
rằng lực cản gió được xác định với cơng thức sau:
𝐹𝜔 =

1
𝜌𝐶 𝐴𝑣 2
2 𝑑 0

Với :
𝐹𝜔

- Lực cản khơng khí.

𝜌

- Mật độ khơng khí.

𝑣0

- Vận tốc tương đối giữa xe và gió.

𝐶𝑑

- Hệ số cản khơng khí.

𝐴

- Tiết diện cản gió tối đa của xe.
10


Theo công thức, ta thấy các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản của khơng khí là: tiết diện cản
gió của xe 𝐴 , hệ số cản khơng khí 𝐶𝑑 , vận tốc tương đối 𝑣 . Trong đó yếu tố ảnh hưởng trực

tiếp đến thiết kế của vỏ xe là tiết diện cản gió của xe 𝐴, hệ số cản khơng khí 𝐶𝑑 . Vậy để giảm
lực cản của khơng khí 𝐹𝜔 , ta cần giảm 𝐴 và 𝐶𝑑 .
Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của bề mặt vỏ và
các góc cạnh của ơ tơ. Trong thực tế, tính tốn lực cản khơng khí cho xe là điều rất rất khó vì
thân xe là tổng hợp của nhiều dạng vật thể đơn giản với những hệ số cản không khí khác nhau.
Từ các mơ phỏng các tính tốn nghiên cứu người ta ghi nhận hệ số cản của một số hình dạng
vật thể như sau:

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

Lý thuyết tính tốn độ bền khung xe

3.2.1. Các lực tác dụng lên xe
Dựa theo điều kiện làm việc ta có bốn trường hợp sau:
+ Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng
11


+ Khi xe tăng tốc
+ Khi xe phanh gấp
+ Khi xe quay vòng
Mặc dù theo chiến thuật thi đấu chúng ta sẽ khơng sử dụng phanh nhưng vẫn tính tốn
kiểm nghiệm độ bền đề phòng trường hợp khẩn cấp xảy ra.
3.2.1.1. Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng
Khi xe đứng yên trên đường bằng phẳng, có ba lực tác dụng lên xe: trọng lượng toàn bộ
của xe G=mg và các phản lực pháp tuyến tác dụng lên các bánh xe của cầu trước và cầu sau ở
trạng thái tĩnh Fz1, Fz2.

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

Phương trình cân bằng lực và lấy mômen tại O2 :
{

𝑍1 + 𝑍2 − 𝐺 = 0
𝑍1 − 𝐺b = 0

Trong đó:
G

- Trọng lượng toàn bộ xe.

𝑍1 , 𝑍2 - Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và
cầu sau.

12