ĐỒ án THIẾT kế lựa CHỌN và sử DỤNG vật LIỆU CHUYÊN NGÀNH kết cấu hoặc chi tiết được giao lò xo giảm xóc xe máy

Phân tích điều kiện làm việc của chỉ tiết : • Giới thiệu: Lò xo xe máy: -Hệ thống giảm xóc xe máy phuộc được thiết kế và đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc giảm tác động rung

Trường ĐKBK ĐHBK Hà

Nội

Viện KH & KT Vật Liệu

-

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -oOo -

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LỰA CHỌN VÀ

SỬ DỤNG VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH

(Design - Selection and Application of Materials)

Kết cấu hoặc chi tiết được giao: Lò xo giảm xóc xe máy

Giảng viên hướng dẫn:

Họ và tên sinh viên:

Mã số:

Chuyên ngành: Commented [t1]: Điền thông tin

Mã số: MFS1

1 Phân tích điều kiện làm việc của chỉ tiết :

• Giới thiệu: Lò xo xe máy:

-Hệ thống giảm xóc xe máy (phuộc) được thiết kế và đóng

vai trò hết sức quan trọng trong việc giảm tác động rung chấn

khi di chuyển hoặc va chạm với các địa hình mấp mô, đảm bảo

an toàn cho xe, người điều khiển hay hàng hóa

-Hệ thống giảm xóc bao gồm xy lanh giảm chấn, lò xo và

các chi tiết phụ tùng khác đi kèm Trong đó lò xo giảm xóc - là

loại lò xo xoắn chịu nén dưới dạng vòng dây hình tròn, Đây

một chi tiết rất quan trọng, với sức cần khả năng đàn hồi, lò xo

chuyển hóa dao động va đập ở bánh xe thành dao động điều

hòa cho khung xe

-Với việc lựa chọn mác thép chế tạo hợp lý, cùng với chế

độ chế tạo, nhiệt luyện đúng kỹ thuật, một chiếc lò xo có thể

có một tuổi thọ làm việc khá cao, đảm bảo được độ khả năng

làm việc bền bỉ của xe và kết cấu trong cả các điều kiện làm

việc khắc nhiệt nhất

Formatted: No underline Formatted: Indent: Hanging: 2.54 cm

• Điều kiện làm việc và các yêu cầu:

Cơ tính:

- Chịu tải trọng tĩnh và va đập cao mà không được biến dạng dẻo Cần giới hạn đàn hồi cao, với tỉ lệ giới hạn đàn hồi

và giới hạn bền gần tới 1, khoảng 0.85-0.95

-Lò xo chịu trọng lực của xe và người điều khiển Để

chống biến dạng dẻo, cần độ cứng khá cao, tuy nhiên không được cao quá vì lò xo sẽ khó bị nén

-Chịu va đập khi Độ dẻo, độ dai đủ để không xảy ra biến dạng dư trong quá trình làm việc, tuy nhiên không được thấp quá vì gây phá hủy giòn

-Chịu tải trọng thay đổi có chu kỳ Cần giới hạn bền mỏi cao hơn ứng suất làm việc, đảm bảo tuổi thọ sản phẩm lâu dài

Khác:

-Có độ chống ăn mòn nhất định do phải tiếp xúc với bùn đất, nước mưa, độ ẩm không khí Có thể cải thiện bằng biện pháp phun, phủ

-Chi tiết càng nặng càng tốn nhiêu liệu, yêu cầu nhẹ

-Giá thành rẻ, phù hợp với một chiếc xe máy dân dụng

2 Lập bảng yêu cầu cơ tính cho chi tiết

Formatted: No underline Commented [t3]: Các thông số này tính toán thế nào hoặc tham

khảo ở đâu phải nêu rõ

3 Hàm chỉ tiêu hiệu năng chi tiết lò xo

“ Vật liệu tốt nhất để làm lò xo (cùng năng lượng tích trữ mà thể

tích nhỏ nhất) phải có chỉ tiêu đàn hồi lớn nhất, xác định theo công thức:

𝐻𝑒 =𝜎𝑒

2 𝐸

”

• Vật liệu kỹ thuật

(GS.TS Nguyễn Khắc Xương chủ biên), page 583

𝐸: Mô đun đàn hồi

Như vậy , để có hàm chỉ tiêu theo khối lượng nhỏ nhất, ta lấy

hiệu năng càng cao:

𝐻1 =𝐻𝑒

𝜌 =

𝜎𝑒2 𝐸𝜌

𝜌: Khối lượng riêng [kg/𝑚3]

“ Trong phương trình xác định khối lượng, ta chỉ việc thay khối

liệu.”

