Thiết kế khung vỏ xe tiết kiệm nhiên liệu eco honda 2013

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

MỤC LỤC
Lời nói đầu ................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Mục đích, ý nghĩa của đề tài ................................................................................. 4
1.1.1. Vấn đề khủng hoảng dầu mỏ trên thế giới hiện nay .................................. 5
1.1.2. Mục đích, ý nghĩa của đề tài ..................................................................... 7
1.2. Yêu cầu của xe tham gia cuộc thi ........................................................................ 7
1.2.1. Yêu cầu về hình dáng kích thước .............................................................. 7
1.2.2. Hệ thống phanh ........................................................................................ 8
1.2.3. Động cơ .................................................................................................... 8
1.2.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu.................................................................... 9
1.2.5. Hệ thống khởi động ................................................................................ 10
1.2.6. Bình điện (Ắc quy) ................................................................................. 11
1.2.7. Tầm nhìn trước ....................................................................................... 11
1.2.8. Gương chiếu hậu .................................................................................... 11
1.2.9. Hệ thống an toàn..................................................................................... 12
1.3. Giới thiệu tổng quan xe thiết kế ......................................................................... 13
1.3.1. Đặc điểm kết cấu xe thiết kế ................................................................... 13
1.3.2. Phương pháp điều khiển xe chạy ............................................................ 13
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN KHUNG XE
2.1. Yêu cầu đối với khung xe .................................................................................. 15
2.2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế khung .................................................... 15
2.3. Phân tích chọn loại khung thiết kế cho xe .......................................................... 17
2.4. Xác định kích thước sơ bộ của khung ................................................................ 20
2.5. Vật liệu và công nghệ chế tạo khung ................................................................. 23
CHƯƠNG 3: KIỂM TRA BỀN KHUNG XE
3.1. Lựa chọn phương án kiểm tra bền khung xe .............................................. 24

SVTH: Trương Quốc Huy

1


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

3.2. Giới thiệu phần mềm ANSYS 12.0 ............................................................ 26
3.3. Tính biến dạng khung bằng phần mềm ANSYS 12.0 ................................. 27
KẾT LUẬN.............................................................................................................. 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 42

SVTH: Trương Quốc Huy

2


Bộ mơn cơ khí ơ tơ

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Lời nói đầu
Từ năm 1981, Honda Nhật Bản bắt đầu tổ chức cuộc thi “Lái xe sinh thái, tiết
kiệm nhiên liệu”. Cuộc thi “Lái xe sinh thái, tiết kiệm nhiên liệu” là một sân chơi cạnh
tranh lành mạnh với mục đích nâng cao niềm vui sáng tạo cũng như ý thức bảo vệ môi
trường cho giới trẻ.
Năm 2010 là năm đầu tiên cuộc thi được tổ chức tại Việt Nam với 10 đội tham
gia trong đó có 2 trường Đại học là Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Giao thông

vận tải.
Năm 2013 là năm thứ 4 trường Đại học Giao thông vận tải tham gia cuộc thi
này. Được sự chỉ đạo của ban chủ nhiệm khoa Cơ khí, đội chúng em được thành lập
với 5 thành viên: Nguyễn Đức Dự, Tạ Quang Hải, Lê Đức Nhuận - lớp Cơ khí ơ tơ A –
K49 và Trương Quốc Huy, Đồn Văn Tú – lớp Cơ khí ơ tơ A – K50.
Nhận thấy tài liệu tham khảo cho việc thiết kế, và các phương pháp tối ưu cho
xe tham gia thi là không nhiều, điều này đã gây ra những khó khăn nhất định cho các
đội tham gia cuộc thi. Chính vì vậy, chúng em quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế xe
tham gia cuộc thi lái xe sinh thái tiết kiệm nhiện liệu do HONDA tổ chức” để đóng
góp cơ sở lý thuyết cũng như kinh nghiệm thực tế mà chúng em thu được cho đội
tuyển của trường năm sau có kết quả thi tốt hơn.
Đề tài được chia thành năm nội dung nhỏ do 5 sinh viên lớp cơ khí ơ tơ A K49
và 50 thực hiện:
- Nguyễn Đức Dự: tính tốn thiết kế hệ thống truyền lực.
- Lê Đức Nhuận: lên phương án tính tốn, cắt bổ động cơ.
- Tạ Quang Hải: thiết kế hệ thống bơi trơn và hệ thống đánh lửa
- Đồn Văn Tú: thiết kế, chế tạo vỏ xe.
- Trương Quốc Huy: tính toán, thiết kế khung xe.
Để làm ra một chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu thì mỗi đội thi lại có những ý tưởng
riêng, phương án thiết kế riêng, nó thể hiện tính sáng tạo trong thiết kế của các đội
SVTH: Trương Quốc Huy

3


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

chơi. Trong phạm vi nghiên cứu lần này, chúng em dựa trên cơ sở thiết kế của chiếc xe

đã hoàn thành và những kinh nghiệm đúc kết được trong quá trình làm việc để thực
hiện đề tài. Chính vì vậy, đề tài mới chỉ đưa ra được một trong rất nhiều các phương án
thiết kế, do đó vẫn cần phải bổ sung và hoàn thiện rất nhiều khi được áp dụng vào thức
tế.
Chúng em xin cảm ơn các thầy giáo trong bộ mơn Cơ khí ơ tơ đã nhiệt tình
hướng dẫn, tạo điều kiện cho chúng em trong quá trình thực hiện đề tài cũng như trong
quá trình chế tạo chiếc xe. Đồng thời, chúng em xin chân thành cảm ơn thày Trương
Mạnh Hùng – người đã trực tiếp chỉ đạo, hướng dẫn chúng em trong suốt ba tháng chế
tạo xe.

