Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KHUNG XE TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU THAM DỰ
CUỘC THI SHELL ECO-MARATHON
RESEARCH ON IMPROVEMENT CHASSIS TO SAVE FUEL FOR VEHICLE TO
TAKE PART IN THE SHELL ECO-MARATHON COMPETITION
1,2

Nguyễn Văn Bang1, Vũ Văn Định2
Bộ môn Cơ khí ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải,
1
; 2

TÓM TẮT
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu cải tiến khung xe tiết kiệm nhiên liệu bằng phần
mềm Catia. Từ đó đã thiết kế được kết cấu mới của khung xe tiết kiệm nhiên liệu với những
ưu điểm như: Đảm bảo độ chính xác các kích thước của xe; Giúp cho xe có chiều cao trọng
tâm thấp hơn; Khối lượng của khung nhẹ hơn; Kết cấu đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo điều
kiện bền, độ cứng vững cần thiết.
Từ khóa: khung xe tiết kiệm nhiên liệu, cuộc thi Shell Eco-Marathon, Honda EcoMileage Challenge
ABSTRACT
This paper presents the results of research on improvement chassis to save fuel based on
Catia software. A new structure of chassis, therefore, was designed with advantages such as:
Ensuring the accuracy of the vehicle sizes; Decrease center height; Decrease the mass of
chassis; Ensure reliability and stiffness in spite of simple structure.
Keywords: chassis to save fuel, Shell Eco-Marathon competition, Honda Eco-Mileage
Challenge
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các cuộc thi lái xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu, yếu tố quyết định đến thành công
của các đội tham dự là kết cấu của xe và kỹ thuật lái xe. Để một chiếc xe sinh thái có kết cấu
tối ưu, nó phải đáp ứng được các yêu cầu sau: Khối lượng nhỏ nhất; Hệ số cản khí động học
nhỏ nhất.

Trong các hệ thống, tổng thành của xe sinh thái, khung xe là bộ phận có khối lượng lớn
nhất và liên quan nhiều nhất đến các hệ thống, tổng thành của xe. Bằng phần mềm thiết kế
chuyên ngành Catia, khung xe tiết kiệm nhiên liệu đã được cải tiến với những ưu điểm sau:
Đảm bảo độ chính xác các kích thước của xe; Giúp cho xe có chiều cao trọng tâm thấp hơn;
Khối lượng của khung nhẹ hơn; Kết cấu đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo điều kiện bền, độ
cứng vững cần thiết.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Kết cấu khung xe phải đảm bảo kích thước của toàn bộ xe, không vi phạm các quy
định của cuộc thi.
- Khung xe cải tiến phải có khối lượng nhỏ nhất.
- Kết cấu của khung đơn giản nhưng vẫn đảm bảo độ bền, độ cứng vững.
- Đảm bảo vị trí tương quan của các hệ thống, tổng thành của xe.
- Đảm bảo đường thẳng nối tâm hai bánh xe trước phải vuông góc với trục xe.
504


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Kiểm soát được chiều cao trọng tâm 2 bánh xe dẫn hướng và bánh xe chủ động.
- Tâm bánh sau phải nằm trên đường trung trực của đường thẳng nối tâm hai bánh trước.

Hình 1. Cơ sở đảm bảo kích thước hình học của khung xe
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
3.1. Xác định kích thước tổng thể của khung
a) Quy định về kích thước xe tham gia cuộc thi Shell Eco Marathon [3]
Shell Eco Marathon là cuộc thi đề cao tính an toàn, do vậy các quy định về cuộc thi rất
nghiêm ngặt, trong đó có các quy định về kích thước xe:
- Chiều dài tổng thể của xe phải nhỏ hơn 3500 mm.
- Chiều dài cơ sở của xe phải lớn hơn 1000 mm.
- Chiều rộng tổng thể của xe phải lớn hơn 500 mm và không được vượt quá 1300 mm.
- Chiều cao xe không được vượt quá 1250 mm.