• Vật liệu kỹ thuật

(GS.TS Nguyễn Khắc Xương chủ biên), page 581

Vậy hàm hiệu năng cực tiểu về giá:

𝐻2 = 𝜎𝑒

2

𝐸 𝐶𝑚 𝜌

𝐶𝑚: Đơn giá vật liệu [USD/kg]

4 Sử dụng CES lựa chọn vật liệu phù hợp

• Vật liệu làm lò xo với khối lượng cực tiểu

Hàm hiệu năng sử dụng:

𝐻1 = 𝜎𝑒

2

𝐸𝜌

• Vật liệu làm lò xo với giá thành rẻ

Hàm hiệu năng sử dụng:

𝐻2 = 𝜎𝑒

2

𝐸 𝐶𝑚 𝜌

-Có 112 vật liệu đạt được hàm hiệu năng cao

để làm lò xo với tiêu chí: nhẹ

-Trong đó có các loại: thép cacbon, thép hợp kim thấp, thép không gỉ, các loại hợp kim nhôm, titan, nickel

• Vật liệu làm lò xo đảm bảo về mặt cơ tính

Chọn bước Limit Stage với thông số như sau:

-Có 36 loại vật liệu thỏa mãn tiêu chí giá thành rẻ nhất

-Phần lớn trong đó là thép hợp kim thấp và chỉ có duy nhất 1 mác thép cacbon thấp là AISI 1340

-Chọn độ cứng lớn nhất của lò xo vào 4400 Mpa, tương đương 45-46 HRC vì nếu lớn hơn có thể sẽ khiến lò xo khó biến dạng đàn hồi

-Mô đun đàn hồi chọn 213 GPa đem lại cho kết cấu lò xo khả năng cứng vững lớn, chống lại biến dạng dư

Kết quả:

-Có 86 loại vật liệu thỏa mãn tiêu chí cơ học đề ra

-Gồm các loại thép cacbon thấp, hợp kim thấp, hợp kim đúc

5 Lựa chọn 3-5 loại vật liệu thích hợp nhất.

Tổng hợp 3 bước chọn lọc ở trên, ta được:

Kết quả:

-5 mác thép phù hợp nhất: AISI 4340, AISI 5130, AISI

5140, AISI 8650, AISI 9255

6 Lựa chọn 1 loại vật liệu thích hợp nhất

• So sánh:

- Từ bảng so sánh trên,mác thép phù hợp nhất để làm vật

liệu lò xo là: AISI 9255, vì:

AISI 4340

Tôi dầu, Ram

315 độ C

AISI 5130 Tôi dầu, Ram

205 độ C

AISI 5140 Tôi dầu, Ram

205 độ C

AISI 8650 Tôi dầu, Ram

315 độ C

AISI 9255 Tôi dầu, Ram 425

độ C Thành

phần

C:

0.38-0.43%

Cr: 0.7-0.9%

Mn: 0.6-0.8%

Si:

0.15-0.35%

Mo: 0.2-0.3%

<0.35%P

<0.4%S

C: 0.28-0.33%

Cr: 0.8-1.1%

Mn: 0.7-0.9%

Si: 0.15-0.3%

<0.35%P

<0.4%S

C: 0.38-0.43%

Cr: 0.7-0.9%

Mn: 0.7-0.9%

Si: 0.15-0.35%

<0.35%P

<0.4%S

C: 0.48-0.53%

Cr: 0.4-0.6%

Ni: 0.4 0.7%

Mn: 0.75-1%

Si: 0.15-0.3%

Mo: 0.15-0.25%

<0.35%P

<0.4%S

C: 0.51 -0.59% Mn: 0.7 -0.95% Si: 1.8 – 2.2%

<0.35%P

<0.4%S

Giới hạn

đàn hồi

1425 -1750 1365 -1670 1475 -1805 1395 -1705 1340 -1640

Giới hạn

bền nén

1425 -1750 1365 -1670 1475 -1805 1395 -1705 1340 -1640

Độ cứng 45 - 52 44 - 52 45 - 52 45 - 52 44 - 52

Mô đun

đàn hồi

205 -213 201 -217 209 -217 206 - 216 206 - 216

Giới hạn

mỏi

581 – 693 556 - 641 597-690 581 - 671 553 - 640

Độ dai va

đập

25 -52 27 - 50 24 - 48 27 - 52 27 - 52

• AISI 9255 vẫn đảm bảo được các cơ tính tương đương

so với các mác thép trên, trong khi sử dụng các nguyên

tố hợp kim rẻ hơn cũng như tổng hàm lượng hợp kim

cũng thấp hơn, mang tính kinh tế cao nhất trong 5 loại

-Tác dụng của từng nguyên tố hợp kim trong AISI 9255:

