(Luận án) Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam

- Xây dựng được phương pháp đánh giá độ bền và đề xuất cải thiện kết cấu nhằm n ng caođộbền của chi tiết, làm cơ sở khoa học để xây dựng các mô hình đánh giá độ bền của các sảnphẩm thiết

Công trình được hoàn thành tại:TrườngĐạihọcBáchkhoaHàNội

vào hồi…… giờ,ngày… tháng … năm………

Cóthểtìmhiểuluậnántạithưviện:

1 ThưviệnTạQuangBửu-TrườngĐHBKHàNội

2 ThưviệnQuốcgiaViệtNam

MỞĐẦU

Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm chi tiết trên ô tô tại Việt Nam, cần phảicóđầu tư đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu thiết kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệthốngtruyềnlực,nhằm pháttriểnsản phẩmcóchấtlượngcao

Cầu chủ động là một trong những cụm chi tiết quan trọng của hệ thống truyền lực trên ô tô,cónhiệmvụchứtấtcảcácộphậntruyềnlựcnncầncóđộbềnvàđộcứngvữngco.Trongđiều kiện c

n nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, tr ng thiếtị thí nghiệm như hiện n ythìphươngphápđánhgiáphh ợ p nhấtchocácnhàkhoh ọ c ViệtNmlàđánhgiáđộbềnằ n g lt

yự n g phươngphápđánhgiáđộề n vỏcầuôtôtảiằ n g tínhtoánlt h u y ế t ; khảosátđộbền

và đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu vỏ cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắpráptạiViệt Nam

Đốitượngnghiêncứu:

Đối tượng nghi n cứu củl u ậ n á n đ ư ợ c l ự a c h ọ n l à v ỏ c ầ u c h ủ đ ộ n g ô

t ô t ả i D o n g F e n g D V 2.5,tải trọng2.45 tấn sảnxuất, lắp ráp tại Việt Nam

Phạmvi nghiêncứu:

Đánhgiáđộềntĩnhvàềnmỏivỏcầuôtôtảinhỏtảitrọng2,45tấns ả n xuất,lắpráptạiViệt N mtrong các điều kiện sử dụng cụ thể, bao gồm chuyển động đặc trưng tr n đường với4 trườnghợp nặng nhọc nhất và chuyển động tr n đường thực với mấp mô ngẫu nhi nt h

o tiêuchuẩnISO)

Nội dung và bố cụccủaluận án:

Nộidungnghiêncứucủaluậnángồm4phầnchính:phần1:Tổngquan;phần2:Xâydựngmôhìnhtínhtoánvàđánhgiáđộềnvỏcầuchủđộngôtôtải;phần3:Khảosátđánhgiáđộ

ềnvỏcầu;phần4:Thínghiệmxácđịnhtảitrọngtácđộngl nvỏcầu.Ngoàirc

n cóphầnkếtluậnvàtàiliệuthamkhảo.Toànbộnộiu n g đượctrìnhà y trong136trng,trongđócó23 bảng, 134 hình và đồ thị, 78 tài liệu tham khảo Phần lớn kết quả của luận án đã đượccôngbốvới5à i á o đăngtrongcáctạpchítrongnước vàhội nghịquốctế

Ýnghĩakhoa họccủa luậnán:

- Xâydựngphươngpháp xácđịnhtảitrọngđộngtácđộnglênvỏcầubằngmôhình,làmcơsởchov i ệ c l ự a c h ọ n h ợ p l ý c á c t h ô n g s ố k ế t c ấ u k h i t í n h t o á n c ầ

u c h ủ đ ộ n g t r o n g h ệ t h ố n g truyềnlựctại Việt Nam

- Xây dựng được phương pháp đánh giá độ bền và đề xuất cải thiện kết cấu nhằm n ng caođộbền của chi tiết, làm cơ sở khoa học để xây dựng các mô hình đánh giá độ bền của các sảnphẩm thiết kế, chế tạo trong nước,góp phần hoàn thiện qui trình thiết kế các chi tiết, cụm chitiết trongcầu chủ độngnóiriêngvàhệthốngtruyền lựcnói chung

- Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất ô tô tải tạiViệtNam trong quá trình nghiên cứu phát triển thiết kế mới cũng như đánh giá độ bền củacác chitiếtcủaô tô tải cùngloại

CHƯƠNG1 TỔNGQUAN

1.1 Ngànhcông nghiệpô tôViệtNamvàsựphát triển củalĩnhvựcsảnxuất ôtô

tảiTrongbốicảnhchungcủangànhcôngnghiệpôtôViệtNamsau hơn20nămxydựngvà

pháttriểnvẫnđangsởhữumộtngànhcôngnghiệpôtôquymônhỏvớicôngnghệlạchậu.Đểcó thểtiếntới tựsảnxuất hoàn chỉnhcáccụm và cáchệthốngchoôtô, thì cần phải cóđầu

tư chiều s u, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chấtlượngcao

1.2Vỏcầc h ủ đ ộ n g t t ả i

iộ phậncủacầuchủđộngthựchiệnmộtchứcnăngriêng,trongđóvỏcầuchủđộnglàhộpchứa toànộ các chi tiết trong cụmc ầ u c h ủ đ ộ n g V ỏ c ầ u c n t h ự c h i ệ n

c ủ a dầmđt o à n ộ phầntrọnglượngphíasaucủaôtôvàchịucáctảitrọngtt ư ơ n g tácá n h xvớ

i đường Vì vậy, kết cấu của vỏ cầu phải đảmảo độề n v à đ ặ c i ệ t l à đ ộ c ứ n g

v ữ n g đ ể khôngảnhhưởngđếnđiềukiện làmviệccủacácộ p h ậ n ê n t r o n g

Đối với các loại ô tô tải nhỏ, loại vỏ cầu kiểu dầm liền r ng giữa được sử dụng phổiến docókếtcấuđơngiảnvàthuậntiệnchoquátrìnhả o dưngsửachữa.Hiệnnay,đốivớivỏcầuôtô tảigang cầu vẫn là loại vật liệu được sử dụng phổi ế n h ơ n c ả G a n g c ầ u c ó

n h i ề u c h ủ n g loại khác nhau với ứng suất giới hạn nằm trong khoảng 460 - 920 Pa vàgiới hạn chảy 310 -670P a G i ớ i h ạ n ề n m ỏ i c ủ a g a n g c ầ u t h ư ờ n g l ớ n

h ơ n 2 0 0 P a v à s ố c h u k g y m ỏ i n ằ m trongkhoảng106– 108

Vỏcầuphảichịutácdụngcủacáclựcvàmômntc á c á n h xc h ủ độngtruyềnlênc ngvớicác lực tương tác với hệ thống tr o Do ô tô tải thường xuyên phải hoạt động trên đườngxấunên dầm cầu phải chịu tải trọngđộngi ế n t h i ê n l i ê n t ụ c v ớ i iên độ lớn

1.3 Độbềnvỏcầuvàcácphươngphápđánhgiá

Để đánh giá độền vỏ cầu th o phương pháp truyền thống, người ta thường tính toánchoatrường hợp đặc trưng với các tải trọng cực đại C ng với sự phát triển của các phầnmềm

tínhtoánchuyêndụng,phươngpháptínhtoánvỏcầuằngPTHHđãtrởthànhcôngcụđắclựcchocácnhàthiết kế trongviệcđánhgiá độền vỏ cầu

Trong nghiên cứu phát triển, người ta thường đánh giá độ ền vỏ cầu ằng phương phápthựcnghiệm.Phươngphápnàyđihỏichiphílớnchothiếtịđovàmẫuvỏcầuđểthínghiệmcũngnhư thờigian thực hiện dàivà chiphí lớn

