TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 266
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KHUNG VỎ XE TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS CHO HẠNG MỤC URBAN CONCEPT
THAM GIA CUỘC THI LÁI XE TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU
RESEARCH ON DESIGN OF FUEL-SAVING VEHICLE FRAME
USING ANSYS SOFTWARE FOR URBAN CONCEPT CATEGORY
PARTICIPATING IN FUEL-SAVING DRIVING COMPETITION
Bùi Văn Phú1,*, Phạm Đình Việt2,
Vũ Minh Hiếu3, Trần Thanh Tùng4, Ngô Quang Tạo5
1Lớp KTOT 02 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT 06 - K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp KTOT 06 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Lớp KTOT 07 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
5Khoa Công nghệ kĩ thuật ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: buiphu16122001@gmail.com
TÓM TẮT
Shell Eco-marathon là một trong những cuộc thi kỹ thuật dành cho sinh viên hàng đầu thế giới tập trung vào việc tối
ưu hóa năng lượng. Cuộc thi lái xe tiết kiệm nhiên liệu 'Urban Concept' đòi hỏi thiết kế khung vỏ xe không chỉ mang tính
thẩm mỹ cao mà còn phải tối ưu hóa khí động học để giảm tiêu hao nhiên liệu. Nghiên cứu này nhằm thiết kế khung vỏ xe
tiết kiệm nhiên liệu cho hạng mục Urban Concept bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS. Nghiên cứu được
thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng dòng chảy không khí quanh khung vỏ xe thiết kế. Các mô
hình khung vỏ được thiết kế bằng phần mềm SolidWorks và sau đó nhập vào ANSYS để phân tích lực cản không khí. Các
yếu tố như hình dáng đuôi xe, góc nghiêng mui xe và các chi tiết tối ưu hóa khí động học khác được thử nghiệm và đánh
giá. Kết quả mô phỏng cho thấy thiết kế khung vỏ xe với đuôi xe dẹt, góc nghiêng mui xe 15 độ và một số cải tiến khí
động học khác đạt được hệ số lực cản không khí thấp nhất, giảm khoảng 10% so với thiết kế ban đầu. Điều này ước tính
sẽ dẫn đến cải thiện khoảng 5-7% hiệu suất tiêu hao nhiên liệu của xe.
Từ khóa: Xe tiết kiệm nhiên liệu 4 bánh.
ABSTRACT
The Shell Eco-marathon is one of the world's leading student engineering competitions focused on energy optimisation.
The 'Urban Concept' fuel-efficient driving competition requires a tire frame design that is not only aesthetically pleasing, but
also aerodynamically optimized to reduce fuel consumption. The study aimed to design a fuel-efficient chassis for the Urban
Concept using ANSYS simulation software. The study was conducted using ANSYS software to simulate air flow around
the design chassis. The chassis models are designed using SolidWorks software and then imported into ANSYS for air
resistance analysis. Factors such as tailgate shape, hood tilt angle, and other aerodynamically optimized details are tested and
evaluated. The simulation results showed that the chassis design with a flattened rear end, a 15-degree hood tilt angle and
several other aerodynamic improvements achieved the lowest coefficient of air resistance, reduced by about 10% compared
to the original design. This is estimated to lead to an improvement of about 5-7% in the vehicle's fuel efficiency.
Keywords: 4-wheel fuel-efficient vehicle.
1. GIỚI THIỆU
Phương tiện đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống
hiện đại, đáp ứng nhu cầu di chuyển và vận chuyển hàng
hóa ngày càng cao. Tuy nhiên, hoạt động của ngành công
nghiệp ô tô cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi
trường, như phát thải khí nhà kính, ô nhiễm không khí và
tiếng ồn. Do đó, việc phát triển các mẫu xe tiết kiệm nhiên
liệu và thân thiện với môi trường là mục tiêu quan trọng của
nhiều nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới.
Một trong những sáng kiến nhằm thúc đẩy sự phát triển
của các mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu là cuộc thi Lái xe tiết
kiệm nhiên liệu (Shell Eco-marathon). Cuộc thi này đã diễn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 267ra hàng năm từ năm 1939, với sự tham gia của các đội đến
từ các trường đại học và cao đẳng trên thế giới. Các đội
tham gia phải thiết kế, chế tạo và vận hành các mẫu xe tiết
kiệm nhiên liệu trong điều kiện cạnh tranh. Hạng mục
"Urban Concept" là một trong những hạng mục chính của
cuộc thi, với yêu cầu các mẫu xe phải đáp ứng các tiêu
chuẩn về kích thước, thiết kế và khả năng vận hành tương
tự như các mẫu xe thông thường.
Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế khung vỏ xe
tiết kiệm nhiên liệu cho hạng mục Urban Concept ( xe tiết
kiệm nhiên liệu 4 bánh) của cuộc thi Lái xe tiết kiệm nhiên
liệu bằng phần mềm ANSYS. Thiết kế khung vỏ xe là một
nhiệm vụ quan trọng trong quá trình phát triển mẫu xe tiết
kiệm nhiên liệu, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tiết kiệm
nhiên liệu, sức chịu lực và an toàn của xe. Việc sử dụng
phần mềm ANSYS sẽ giúp các nhà thiết kế đánh giá các
phương án thiết kế khung vỏ xe một cách hiệu quả, tiết kiệm
thời gian và chi phí so với phương pháp thử nghiệm thực tế.
Mục tiêu của nghiên cứu này là đề xuất một phương án thiết
kế khung vỏ xe tiết kiệm nhiên liệu tối ưu dựa trên phân tích
kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
+ Thiết kế nghiên cứu: Đây là một nghiên cứu mô phỏng
và thiết kế bằng phần mềm ANSYS nhằm đánh giá và tối
ưu hóa khung vỏ xe Urban Concept (xe tiết kiệm nhiên liệu
4 bánh) tham gia cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu để tăng hiệu
quả sử dụng nhiên liệu.
+ Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu này tập trung vào
thiết kế khung vỏ xe Urban Concept - một loại xe tham gia
cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu. Các thông số kỹ thuật, đặc
điểm hình học và lưu động học của mẫu xe này được mô
phỏng và phân tích theo tiêu chuẩn của Shell-Eco marathon.
+ Địa điểm và thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được
thực hiện tại phòng Lab của Trường Cơ Khí- Ô Tô từ tháng
09/2023 đến tháng 05/2024.
+ Cỡ mẫu và chọn mẫu: Do đây là nghiên cứu mô phỏng
bằng phần mềm, không có đối tượng vật lý, nên không cần
tính toán cỡ mẫu. Mẫu thiết kế khung vỏ xe được lựa chọn
dựa trên thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của xe Urban Concept
tham gia cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu.
+ Công cụ nghiên cứu và kỹ thuật thu thập thông tin:
Nghiên cứu này sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS để
thiết kế và phân tích tính khí động học của khung vỏ xe
Urban Concept. Các thông số đầu vào như hình dạng, kích
thước, vật liệu… được thu thập từ các tài liệu kỹ thuật về
xe Urban Concept.
+ Phân tích dữ liệu: Dữ liệu thu được từ mô phỏng
ANSYS sẽ được phân tích bằng các công cụ thống kê như hệ
số lực cản khí động, hệ số cản không khí, lực kéo... nhằm đánh
giá hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của thiết kế khung vỏ xe.
+ Đạo đức nghiên cứu: Nghiên cứu này không liên quan
đến đối tượng người và không gây ảnh hưởng đến an toàn,
sức khỏe con người. Các thông tin kỹ thuật được sử dụng
đều là thông tin công khai và không có bất kỳ vấn đề bảo
mật nào.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán
Trong quá trình thực hành và thi đấu lái xe tại các sự
kiện Shell Eco-marathon, chỉ Người lái mới được phép
vào trong xe Urban Concept, bất kể số lượng chỗ ngồi
được lắp đặt.
Bảng 1. Các thông số thiết kế xe tiết kiệm nhiên liệu 4 bánh khác
Thông số Đơn vị Giá trị
Dài/ Rộng/ Cao mm 2300/1300/1100
Chiều dài cơ sở mm 1200
Khoang người lái rộng /cao
tối thiểu mm 700/880
Chiều dài trục trước tối thiểu mm 1000
Chiều dài trục sau tối thiểu mm 8000
Khoảng sáng gầm xe tối thiểu
mm 100
Khối lượng xe tối đa mm 225
Vành bánh xe Inch 15-17
+ Trường hợp xe ổn định trên đường thẳng. Trường hợp
tĩnh đề cập đến tải trọng tác dụng lên xe đua khi xe đua
không chịu tác dụng của gia tốc khi tăng tốc, phanh hoặc bẻ
lái. Cần cân nhắc chiếc xe khi chở đầy người lái và tất cả
chất lỏng. Đây là những tải trọng sẽ được đo nếu xe được
đặt trên mặt đất bằng phẳng.