• C: Nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yêu đến tổ

chức và tính chất của thép Với hàm lượng trên, thép đạt cơ

tính tổng hợp: độ cứng, độ dẻo và dai đều khá cao, giới hạn

đàn hồi đạt cao nhất

• Mn: Công dụng chính làm tăng độ thấm tôi, khiến quá trình

tôi có thể thực hiện trong môi trường làm nguội chậm hơn,

tránh biến dạng do làm nguội nhanh, mà vẫn đạt hiệu quả

hóa bền nhiệt luyện

• Si: Tăng độ cứng, độ bền, đặc biệt tăng mạnh giới hạn đàn hồi

của thép Nhưng cần lưu ý thoát cacbon khi nhiệt luyện

7 Công nghệ chế tạo và quy trình nhiệt luyện Formatted: No underline

Formatted: Indent: Left: 0 cm

• Quy trình công nghệ:

Phôi cuộn

ở trạng thái ủ

Nắn thẳng

và cắt phôi

Nung nóng

Quấn nóng tạo hình

lò xo

Tôi trong dầu Ram

Nén lò xo

• Quá trình nhiệt luyện sơ bộ:

Nhằm ổn định cơ tính để dễ dàng vận chuyển, gia công chế

tạo Với mác AISI 9255 ta ủ hoàn toàn, để nguội cùng lò, mục

đích giảm độ cứng, tăng độ mềm dẻo để dễ dàng nắn thẳng,

cắt gọt

-Ủ hoàn toàn: Ac 3 + (20÷30) oC = 796 + (20÷30) oC = 816 ÷ 826

oCđộ C

• Quá trình nhiệt luyện kết thúc:

Sau tạo hình, chi tiết sẽ được tiến hành nhiệt luyện tôi +

ram trung bình, khi đó tổ chức nhận được là troxtit ram Độ

cứng khá, độ dẻo và dai tốt và đặc biệt có giới hạn đàn hồi

cao Tôi dầu để tránh ứng suất nhiệt làm biến dạng kết cấu lò

xo

-Tôi dầu: Ac 3 + (30÷50) oC = 796 + (30÷50) oC = 826 ÷ 846 oCđộ

C

-Ram trung bình : 425 oCđộ C

Formatted: Subscript Formatted: Superscript

Formatted: Subscript

8 So sánh cơ tính và chỉ tiêu hiệu năng sau khi

áp dụng các công nghệ nhiệt luyện

• Về cơ tính:

Trạng thái ủ:

Sau nhiệt luyện kết thúc:

So sánh:

Cơ tính AISI 9255 Trạng thái ủ Sau nhiệt luyện Giới hạn đàn hồi

Giới hạn bền nén

Độ cứng

Mô đun đàn hồi

Giới hạn mỏi

Độ dai va đập

Giới hạn bền nén và giới hạn chảy tăng lên khoảng 3 lần

• Về chỉ tiêu hiệu năng:

Hàm hiệu năng sử dụng:

𝐻𝑒 = 𝜎𝑒

2

𝐸

So sánh trước và sau nhiệt luyện:

𝐻𝑒2

𝐻𝑒1 =

𝜎𝑒22

𝐸2

𝜎𝑒12

𝐸1

=

13402

216 000

4352

216000

≈ 9.5 [𝑙ầ𝑛]

 Sau nhiệt luyện chỉ tiêu hiệu năng tăng 9.5 lần

9 Kết luận

Việc tính toán và tối ưu hóa lựa chọn vật liệu phù hợp với điều kiện thực tế hoàn toàn có thể thực hiện được nhờ sự trợ giúp của một số phần mềm

Sử dụng chương trình CES có khả năng giúp cho việc lựa chọn, tính toán giảm bớt thời gian cũng như tối ưu hóa các chỉ tiêu về kinh tế thuận lợi nhất

Trong trường hợp để chế tạo một chiếc lò xo xe máy, phân tích điều kiện làm việc thực tế và sử dụng CES, giúp ta lựa chọn được vật liệu lò xo phù hợp nhất là mác thép AISI

9255

AiSI AISI 9255 với chế độ nhiệt luyện thích hợp: tôi dầu + ram 425 oCđộ C có hệ số an toàn là 1.5, khá nhẹ và giá thành hợp lý, là lựa chọn tốt nhất cho vật liệu lò xo giảm xóc xe máy Với các lớp phun phủ chống ăn mòn thích hợp, tuổi thọ của chi tiết có thể lên tới 15 năm hoặc hơn