MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .......... ………………………………………………………......02

Chương I: TỔNG  QUAN VẤN  ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Một số nội dung, khái niệm cơ bản………............................................... ..03

1.2. Các phương pháp tính toán chi tiết máy ..................................................... 05

1.3.  Bản chất của phương pháp tính toán theo xác suất .................................... 10

1.4. Lịch sử phát triển và thực trạng nghiên cứu ................................................ 14

1.5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 15

Chương II:  LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT

2.1. Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế............................ …………………16

2.2. Hàm phân phối đại lượng ngẫu nhiên………………................................... 18

2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy…… 20

Chương III: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO ĐỘ TIN CẬY

3.1. Phân tích và thiết kế trên cở sở độ tin cậy theo độ bền………................. …41

3.2. Tính toán chi tiết máy theo dạng trục chịu xoắn …..................................... 45

3.3. Ứng dụng phần mềm matlab trong tính toán, thiết kế...... ………………….48

Chương IV:  ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÁN TRỤC Ô TÔ

4.1. Đặt vấn đề………………………………………………… ………………... ..57

4.2. Giới thiệu xe Zil 130 và bán trục xe Zil 130………………… …………….. ...59

4.3. Tính toán bán trục theo phương pháp tĩnh…………………… …………. …...62

4.4. Tính toán bán trục theo phương pháp mỏi………………… …… …………....65

4.5. Tính toán bán trục theo phương pháp xác suất…………………… ………......67

4.6. Đánh giá kết quả tính toán………………………………………… ……….....69

KẾT LUẬN ……………………………………………………………… ………70

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………… …………71

LỜI NÓI ĐẦU

   Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định về việc “Thực hiện Chiến lược, Quy hoạch nghành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010 và tầm nhìn 2030”  theo đó đặt ra mục tiêu là: Các loại xe phổ thông và chuyên dùng đến năm 2010 đạt tỷ lệ nội địa hoá 60% trong đó (động cơ là 50% và hộp số là 90%), xe cao cấp tỷ lệ đó là 30 – 40%. Về tổ chức sản suất: Sản xuất ô tô và phụ tùng ô tô theo quy mô công nhiệp theo hướng chuyên môn hoá, hợp tác hoá.  Khuyến kích mọi thành phần kinh tế phát triển sản xuất phụ tùng ô tô.

   Với chủ trương đó hiện nay ở Việt Nam có nhiều nhà máy sản xuất ô tô và phụ tùng ô tô với quy mô tương đối lớn. Tuy nhiên các sản phẩm sản xuất ra vẫn chưa có sức cạnh tranh cao trên thị trường. Có rất nhiều lý do,  tuy nhiên lý do chính là giá thành sản xuất cao, độ tin cậy không cao. Để giải quyết vấn đề này cần có nhiều giải pháp song giai đoạn thiết kết kết cấu, kích thước của chi tiết là vấn đề cần được quan tâm hàng đầu để nâng cao độ tin cây, giảm nhẹ trọng lượng và kích thước chi tiết. Xuất phát từ quan điểm trên với những kiến thức đã học tại trường đồng thời được sự hướng dẫn của thầy giáo :PGS.TS ……………… em đã lựa chọn đề tài “Tính toán chi tiết ô tô theo phương pháp xác suất” cho đồ án tốt  nghiệp của mình.

   Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo: PGS.TS ……………… và  các thầy trong bộ môn Cơ khí Ô tô cùng với sự nổ lực của bản thân em đã hoàn thành đồ án của mình đúng tiến độ. Tuy nhiên do thời gian và trình độ bản thân còn có hạn, nên sai sót là điều không thể tránh khỏi. Em mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài tốt nghiệp của em được hoàn thiên hơn và có thể được ứng dụng trong thực tế thiết kế. Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo : PGS.TS ……………… cùng các thầy cô trong Bộ môn cơ khí ô tô - Khoa Cơ Khí - Trường ĐHGTVT Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.

   Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Một số nội dung, khái niệm cơ bản

1.1.1. Máy và chi tiết máy

Bất kỳ một máy nào dù đơn giản hay phức tạp cũng được cấu tạo từ nhiều bộ phận máy, thí dụ máy tiện gồm: bàn máy, ụ máy, ụ động, hộp tốc độ, bàn giao, cơ cấu truyền dẫn từ động cơ đến hộp tốc độ.

