SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
169
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ XE ĐIỆN BA BÁNH PHỤC VỤ CÔNG TÁC DÂN SINH TRÊN ĐỊA BÀN HÀ NỘI
RESEARCH, CALCULATE AND DESIGN THREE-WHEELED ELECTRIC VEHICLES FOR PEOPLE'S WORK IN HANOI Đỗ Thế Long1, Trần Quang Khải 1, Nguyễn Văn Đạt 2, Hoàng Văn Hoán3, Phạm Đắc Vượng3, Vũ Hải Quân4,* TÓM TẮT Bài báo nghiên c
ứu thiết kế xe điện ba bánh phục vụ thu gom rác tại các cụm
dân cư chật hẹp, thực hiện phân tích cơ s
ở lý thuyết, tính toán xác định công suất
động cơ, hệ thống truyền lực và hệ thống nâng hạ; thi
ết kế, mô phỏng xe điện ba
bánh với một số cải tiến sử dụng phần mềm Autodesk Inventor và mô ph
ỏng xác
định độ bền khung xe bằng phần mềm Ansys Workbench. Từ khóa: Xe điện ba bánh, phần mềm, Autodesk Inventor. ABSTRACT The article studies the design of three-
wheeled electric vehicles for garbage
collection in narrow residential areas, analyzes the theoretical basis, calculates
and determines the engi
and simulated a three-
wheel electric vehicle with some improvements using
Autodesk Inventor software and simulated determining the strength of the
chassis using Ansys Workbench software. Keywords: Electric tricycle, software, Autodesk Inventor. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 6 - K13, Khoa Công nghệ Ô tô, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Kỹ thuật Ô tô 2 - K13, Khoa Công nghệ Ô tô, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp Kỹ thuật Ô tô 6 - K14, Khoa Công nghệ Ô tô, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Khoa Công nghệ Ô tô, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: vuhaiquanhv@yahoo.com.vn 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay vấn đề môi trường luôn được quan tâm, không chỉ trong phạm vi của một quốc gia mà lan rộng ra toàn thế giới. Bên cạnh khí thải những ngành công nghiệp, khí thải giao thông… thì rác thải cũng là một nguyên nhân gây ảnh hưởng rất xấu tới môi trường, cảnh quan thiên nhiên và đặc biệt là sức khỏe con người trong quá trình đô thị hóa. Phương thức thu gom rác trong tương lai gần của thành phố Hà Nội sẽ thay đổi với hàng loạt trạm trung chuyển đi vào hoạt động khi đó đội ngũ công nhân làm việc bằng xe 3 bánh sẽ đóng vai trò quan trọng, quyết định hiệu quả của quá trình thu gom. Để nâng cao hiệu suất thu gom, giảm bớt sức lao động của mỗi công nhân bằng cách cơ giới hóa một phần phương thức vận chuyển, đồng thời giải quyết tốt vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ. Bài báo trình bày nghiên cứu tính toán, thiết kế xe điện ba bánh phục vụ công tác dân sinh trên địa bàn Hà Nội. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để đánh giá các loại động cơ điện ta phải xét đến đường đặc tính như hình 1. Hình 1. Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện Để phục vụ việc lựa chọn nguồn động lực cho xe mà nhóm thiết kế, ta xét đến điều kiện làm việc của xe gồm: 1. Trọng lượng toàn tải của xe: M = M + M á + Mườ (1) 2. Vận tốc tối đa khi xe toàn tải: V = 18 (km/h) = 5 (m/s) 3. Gia tốc của xe: a = 1 (m/s) 4. Khả năng vượt dốc: Các xe chở rác 3 bánh hiện hành đều có khả năng vượt dốc với độ dốc lên đến 25% nên ta chọn góc dốc tối đa của đường là α = 14 - 150. 5. Bán kính bánh xe: Xe thiết kế sử dụng loại bánh xe có bán kính lăn là r= 0,2775 (m). 6. Hệ số cản lăn: Mặt đường mà xe di chuyển thường là đường Bê tông nhựa và Bê tông xi măng ở trạng thái trung bình hoặc tốt. f= 0,018 7. Diện tích cản chính diện: F = 0,8. B. H (2) 8. Hệ số cản không khí: Đối với xe các loại xe con, xe nhỏ K= 0,04 - 0,05 (daNs2/m4). Do đó, ta chọn K= 0,045 (daNs2 /m4). Để tính lực kéo cần thiết tại bánh xe, ta xét phương trình cân bằng lực kéo như sau:
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
170
KHOA H
ỌC
F = F + F + F + F (3) - Lực cản lăn: F = f. G. cos(α) (4) - Lực cản dốc: F = G. sin ∝ (5) - Lực cản không khí: F = K. F. v (6) - Lực quán tính: F= M. a (7) Trong thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc. Khi đó sẽ có hai trường hợp xảy ra. - Trường hợp 1: Khi momen xoắn đạt cực đại - thường là khi xe lên dốc, vượt dốc, khi này thì gia tốc thường bằng 0 nên ta sẽ loại bỏ đi lực quán tính F. F = F+ F (8) Mô-men cực đại được tính như sau: M = F ∗ r (9) - Trường hợp 2: Công cản cực đại của xe - thường là khi xe đạt tốc độ cực đại khi đi trên đường bằng phẳng, không có dốc nên ta sẽ loại bỏ đi lực quán tính F và lực cản dốc F. F = F+ F (10) Công cản cực đại của xe được tính như sau: N = F ∗ v (11) Công suất cần thiết của động cơ là: N =
.  (12) Từ đó, ta chọn được động cơ điện 60V công suất 1,5kW, tốc độ quay 3640 (v/p). Để đảm bảo mô men xoắn từ trục động cơ đáp ứng được mô men xoắn cực đại cần thiết tại bánh xe, ta tính được tỉ số truyền cho hệ thống truyền lực như sau: i=.
