การพัฒนาออกแบบ สร้างโครงรถบัสไฟฟ้าชานต่ำ แบบ Monocoque ของไทย
โดย วรากร กติกาวงศ์ บริษัท ไทยยานยนต์ไฟฟ้า จำกัด
จากความต้องการของบริษัท ไทยยานยนต์ไฟฟ้า จำกัด (THAI ELECTRIC VEHICLE CO.,LTD. หรือ TEV) โดยได้รับความร่วมมือจาก สมาคมเครื่องจักรกลไทย และบริษัท ไทยเซ็นทรัลเมคคานิคส์ จำกัด ภายใต้การสนับสนุนจากสำนักงานปลัด กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เพื่อดำเนินงานศึกษาวิจัย พัฒนา ออกแบบ และ ผลิตสร้าง “ต้นแบบโครงรถโดยสารไฟฟ้า แบบ Monocoque ขนาดความยาว 10.5 เมตร” ที่มีความปลอดภัยตามมาตรฐานรถโดยสารไฟฟ้าจนสำเร็จ
แต่เดิมอุตสาหกรรมรถโดยสารของไทย ต้องนำเข้าโครงช่วงล่าง (Chassis) แล้วสร้างห้องโดยสารตามลักษณะความต้องการติดตั้งบนโครงช่วงล่าง ทำให้รถโดยสารมีพื้นห้องโดยสารสูงจากพื้นถนนมาก ผู้โดยสารต้องก้าวขึ้นบันไดหลายขั้น ไม่เหมาะที่จะใช้เป็นรถโดยสารประจำทางที่วิ่งรับ-ส่ง ผู้โดยสารในเมืองเพราะต้องขึ้นลงตลอดเวลา ลักษณะที่เหมาะสมควรเป็นโครงสร้างที่มีการเชื่อมยึดชิ้นส่วนโครงห้องโดยสารเป็นชิ้นเดียวกัน สามารถกระจายการรับแรงหรือภาระได้ดีกว่าโครง Chassis แบบเดิม ทำให้เกิดคุณสมบัติที่ดีหลายประการ ดังนี้
- มีน้ำหนักรวมน้อยกว่าแบบเดิม เพราะผนวกโครงสร้างรับน้ำหนักเข้ากับโครงสร้างห้องโดยสาร
- สามารถลดความสูงลงได้มาก และสามารถใช้พื้นที่หรือปริมาตรความจุโดยสารได้มากกว่าระบบเดิม
- สามารถออกแบบให้ตอบสนองความต้องการในการใช้งาน และข้อจำกัดทางภูมิสภาพได้ดี
เป้าหมายการพัฒนาออกแบบสร้างโครงรถโดยสารไฟฟ้าแบบ Monocoque ในครั้งนี้ เพื่อการสร้างรถโดยสารไฟฟ้าประจำทาง รับ-ส่ง ผู้โดยสารในเขตเมือง เช่น กรุงเทพมหานครและปริมณฑล หรือเมืองใหญ่ จึงได้กำหนดคุณลักษณะเพื่อการออกแบบดังนี้
- ต้องเป็นรถโดยสารที่มีขนาดเหมาะสมกับเมืองและสภาพการจราจรในเมือง ซึ่งจากผลสำรวจและวิเคราะห์แล้วว่า ควรเป็นรถชานต่ำขนาดความยาว 10.5 เมตร เพื่อความคล่องตัวและลดปัญหาการกีดขวางการจราจร