Mỗi máy lại gồm nhiều chi tiết máy, chẳng hạn như ụ đứng của máy tiện gồm có: trục chính, ổ trục, bánh răng…

Vậy chi tiết máy là phần tử cấu tạo đầu tiên, hoàn thiện của máy mặc dù chi tiết máy gồm rất nhiều loại, kiểu, khác nhau về hình dạng và kích thước, về nguyên lý làm việc, về tính năng…Nhưng trên quan điểm thiết kế có thể xếp chúng vào hai nhóm: Nhóm chi tiết máy có công dụng chung và chi tiết máy có công dụng riêng.

1.1.2. Ô tô và chi tiết ô tô

Ô tô là loại xe tự hành bằng bánh xe chủ yếu dùng để chuyên chở hàng hoá hoặc hành khách trên các loại đường bộ. Ngoài ra, trên đó có thể được trang bị các loại máy công tác để thực hiện các công việc đặc biệt như máy cứu hoả, nâng hàng. Phạm vi sử dụng ô tô rất rộng, có thể trong mọi lĩnh vực kinh tế, quốc phòng. Để có thể thực hiện được các công việc đó ô tô được cấu tạo từ rất nhiều chi tiết (khoảng 15000 chi tiết).

1.1.3. Các yêu cầu đối với máy và chi tiết máy, chi tiết ô tô

- Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng: Máy mới thiết kế phải có năng suất cao, hiệu suất cao, tốn ít năng lượng, độ chính xác cao, chi phí thấp về lao động, vận hành máy… Đồng thời kích thước trọng lượng cần cố gắng thật nhỏ gọn.

- Khả năng làm việc: Đó là khả năng của máy hoặc chi tiết máy có thể hoàn thành các chức năng đã định mà vẫn giữ được độ bền, không thay đổi kích thước hình dạng, giữ được sự ổn định, có tính bền mòn, tính chịu nhiệt, chấn động. Để đảm bảo chi tiết có đủ khả năng làm việc cần xác định hợp lý hình dạng và kích thước chi tiết máy, chọn vật liệu và sử dụng các biện pháp tăng bền.

1.2. Các phương pháp tính toán chi tiết máy

Máy và chi tiết máy thường được tính toán theo phương pháp độ bền. Phương pháp tính độ bền thông dụng nhất hiện nay được tiến hành theo các so sánh ứng suất sinh ra khi chi tiết chịu tải.

1.2.1. Tính toán chi tiết máy theo độ bền tĩnh

 Trong trường hợp này chi tiết máy chỉ chịu ứng suất không thay đổi trong quá trình làm việc. 

1.2.2. Tính chi tiết máy theo độ bền mỏi

Chi tiết máy khi làm việc chịu ứng suất thay đổi không ổn định. Giả sử tải trọng tác dụng lên chi tiết trong trường hợp này là tải trọng thay đổi theo thời gian o = f(t) (Hình 1.2)

Bằng việc tiến hành thí nghiệm (Wohler) trên một số mẫu thử. Trong loạt thí nghiệm với mẫu thử thứ nhất, người ta đặt tải trọng để ứng suất cực đại trên mẫu vào khoảng 70% giới hạn bền. Với giá trị này chỉ sau một số chu kỳ N₁ mẫu bị gãy. Với loạt thí nghiệm thứ 2 người ta giảm tải trọng để có ứng suất cực đại tương ứng với số chu trình làm gãy mẫu tăng N₂. Nếu tiếp tục thí nghiệm với nhiều mẫu thử  ta đưa ra được đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất hoặc ứng suất biên độ) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết máy hay mẫu thử có thể chịu được cho đến khi hỏng.

1.2.3. Xác định hệ số an toàn và ứng suất cho phép

* Xác định hệ số an toàn

+ Tra cứu ứng suất cho phép từ các bảng đã lập sẵn.

+Tính toán hệ số an toàn rồi từ đó tìm ứng suất cho phép:

Hệ số an toàn:  s= s₁.s₂.s₃

Trong đó :

s₁ -  Hệ số xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất s₁ = 1,2-1,5.

s₂ -  Hệ số xét đến độ đồng nhất của cơ tính vật liệu đối với chi tiết bằng thép cán thì  s₂=1,5 đối với chi tiết bằng gang s₂=1,5-2,5.

s₃ -  Hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn cũng như mức độ quan trọng của chi tiết máy.