Sinh viên thực hiện

Trương Quốc Huy

SVTH: Trương Quốc Huy

4


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Mục đích, ý nghĩa của đề tài

1.1.1.Vấn đề khủng hoảng dầu mỏ trên thế giới hiện nay
Trong báo cáo về tình hình năng lượng năm 2012 của liên hợp quốc, các chuyên

gia cảnh báo thế giới đang đối diện với tình trạng cạn kiệt dầu mỏ. Theo mức tiêu dùng
hiện nay, loại "vàng đen" này sẽ hết trong vịng 49 năm nữa.
Trong khi dầu mỏ có thể cạn kiệt vào năm 2060 thì các chuyên gia cho rằng trữ
lượng khí đốt dồi dào hơn, nhưng lại có những thách thức về hậu cần và vận chuyển;
than đá nhiều, nhưng là thủ phạm gây ra khí thải cácbon. Các nguồn năng lượng khác
chỉ có thể phát triển độc lập nếu giá dầu vẫn ở mức cao, có nghĩa là giá dầu thế giới
phải ở mức cao trong thời gian dài để thế giới có thể dần từ bỏ việc sử dụng dầu. Năng
lượng hạt nhân là đáng quan tâm, nhưng với cuộc khủng hoảng hạt nhân tại Nhật Bản
hiện nay, các nước dường như sẽ thận trọng với loại năng lượng này, ít nhất là trong
tương lai gần. Báo cáo của ngân hàng HSBC viết: "Với giá dầu ở mức hơn 100
USD/thùng, các sản phẩm thay thế dầu thô như dầu cát và chất lỏng tổng hợp sẽ được
phát triển nhiều hơn tuy nhiên do công nghệ chưa phát triển và nguồn nhiên liệu cung
ứng để ứng dụng và phát triển công nghệ mới này là không đủ."
Dự báo thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ sau 49 năm nữa được ước tính dựa trên mức
tiêu thụ năng lượng tồn cầu hiện nay. Nhưng theo phân tích, dự đốn mức tiêu thụ
năng lượng toàn cầu tiếp tục tăng, khi các thị trường đang nổi phát triển nền kinh tế
của họ: Nhu cầu dầu mỏ tăng thêm 110%, lên hơn 190 triệu thùng/ngày (so với mức 90
triệu thùng/ngày hiện nay) khi có thêm hàng tỷ chiếc xe ơ tơ sẽ lăn bánh trên đường,
khi thu nhập tại các nền kinh tế đang nổi tăng lên.Nhu cầu tổng năng lượng sẽ tăng gấp
đôi khi các nền kinh tế đang nổi tiếp tục mức tăng trưởng mạnh
Lượng khí thải cácbon trong khí quyển sẽ tăng gấp đôi, tức gấp 3 đến5 lần số
lượng khí thải được khuyến cáo để giữ cho nhiệt độ trái đất ở mức an toàn. Nhưng
SVTH: Trương Quốc Huy

5


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

điểm chính trong báo cáo của ngân hàng HSBC là sản lượng năng lượng của thế giới
vào năm 2050 sẽ không có khả năng đáp ứng nhu cầu của thế giới. Việc phát hiện
những mỏ dầu mới ngày càng khó khăn hơn. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước
tính rằng từ năm 1990, trữ lượng dầu phát hiện mới hàng năm chỉ đủ bù một nửa sản
lượng khai thác. Điều đáng quan ngại không kém là quy mô các mỏ mới được phát
hiện đang giảm và chỉ bằng 1/10 quy mô của những mỏ được phát hiện trong những
năm 1960. Mặc dù khơng có những giải pháp dễ dàng để giải quyết cuộc khủng hoảng
năng lượng, nhưng HSBC khuyến nghị phát triển các loại xe ô tô tiết kiệm năng lượng
hơn nữa, bởi vì số xe chở khách chiếm tới hơn một nửa nhu cầu năng lượng trong giao
thông, sẽ tăng mạnh khi số ô tô/1.000 dân của Trung Quốc sẽ tăng từ mức 22 xe hiện
nay lên 350 xe; và Ấn Độ tăng từ 55 xe lên 200 xe vào năm 2050. Bất chấp những nỗ
lực này, tất cả các dấu hiệu đều cho thấy thế giới đang bước vào một kỷ nguyên giá
năng lượng cao do không thể khuyến khích việc tiết kiệm năng lượng và phát triển các
nguồn nhiên liệu thải ít khí cácbon nếu giá các loại nhiên liệu hóa thạch khơng tiếp tục
tăng cao hơn nữa. Ngồi ra, thời gian trước khi có các giải pháp thay thế thường rất
dài, do vậy việc tạm thời thiếu các loại nhiên liệu hóa thạch sẽ kéo dài và khi giá dầu
trở nên quá nhạy cảm cả với sự mất cân bằng nhỏ giữa cung - cầu năng lượng. Một lý
do nữa là việc đáp ứng các mục tiêu tăng trưởng sẽ dễ dàng hơn việc đáp ứng các mục
tiêu biến đổi khí hậu. Và để sự chuyển tiếp của thế giới năm 2050 diễn ra suôn sẻ, các
chính phủ cần phối hợp và có những hành động ngăn chặn, trước khi việc cạn kiệt dầu
mỏ bắt đầu gây khó khăn cho thế giới. Một trong những biện pháp được các nhà
chuyên môn trong lĩnh vực ôtô đưa ra đó là phải cải tiến kỹ thuật, chế tạo những loại
xe có khả năng tiết kiệm nhiên liệu cao.
1.1.2. Mục đích, ý nghĩa của đề tài
Sau gần ba tháng làm việc, đội chúng em đã thiết kế xong một chiếc xe hoàn
chỉnh để tham dự cuộc thi lại xe sinh thái – tiết kiệm nhiên liệu do công ty Honda Việt
Nam tổ chức.
SVTH: Trương Quốc Huy