Theo lý thuyết ô tô, sơ đồ lực tác dụng lên xe trong
trường hợp chuyển động ổn định trên đường nằm ngang có
dạng:
Hình 1. Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi xe đi ổn định
Trọng lượng toàn bộ xe (mm)
Khối lượng tổng chỉ đơn giản là tổng của các thành phần
riêng lẻ. Với tổng số n thành phần số, điều này được thể
hiện dưới dạng toán học:
= (+ + ⋯ ) (1)
Trong đó:
- mm là trọng lượng của toàn bộ xe.
- trọng lượng của động cơ, xăng, vỏ, …
- là trọng lượng của tải người lái.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 268Vị trí khối tâm được tổng hợp được xác định bởi:
=(⋯)
(2)
ℎ=(⋯)
(3)
Trong đó:
- là khoảng cách từ trục bánh xe trước đến động cơ
theo chiều dọc.
- là khoảng cách từ trục bánh xe trước đến người lái
theo chiều dọc.
- lm là khoảng cách từ trục bánh xe trước đến vị trí trọng
tâm.
- ℎ là chiều cao từ trọng tâm đến mặt ngang.
Trong phân tích độ bền khung xe, trọng lượng là yếu tố
chính có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, tuổi thọ và độ ổn
định của khung. Vì vậy việc xác định đúng, đủ các thành
phần khối lượng và vị trí tọa độ so với khung xe là quan
trọng trước khi thực hiện phân tích bền kết cấu khung.
Giả định ô tô được coi là lơ lửng không trọng lượng
trong không gian thì ba lực tác dụng W, WF và WR phải giữ
cho xe đua ở trạng thái cân bằng tĩnh, tức là lực hấp dẫn
hướng xuống, W, phải bằng và ngược chiều với tổng phản
lực của bánh xe, WF và WR. Đây là lý do tại sao lực của
bánh xe hướng lên trên. Chúng đại diện cho các lực từ mặt
đường tác động lên ô tô.
Hình 2. Sơ đồ các lực tác dụng lên xe
Tải trọng tĩnh của xe: = × (4)
Tải trọng trục trước:
= ×
(5)
Tải trọng trục sau:
= −
(6)
+ Trường hợp xe phanh trên đường thẳng
Phân tích động thành một phân tích tĩnh đơn giản bằng
cách viện dẫn nguyên lý d'Alembert phát biểu rằng ô tô
'chống lại' gia tốc một cách hiệu quả với một phản lực quán
tính tưởng tượng tác dụng xuyên qua khối tâm. Lực này
bằng và ngược chiều với phanh và được biểu diễn dưới dạng
lực cản trong hình sau. Việc lực kéo xảy ra ở mặt đường và
lực cản ở khối tâm có nghĩa là một cặp hoặc mômen không
cân bằng được thiết lập. Điều này gây ra những thay đổi về
tải trọng tĩnh trên trục, WF và WR [14].
Hình 3. Sơ đồ đặt lực khi xe phanh
Độ lớn của sự thay đổi, ΔWx được gọi là truyền tải trọng
dọc và nó được trừ đi tải trọng tĩnh trục sau và cộng vào tải
trọng tĩnh trục trước. Điều này giải thích tại sao khi phanh,
phần trước của ô tô cúi xuống và phần sau nhô lên.
Công thức lực phanh: = ×
Xét theo chiều Ox, dọc xe:
. = . ℎ
D
= ± . ℎ
= ± . . ℎ
+ Trường hợp xe chuyển động xoay vòng vào góc gấp
đường đua
Khi vào cua với tốc độ cao thì quĩ đạo di chuyển của xe
là vòng cung nên sẽ sinh ra lực ly tâm. Và cũng gần giống
trường hợp phanh gấp thì lực ly tâm này cũng sinh ra sự
chuyển tải trọng giữa cặp bánh xe bên trái và cặp bánh xe
bên phải. Sự truyền lực này phụ thuộc vào tốc độ của xe,
bán kính vòng cua và độ dốc của mặt đường. Các phản lực
gây ra tại các bánh xe được truyền lên khung và các phản
lực này có thể lớn hơn rất nhiều so với trường hợp tĩnh.
