Tính toán kiểm tra khung xe, cầu trước, cầu sau khi xe chở quá tải đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

ZT, ZS phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh trước và bánh sau xe N Znt : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu trước phía trước bánh xe N... Z’nt: Phản lực thẳng

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn 1

Mục lục 2

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu 4

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình 7

Chương 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 10

1.2 Tóm tắt 10

1.3 Giới hạn vấn đề 11

Chương 2: XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÁC CẦU KHI XE CHỞ QUÁ TẢI 80% 19

2.1 Xác định tọa độ trọng tâm xe khi xe không tải 19

2.2 Sự phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau khi xe quá tải 80% 20

2.2.1 Trường hợp xe ở trạng thái tĩnh 20

2.2.2 Trường hợp xe phanh với lực phanh cực đại 21

2.2.3 Trường hợp xe đang truyền lực kéo cực đại 21

Chương 3: TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHUNG XE KHI XE QUÁ TẢI 80%

23

3.1 Tính toán nội lực trong dầm dọc 23

3.1.1 Tính phản lực của các điểm đặt nhíp lên dầm dọc 23

3.1.2 Xác định nội lực trong dầm dọc 27

3.2 Kiểm tra dầm 32

3.2.1 Môđun chống uốn 32

3.2.2 Ứng suất uốn của dầm dọc 35

3.2.3 Biểu đồ nội lực 37

3.2.4 Điều kiện bền 39

Chương 4: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA BỀN CẦU TRƯỚC KHI CHỞ QUÁ TẢI 41

4.1 Giới thiệu 41

4.2 Phân tích và tính toán các lực và momen tác động lên cầu trước 43

4.2.1 Sơ đồ các lực tác động lên cầu trước 43

4.2.2 Tính toán momen uốn 44

4.3 Tính toán ứng suất uốn – Kiểm tra bền 49

4.4 Tính toán – kiểm tra momen xoắn 53

4.5 Hệ số an toàn trong các trường hợp đã tính toán 55

Chương 5: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA BỀN CẦU SAU KHI CHỞ QUÁ TẢI 56

5.1 Giới thiệu 56

5.2 Phân tích và tính toán các lực, momen tác động lên cầu sau 58

5.2.1 Sơ đồ các lực tác động lên cầu trước 58

5.2.2 Tính momen uốn 59

5.3 Tính toán ứng suất uốn – kiểm tra bền 64

5.3.1 Xác định momen chống uốn 64

5.3.2 Tính toán ứng suất uốn và so sánh 65

5.4 Tính toán – kiểm tra momen xoắn 67

5.5 Hệ số an toàn trong các trường hợp đã tính toán 70

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ71 6.1 Kết luận 71

6.2 Đề nghị 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

b là chiều rộng của dầm (m)

B là chiều rộng cơ sở của xe (m)

d là chiều cao dầm (m)

Gn trọng lượng tối đa của người trên xe (N)

Ghh là trọng lượng hàng hóa khi quá tải 80% (N)

hg là tọa độ trọng tâm xe theo chiều cao (m)

Ix là momen quán tính của mặt cắt ngang đối với trục trung hòa x (m4)

Gxe là trọng lượng xe khi xe không tải (N)

GTp, GTk tải trọng phân bố lên cầu sau xe khi phanh và khi truyền lực kéo (N)

GSp, GSk tải trọng phân bố lên cầu sau xe khi phanh và khi truyền lực kéo (N)

GTmax, GSmax tải trọng phân bố lên cầu sau xe khi phanh và khi truyền lực kéo (N)

GT, GS Trọng lượng phân bố lên cầu trước và cầu sau của xe (N)

Jτ hằng số mômen xoắn

Kđ là hệ số thay đổi tải trọng

lct, lcs là khoảng cách từ điểm đặt nhíp đến giữa bánh trước và bánh sau (N)

lt, ls là chiều dài phần đầu và phần sau của dầm (m)

L là chiều dài cơ sở của xe (m)

Me mômen xoắn từ động cơ (Nm)

M, m là mômen uốn (Nm)

n là hệ số an toàn (hệ số dự trữ bền)

m2p, m2p hệ số thay đổi tải trọng tác dụng lên cầu sau khi xe phanh/truyền lực kéo

Qy là lực cắt (N)

qt : lực phân bố đều lên 1 bên dầm dọc phần đầu xe khi xe quá tải 80% (N/m)

qs: lực phân bố đều lên 1 bên dầm dọc ở phần còn lại của xe khi xe quá tải 80% (N/m) S1, S2: Các lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu (N)