 Từ đó, ta lựa chọn hệ thống truyền lực gồm một cặp bánh răng giảm tốc có tỉ số truyền là 3 và một bộ truyền xích ống con lăn có tỷ số truyền là 4. 3. THIẾT KẾ XE ĐIỆN BA BÁNH 3.1. Xe thu gom rác Xe gom rác loại 500L, thùng tôn dày 1mm. Bảng 1. Thông số kích thước Dài Rộng Cao Kích thước khung 1320 mm 1050 mm 1030 mm Kích thước thùng chứa 1080 mm 800 mm 820 mm 3.2. Khung xe chính Bảng 2. Kích thước khung xe Các chi tiết trên khung xe Kích thước Chiều dài x rộng x cao tổng thể 1800x1000x810 mm Tiết diện khung 80x45x2 mm Chiều dày thành 2 mm Kích thước khoang trước 800x1000x45 mm Hình 2. Xe thu gom sau khi được thiết kế trên phần mềm Inventor Hình 3. Chiếu của khung xe 3.3. Hệ thống nâng và kẹp giữ Hình 4. Hệ thống nâng và kẹp giữ xe thu gom
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
171
3.4. Piston nâng hạ Bảng 3. Thông số piston Thông số Kích thước, số lượng Loại xy lanh 2 chiều Đường kính lòng ngoài 60 mm Đường kính lòng trong 30 mm Chiều dài 900 mm Hành trình đẩy của piston 250 mm Tốc độ nâng 3 cm/s Tốc độ hạ 2 cm/s Khả năng nâng 300-500 kg Hình 5. Mô phỏng pistion nâng hạ Hình 6. Mô hình sau khi mô phỏng 4. Mô phỏng xác định độ bền 4.1. Trường hợp 1: Khi xe ở trạng thái toàn tải tĩnh Hình 7. Điều kiện ràng buộc và các lực tác dụng lên khung xe khi ở trạng thái toàn tải trên đường phẳng Hình 8. Biến dạng của khung xe so với ban đầu Hình 9. Ứng suất sinh ra trên khung xe
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
172
KHOA H
ỌC
Hình 10. Vị trí sinh ra ứng suất max trên khung xe Các giá trị ứng suất và biến dạng của trường hợp 1: Thông số Biến dạng lớn nhất Ứng suất lớn nhất Giá trị 0,38606mm 59,963MPa Kết quả tính toán, khảo sát độ bền cho thấy giá trị biến dạng lớn nhất trên khung là 0,38606mm. Ứng suất cực đại tác dụng lên khung xe xuất hiện tại vị trí giữa khung, nơi hai nửa chính được liên kết hàn, do sự thay đổi về mặt tiết diện và diện tích của điểm nối còn nhỏ, σ= 59,963 (MPa) < [σ] = 460(MPa), ứng suất lớn nhất mà khung xe phải chịu nhỏ hơn giá trị giới hạn chảy của vật liệu. Do vậy, trường hợp này xe chịu tải trọng tĩnh bình thường và không gây nguy hiểm đến độ bền của khung. 4.2. Trường hợp 2: Xe bị tác động lực từ phía bên cạnh Hình 11. Đặt điều kiện đầu vào cho bài toán Hình 12. Biến dạng của khung xe theo hướng chiếu đứng và chiếu bằng Hình 13. Ứng suất max của khung xe Các giá trị ứng suất và biến dạng của trường hợp 2: Thông số Biến dạng lớn nhất Ứng suất lớn nhất Giá trị 22,651mm 460MPa Kết quả tính toán cho thấy giá trị biến dạng lớn nhất trên khung là 22,651mm. Ứng suất cực đại tác dụng lên khung xe xuất hiện tại vị trí liên kết giữa trục bánh xe và giảm chấn, do sự thay đổi về mặt tiết diện và gần với vị trí va chạm. Qua nhiều lần thay đổi giá trị lực và giải bài toán, với lực F = 13517N, ta đã tìm được ứng suất σ = 460(MPa). Do vậy, với các giá trị lực lớn hơn 13517N xe sẽ biến dạng và gây nguy hiểm đến độ bền của khung. 4.3. Trường hợp 3: Xe va chạm với tường cứng Hình 14. Đặt điều kiện va chạm cho xe
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
173