1.2.4. Ưu nhược điểm của phương pháp tính chi tiết máy theo độ bền tỉnh và mỏi

Đây là hai phương pháp tính toán máy và chi tiết máy truyền thống, bằng cách thiết kế máy và chi tiết máy thoả mãn.

Để đảm bảo độ tin cậy và làm việc an toàn của máy và chi tiết máy người ta đã đưa vào hệ số an toàn s = s₁.s₂.s₃. Để  tăng độ bền, khả năng làm việc thì tăng s lên,  điều đó dẫn đến độ tin cậy của máy và chi tiết cao hơn nhưng nhược điểm là chi tiết máy trở nên to nặng, cồng kềnh không đảm bảo được  tính kinh tế. Nhất là trong điều kiện hiện nay khi mà vật liệu chế tạo ngày càng khan hiếm, yêu cầu về tính thẩm mỹ, tính kinh tế được quan tâm do vậy mà cần xem xét một cách tối ưu nhất các mối quan hệ  đó để sản phẩm thiết kế ra có thể cạnh tranh được. Trong 2 phương pháp tính toán máy và chi tiết máy theo độ bền tỉnh và độ bền mỏi thì phương pháp tính theo độ bền mỏi có nhiều ưu điểm hơn và phức tạp hơn như: Khi tính toán có xét đến yếu tố góc lượn, độ nhẵn bề mặt.

1.3. Bản chất của phương pháp tính toán theo xác suất

Trong thiết kế các công trình và máy móc, thông thường người ta đưa thêm hệ số an toàn thể hiện tỷ số giữa độ bền và khả năng tải, nhưng trong thực tế cả 2 thông số này đều phân tán chúng gồm các phần tử độc lập và giao thoa với nhau, chính phần này gây ra những sự cố hỏng hóc ngẫu nhiên của cơ cấu, hệ thống. Để chứng tỏ các phương pháp thiết kế truyền thống chỉ dựa vào hệ số an toàn là chưa hợp lý vì ngay cả khi hệ số an toàn giống nhau vẫn xảy ra hiện tượng độ tin cậy khác nhau. Ta xét thử một mối ghép bằng bulông. Các kết quả thí nghiệm về độ bề và tải trọng cho ta kết quả như sau: (Hình 1.4 và 1.5).

Tuy nhiên nếu ta biểu diễn 2 phân phối S và L trên cùng một hệ trục toạ độ thì chúng có phần giao thoa với nhau, chính tại nơi đó xẩy ra khả năng tải cao hơn độ bền và đó là nguyên nhân dẫn đến hỏng ngẫu nhiên tuy hệ số an toàn là rất cao.

Trong trường hợp cùng nâng S và L lên một lượng c ta có hệ số an toàn không thay đổi, nhưng miền giao thoa của chúng nhỏ đi, điều đó chứng tỏ cường độ hỏng ngẫu nhiên củng nhỏ đi. Trong trường hợp S và L tuân theo các quy luật ngẫu nhiên thì S_tb và L_tb vẫn giữ nguyên.

Ta củng nhận thấy rằng, tuy hệ số an toàn không đổi nhưng vùng giao thoa thay đổi, điều đó chứng tỏ cường độ hỏng ngẫu nhiên thay đổi.  

Như vậy độ tin cậy của chi tiết máy, máy là một đặc tính bắt buộc vốn có của nó và cần được quan tâm ở từng giai đoạn: Thiết kế, chế tạo, sử dụng… Giai đoạn thiết kế nó liên quan đến vật liệu, kết cấu, công nghệ và dung sai..

1.4. Lịch sử phát triển và thực trạng về vấn đề nghiên cứu

Lý thuyết về tính toán chi tiết máy được phát triển theo lịch sử phát triển và hoàn thiện các kết cấu máy. Những tính toán đơn giản như xác định tỷ số truyền và lực tác dụng ra đời từ thời cổ Hy Lạp. Theo tài liệu người đầu tiên nghiên cứu về vấn đề chi tiết máy là LeônaĐờvangxi. Về sau đã xuất hiện nhiều nhà khoa học có những công trình nghiên cứu về chi tiết máy như Ơle, Petơrốp, Râynôn…

Về sau máy móc ngày càng phát triển, với công suất và tốc độ cao, với nhiều loại máy móc mới xuất hiện, trình độ chế tạo tiến bộ không ngừng, kinh nghiệm và kiến thức ngày càng phong phú về khoa học chế tạo máy. Ngành chế tạo máy được chia thành nhiều môn học trong đó có chi tiết máy. Trong đó đưa ra nội dung và phương pháp tính toán và thiết kế chi tiết máy: Tính toán theo độ bền tĩnh và độ bền mỏi. Tuy nhiên có 1 vấn đề đặt ra là có 1 số máy móc, thiết bị sau khi thiết kế ra bị hỏng hóc mà không rõ nguyên nhân (các máy vận hành không đảm bảo đủ tin cậy mặc dù hệ số an toàn khi thiết kế được chọn rất cao).