Y1, Y2: Phản lực ngang tác dụng lên bánh xe trái và phải (N)

Y1’, Y2’: Là các lực ngang tác dụng giữa nhíp và cầu (N)

y là khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm ngoài cùng của mặt cắt ngang (m)

Z1, Z2: Phản lực thẳng đứng tác dụng lên cầu sau (N)

ZT, ZS phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh trước và bánh sau xe (N) Znt : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu trước phía trước bánh xe (N)

Z’nt: Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu trước phía sau bánh xe (N) Zns : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu sau phía trước bánh xe (N) Z’ns : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu sau phía sau bánh xe (N)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật xe hd120s thùng mui bạt 13

Bảng 2.1: Giá trị của Gt, Gs khi xe quá tải 80% trong 3 trường hợp 20

Bảng 3.1: Giá trị lực cắt Qy, mômen uốn Mx và ứng suất uốn 𝛔u tại các điểm đặc biệt 37

Bảng 5.1: Thông số chi tiết cầu sau R145hs 56

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Thông số các kích thước cơ bản của xe HD120s 16

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của xe 17

Hình 1.3: Hình ảnh thực tế của xe 17

Hình 2.1: Tọa độ trọng tâm xe 19

Hình 2.2: Sơ đồ phân bố tải trọng trên xe khi quá tải 80% 22

Hình 3.1: Tính phản lực của các điểm đặt nhíp lên dầm dọc 23

Hình 3.2: Sơ đồ phân bố các phản lực của các điểm đặt nhíp 24

Hình 3.3: Sơ đồ lực phân bố trên đầu dầm 25

Hình 3.4: Sơ đồ lực phân bố trên sau dầm 26

Hình 3.5: Nội lực trong đoạn AB 28

Hình 3.6: Nội lực trong đoạn BC 28

Hình 3.7: Nội lực trong đoạn CD 29

Hình 3.8: Nội lực trong đoạn DE 30

Hình 3.9: Nội lực trong đoạn EF 31

Hình 3.10: Nội lực trong đoạn FG 32

Hình 3.11: Mặt cắt ngang của dầm 33

Hình 3.12: Hình cho thấy độ biến thiên của chiều cao dầm 34

Hình 3.13: Ảnh hưởng của ứng suất uốn lên dầm dọc 36

Hình 3.14: Tác dụng của mômen uốn lên dầm 36

Hình 4.1: Cầu trước 41

Hình 4.2: Vị trí đặt nhíp cầu trước 42

Hình 4.3: Gân chịu lực ở giữa cầu 42

Hình 4.4: Sơ đồ các lực tác dụng lên cầu trước dẫn hướng bị động 43

Hình 4.5: Biểu đồ mômen trong mặt phẳng thẳng đứng 45

Hình 4.6: Biểu đồ mômen trong mặt phẳng nằm ngang 45

Hình 4.7: Biểu đồ mômen lực khi xe bị trượt 48

Hình 4.8 Biểu đồ momen lực khi chịu tải trọng động 49

Hình 4.9: Vị trí các thiết diện nguy hiểm 50

Hình 4.10: Mặt cắt ngang của dầm trước 50

Hình 4.11: Tiết diện tại (6) 52

Hình 4.12: Thiết diện tại (4) 54

Hình 5.1: Cầu sau 57

Hình 5.2: Vỏ cầu sau và bán trục giảm tải hoàn toàn 57

Hình 5.3: Sơ đồ lực tác dụng lên vỏ cầu sau 58

Hình 5.4: Biểu đồ mômen lực Z khi xe truyền lực kéo 59

Hình 5.5: Biểu đồ mômen lực X khi xe truyền lực kéo 60

Hình 5.6: Biểu đồ mômen lực Z khi xe đang phanh 60

Hình 5.7: Biểu đồ mômen lực X khi xe đang phanh 61

Hình 5.8: Biểu đồ mômen lực khi xe bị trượt 63

Hình 5.9: Biểu đồ momen lực của tải trọng động 64

Hình 5.10: Mặt cắt tiết diện tại A và C 65

Hình 5.11: Cầu sau nhìn từ trên 68

Hình 5.12: Mặt cắt đũa côn cụm moayơ cầu sau 69

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, hội nhập kinh tế quốc tế thì vai trò, vị trí của ngành giao thông vận tải ngày càng quan trọng Nhu cầu vận chuyển và lượng hàng hóa ngày càng tăng khiến cho các doanh nghiệp chỉ vì mục đích lợi nhuận mà

có thể bất chấp các quy định, cố tình cho xe quá tải trọng cho phép dẫn đến tình trạng hạ tầng giao thông, cầu đường bộ nhanh chóng xuống cấp, an toàn giao thông thì không bảo đảm được, dư luận xã hội ngày càng bức xúc…