1.4 Các hướngnghincứuvềđộbềnvỏcầuchủđộng

1.4.1 Đánh giáđộbềnthotảitọng cựcđại

Đ y là phương pháp đánh giá được coi là truyền thống, độ ền của vỏ cầu được đánh giá thocácgiátrịtảitrọngcựcđạiđạtđượctrongcácđiềukiệnchuyểnđộngđặctrưng

1.4.2Đánhgiáđộ bềntong điều kiệntải tọngđộng

Phương pháp tínhền tĩnh trên đ y chỉ phhợp với ô tô chuyển động ở vận tốc thấp vàkhốilượng không lớn Khi ô tô chuyển động với vận tốc lớn thì quán tính của cácộ phận cókhốilượng lớn sẽ sinh ra các tải trọng động có ảnh hưởng đáng kể đến độề n p h á h ủ y

1.4.3.2 Ðánhgiákb e n móivócauchủkng

Để đánhgiá độền l uc ủ a c h i t i ế t c h ị u t ả i t r ọ n g l ặ p c ó c h u k , n g ư ờ i

t a t h ư ờ n g s ử d ụ n g đường cong mỏi đoằng thực nghiệmc n gọi là đường cong S –

N Các kết quả nghiên cứuthực nghiệm đã cho thấy, số chu ktải tác động tương ứng với giớihạn mỏi đối với th p vàgangthườngnằm trongkhoảngt1 06đến 108

1.5Cáccngtnhnghin cứutongnướcvàvấnđềnghincứucủaluậnán

Các công trình nghiên cứu chung về hệ thống truyền lực ô tô cũng c n khá khiêm tốn vàcáccôngtrìnhnghiêncứuvềđộềnmỏicũngkhôngnhiều.Việcđánhgiáđộề n củavỏcầulàrấtphức tạp Trong điều kiện thiếu thốn về cơ sở vật chất, trang thiếtị thí nghiệm nhưhiệnnaythìphươngphápđánhgiáphh ợ p nhấtchocácnhàkhoahọcViệtNamlàđánhgiáằ n g lt

ydựngphươngphápđánhgiáđộềnvỏcầuôtôtảiằ n g tínhtoánlt h u y ế t ; khảosátđộbền và

đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu vỏ cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tạiViệtNam

1.7.2Phươngphápnghin cứu

Luậnánsửdụngphươngphápnghiêncứulýthuyếtkếthợpvớithựcnghiệm

- Nghiêncứulýthuyết:Xâydựngmôhình3Dvỏcầuôtôtảivàkhảosátđánhgiáđộềnằng phầnm ề m p h n t í c h k ế t c ấ u c h u y ê n d ụ n g ; y dựng môh ì n h đ ộ n g

l ự c h ọ c c ủ a ô t ô phục vụ cho việc xác định tải trọng động tác dụng lên cầu chủ độngtrong các điều kiệnchuyển động đặc trưng; Khảo sát đánh giá độền vỏ cầuằng phần mềmchuyên dụng và đềxuấtmột số giải pháp cảithiện kết cấuvỏ cầu

- Nghiêncứuthựcnghiệm:thínghiệmkiểmchứngmôhìnhđộnglựchọcôtôằngcáchđocáclực tác động lên vỏ cầu chủ động khi chuyển động qua mấp mô với các thông số hìnhhọcđịnhtrước

1.7.3 Phạmvi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu, đánh giá độề n t ĩ n h v à ề n m ỏ i v ỏ c ầ u ô t ô t ả i

n h ẹ t ả i t r ọ n g 2 , 4 5 t ấ n trong các điều kiện chuyển động đặc trưng sau: Chuyểnđộng trên đường với các trường hợp:lựck o,lựcphanhvàlựcth ng đứng cực đại;Chuyểnđộngquamấpmôđ ơ n d ạ n g s i n ; Chuyểnđộngtrênđường vớimấp môngẫu nhiên

1.7.4 Nộidungnghiêncứu

Nộidungnghiên cứucủa luậnángồm:

Chương1.Tổngquan

Chương 2.y dựng mô hình tính toán và đánh giá độền vỏ cầu chủ động ô tô

tảiChương3.Khảo sátđánhgiá độ ềnvỏcầu

Chương4.Thínghiệmxácđịnhtảitrọngtácđộnglênvỏcầu

CHƯƠNG XY N G H NHTNHTNVĐ NHGIĐ Ộ Ề N

VỎCẦUCHỦĐỘNGXT Ả I 1Cácchếđộtải tọngvà phươngphápđánhgiá độbềnvỏ cầu

chủ độngvàcủa cáclựcF x2i trên án kínhá n h x r 2 (hình2.1c).

2.1.3.1 Phwơngpháptínhtoánvócautrênmôhình3D

2.1.3.2 Xáckịnhcáctảitrongtácdụnglênvócau

Cáclựcvàmôm

ntácđộnglênvỏcầuiếnthiênliêntụctrongquátrìnhchuyểnđộngcủaôtô.Đểxácđịnhlựcvàmômnnàycầnphảixydựngmôhìnhchuyểnđộngtổngquátcủaôtô và tính toán cho các điều kiện vậnhành thực tế Việc x y dựng mô hình chuyển động tổngquátcủaôtô đượcmô tảchitiếttrongmục 2.2

Đốivới vậtliệuằ n g gang : S '  0,4S ([55])

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm 55, 56, 59, 61, 66 cho thấy, đối với gang và th p,

sốchukt ả i tươngứngvới giátrịS’ e trênđồthịS-Nthườngnằmtrongkhoảng106–108

ogiớihạnchảyvàtiêuchuẩnGrr u ậ n ánsửdụngphầnmềmHyprorksđểtínhtoán,ứngsuất gymỏie đượcxácđịnhthotiêu chuẩnGoodman:

a

m1

e S u n

Cácgiátrịứngsuấta ,m đƣợclấytk ế t q u ả tính toán thotải trọngđộng.Giới hạnềncủa

S u đƣợcchọnthovậtliệuvàhệsốantoànnđƣợcchọnthoyêucầuthiết kế61.

2.2 hnhtínhtoánbềnvỏcầuchủđộngbngphầnmềmHpWokHyperWorks13.0làph

iênbảnmớitrongbộphầnmềmCAEcủacôngtyAltair(Mỹ).Trongluậnánsửdụng3modulưuviệtcủaHyperWorks13.0trongviệctínhtoánphntíchđộbền

củavỏcầu:Hyprs h c h i a lướicấutrúc),OptiStruct(các giảipháptốiưu,cácbàitoántĩnh

vàđộng)vàSolidThinking(tốiưuhóakếtcấu).CácbướcxáclậpmôhìnhtínhtoánbềnmộtchitiếttrongHyperWorksvềcơ bảncũngnhưcác phầnmềmCAE khác

kếthợpv ới đi ều c h ỉ n h lư ới bằng tay P

h ầ n tử được chọn là phần tử tiêu chuẩn tetrascó kích thước là

u y ê n d ụ n g Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng

lướiđược dựa trên kết quả đánh giá độ

lệchcủaphần tửso với phầntử tiêuchuẩn

4 Đặtràng buộc

Hình2.7Môhìnhvócauchủkn g xetải

Hình2.9MôhìnhlwớivócautrongHyperMeshvớiphantửtiêu chuẩncókíchthwớclà5mm

Với kết cấu cầu chủ động có bán trục giảm tải hoàn toàn, vị trí gối đỡ chặn tại 2 đầu vỏcầuđượcmôphỏngbằngràngbuộcdịchchuyểntho3phương(vịtrílắpổbi)

Tại tâm cầu chủ động, mô men xoắn sinh ra tđộng cơ truyền xuống trong trường hợpxechuyển động th ng sẽ tác động lên vỏ cầu Trong trường hợp này, mô men xoắn tác độnglênvỏ cầu trong khoảng giữa 2 vị trí đặt nhíp Do đó trong mô hình mô phỏng, ràng buộc mômenxoắnđượcđặt tạitâm cầu