Hướng nghiên cứu kết cấu theo độ an toàn được nghiên cứu năm 1929.

Tương tự nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của vật liệu và vấn đề liên quan về lý thuyết giá trị cực trị ứng dụng đối với sức bền vật liệu và tải trọng bắt đầu vào giữa các năm 1930 đã bắt đầu đóng góp vào việc giải quyết độ tin cậy của máy và  chi tiết máy.

1.5. Nội dung Nghiên cứu

Từ những phân tích và đánh giá trên thì đề tài “Tính toán chi tiết ôtô theo phương pháp suất “ đi vào nghiên cứu phương pháp tính toán chi tiết máy nói chung bằng phương pháp xác suất độ tin cây. Chỉ ra các phương pháp và trình tự tiến hành cho việc tính toán máy và chi tiết máy theo phương pháp xác suất. Xây dựng phần mền áp dụng cho công việc tính toán. Và cuối cùng là áp dụng tính toán cho bán trục.  Đề tài tốt nghiệp “ Tính toán chi tiết ôtô theo phương pháp xác suất (bán trục ôtô)” gồm 4 chương:

Chương I:  Tổng quan  vấn đề nghiên cứu

Chương II:  Lý thuyết của phương pháp tính theo xác suất

Chương III:  Phân tích và thiết kế kết cấu theo độ tin cậy

Chương IV: Thiết kế bán trục

CHƯƠNG II

LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT

2.1. Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế

a) Tải trọng tác dụng

Việc phân tích và thiết kế các chi tiết máy cần phải kể đến tải trọng. Vì nó là đại lượng tác động trực tiếp và thường xuyên lên các chi tiết máy. Tuỳ theo tính chất thay đổi của tải trọng theo thời gian mà người ta chia tải trọng ra làm hai loại: Tải trọng tĩnh và tải trọng thay đổi.

- Tải trọng tĩnh:là tải trọng không đổi

- Tải trọng thay đổi:là loại có phương chiều hay cường độ thay đổi theo thời gian.Nó là một đại lượng thay đổi một cách ngẫu nhiên.

Bản chất ngẫu nhiên của tải trọng liên quan đến nhiều nhân tố dưới đây ta có ví dụ về một vài nhân tố ảnh hưởng đến độ phân tán của tải trọng.

b) Các đặc tính cơ và vật liệu của chi tiết

Tất cả các kim loại và các loại vật liệu khác đều có các tính chất cơ lý  khác  nhau do sự khác nhau ngẫu nhiên về thành phần hoá học, nhiệt luyện và quá trình gia công chi tiết.

Các đặc tính thống kê của cơ tính vật liệu được quan sát theo thực nghiệm và được ghi lại dưới bảng sau. [Bảng 2.1]

Người thiết kế chọn loại vật liệu sử dụng trong thiết kế theo giá trị giới hạn chảy. Mà giới hạn chảy của thép phụ thuộc vào thành phần hoá học của các hợp kim và phương pháp chế tạo. Nên giới hạn chảy và giới hạn bền của vật liệu là các đại lương ngẫu nhiên [Bảng 2.2].

c) Dung sai kích thước  trong quá trình chế tạo.

Do kích thước các chi tiết phụ thuộc vào độ chính xác của máy công cụ, phụ thuộc vào tay nghề của công nhân nên nó luôn có sai số. Mặt khác trong quá trình thiết kế các thông số hình học như đường kính trục, đường kính mũi khoan, biến dạng bánh răng và cam, khoảng cách giữa các trục có vai trò rất quan trọng.