Là một kỹ sư ô tô, chúng em có thể nhận thấy được những hệ quả khôn lường của tình trạng quá tải ảnh hưởng đến xe là vô cùng nặng nề, đó là vấn đề về khả năng chịu tải trọng của các chi tiết trên xe, hiệu quả phanh, vấn đề về công suất động cơ, tính năng động học… vốn dĩ chỉ được thiết kế cho một giới hạn tải trọng nhất định, nay phải gồng mình gánh chịu tình trạng quá sức chịu đựng từ gấp rưỡi cho đến gấp 2, 3 lần khả năng

mà chúng được thiết kế

Chính vì những vấn đề vô cùng nhức nhối và cấp thiết ấy, nhóm chúng em đã lựa chọn thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp liên quan đến việc tính toán kiểm tra các chi tiết trên xe khi xe chở quá tải Qua đó có một cái nhìn chi tiết và chính xác hơn, là cơ sở để đưa ra quyết định nên hay không trong việc quá tải đến giới hạn bao nhiêu, hay là cơ sở cho phương án cải tiến, nâng cấp xe…

1.2 Tóm tắt

Đối tượng nghiên cứu là xe Hyunhdai HD120S được giả thiết chở quá tải 80% Dựa trên các số liệu của nhà sản xuất và đo đạc thực tế, khung xe - cụ thể là xà dọc, cầu trước và cầu sau sẽ được phân tích và tính toán để xác định độ bền, từ đó đánh

Dựa trên các kiến thức, phương pháp luận đã học về sức bền vật liệu và thiết kế ô

tô cũng như sử dụng phần mềm MD SOLIDS 4.0 để kiểm chứng lại, chúng em đã phân tích ảnh hưởng của các tải trọng (tải phân bố, tải tập trung), các phản lực tác dụng lên các chi tiết được xét trong các trường hợp để tính toán momen uốn, xoắn Kết hợp với giá trị momen chống uốn, chống xoắn xác định trên cơ sở tiết diện cho sẵn mà từ đó xác định được ứng suất uốn, xoắn trong các tiết diện nguy hiểm của chi tiết Sau đó, các giá trị này được so sánh với giới hạn bền của vật liệu chế tạo (thép) để kiểm tra độ bền

Trong tính toán, chúng em có sử dụng nhiều giả thiết nhằm đơn giản hóa bài toán đặt ra nhưng không ảnh hưởng nhiều đến kết quả, sẽ được trình bài chi tiết trong phần tính toán

Kết quả đạt được: dầm dọc, cầu trước và cầu sau đều đủ khả năng chịu tải trọng khi xe chở quá tải 80%

1.3 Giới hạn vấn đề

Trong giới hạn về thời gian cũng như quy mô của đề tài, nhóm chúng em xin được giới hạn phạm đề tài nghiên cứu cho xe tải HD120S của Hyunhdai khi xe quá tải 80%, nội dung phân tích bao gồm:

+ Xác định tải trọng tác dụng lên các cầu xe

+ Tính toán kiểm tra khung xe khi xe chở quá tải (chỉ giới hạn tính toán và kiểm tra 2 dầm dọc)

+ Tính toán kiểm tra cầu trước khi xe chở quá tải

+ Tính toán kiểm tra cầu sau khi xe chở quá tải

Các đề tài tương tự cũng đã được thực hiện ở trong và ngoài nước, như phân đánh giá ảnh hưởng của tải trọng quá tải đến các chi tiết, hệ thống trên xe Từ đó đưa ra phương pháp cải tiến, chế tạo Hay những nghiên cứu sâu hơn khi phân tích ảnh hưởng của các thông số như Min Jang, Lijun Li (2015) đã phân tích ứng suất và độ bền mỏi của dầm cầu

trước bằng phương pháp thực nghiệm, đồng thời kiểm tra ảnh hưởng của các thông số như chiều dài và độ sâu của vết nứt đến độ bền mỏi Topac (2008) cũng dùng phương pháp đó nghiên cứu cho vỏ cầu sau của xe tải nặng, từ đó đưa ra đề xuất thiết kế bộ phận

cơ khí chống đỡ v.v

Ở cấp độ thuộc một đề tài đồ án tốt nghiệp, nhóm chúng em còn hạn chế trong vấn

đề tìm kiếm các cơ sở dữ liệu và thời gian cần thiết cũng như phương pháp cho việc tính toán chính xác và thực tế hơn Vì thế, trong các nhiệm vụ tính toán của đề tài được giao, nhóm chúng em chỉ cố gắng hoàn thành tốt nhất có thể phần nhiệm vụ được giao, phù hợp với kiến thức, chuyên môn theo chương trình đào tạo Còn những vấn đề đòi hỏi thực tế

và nghiên cứu sâu hơn, chúng em xin phép được phép giới hạn lại, dành phần cho những

đề tài khác cũng như những cấp độ phù hợp hơn

Chúng em xin trân trọng cảm ơn!