- ต้องเหมาะสมกับภูมิสภาพของ กทม. ที่มักมีน้ำท่วมขังต้องคำนึงถึงการผุกร่อนและความปลอดภัยของผู้โดยสาร โครงสร้างด้านล่างของตัวรถมีโอกาสแช่น้ำจะต้องไม่มีจุดอับที่น้ำเข้าได้แต่ไม่สามารถเคลือบผิวกันสนิมได้ ควรเป็นโครงสร้างเปิดที่ให้สารเคลือบกันสนิมเข้าถึงได้ง่าย และเพื่อป้องกันอุบัติเหตุอันเกิดจากกระแสไฟฟ้า จึงต้องออกแบบย้ายแบตเตอรี่ทั้งหมด ซึ่งปกติติดตั้งไว้ใต้ท้องรถให้ไปอยู่ในตำแหน่งที่ไม่โดนน้ำ เช่น ด้านหลังรถ หรือหลังคารถ ซึ่งแบตเตอรี่รถโดยสารไฟฟ้ามีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากกว่า 3,000 กิโลกรัม จึงต้องออกแบบโครงสร้างตัวรถและหลังคาให้สามารถรับน้ำหนักได้อย่างปลอดภัย
- ต้องการความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ประหยัดพลังงาน และมีต้นทุนการผลิตต่ำ ได้ผลสรุปว่าต้องออกแบบสร้างให้มีน้ำหนักเบา
โดยตั้งเป้าให้น้ำหนักโครงสร้างลดลงจากแบบเดิมที่มีในท้องตลาดอย่างน้อย 30% โครงสร้างสามารถใส่หรือติดตั้งวัสดุฉนวนกันความร้อนได้รอบด้าน ลดช่องหรือปริมาณแสงที่จะเข้าตัวรถ ลดปริมาตรในห้องโดยสารในส่วนที่ไม่เกิดประโยชน์ เพื่อลดพลังงานของเครื่องทำความเย็น และต้องสามารถออกแบบโดยใช้วัสดุที่ผลิตหรือมีในประเทศ
โดยแนวทางในการดำเนินงานโครงการฯ อาศัยกระบวนการวิศวกรรมย้อนรอย (Reverse Engineering) จากรถโดยสารไฟฟ้า (EV-city bus) ขนาดความยาว 10.5 เมตร ที่นำเข้าจากประเทศจีน ซึ่งจะช่วยให้ผู้ประกอบการตอบสนองความต้องการของตลาดได้ทันเวลา และช่วยลดความเสี่ยงในขั้นตอนการดำเนินงาน นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่เองได้ในอนาคตด้วย ซึ่งหากผู้ผลิตสามารถเสริมสร้างศักยภาพการผลิตได้จนเป็นที่ยอมรับก็จะทำให้เกิดความก้าวหน้าทางอุตสาหกรรมไทยที่สมบูรณ์ขึ้น
การลดน้ำหนักของโครงสร้างรถ แบบ monocoque
ในการวิจัยและพัฒนานี้ โครงการฯ มุ่งเน้นให้ไทยสามารถลดการนำเข้าชิ้นส่วนจากต่างประเทศให้ได้มากที่สุด และแก้ไขจุดต้อยบางประการของเทคโนโลยีต่างประเทศที่ออกแบบมาไม่เหมาะสม ไม่สอดคล้องกับสภาพการใช้งานในประเทศไทย การดำเนินงานใช้เวลารวม 16 เดือน เริ่มจากการศึกษาหาเทคโนโลยีที่เหมาะสมกับประเทศไทย และทำข้อตกลงกับบริษัทผู้ผลิตรถโดยสารไฟฟ้าในประเทศจีนเพื่อการสนับสนุนในด้านต่างๆ ตั้งแต่สร้างรถโดยสารไฟฟ้าต้นแบบตามความเหมาะสมกับการใช้งานในประเทศไทย ถ่ายทอดเทคโนโลยีให้ในระดับที่สร้างประกอบและซ่อมบำรุง จำหน่ายชิ้นส่วนที่เราไม่สามารถผลิตเองได้ เมื่อได้รับรถที่สั่งนำเข้ามาเป็นต้นแบบเพื่อการเรียนรู้
การวิเคราะห์ความแข็งแรงด้วยโปรแกรม Finite Element