2.2. Hàm phân phối các đại lượng ngẫu nhiên

Trong tính toán độ tin cậy, các tham số được khảo sát như là các đại lượng ngẫu nhiên, giá trị của chúng có thể thay đổi trong một miền mà ta không thể biết trước cụ thể được. Các đại lượng này có thể là rời rạc hoặc liên tục

a) Hàm phân phối xác suất:

Hàm số F(x) là hàm số không giảm, tăng đơn điệu đối với quá trình liên tục và tăng theo bậc đối với quá trình rời rạc. Trong giới hạn của đại lượng ngẫu nhiên X nó thay đổi từ 0 đến 1

b) Hàm mật độ xác suất 

Do hàm phân phối F(x) còn một hạn chế là không cho biết rõ phân phối xác suất ở lân cận một điểm nào đó trên trục số.

c) Các số đặc trưng của đại lượng ngẫu nhiên

* Kỳ vọng toán: Kỳ vọng toán của đại lượng ngẫu nhiên X kí hiệu m_X được xác định như sau

Nếu X là biến rời rạc có hàm xác suất P(xi) = Pi, i=1,2…

2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy

Thiết kế theo xác suất bao gồm:

- Thiết kế theo độ tin cậy

- Thiết kế bền vững

- Thiết kế 6 sigma

Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế cộng với tính tiên phong của đề tài dưới đây em xin trình bày phương pháp thiết kế theo độ tin cậy.

Một số luận chứng về việc lựa chọn phương pháp thiết kế theo độ tin cậy

Với những lí do trên đã đi đến việc sử dụng lí thuyết xác suất và thống kê toán vào tính toán thiết kế máy, cụ thể hơn là độ tin cậy của sản phẩm.

Khi xem xét độ tin cậy người ta xuất phát từ vấn đề hư hỏng (mất khả năng làm việc) nghĩa là sự dừng máy bắt buộc do các chỉ tiêu về sử dụng của máy hoặc chi tiết máy bị tổn hại. Hỏng hóc có thể xảy ra ở thời kỳ chạy mòn của máy, có thể xảy ra đột ngột hoặc do các nguyên nhân hỏng hóc ngẫu nhiên, có thể bị mài mòn hoặc do mỏi khi máy hoặc chi tiết máy làm việc trong thời gian khá lâu.

Để đánh giá độ tin cậy người ta dùng các chỉ tiêu :

- Xác suất làm việc không hỏng R(t)

- Cường độ hỏng f(t)

- Thời gian làm việc cho đến lúc hỏng

2.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của chi tiết máy

a) Xác suất làm việc không hỏng

Ta khảo sát số lượng lớn N các chi tiết trong thời gian làm việc hoặc vận hành t. Giả sử đến cuối thời gian t thử nghiệm còn lại N_s(t) các chi tiết còn khả năng làm việc và N_f(t) các chi tiết hỏng.

Khi t = 0     và       R(t)  =1

Khi t =  s  và            F(t)    =1

Từ đây ta thấy để tìm ra được xác suất làm việc không hỏng của chi tiết máy ta cần phải biết và xác định được hàm mật độ phân phối f(t) và biết được quy luật phân phối của nó.

 Đối với giai đoạn hỏng hóc dần dần cần thiết phải có các quy luật phân phối thời gian làm việc không hỏng, theo quy luật này đầu tiên có mật độ phân phối thấp, sau đó đạt đến giá trị lớn nhất và tiếp tục là giảm dần các liên quan đến sự giảm số các phần tử còn khả năng làm việc .

Sự phân bố tuổi thọ làm việc của má phanh được biểu diễn dưới dạng đồ thị dưới đây; các số liệu được xử lí qua các bước sau:

- Giá trị nhỏ nhất và cao nhất là 26100km và 86300km lấy tròn là 25000km và 90000km

- Chia giải tuổi thọ thành 13 khoảng ,ứng với mỗi khoảng là 5000km

Số lần hỏng hóc xảy ra nằm trong khoảng tương ứng với bảng cho dưới đây.

- Mỗi cột trong hình 2.3 biểu thị tuổi thọ được quan trắc trong một khoảng thời gian nhất định, biểu đồ có dạng hình chữ nhật

- Hình 2.4  biểu thị tỷ lệ phần trăm của tuổi thọ má phanh

- Hình 2.5  biểu thị xấp xỉ của tuổi thọ má phanh thành một đường cong liên tục 

Giá trị trung bình của tuổi thọ má phanh là

X =(75900+76000 +…+48500)/100=5669,5km

Xác suất làm việc không hỏng được xác định tương ứng: R(t)  =1-   F(t)          (2.12)

Người ta thay thế việc tính tích phân bằng cách sử dụng bảng tra. Các bảng tra đối với phân phối chuẩn của hàm số theo t_tb - m_t và S rất phức tạp vì có 2 tham số độc lập. Có thể thay thế bằng các bảng tra phân phối chuẩn, mà khi đó mx=0 và s_x=1

Chỉ có 1 biến x. Đại lượng x là đại lượng trung tâm bởi vì m_x =0 và S_x =1. Hàm mật độ phân phối được viết trong tọa độ tương đối với gốc tọa độ trên trục đối xứng đường cong, hàm phân phối (tích phân) của mật độ phân phối.          