6


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Trong q trình làm xe ngồi việc thiết kế chế tạo theo kinh nghiệm thì cần có
các tính tốn để đảm bảo độ chính xác và tối ưu cho xe tham gia cuộc thi. Do đó đề tài
này là sự bổ sung hồn thiện cho q trình thiết kế xe từ khâu tính tốn cho tới khâu
chế tạo sản phẩm và đóng góp cơ sở lý thuyết cũng như kinh nghiệm thực tế mà chúng
em thu được cho đội tuyển của trường các năm tiếp theo. Hy vọng người lái sẽ giúp
chiếc xe của trường Đại học giao thông vận tải trở thành xe tiết kiệm nhiện liệu nhất,
đạt thành tích cao nhất trong cuộc thi năm tới.
1.2.

Yêu cầu của xe tham gia cuộc thi

1.2.1. u cầu về hình dáng kích thước

Hình 1.1 Hình dáng của xe

Các loại xe tham gia cuộc thi cả khi đỗ và khi chạy phải có 3 bánh trở lên và
phải đứng vững bằng đúng cấu trúc xe.
-

Chiều cao xe tính từ mặt đất khơng được quá 1,8m.

-

Khoảng cách giữa bánh trước và bánh sau tạo thành kích thước hơng xe

khơng được nhỏ hơn 1m.
-

Khoảng cách giữa bánh xe bên trái và bên phải tạo thành kích thước đầu

xe khơng được nhỏ hơn 0,5m.
-

Chiều dài xe tính từ điểm đầu đến điểm cuối xe khơng vượt quá 3,5 m.

-

Chiều rộng xe tính từ bên trái sang bên phải không vượt quá 2,5m.

-

Phần ống xả nhô ra khỏi thân xe không vượt quá 10cm.

SVTH: Trương Quốc Huy

7


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

-

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Vì sự an toàn của người lái xe, phần thân xe phải thiết kế sao cho phần mũ

bảo hiểm của người lái xe không rơi vào phần sau của trục xe trước. Bên cạnh đó, cấu
trúc xe phải thiết kế giúp phần đầu của người lái xe có thể tránh khỏi những va đập
trực tiếp lên các trướng ngại vật bên ngồi.
1.2.2. Hệ thống phanh

Hình 1.2 Hệ thống phanh của xe

Mỗi xe tham gia cuộc thi phải có ít nhất 2 hệ thống phanh và mỗi hệ thống
phanh phải hoạt động độc lập với bàn đạp phanh hoặc tay phanh. Ngoài ra, khi các hệ
thống phanh được lắp chắc chắn vào khung xe đều phải hoạt động hiệu quả.
Chú ý: Việc thử nghiệm hiệu quả của phanh sẽ được thực hiện ở trên dốc với
góc nghiêng 11 độ.
1.2.3. Động cơ
Động cơ 4 thì của Honda được chỉ định làm chuẩn mực sử dụng. Động cơ có thể
được tự do thay đổi nhưng phải đáp ứng các điều kiện dưới đây:
-

Nắp hoặc vách ngăn phải là nhãn hiệu Honda.

-

Dung tích xy-lanh phải là 110cc.

1.2.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu
-

Thí sinh sẽ chỉ sử dụng nhiên liệu do ban tổ chức cung cấp.

-

Theo quy định, mỗi đội sẽ chỉ sử dụng bình chứa nhiên liệu theo số lượng

ban tổ chức cung cấp.
SVTH: Trương Quốc Huy

8


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

-

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Nếu bình chứa nhiên liệu bị hỏng hoặc các đội tham gia khơng trả lại bình

chứa cho Ban tổ chức thì các đội phải bồi thường thiệt hại ngay lập tức cho Ban tổ
chức là $300.

Hình 1.3 Bình nhiên liệu

-

Có thể tự do lắp đặt nhưng tuyệt đối không được sử dụng dây buộc hay

băng dính đối với các thiết bị của hệ thống nhiên liệu. Có thể sử dụng dây cao su vì
dây cao su có thể dễ dàng tháo ra khỏi thiết bị sau khi sử dụng (để bảo vệ bình chứa

nhiên liệu khơng bị hư hỏng).
-

Vị trí lắp đặt phải phù hợp phải để Ban tổ chức có thể dễ dàng kiểm tra

cũng như điều chỉnh mức nhiên liệu.
-

Nắp bình nhiên liệu phải được lắp phía trên lối vào của chế hịa khí.