Hình 4. Lực hướng tâm và li tâm khi xe vào cua
Lực hướng tâm là lực mà dây tác dụng lên vật nặng. Lực
bằng và ngược chiều mà khối lượng tác dụng lên dây gọi là
lực ly tâm, và lực này sẽ tác dụng xuyên qua khối tâm.
Trong trường hợp ô tô, lực hướng tâm được cung cấp bởi
lực bám ngang từ lốp xe. Lực này thường được gọi là lực
vào cua. Lực ly tâm bằng nhau và ngược chiều truyền qua
khối tâm.
Theo trên ta có thể thấy rằng với sự ảnh hưởng của sự
phân bố tải trọng như vậy sẽ khiến cho xe bị cuộn theo trục
dọc và bị uốn trong mặt phẳng nằm ngang.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 269
Hình 5. Lực hướng tâm và li tâm khi xe vào cua
Khi xe ôm cua sẽ có các lực sau:
Gia tốc: =
Lực hướng tâm:  = . = .
Lực Fcua khi vào cua:
 = .
Trong đó:
- R là bán kích góc cua
- v là vận tốc khi xe vào cua
- hệ số ma sát của lốp với đường
Một bài toán sẽ chia ra làm 3 giai đoạn chính là: tiền xử
lý, xử lý và hậu xử lý. Và trong Ansys Workbenh khi tạo
mới bài toán thì cũng phải trải qua 3 giai đoạn này
Hình 6 .Trình tự thực hiện bài toán phân tích kiểm bền
3.2. Tính toán, phân tích khung xe tiết kiệm nhiên liệu
Tiến hành tính toán và phân tích, sau khi phân tích thì
màn hình sẽ hiển thị các kết quả như sau:
Hình 7. Safety factor
3.3. Tính toán, mô phỏng vỏ xe tiết kiệm nhiên liệu
Để có được 1 mô hình mô phỏng thì nhóm nghiên cứu
đã tạo dựng và thiết kế mô hình này trên phần mềm
solidwork. Sau quá trình phân tích tìm kiếm thông tin trên
các trang liên quan của shell eco-marathon thì nhóm nghiên
cứ đã tiến hành thiết kế ra được 1 mô hình xe bằng phần
mềm SolidWorks.
Hình 8. Mô hình vỏ xe trên phần mềm solidwork
Lựa chọn chủng loại mô phỏng giúp máy tính biết được
chúng ta cần mô phỏng cái gì và đang cần mô phỏng ở môi
trường như thế nào. Solidwork cung cấp cho 1 công cụ mô
phỏng dòng chất lỏng qua 1 vật. Trên hình ta chọn dòng
fluidflow để tiến hành mô phỏng khí động học.
Hình 9. Lựa chọn loại chất mô phỏng
Hình 10. Thiết lập các kết quả muốn mô phỏng
Bước cuối trong việc thiết lập 1 chương trình mô phỏng
khí động học, tiếp theo sẽ tiến hành thiết lập để chạy bài
toán mô phỏng. Tại mục pressure sẽ chọn là 101325 MPA
với nhiệt độ môi trường là 20,05 độ C. Bên cạnh đó cũng sẽ
phải chọn chiều của dòng khí mô phỏng là 27,8 m/s. Chúng
ta có thể thay đổi số liệu này tùy thuộc vào bài toán mà
chúng ta cần làm.
Sau khi chạy và kiểm tra, ta sẽ được kết quả như sau:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 270
Hình 11. Kết quả flow trajector
4. KẾT LUẬN
4.1. Những nội dung mà nghiên cứu đã đạt được
Nghiên cứu này đã sử dụng phần mềm ANSYS để thiết
kế và mô phỏng khung vỏ xe tiết kiệm nhiên liệu cho hạng
mục Urban Concept tham gia cuộc thi lái xe tiết kiệm nhiên
liệu. Các kết quả chính bao gồm:
Kiểm tra độ bền khung xe: Nhóm nghiên cứu đã kiểm
tra và đánh giá được độ bền của khung vỏ xe khi gặp các
tình huống va chạm, bao gồm lực va đập, ứng suất và biến
dạng. Kết quả cho thấy khung vỏ xe thiết kế đạt yêu cầu về
độ bền an toàn.