- Tổng khối lượng xe không được vượt quá 140 kg.
b) Xác định kích thước tổng thể của khung xe
Dựa trên cơ sở lý thuyết về khí động học, những quy định về kích thước của ban tổ
chức, kích thước của các hệ thống, tổng thành được bố trí trên xe và kích thước của người lái
xe đã xác định được kích thước tổng thể của khung như sau:
- Chiều dài toàn bộ (L): L = L 1 + L 2 + L3 = 2550 mm. Trong đó: L1 là chiều dài cơ sở,
được xác định dựa trên cơ sở bán kính quay vòng của xe và độ ổn định của xe trong quá trình
chuyển động (L 1 = 1650 mm); L2 là khoảng cách để người lái duỗi chân (L 2 = 600 mm); L3
là khoảng cách để chứa động cơ (L 3 = 300 mm).
- Chiều rộng toàn bộ (B): B = B 1 + B 2 = 520 mm. Trong đó: B 1 là chiều rộng vai của
người lái xe (B 1 = 450 mm); B 2 là khoảng cách để bố trí các thiết bị phụ và nối giữa vỏ với
khung.
- Chiều cao toàn bộ (H): H = 720 mm. Chiều cao toàn bộ được chọn sao cho đảm bảo sự
hài hòa giữa chiều dài và chiều rộng. Ngoài ra còn liên quan đến vị trí lắp đặt bình nhiên liệu
sao cho đủ áp lực để cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
505


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Các kích thước tổng thể của khung xe
3.2. Thiết kế kết cấu
a) Kết cấu khung xe cũ

Hình 3. Biên dạng khung chính

Hình 4. Khung xe cơ bản

Hình 5. Kết cấu bắt hai bánh trước


Hình 6. Kết cấu đuôi xe, khoang động cơ

Hình 7. Kết cấu khung xe cũ

Hình 8. Khung vỏ hoàn thiện

Nhận xét:
Do đặc điểm về kết cấu và vật liệu chế tạo dẫn đến khối lượng của khung xe cũ rất lớn.
Khung xe cũ chưa có một mặt chuẩn khung nên không đảm bảo được 02 điều kiện:
Đường thẳng nối tâm hai bánh xe trước phải vuông góc với trục xe; Tâm bánh sau phải nằm
trên đường trung trực của đường thẳng nối tâm hai bánh trước.
506


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Công nghệ chế tạo phức tạp và mất nhiều thời gian do chưa tách ra được từng phần để
chế tạo riêng.
Kích thước khung xe cũ khá lớn và trọng tâm của khung vẫn còn cao.
b) Kết cấu khung xe cải tiến

Hình 9. Mặt chuẩn khung xe

Hình 10. Kết cấu đuôi xe

Hình 11. Kết cấu bắt hai bánh trước

Hình 12. Gia cường kết cấu đuôi xe

Hình 13. Kết cấu khung xe cải tiến


Hình 14. Kết cấu vỏ xe cải tiến

c) Những kết quả đạt được sau cải tiến
Khung xe có kết cấu đơn giản, dễ gia công chế tạo. Ưu điểm nổi bật của khung xe cải
tiến là có thể chia nhỏ từng phần để chế tạo (Phần đầu, phần thân và phần đuôi của khung xe
được chế tạo riêng, sau đó ghép lại để tạo thành khung hoàn chỉnh). Do đó có thể tiết kiệm
được chi phí chế tạo cũng như giảm được thời gian chế tạo.
Khung xe cải tiến có kích thước nhỏ hơn so với khung xe cũ (Kích thước khung xe cũ:
H = 760 mm; B = 540 mm; L = 2600 mm; Kích thước khung xe cải tiến: H = 720 mm;
B = 520 mm; L = 2550 mm). Từ đó giúp xe tăng độ ổn định khi chuyển động và thuận lợi cho
quá trình quay vòng.
Trọng tâm của xe cải tiến được hạ thấp hơn so với khung xe cũ (Trọng tâm của khung
xe cũ: 325,235 mm; Trọng tâm của khung xe cải tiến: 312,5 mm), giúp xe tăng độ ổn định khi
di chuyển trên đường đua.
507