-

Ống dẫn giữa bình chứa nhiên liệu và chế hịa khí phải là ống nhựa sạch

và độ dài của ống phải càng ngắn càng tốt. Bên trong ống nhựa khơng được tạo ra
bong bóng hoặc khí.
-

Hệ thống cung cấp nhiên liệu phải được lắp đặt ở vị trí dễ quan sát. Mức

xăng trong hốc van của chế hịa khí chuẩn phải có thể kiểm tra cơ bản được và nằm ở
vị trí mà người lái xe không thể chạm vào khi lái.

SVTH: Trương Quốc Huy

9


Bộ mơn cơ khí ơ tơ

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

-

Hệ thống cung cấp nhiên liệu vào hốc van (bao gồm chế hịa khí chuẩn)

về cơ bản phải nhìn thấy mức nhiên liệu để có thể kiểm tra và đánh dấu tại điểm kiểm
tra trước khi bắt đầu và cắt giảm nhiên liệu tại trạm.
-

Mức tiêu hao nhiên liệu từ bình nhiên liệu đến bộ chế hịa khí phải tiêu

hao ít nhất 1 lít/1 giờ.
1.2.5. Hệ thống khởi động
Tất cả các xe tham gia cuộc thi phải có bộ phận khởi động phụ mà người lái xe
có thể sử dụng để khởi động động cơ khi ngồi ở vị trí thơng thường.
Ngoại trừ việc sử dụng bộ phận khởi động phụ, bất kỳ hành động nào tạo ra lực
để khởi động xe đều bị cấm sử dụng.

Hình 1.4 Củ đề của xe

Các xe tham gia không được phép lắp đặt bộ phận khởi động phụ có khả năng
kéo hoặc đẩy động cơ trong quá trình khởi động xe.
Cấm sử dụng tụ điện.
Có thể sử dụng bộ phận khởi động của dịng xe Wave 110RS, Wave 110S và
Wave 110RSX. Bất kỳ việc thay đổi động cơ đều không được phép.
Trong trường hợp xe sử dụng ly hợp điều khiển bằng tay, người lái xe luôn phải
sử dụng ly hợp khi khởi động.
1.2.6. Bình điện (Ắc quy)

SVTH: Trương Quốc Huy

10


Bộ mơn cơ khí ơ tơ

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Hình 1.5 Ắc quy của xe

Tất cả các xe tham gia chỉ được lắp đặt 1 bình điện thơng thường có bán trên thị
trường (Điện áp không quá 12V & 5amp).
1.2.7. Tầm nhìn trước
Ở vị trí lái thơng thường, người lái xe phải có thể quan sát được mặt trước bằng
mắt thường. Tầm nhìn trước phải là một góc quay giữa trái và phải > = 90 độ và không
được sử dụng thiết bị quan sát khác như kính viễn vọng hoặc kính phản xạ.
1.2.8. Gương chiếu hậu

Hình 1.6 Gương chiếu hậu

Mỗi xe tham gia phải lắp đặt gương chiếu hậu ở cả 2 cánh trái và cánh phải, mỗi
bên một cái, để người lái có thể dễ quan sát phía sau. Gương chiếu hậu phải có khung
an tồn bao quanh gương và diện tích bề mặt phải ít nhất là 40cm2.
1.2.9. Hệ thống an toàn.
Cấu trúc xe phải được thiết kế sao cho người lái xe có thể nhanh chóng thốt ra
hoặc được kéo ra ngồi trong trường hợp khẩn cấp hoặc xảy ra tai nạn.

SVTH: Trương Quốc Huy

11


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Hình 1.7 Hệ thống thốt hiểm

Mỗi xe phải có mái che, mái che phải có thể mở dễ dàng từ cả hai phía trong và
phía ngồi xe. Hướng dẫn mở mái che phải được ghi rõ ở bên ngoài và phải là cách
không cần dùng đến thiết bị.
Nắp động cơ và nắp khoang lái phải tách biệt rõ ràng.
Phải có tấm ngăn giữa vị trí lái xe và khoang động cơ nhằm bảo vệ người lái xe
khi xảy ra cháy nổ.
Hình dáng thiết kế của xe không được tạo ra bất kỳ phần sắc nhọn nào trên thân
xe có thể gây nguy hiểm cho chính người lái và các thí sinh cùng tham gia khác.
Cấu trúc và khung xe phải được thiết kế bền vững và giúp cân bằng xe tốt.
Lưu ý: Trong trường hợp sử dụng bánh xe đạp, cần lưu ý giữ cân bằng cho bánh
xe khi chuyển hướng.
Tốc độ trung bình tối thiểu của xe phải lớn hơn 25km/h, tương đương với thời
gian tối đa hoàn thành 10 vòng đua là 39 phút.
1.3.

Giới thiệu tổng quan xe thiết kế.

1.3.1. Đặc điểm kết cấu xe thiết kế.