Mô phỏng khí động học: Nhóm cũng đã thực hiện mô
phỏng khí động học cho vỏ xe 4 bánh tiết kiệm nhiên liệu.
Kết quả cho thấy thiết kế vỏ xe này có hệ số cản khí động
học thấp, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu khi vận hành.
So sánh với các nghiên cứu trước, nghiên cứu này đã bổ
sung những phát hiện mới về tính năng và tính an toàn của
khung vỏ xe tiết kiệm nhiên liệu, sử dụng các công cụ mô
phỏng tiên tiến như ANSYS. Điều này giúp tối ưu hóa thiết
kế và đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên
liệu cho loại xe Urban Concept.
Tuy nhiên, nghiên cứu này vẫn còn một số hạn chế,
chẳng hạn như chưa thực hiện các thử nghiệm vật lý để
kiểm chứng lại các kết quả mô phỏng. Ngoài ra, phạm vi
nghiên cứu chỉ giới hạn ở một số tình huống cụ thể, cần mở
rộng để đánh giá khả năng ứng dụng rộng hơn.
Tóm lại, nghiên cứu này đã cung cấp những kết quả
quan trọng về thiết kế khung vỏ xe tiết kiệm nhiên liệu cho
hạng mục Urban Concept, góp phần nâng cao hiệu quả sử
dụng nhiên liệu và an toàn cho loại xe này trong các cuộc
thi tiết kiệm nhiên liệu. Các kết quả này cũng có thể được
tham khảo và ứng dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực thiết kế
ô tô.
4.2. Đánh giá khả năng ứng dụng rộng hơn của thiết kế
khung vỏ xe
Nghiên cứu có thể được mở rộng để xem thiết kế này có
thể được áp dụng cho các loại xe khác như xe tải, xe buýt,
xe máy, v.v. hoặc thậm chí các loại phương tiện không phải
là xe như tàu thuyền, máy bay, xe lội nước,... Việc thiết kế
có thể được kiểm tra để xem nó hoạt động hiệu quả như thế
nào trong các điều kiện khác nhau như địa hình gồ ghề, thời
tiết khắc nghiệt, nhiệt độ cực đoan, tải trọng nặng,... Nghiên
cứu có thể mở rộng để đánh giá khả năng ứng dụng của thiết
kế trong các ngành công nghiệp như xây dựng, khai thác
mỏ, quân sự,... Việc phân tích này xem thiết kế này có thể
được tùy chỉnh và điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể
của người dùng hoặc ứng dụng như thế nào. Nghiên cứu có
thể mở rộng để xem xét các yếu tố như chi phí sản xuất, tính
khả thi về mặt công nghệ, và khả năng sản xuất hàng loạt.
Việc mở rộng phạm vi nghiên cứu theo các hướng như
vậy sẽ giúp chúng ta có được một bức tranh toàn cảnh hơn
về khả năng ứng dụng tiềm năng của thiết kế khung vỏ xe
này. Điều này sẽ giúp chúng ta đưa ra các quyết định sáng
suốt hơn về việc có nên phát triển và triển khai thiết kế này
hay không.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Minh Hiếu (Chủ biên), Nguyễn Ngọc Anh, Nguyễn Tuấn Nghĩa, Lê Đức Hiếu, 2017, Giáo trình tin học ứng
dụng trong kỹ thuật ô tô, NXB Thống kê, Hà Nội.
[2]. https://viettechview.com/tai-lieu/tai-lieu-ansys/co-so-ly-thuyet-phan-tich
[3]. https://vihoth.com/tin-tuc/tong-quan-phan-mnhóm nghiên cứu-solidworks-solidworks-la-gi
[4]. https://www.shellecomarathon.com/about/faq.html
[5]. https://www.shellecomarathon.com/about/global-rules/_jcr_content/root/main/section/simple_copy_copy_
143664536/link_list/links/itnhóm nghiên cứu0.stream/1693543757317/892943cb7be32f26491deba487a52ccfb145bf81
/shell-eco-marathon-2024-official-rules-chapter-i-updated.pdf
[6]. A. Singh, Design and Simulation of F-1 Car Chassis, [Online]. Available: https://www.ijedr.org.
[7]. Redbull, Đua xe thể thao thế giới. [Online]. Available: https://www.redbull.com/int-en/.
[8]. N. V. Minh, 2020. Thiết kế khung gầm xe ô tô, NXB Khoa học và Kỹ thuật.