Đ ặ t lực

Ngoại lực tác dụng lên vỏ cầu là các thành phần phản lực đặt tại vị trí bắt nhíp lên vỏcầu.Như vậy, trong trường hợp tổng quát, tại moi vị trí liên kết giữa vỏ cầu và hệ thống treo(2bêntrái-phải)có6thànhphầnlựcvàmômen.Đốivớibàitoántĩnhlựctĩnh)xácđịnhđộbềnphá hủy của vỏ cầu, các thành phần lực đưa vào dưới các giá trị là hằng số và được nhậptrực tiếp vào mô hình lực Đối với bàitoán động như trường hợp xe chuyển động trên đườngcó mấp môngẫu nhiên),cácgiá trịlựcđộng làcác vectơtheo thờig i a n t h ự c , c h n g đ ư ợ c nhậpvào từcácfiledữliệu (ví dụtext, excel,…)

2.2.6Xuất kết quả

Saukhithựchiệnquátrìnhtínhtoánphântíchbằngphầnmềm,kếtquảthuđượcvềchuyểnvị vàứng suất tương đương Von ises) được thể hiện dưới dạng phổ màu Ngoài ra, kết quảphân tích có thể thuđược thông quagiátrịứng suất,biến dạng lớn nhấtthay đổit h e o t h ờ i gianb à i t o á n đ ộ n g )

2.3 Xâydựng môhìnhtínhtoántảitrọng độngtácdụng lênvỏcầu

2.3.1 Phươngphápxâự n g môhình

ôhìnhxácđịnhcáctảitrọngđộngtácdụnglênvỏcầutrongtrườnghợpxechuyểnđộngtrênđường được xác định từ mô hình động lực học của xe tải 2 cầu Sử dụng mô hình độnglựchọc có thể xác định được tải trọng động lên vỏ cầu trong nhiều trường hợp chuyểnđộngcủaxekhiđitrênđường.Trongnghiêncứunày,tácgiảsửdụngphươngpháptáchcấutrúchệnhiềuvậtđểthiết lập mô hình độnglựchọc

2.3.2 Phântíchcấu trúcô tôvàcác giả thiết

Luậnán sửdụngcácgiảthiết sau trongquátrình mô tảđộnglựchọccủaxetải 2 cầu:

1 ôhình độnglựchọckhông gian tổngquát;

2 Mô hình ô tô tải nhẹ 2.45 tấn có 2 trục (cầu sau chủ động) là đối xứng theo trụcdọccủaxe;

3 ThnxeđượccoinhưmộttấmphangcókhốilượngMđặttạitrọngtm.Trongtrườnghợp tổng

quát, thân xe có 6 chuyển động (6 bậc tự do) bao gồm: 3 chuyển động tịnhtiến theo

các trụcx(trục dọc),y(trục ngang),z(trục thang đứng) và 3 góc xoay tươngứng:(góc lắc dọc - quay quanh trụcy),(góc lệch bên - quay quanh trụcz),(góclắcngang- quayquanh trụcx);

4 Cáccầuxe(cầutrước-1,cầusau-2)làcáckhốilượngkhôngđượctreođượccoinhưcác thanh phang, có khối

lượngm A1 , m A2 đặt tại trọng tâm của chúng Moi cầu xe có 3chuyển động tịnh tiến: theo

trục dọc (x 1 , x 2 ), theo trục ngang (y 1 , y 2), theo trục thangđứng (A1 ,A2) và 1 chuyển vịgóc lắc ngang quanh trục dọc (A1 ,A2) Bỏ qua gócxoaycủacầu xetheotrụcthangđứngvàtrụcngang;

5 Thnxeđượcnốivớicáccầuxethôngquahệthốngtreođặctrưngbởicácđộcứng

C ij vàhệsốcảngiảmchấnK ij ).(chỉsối:1–trước;2-sau;chỉsốj:1-trái;2-phải);