SVTH: Trương Quốc Huy

12


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Hình 1.8 Kết cấu của khung xe thiết kế

Để tiết kiệm nhiên liệu đến mức tối đa, chiếc xe phải có khối lượng nhỏ; kết cấu
đơn giản nhưng vẫn phải đảm bảo sự chắc chắn; giảm được hao phí do ma sát; có kết
cấu khí động học hợp lý để giảm lực cản gió. Do vậy, xe thiết kế có những đặc điểm về
kết cấu như sau:
Xe có 3 bánh, 2 bánh dẫn hướng phía trước và 1 bánh chủ động phía sau. Bánh
xe được chọn là bánh xe đạp
Xe sử dụng 2 hệ thống phanh chuyên dụng dành cho xe đạp, cùng tác dụng lên
bánh sau.
Động cơ của xe thiết kế được cắt bổ, loại bỏ bớt phần cacte, hộp số để giảm tiêu
hao công suất, giảm không gian động cơ chiếm chỗ, giành khơng gian cho người lái,
giảm kích thước của xe.
1.3.2. Phương pháp điều khiển xe chạy.
Với mục đích điều khiển xe chạy được quãng đường xa nhất chỉ với 1 lít xăng,
người lái phải lợi dụng quán tính của chiếc xe bằng cách tắt bật động cơ liên tục trên
đường đua nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Do đó kỹ năng của người lái cũng đóng góp một
phần không nhỏ vào kết quả cuộc thi.

SVTH: Trương Quốc Huy

13

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Hình 1.9 Sơ đồ đường đua

Do cuộc thi yêu cầu vận tốc trung bình của xe phải đạt tối thiểu 25 km/h nên sau
khi chạy thử và quan sát các xe của các đội khác, ta chọn cách điều khiển xe như sau:
Mỗi vòng đua chỉ cần nổ máy 3 lần, hai lần nổ máy đầu tiên tăng tốc tới tốc độ khoảng
50 km/h thả trơi qn tính về tốc độ khoảng 20 km/h. Lần nổ cuối cùng chỉ cần tăng
tốc độ tới khoảng 35 km/h để đưa xe về tới vị trí bắt đầu vịng mới.
Thời gian cho cuộc thi là 34 phút 30 giây, với quãng đường 14,5 km được chia
làm 12 vịng đua. Như vậy trung bình mỗi vòng chạy 1211 m với thời gian hai phút
rưỡi.

50 km/h
35 km/h
20 km/h
2 phút 30 giây

Hình 1.10 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc của xe

SVTH: Trương Quốc Huy

14


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHUNG XE
2.1 Yêu cầu đối với khung xe
Khung xe trước tiên là dùng để tạo nên độ cứng vững cho xe, đảm bảo an toàn
cho người trên xe, các tải trọng trên xe, các phần tử khác trên xe khi tham gia cuộc thi
Khung xe cịn là khn để định vị và lắp các hệ thống lái, động cơ, bánh xe…
Một vai trị nữa đó là khung dùng để định hình và lắp vỏ xe tạo nên tính thẩm
mỹ cho xe thiết kế.
Trong q trình làm việc xe tải phải chịu tải trọng rất lớn từ mặt đường tác dụng
lên và trọng lượng của người trên xe. Khung ô tô là phần tử chịu tải dùng để đỡ và bắt
chặt động cơ, các cụm của hệ thống truyền lực, đồng thời nó là nơi chịu toàn bộ tải
trọng của xe, những thay đổi từ mặt đường lên xe khi xe chuyển động, tác động của lực
cản khí động, lực quán tính, lực phanh và các lực do va chạm.
Do mục đích sử dụng, do chế độ khai thác và tải trọng của ô tô rất đa dạng và
phức tạp nên khung ơ tơ phải có kết cấu hợp lý, hình dạng thích hợp để có thể bố trí lắp
đặt các cụm, hệ thống, thiết bị khác trên xe, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản
về độ cứng vững, độ bền. Để đảm bảo tính cứng vững và độ an tồn tuyệt đối cho hành
khách, cho các chi tiết trên xe đặc biệt là khi có tai nạn xảy ra. Vì thế kết cấu khung
đòi hỏi các yêu cầu sau:


Kết cấu đảm bảo cho xe thiết kế có các thơng số khơng vi phạm tiêu chí

của cuộc thi


Độ cứng vững, đồ bền cao cùng với thời gian phục vụ của xe



Kết cấu gọn nhẹ, dễ bố trí các chi tiết, cụm chi tiết của xe



Đảm bảo hành trình hoạt động của hệ thống treo



Kết cấu hợp lí để hạ thấp trọng tâm của xe

2.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khung
Trên cơ sở phân tích những yêu cầu trên chúng em tiến hành những công việc
sau:
SVTH: Trương Quốc Huy

15


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

- Đo các thông số của người lái là anh Tạ Quang Hải để xác định kích thước
khoang người lái bao gồm:
+ Cân nặng: 55kg
+ Chiều cao : 1m65
+ Chiều cao tính từ mơng xuống đất: 90cm
+ Chiều rộng vai: 45cm
- Đo chiều dài chiều rộng động cơ để xác định kích thước khoang động cơ.

- Đo kích thước bánh xe để chế tạo cơ cấu giá đỡ bánh xe.
Loại xe này dùng chủ yếu cho phục vụ cho cuộc thi, chạy với tốc độ thấp ( tối đa
khoảng 60 km/h), được thiết kế 1chỗ duy nhất cho người lái. Căn cứ vào đó ta có thể
giới hạn các loại khung có thể dùng để làm cơ sở tham khảo cho việc thiết kế. Các loại
khung đó bao gồm:
+ Khung chịu lực tất cả
+ Khung và vỏ cùng chịu lực
Cụ thể như sau:
- Khung chịu lực tất cả: Vỏ nối với khung bằng các khớp nối mềm, độ cứng của
khung rất lớn so với độ cứng của vỏ, do đó vỏ không chịu tác dụng của ngoại lực khi
khung bị biến dạng. Thông thường loại khung chịu lực tất cả được áp dụng cho xe tải,
xe khách, xe du lịch.