Hình 15. Biến dạng của khung xe trong trường hợp 3 Hình 16. Ứng suất của khung xe trong trường hợp 3 Các giá trị ứng suất và biến dạng của trường hợp 3: Thông số Biến dạng lớn nhất Ứng suất lớn nhất Giá trị 178,13mm 460MPa Kết quả tính toán va chạm cho thấy giá trị biến dạng lớn nhất trên khung là 178,13mm. Ứng suất cực đại tác dụng lên khung xe xuất hiện tại vị trí liên kết giữa trục bánh xe và càng xe, do sự thay đổi về mặt tiết diện, diện tích tiếp xúc nhỏ và gần với vị trí va chạm. Qua nhiều lần thay đổi giá trị vận tốc và giải bài toán, với vận tốc v = 9,3 m/s, ta đã tìm được ứng suất σ = 460(MPa). Do vậy, với các giá trị vận tốc bằng hoặc lớn hơn 9,3m/s xe sẽ biến dạng và gây nguy hiểm đến độ bền của khung. 5. KẾT LUẬN Thông qua quá trình nghiên cứu, các tác giả đã có những cải tiến về mặt kỹ thuật giúp cho chiếc xe trở nên chuyên dụng và tối ưu hơn. Trong quá trình nghiên cứu đã tính toán được công suất động cơ, hệ thống truyền lực và hệ thống nâng hạ thùng thu gom rác, áp dụng được phần mềm vào thiết kế, mô phỏng xe điện ba bánh với một số cải tiến sử dụng phần mềm Autodesk Inventor và mô phỏng xác định độ bền khung xe bằng phần mềm Ansys Workbench; sử dụng thành thạo phần mềm mô phỏng 3D Autodesk Inventor và phần mềm kiểm bền Ansys Workbench. Nhóm tác giả hi vọng trong tương lai không xa mô hình xe điện chở rác sẽ được đầu tư thực tiễn để trở thành một phần không thể thiếu trong việc vận chuyển rác thải. Từ đó góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cụm từ “Xanh - Sạch - Đẹp” sẽ không còn là khẩu hiệu. Hướng phát triển: nhóm tác giả dự kiến phát triển thêm hệ thống Internet of Things (IOT): là một hệ thống được thiết kế nhằm mục đích tối ưu hóa quá trình di chuyển của xe từ đó giảm được tối đa sức lao động của công nhân cũng như tính kinh tế trong những lần di chuyển. Hệ thống sử dụng 2 cảm biến khoảng cách được gắn vào nắp thùng rác với nhiệm vụ xác định chính xác số lượng rác trong thùng. Trường hợp thùng rác đầy, tín hiệu sẽ được gửi về trung tâm. Hệ thống điều khiển sẽ căn cứ vào vị trí của xe ba bánh để thiết lập một lộ trình di chuyển tối ưu. Hình 17. Hệ thống thùng rác thông minh
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoàng Minh Thiện, 2007. Thiết kế hệ thống phanh. Đại học Bách khoa Đà Nẵng. [2]. Phan Quỳnh Trung, 2013. Thiết kế hệ thống treo. Đại học Bách khoa Đà Nẵng. [3]. Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, 2003. Lý thuyết ô tô máy kéo. NXB Khoa học Kỹ thuật. [4]. Lê Thành Nhân, 2017. Thiết kế mô hình 3D. NXB Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. [5]. Vũ Hoàng Hưng, Nguyễn Quang Hùng, 2013. Ansys phân tích kết cấu. NXB Xây dựng. [6]. Trần Minh Tú, 2010. Sức bền vật liệu. NXB Đại học Xây dựng. [7]. https://tuyengiao.vn/khoa-giao/moi-truong/viet-nam [8]. https://advancecad.edu.vn/tai-lieu-giao-trinh-inventor. [9]. https://khotrithucvn.com/huong-dan-su-dung-phan-mem-ansys/ [10]. Mehdi Mahmoodik, Iraj Davoodabadi, Vinko Višnjić, Amir Afkar, 2014. Stress And Dynamic Analysis Of Optimized Trailer Chassis. Original scientific paper, ISSN 1330-3651(Print), ISSN 1848-6339 (Online). [11]. Takale Mayuresh, Shet Shirodkar Sanke, Mohotkar Prithviraj, Mahadik Omka, 2016. Structural Analysis of Bolero Maxi-Truck Chassis using ANSYS 14.5. International Journal for Innovative Research in Science & Technology, ISSN (online): 2349-6010, Volume 2 | Issue 11 | April. [12]. Cicek Karaoglu, N. Sefa Kuralay, 2005. Stress analysis of truck chassis with riveted joints. Elsevier Science B.V Finite Elements in Analysys and Design 38, 1115 – 1130.