6 Cầuxeliênkếtvớimặtđườngbằngbánhxeđànhồi,đặctrưngbởiđộcứngC Lij;

7 Bỏquathành phần cản trên lốp;

8 Bỏquatácđộngcủa gióđếnchuyển độngcủaxe

Với các giả thiết cấu tr c như vậy thì mô hình động lực học xe tải có thể được mô tả theocácthểhiện như trênhình 2.14

Hình2.14Mô hìnhkhônggian xe tải

Như vậy, mô hình cấu trúc của xe tải sẽ có 14 tọa độ suy rộng (14 bậc tự do) bao gồm: 6

bậctự do mô tả chuyển động của thân xe - khối lượng được treo (x,y,z,,,), 2 bậc tự do

môtảcầutrước(cầuthứ1)-khốilượngđượctreo1 (A1,A1),2bậctựdomô khốilượngđượctreo2(A2,A2)và4bậctựdomôtảgócquaycủabánhxe(11 , 12 , 21 ,

tảcầusau(cầuthứ2)-22)

2.3.3Thiếtlậphệphương trìnhviphân môtảđộnglựchọccủaxe

Hệ phương trình vi ph n mô tả động lực học của xe tải được xây dựng nhờ phương pháptáchvật và đặt các ngoại lực lên từng vật là các phản lực liên kết giữa các vật, sau đó sử dụngnguyên lD'Alambert để thiết lập cácphương trình vi ph n mô tả chuyển động của từng vậttheo cáctọađộ suyrộng

Hệ phương trình vi ph n tổng quát mô tả động lực học của xe tải 2 cầu nhằm xác định cáctảitrọngđộnglênvỏcầuđượcmôtảởhệ(2.84)bao gồm14phươngtrìnhvi phn

l(F F ) l(F cos F cos F sinF cos)

 2 y21 y22 1 y11 11 y12 12 x11 11 x12 12

CLij KLij Gij ij Aij

3.1.1 Thôngsố kỹ thuậtcủaxethamkhảo Dongfeng 2.45tấn

Xe tải ben Dongfeng 2.45 tấn là dòng xe liên doanh giữa công ty Việt Trung và tậpđoànDongfeng Trung Quốc Trong luận án, các thông số về khối lượng, kích thước đượcthamkhảo từ catalog của nhà sản xuất và đo trực tiếp trên xe Các mô men quán tính đượctính

3.1.3 Tínhtoán xácđ nhtải tọngđộng

Các trường hợp khảo sát tải trọng động trong bao gồm: Xe chuyển động thang trên đườngđiqua mấp mô có định dạng; Xe chuyển động thang trên đường mấp mô (theo tiêu chuẩnISO8608:1995)

3.1.3.1 Xechuyenkngthangtrênkwờngkiquamapmôcókịnhdạng

ấp mô đơn dạng sin được sử

dụngtrongkhảosátdocókếtcấuđ ơ n gi

ảncũngnhưdễthựchiệnthínghiệmđểki

ểmchứng.Trongnghiên cứu này,

chiều cao của mấpmô hình sin được

sử dụng với chiềucao mấp mô cực đạiH m =

0.04m;chiềudài mấp môL m =0.5m.

0.04 0.03 0.02 0.01 0

quảnàys ẽ d ngđ ể s o s á n h v ớ i m ô h ì n h t h í n g h i ệ m k i ể m c h ứ n g c h ư ơ n g 4 ) N g o à i r a ,

t r o n g nghiên cứu nàycũngđánh giá về giá trị cựcđại củacáctải trọngđộng(max(F x2i ), max(F z2i)).Kết luận: Các khảo sát về ảnh hưởng của vận tốc đến tải trọng động tác động lên vỏ cầutrongtrườnghợpxeđiquamấpmôcóđịnhdạngnhằmmụctiêuxácđịnhtínhđngđắncủamô