Hình 2.1 Loại khung ô tô chịu lực tất cả

SVTH: Trương Quốc Huy

16


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

- Khung và vỏ cùng chịu lực: Vỏ và khung nối cứng với nhau bằng đinh tán
hoặc bằng bulông, như thế khung và vỏ chịu tất cả tải trọng.

Hình 2.2 Loại khung và vỏ cùng chịu lực tác dụng

Loại khung và vỏ cùng chịu lực có kết cấu rất vững chắc, có độ bền và tuổi thọ

cao, đảm bảo tính an tồn cho người và thiết bị trên ơ tơ.
Để tiện cho quá trình làm xe chúng em quyết định lựa chọn loại khung và vỏ
cùng chịu lực (chế tạo khung và lắp đặt tất cả các bộ phận chi tiết vào trước sau đó
cuối cùng mới lắp vỏ vào bắt với khung bằng bu - lơng )
2.3. Phân tích chọn loại khung thiết kế cho xe
Sau khi lựa chọn được phương án thiết kế khung là loại khung và vỏ cùng chịu
lực thì ta điểm qua một số loại khung sử dụng trên các xe thể thao, xe con, xe du lịch,
trên cơ sở đó kết hợp với điều kiện thực tế để chọn loại khung thích hợp.
- Khung chịu lực loại dầm dọc ở hai bên

Hình 2.3 Hình dáng khung có dầm dọc ở hai bên

Đặc điểm cấu tạo chủ yếu của loại khung này là 2 dầm dọc. Các xà dọc và xà
ngang được chế tạo bằng thép và được nối với nhau bằng mối ghép đinh tán hạn hữu
nối với mối ghép hàn.

SVTH: Trương Quốc Huy

17


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Tiết diện các xà ngang, hình dáng và khoảng cách cũng như kiểu chọn loại bố trí
xà ngang phụ thuộc vào chế độ tải trọng đặt lên khung, việc bố trí các hệ thống như
động cơ, hộp số gắn lên chúng. Vật liệu chế tạo thanh xà ngang thường dùng là các
loại thép các bon thấp và trung bình như 20, 25, 30T...
Các xà dọc thì người ta có thể dùng lọai tiết diện hình ống, hộp, hình chữ C.

Trong số đó thì loại thép dập chữ C là loại được dùng phổ biến nhất. Bên cạnh đó để
giảm trọng tâm của xe, thì người ta uốn xà dọc vịng lên ở vị trí đỡ các cầu xe.
Ngồi ra thì trên xà dọc người ta có thể khoan nhiều lỗ nhằm mục đích nối với
vỏ xe hay các cụm khác bằng bulong, đinh tán. Ngồi ra người ta cịn để nhiều lỗ trống
để khung chịu ứng suất đều.
Ưu điểm: Khung gầm loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp, có giá
thành rẻ, phù hợp với sản xuất đơn chiếc, dễ bảo dưỡng sữa chữa.
Nhược điểm: Vì có cấu trúc 2 chiều nên độ cứng xoắn thấp hơn hẳn so với các
loại khung gầm khác, đặc biệt là khi chịu tác động của trọng tải đứng hoặc xóc nảy lên.
Ngày nay nhiều loại ơ tơ dùng loại khung này từ xe du lịch, khách đến xe tải.
- Khung chịu lực loại dầm dọc ở giữa
Đặc điểm của loại khung gầm hình xương sống rất đơn giản: Cũng như loại
khung có cấu trúc hai dầm dọc, loại khung này các xà ngang và xà dọc được chế tạo từ
thép. Xà dọc là một xương sống có tiết diện hình ống rắn chắc (thường cắt hình chữ
nhật).Các xà ngang được ghép vào dầm dọc ở giữa bằng mối ghép hàn và mối ghép
đinh tán.Việc bố trí các xà ngang về số lượng, tiết diện và khoảng cách nó cịn tùy
thuộc vào việc ta chọn bố trí các cụm như động cơ, hộp số, ghế ngồi trên khung. Vật
liệu chế tạo thanh xà ngang thường dùng là các loại thép các bon thấp và trung bình
như 20, 25, 30T...

SVTH: Trương Quốc Huy

18


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Hình 2.4 Hình dáng khung hình xương sống

Ưu điểm: Thích hợp cho dòng xe thể thao loại nhỏ. Dễ chế tạo bằng tay kéo theo
chi phí thấp đối với các dây chuyền sản xuất qui mô nhỏ. Cấu trúc đơn giản giúp giảm
chi phí. Tiết kiệm khơng gian hơn cả loại khung gầm liền khối.
Nhược điểm:Khung gầm xương sống không thể bảo vệ người lái trong các vụ va
chạm. Do đó, nó cần đi kèm các thiết bị bù khác trong thân xe. Chế tạo đơn chiếc hoặc
bằng tay khó khăn.
- Khung chịu lực loại hỗn hợp( hay hình chữ X)
Loại khung này là kết hợp được nhiều ưu điểm của hai loại khung trên.

Hình 2.5 Hình dáng khung gầm hình chữ X

Tuy có kết cấu khác với hai loại khung trên, tuy nhiên loại khung có kết cấu
hình chữ X cũng có những đặc điểm tương tự như hai loại khung trên. Các xà dọc và
xà ngang được chế tạo bằng thép và được nối với nhau bằng mối ghép đinh tán hãn
hữu nối với mối ghép hàn.