Bảng 1.1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT XE HD120S THÙNG MUI BẠT

Thông số chung:

Loại động cơ: 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, phun nhiên

liệu trực tiếp, làm mát bằng nước, tăng

Mômen xoắn cực đại: 373/1800 Nm/rpm Kiểu hộp số: M035S5, cơ khí, 5 số tiến + 1 số lùi

Hệ thống treo: Phụ thuộc, nhíp lá, giảm chấn thủy lực

Kiểu hệ thống lái: Trục vít – ê cu bi/Cơ khí có trợ lực

i3 = 1.700 i4 = 1.000 i5 = 0.722

Hình 1.1: Thông số các kích thước cơ bản của xe HD120s

HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA XE HD120S:

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của xe

PHẦN KHUNG XE:

Hình 1.3: Hình ảnh thực tế của xe

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÁC CẦU

KHI XE CHỞ QUÁ TẢI 80%

2.1 Xác định tọa độ trọng tâm xe khi xe không tải

Giả thiết xe chuyển động trên đường thẳng, mặt đường không nghiêng

Hình 2.1: Tọa độ trọng tâm xe

Trong đó:

+ Gxe là trọng lượng xe khi xe không tải G  xe 3425 Kg 34250 N + ZT, ZS phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh trước và bánh sau Ta giả thiết ZT, ZS bằng với trọng lượng phân bố lên cầu trước GT và cầu sau

Z

G

b4035 –a4, 035 –1,938 2, 097 ( ) m

2.2 Sự phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau khi xe quá tải 80%

Hình 2.2: Sơ đồ phân bố tải trọng trên xe khi quá tải 80%

Trong đó:

+ Gxe là trọng lượng xe khi xe không tải G  xe 3425 Kg 34250 N

+ Gn trọng lượng tối đa của người G n 195 kg1950 ( )N + Ghh là trọng lượng hàng hóa khi quá tải 80%:

2.2.2 Trường hợp xe phanh với lực phanh cực đại

- Tải trọng phân bố lên cầu sau:

2.2.3 Trường hợp xe đang truyền lực kéo cực đại:

- Tải trọng phân bố lên cầu sau:

2 134576,579.1, 2 161491,895 ( )

Sk S k

Trong đó: m2k hệ số thay đổi trọng lượng tác dụng lên cầu sau khi xe đang truyền lực kéo Đối với xe tải, m2k 1,1 1, 2 , chọn m2k 1, 2

- Tải trọng phân bố lên cầu trước:

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHUNG XE KHI XE QUÁ TẢI 80%

- Trong các giá trị tải trọng GT, GS đã tính toán ở phần trước, ta cần chọn ra giá trị lớn nhất để tính sức bền cho dầm dọc vì tính an toàn

Tmax Tp 52352, 249 ( ),

- Để đơn giản trong việc tính toán, ta giả sử phần tải trọng tác dụng lên xe ở cầu trước và cầu sau phân bố đều trên phần đầu và phần sau xe cũng như phân bố đều cho 2 bên dầm dọc Như vậy, trong tính toán và kiểm tra dầm xe, ta chỉ tính toán và kiểm tra ở 1 bên dầm, phần còn lại kết quả như nhau Phần tính toán bên dưới ta chọn tính cho dầm cầu bên phải

3.1 Tính toán nội lực trong dầm dọc

3.1.1 Tính phản lực của các điểm đặt nhíp lên dầm dọc:

Hình 3.1: Hình thể hiện sự phân bố các phản lực của những điểm đặt nhíp lên dầm

xe

Trong đó:

Znt : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu trước phía trước bánh xe Z’nt: Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu trước phía sau bánh xe Zns : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu sau phía trước bánh xe Z’ns : Phản lực thẳng đứng tác dụng từ nhíp lên dầm cầu sau phía sau bánh xe

Hình 3.2: Sơ đồ phân bố các phản lực của các điểm đặt nhíp

+ lt là chiều dài phần đầu của dầm

+ ls là chiều dài phần sau dầm

+ L là chiều dài của xe

- Tính toán giá trị của Z nt và Z’ nt :