โดยหลัก Reverse Engineering เริ่มศึกษามิติและขนาดของโครงรถต้นแบบ ซึ่งมีทั้งการศึกษาชิ้นส่วนทางกล การทำงาน การเคลื่อนไหวของชิ้นส่วนที่มีความสัมพันธ์กับโครงสร้างให้เข้าใจกลไกการทำงานทั้งหมด แล้วจึงออกแบบใหม่ให้สอดคล้องกับคุณลักษณะและคุณสมบัติที่กำหนดขึ้นมาใหม่ เมื่อได้แบบร่างตามที่ต้องการแล้ว จึงนำมาจำลองและทดสอบด้วย ระเบียบวิธี Finite Element เพื่อหาตำแหน่งที่มีความแข็งแรงน้อยสุด หรือน้อยกว่าค่าความปลอดภัยที่กำหนด แล้วทำการปรับแก้ขนาดรูปร่าง เพื่อให้สามารถรับภาระที่กระทำได้ สามารถรับแรงอยู่ในเกณฑ์ที่กำหนด พร้อมตรวจดูชิ้นส่วนหรือตำแหน่งที่มีการรับภาระได้สูงเกินความต้องการอย่างมาก ก็ทำการลดขนาดหรืออาจตัดทิ้งหากไม่จำเป็น เพื่อลดน้ำหนัก ทำอยู่เช่นนี้หลายรอบจนได้สัดส่วนขนาดและค่าความสามารถในการรับภาระแล้วไม่เสียรูปทรงกว่าเกณฑ์ที่กำหนด
จากการทำเช่นนี้ทำให้ได้โครงสร้างที่มีความแข็งแรง สม่ำเสมอใกล้เคียงกัน ไม่เกิดจุดอ่อนที่จะเกิดความเสียหายได้ง่าย ไม่เกิดจุดที่ใช้วัสดุเกินจำเป็น อันก่อให้เกิดเป็นภาระสิ้นเปลืองพลังงาน ผลสุดท้ายคือ ได้โครงสร้างที่ตอบสนองความต้องการ มีน้ำหนักน้อยกว่าโครงสร้างต้นแบบมากกว่า 30% ซึ่งเมื่อได้แบบโครงสร้าง Monocoque ตามคุณลักษณะและคุณสมบัติที่ต้องการแล้ว จึงมาทำแบบแยกชิ้น ใส่รายละเอียดเพื่อการผลิตชิ้นส่วน และภาพแสดงการประกอบพร้อมตัวเลขสัดส่วนเพื่อช่างประกอบสามารถทำงานได้ อีกทั้งต้องออกแบบ Jig & Fixture เพื่อให้สามารถประกอบงานได้มิติและขนาดที่ถูกต้องแม่นยำ สามารถทำซ้ำได้ขนาดเท่ากันและรวดเร็ว
โครงสร้าง Monocoque ที่สร้างสำเร็จ มีน้ำหนักเพียง 1,954 กิโลกรัม น้อยกว่าโครงสร้างต้นแบบจากประเทศจีนที่หนัก 2,877 กิโลกรัม อยู่ถึง 923 กิโลกรัม คิดเป็นน้ำหนักที่ลดได้ 32% การทดสอบการรับน้ำหนักเสมือนจริง โดยการสร้างแท่นรับน้ำหนักโครงสร้างรถให้น้ำหนักถ่ายส่งผ่าน มายังจุดหน้าแปลน Air spring ทั้ง 6 จุด นำโครงสร้าง Monocoque ขึ้นตั้งบนแท่น แล้วนำน้ำหนักถ่วงกระจายตามจุดต่างๆ เป็นภาระจริง น้ำหนักตามที่จะเกิดจริง มีการกระจายน้ำหนักสมมุติเป็นผู้โดยสาร แบตเตอรี่ มอเตอร์ และอุปกรณ์อื่นๆ โดยกระจายตามสัดส่วนที่จะเกิดจริงถึง 13 จุด (ตามที่ได้จำลองและทดสอบโดยระเบียบวิธี Finite element) เป็นน้ำหนักรวมที่ใช้ทดสอบจริงถึง 13.5 ตัน (มากกว่าภาระที่จะเกิดจริงในขณะรับผู้โดยสารเต็มคันรถ)