SVTH: Trương Quốc Huy

19


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Tiết diện các xà ngang, hình dáng và khoảng cách cũng như kiểu chọn loại bố trí
xà ngang phụ thuộc vào chế độ tải trọng đặt lên khung, việc bố trí các hệ thống như
động cơ, hộp số gắn lên chúng. Vật liệu chế tạo thanh xà ngang thường dùng là các
loại thép các bon thấp và trung bình như 20, 25, 30T...

Các xà dọc thì người ta có thể dùng lọai tiết diện hình ống, hộp, hình chữ C.
Trong số đó thì loại thép dập chữ C là loại được dùng phổ biến nhất. Bên cạnh đó để
giảm trọng tâm của xe, thì người ta uốn xà dọc vịng lên ở vị trí đỡ các cầu xe.
Ưu điểm:Có độ cứng vững tốt, chịu được độ xoắn cao, dễ bố trí các hệ thống
cũng như thiết bị, đảm bảo tính an toàn cao cho các hệ thống và thiết bị trên ô tô.
Nhược điểm: có khối lượng lớn, chế tạo phức tạp, giá thành đắt và chỉ phù hợp
với sản xuất hàng loạt.
Với tất cả các phân tích ở trên, để thiết kế phù hợp với điều kiện tải trọng nhỏ,
tốc độ thấp, chủ yếu phục vụ cuộc thi, vận hành trong đường đẹp, bên cạnh đó trình độ
tay nghề của chúng em còn hạn chế, để thuận lợi trong việc bố trí các hệ thống trên xe
do đó mà chúng em quyết định chọn loại khung với hai dầm dọc chịu lực chính ở
hai bên và các dầm ngang trên nền 2 dầm dọc. Các kích thước B, H được xác định
trong q trình phân tích tính chọn kích thước.

Hình 2.6 Hình dạng sơ bộ khung xe thiết kế

Kích thước B, H được xác định trên cơ sở đảm bảo độ cứng vững cho khung xe,
điều này sẽ được phân tích cụ thể trong phần xác định kích thước khung - vỏ.
2.4. Xác định kích thước sơ bộ của khung
Chủ yếu là xác định chiều dài và chiều rộng của sườn và nó phụ thuộc vào số
lượng và kích thước của các thành phần bố trí trên nó.
SVTH: Trương Quốc Huy

20


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Xác định chiều rộng B: chiều rộng của ô tô chủ yếu phụ thuộc vào số lượng,
chiều rộng và cách bố trí ghế. Trong trường hợp xe của chúng ta có 1 người lái nằm
duy nhất, người lái có chiều cao 1m63, cân nặng 52kg, chiều rộng vai 45cm, ban đầu
chọn chiều cao ghế là 50cm tính từ điểm thấp nhất. Cộng với việc bố trí thêm các chi
tiết phụ và lắp khung, vỏ nên chọn chiều rộng cơ bản của xe là B = 52cm. ( Sơ bộ ban
đầu )
Xác định chiều dài làm tương tự nó bằng tổng L + L1= 2250 mm.
Trong đó:
L: Là chiều dài cơ sở, L được xác định trên cơ sở bán kính quay vòng bánh xe
và độ ổn định của xe trong quá trính di chuyển. Nếu L quá lớn sẽ làm cho xe quay
vịng khó, đặc biệt là đường hẹp, độ ổn định của xe cũng sẽ giảm. Ngược lại, nếu L bé
thì việc bố trí các hệ thống sẽ gặp khó khăn, độ bền khung sẽ khó đảm bảo hơn. Trên
cơ sở đó ban đầu ta chọn L = 1730mm
L1: Khoảng không gian để người lái duỗi chân và bắt với vỏ, để người lái duỗi
chân thoải mái ta chọn L1=520mm
H: Dựa vào tiêu chuẩn về chiều cao người Việt Nam ta chọn sao cho đảm bảo
hài hịa và tính thẩm mỹ giữa chiều dài toàn bộ, chiều cao và chiều rộng. Vậy ta chọn
H = 590mm.
Từ đó ta có kích thước sơ bộ của xe thiết kế như sau:

SVTH: Trương Quốc Huy

21


Bộ mơn cơ khí ơ tơ

550

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

1730

520

830

520

3040

Hình 2.7 Xác định kích thước cơ sở ơ tơ

Từ việc phân tích bố trí các hệ thống, chi tiết trên xe ta đã xác đinh được kích thước
cơ bản của xe thiết kế. Xác định kích thước khung trên cơ sở đảm bảo độ cứng vững
của khung. Điều này là vơ cùng quan trọng bởi vì độ cứng vững của khung đảm bảo độ
cứng vững, tính ổn định và an tồn cho xe. Ngồi ra việc xác định kích thước khung
cần đảm bảo sao cho thuận lợi nhất về mặt lắp ghép vỏ cho xe, khối lượng khung xe là
bé nhất.
Trên cơ sở những lập luận như vậy, ta có kích thước sơ bộ của khung như sau:

SVTH: Trương Quốc Huy

22


Bộ mơn cơ khí ơ tơ

GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

330
220
176

180

500

320
260

485

200

520

184

1930

350

500

560

171

384

520

456

140

320

500

Hình 2.8 Xác định kích thước cơ bản khung thiết kế

2.5 Vật liệu và công nghệ chế tạo khung ô tô
Khung xe được chế tạo bằng công nghệ hàn, các thanh dầm dọc được uốn nguội
trực tiếp.
Vật liệu làm khung phải đảm bảo các yêu cầu: giới hạn chảy dẻo cao, ít nhạy
cảm với hiện tượng tập trung ứng suất, có thể gia công bằng các phương pháp dập,
nguội, hàn.
Do vậy khi chế tạo khung ta sử dụng thép ống mạ kẽm kích thước 20 x 40 x
1.4mm.
Đặc điểm của loại thép này là:
-

Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao, thép cứng.