Hình 3.3: Sơ đồ lực phân bố trên đầu dầm

- Tính toán giá trị của Z ns và Z’ ns:

Hình 3.4: Sơ đồ lực phân bố trên sau dầm

- Do chỉ tồn tại tải trọng ngang (tải trọng xe tác dụng theo chiều vuông góc với dầm dọc), nên trong dầm chỉ có lực cắt Qy và mômen uốn Mx , lực dọc Nz bằng không

- Chọn chiều dương của Qy và Mx như trên hình vẽ theo như quy ước về dấu như sau:

+ Qy dương khi có xu hướng đi quanh phần đang xét theo chiều kim đồng

hồ

+ Mx dương khi làm thanh cong thêm đối với thanh cong, hoặc làm giãn phía dưới của thanh, làm co phía trên của thanh nằm ngang

- Xét đoạn AB: 0 l i l1

Hình 3.5: Nội lực trong đoạn AB

Trong đoạn AB có tải trọng qt phân bố đều (hằng số) và hướng xuống ⟹ lực cắt

Hình 3.6: Nội lực trong đoạn BC

Trong đoạn AB có tải trọng qt phân bố đều (hằng số) và hướng xuống ⟹ lực cắt

Hình 3.7: Nội lực trong đoạn CD

Trong đoạn AB có tải trọng qt phân bố đều (hằng số) và hướng xuống ⟹ lực cắt

Qy là đường bật nhất ⟹ Mx bật hai

0

Y 



Hình 3.8: Nội lực trong đoạn DE

Trong đoạn AB có tải trọng qt phân bố đều (hằng số) và hướng xuống ⟹ lực cắt

Hình 3.9: Nội lực trong đoạn EF

Trong đoạn AB có tải trọng qt phân bố đều (hằng số) và hướng xuống ⟹ lực cắt

- Xét đoạn FG: 0 l i l6:

Hình 3.10: Nội lực trong đoạn FG

Trong đoạn AB có tải trọng qt phân bố đều (hằng số) và hướng xuống ⟹ lực cắt

Hình 3.12: Hình cho thấy độ biến thiên của chiều cao dầm

- Tính mô đun chống uốn:

x

I y

+ Wx : được gọi là mômen chống uốn của dầm Do tiết diện đối xứng qua trục

trung hòa x nên:

/ 2

x x

I W d

x x

m m m m

3.2.2 Ứng suất uốn của dầm dọc:

Mômen Mx gây ra ứng suất

W

x x

M

 trên các cạnh song song với trục x:

W

x u

x

M

  (N/cm2)

Hình 3.13: Ảnh hưởng của ứng suất uốn lên dầm dọc

Hình 3.14: Tác dụng của mômen uốn lên dầm

BẢNG 3.1: GIÁ TRỊ LỰC CẮT Q Y , MÔMEN UỐN M X VÀ ỨNG SUẤT UỐN 𝛔 u

TẠI CÁC ĐIỂM ĐẶC BIỆT:

3.2.4 Điều kiện bền:

Đối với dầm dài (chiều dài của dầm lớn hơn từ 10 lần kích thước chiều ngang) thì ảnh hưởng của lực cắt đến độ bền của dầm không đáng kể so với ảnh hưởng của mômen uốn, do đó ta chỉ cần kiểm tra trạng thái của ứng suất đơn, tức kiểm tra bền theo thuyết bền 1: thuyết bền ứng suất pháp lớn nhất

Khi trục x đối xứng: σmax, σmin bằng nhau, và vì dầm dọc là vật liệu dẻo nên

      n   k   , điều kiện bền có dạng đơn giản là:

 

max min W

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA BỀN CỦA TẢI TRỌNG

TÁC ĐỘNG LÊN CẦU TRƯỚC

4.1 Giới thiệu:

Cầu trước (Hình 4.1) được thiết kế để truyền trọng lượng của ô tô từ lò xo đến bánh trước, rẽ phải hoặc sang trái theo yêu cầu Ở hình 4.1, cầu trước bao gồm dầm

ngang, đũa côn, trục cam quay, thanh ôn định dưới Cầu trước thường là cầu bị động, nhất

là đối với các loại xe tải vận chuyển hàng hóa

Hình 4.1

Cầu trước thường có thiệt diện hình chứ I hoặc chữ H và được làm từ thép chịu bền cao vì cầu trước đồng thời chịu momen uốn và xoắn Trong điều kiện tĩnh, cầu trước có thể được xem như là một thanh dầm chịu lực dọc hướng lên tại vị trí nối với giữa các bánh xe và và chịu tải trọng từ trên xuống ngay giữa các má nhíp