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bên cạnh đó khối lượng khung xe cải tiến cũng nhẹ hơn, tổng khối lượng của khung xe
chỉ nặng 9,125 kg, trong khi đó tổng khối lượng của khung xe cũ là 15,515 kg. Vì vậy, chắc
chắn xe có khung cải tiến sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn so với xe sử dụng khung cũ ở cùng điều
kiện khai thác.
3.3. Kiểm tra bền khung xe cải tiến
Kiểm tra bền khung xe ở hai chế độ: chế độ quay vòng và chế độ phanh gấp [1].
a) Cơ sở lý thuyết
 Chế độ phanh gấp
Khi phanh gấp khung bị uốn do lực quán tính.
=
Pjk


mk . j p max
ϕ .g
=
; j p max
g
δi

Trong đó:
m k - Tổng khối lượng đặt lên khung; j pmax - Gia tốc chậm dần lớn nhất khi phanh xe.

ϕ - Hệ số bám giữa lốp xe và đường, ϕ = 0,7÷0,8; g- Gia tốc trọng trường, g = 10 m/s2.
δ i - Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng chuyển động quay, δ imax = 1.
 Chế độ quay vòng
Khi quay vòng các cột đứng và thanh ngang khung chịu tác dụng của lực quán tính ly
tâm theo chiều ngang và chiều dọc:

=
Plt

Rq min
Gk .V 2
=
; ρ
cos α
ρ

Trong đó:
R qmin - Bán kính quay vòng giới hạn của xe; V - Vận tốc giới hạn khi quay vòng.
G k - Trọng lượng của khung xe; ρ - Khoảng cách từ tâm quay vòng đến điểm đặt lực
quán tính ly tâm; α - Góc quay trung bình của bánh xe dẫn hướng.

b) Kiểm tra bền bằng phần mềm Catia
- Ở chế độ phanh gấp, lực quán tính khi phanh P jk = 800 N, được chia đều cho 10 điểm
trên khung (hình 15) [2].
- Ở chế độ quay vòng, lực quán tính ly tâm được phân tích thành lực quán tính ly tâm
theo phương dọc (P ltd ) và lực quán tính ly tâm theo phương ngang (P ltng ). Lực quán tính ly
tâm được đặt tại 15 điểm trên khung. Giá trị của lực quán tính ly tâm theo các phương dọc,
ngang lần lượt là P ltd = 104 N, P ltng = 433 N (hình 18) [2].

Hình 15. Sơ đồ đặt lực khung ở chế độ phanh gấp

508

Hình 16. Chuyển vị khung ở chế độ phanh gấp


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 17. Ứng suất khung ở chế độ phanh gấp

Hình 18. Sơ đồ đặt lực ở chế độ quay vòng

Hình 19. Chuyển vị khung ở chế độ quay vòng

Hình 20. Ứng suất khung ở chế độ quay vòng

Bảng 1. Kết quả kiểm tra bền khung xe ở hai chế độ
Chuyển vị max [mm]
Ứng suất max [Mpa]
Chế độ phanh gấp


1,72

74,4

Chế độ quay vòng

1,88

72,9

4. KẾT LUẬN
Khung xe cải tiến với những ưu điểm: Đảm bảo độ chính xác các kích thước của xe;
Giúp cho xe có chiều cao trọng tâm thấp hơn; Khối lượng của khung nhẹ hơn; Kết cấu đơn
giản hơn nhưng vẫn đảm bảo điều kiện bền, độ cứng vững cần thiết. Đây là một trong các yếu
tố quyết định đến hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu trong các cuộc thi lái xe sinh thái tiết kiệm
nhiên liệu. Đồng thời khung xe cải tiến với kết cấu đơn giản đã giúp giảm chi phí và thời gian
chế tạo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Cao Trọng Hiền, Đào Mạnh Hùng (2010), Lý thuyết ô tô, NXB Giao thông Vận tải Hà
Nội.
[2]. Vũ Đình Lai, Nguyễn Xuân Lựu, Bùi Đình Nghi (1997), Sức bền vật liệu, NXB Giao
thông Vận tải Hà Nội.
[3]. Tài liệu hướng dẫn tham gia cuộc thi Shell Eco Marathon năm 2015.
[4]. Tài liệu hướng dẫn tham gia cuộc thi lái xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu do Honda tổ
chức năm 2015.
[5]. Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm Catia.

509