-

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

-

Có tính dập nguội và có tính hàn tốt.

SVTH: Trương Quốc Huy

23


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

CHƯƠNG 3: KIỂM TRA BỀN KHUNG XE
3.1. Lựa chọn phương án kiểm tra bền khung xe
Tải trọng tác dụng lên khung xe được chia thành 2 loại: Tải trọng tĩnh, tải trọng
động.
Tải trọng tĩnh gồm có: Trọng lượng phần được treo của xe bao gồm người lái,
hành khách, vỏ xe, tải trọng và các cụm hệ thống khác trên xe, trọng lượng bản thân
satxi, các phản lực từ mặt đường.
Tải trọng động: Tải trọng động sinh ra chủ yếu là do tải trọng thẳng đứng sinh ra
khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng và tải trọng nằm ngang khi tăng
tốc, khi phanh và 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.
Đối với xe thiết kế thì điều kiện làm việc tương đối nhẹ nhàng, tốc độ chậm.
Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên xe theo phương thẳng đứng ít thay đổi, xe được dùng
trên đường bằng phẳng.

Tính tốn kiểm tra bền khung xe có thể thực hiện theo hai phương án: Tính tốn
kiểm tra bền theo phương pháp truyền thống và tính tốn kiểm tra bền bằng phương
pháp phần tử hữu hạn. Sử dụng phương pháp truyền thống có khối lượng tính tốn rất
lớn, làm thủ công và cần sự cẩn thận trong từng cơng đoạn tính tốn nên rất mất thời
gian, ngồi ra theo cách tính này chỉ sử dụng những giả thiết tương đương gần đúng
cho các điều kiện tính tốn nên độ chính xác khơng cao. Phương án sử dụng phương
pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của máy tính sẽ giúp cho cơng việc tính tốn một
cách nhanh chóng, chính xác đến từng điểm (có thể xem được bất kỳ trạng thái ứng
suất, ở bất kỳ vị trí nào). Trong đồ án này em ứng dụng phần mềm ANSYS để tính
tốn kiểm tra bền cho phần khung thiết kế.
SVTH: Trương Quốc Huy

24


GVHD: Ths. Trương Mạnh Hùng

Bộ mơn cơ khí ơ tơ

Q trình tính tốn bền cho khung là bước đi tất yếu trong quá trình thiết kế và
chế tạo khung cho bất kỳ loại xe nào. Dựa trên cơ sở thiết kế hình dáng cho xe, việc
phân tích bố trí các hệ thống, cụm chi tiết trên xe ,ban đầu ta đã định hình dáng và kết
cấu khung cần thiết kế. Việc xác định khung thiết kế được chọn có phù hợp với u
cầu sử dụng, có mang tính tối ưu hóa hay khơng cần phải thơng qua q trình tính tốn
cụ thể.
Việc tính tốn chính xác sẽ giúp ta xác định được kết cấu khung có đảm bảo
được các yêu cầu khơng, những điểm cần gia cường… từ đó ta có thể hồn thiện q
trình thiết kế khung.
Trong việc hồn thiện kết cấu, nâng cao chất lượng khung ô tô, các nhà thiết kế
đã nghiên cứu và khẳng định chế độ tải trọng là thông số đầu vào quan trọng.Việc xác

định chế đố tải trọng là hợp lý có ý nghĩa đặc biệt quan trọng và nó liên quan đến khả
năng chịu lực, tính kinh tế và tối ưu của quá trình thiết kế, chế tạo và độ bền của
khung.
Việc tính tốn khung liên quan đến nhiều yếu tố như đặc điểm kết cấu, chế độ tải
trọng, loại vật liệu, phương pháp gia cơng chế tạo.
Ở đây việc tính tốn chế độ tải trọng thì phải tính tốn cả chế độ tải trọng tĩnh và
chế độ tải trọng động nhưng ở trong trường hợp này em chỉ xét tải trọng tĩnh tác dụng
lên khung.
Khung xe là một bộ phận quan trọng của xe thiết kế. Nó chịu tồn bộ tải trọng
của xe và nó cũng ảnh hưởng đến điều kiện chuyển động của xe. Xe chạy tốt cần có
một khung xe chắc chắn, ổn định và đặc biệt khối lượng phải nhẹ nhất mà vẫn đảm bảo
khả năng chuyển động của xe.
Chiếc xe mà đội thiết kế có khoảng sáng gầm xe là 5cm. Vì vậy, khung được
thiết kế phải đảm bảo độ võng của xe khi chịu tải trọng tĩnh tác dụng lên xe không
được lớn quá, khoảng 1cm để đảm bảo cho xe có thể chuyển động trên đường đua của
Honda.Từ những yêu cầu của khung xe chúng em đã thiết kế khung như sau:
SVTH: Trương Quốc Huy

25