So sánh các chi tiết với cùng thời gian làm việc cho đến lúc hỏng với các giá trị sai lệch bình phương trung bình khác nhau ta thấy mặc dù giá trị S lớn vẫn có các chi tiết có tuổi thọ cao, nhưng nếu S có giá trị càng nhỏ thì chi tiết có chất lượng càng cao

b) Hàm cường độ hỏng

Tiến hành thử nghiệm các phần tử giống nhau với cùng điều kiện làm việc như nhau. Giả sử gọi N là tổng số phần tử giống nhau được thử nghiệm, N_s(t)  số các phần tử còn khả nănglàm việc tại thời điểm t và N_f(t) là số các phần tử bị hỏng trong thời gian t. Nếu tiếp tục thử nghiệm thì số các phần tử còn khả năng làm việc sẽ ngày càng ít đi và số các phần tử hỏng hóc sẽ tăng lên. 

Như vậy cường độ hỏng h(t)tại thời điểm nào đó là tỉ số giữa số hỏng hóc trong một đơn vị thời gian với số chi tiết máy còn sử dụng được. 

2.3.2- Hàm trạng thái giới hạn và phân tích thiết kế chi tiết máy theo phương pháp xác suất.

a) Hàm Trạng thái giới hạn

Hàm trạng thái giới hạn Y=g(X) là một hàm biểu diễn mối quan hệ giữa đặc tính Y và các biến ngẫu nhiên đầu vào X. Khi giá trị của hàm trạng thái giới hạn vượt quá một ngưỡng nào đó thì trạng thái của chi tiết máy sẽ thay đổi từ trạng thái an toàn sang trạng thái hư hỏng. Nếu ta lấy mức 0 là ngưỡng của hàm trạng thái thì hàm Y=g(x) = 0 sẽ chia không gian của biến thiết kế ra làm hai vùng: Vùng an toàn và vùng hỏng hóc. Vì vậy hàm Y= g(X) còn được gọi là hàm trạng thái giới hạn trong quá trình phân tích và thiết kế theo xác suất.

Ví dụ nếu ta có hàm trạng thái giới hạn Y = g(X) = S-L, với S và L tương ứng độ bền và ứng suất, khi đó ta có Y = g(X) = S-L = 0 là hàm trạng thái giới hạn và vùng Y = g(X) = S-L >0 được gọi là vùng an toàn, còn vùng Y=g(X)=S-L <0 được gọi là vùng không an toàn.

Trong tính toán độ tin cậy trên cơ sở vật lí thì công thức xác định độ tin cậy được xác định như sau:

R = P(g(X)>0)  và xác suất hỏng là:

F = 1-R = P(g(X) <0) 

b) Sử dụng lý thuyết xác suất ( theo độ tin cậy) để phân tích, thiết kế chi tiết máy

Mục đích của việc phân tích độ tin cậy là để tìm ra đặc tính xác suất của hàm trạng thái giới hạn Y = g(X) được cho bởi phân phối của các biến ngẫu nhiên X, coi tất cả các biến thiết kế là độc lập tuyến tính .

Nếu giá trị của hàm phân phối tích lũy Y=g(X) là liên tục thì dựa vào hàm  phân phối tích lũy này chúng ta dễ dàng xác định được các đặc tính xác suất của hàm này.

Trong thực tế thì việc ước lượng công thức tích phân gặp rất nhiều khó khăn vì thường thì các hàm trạng thái giới hạn Y= g(X) là các hàm phi tuyến của biến X, do vậy điều kiện biên của tích phân củng là phi tuyến. Vì số biến ngẫu nhiên trong các ứng dụng thực tế thường lớn, cho nên phải sử dụng tích phân nhiều lớp. Và việc sử dụng các công cụ tích phân để giải quyết các vấn đề này củng thường gặp phải các vấn đề khó khăn. Vấn đề này đòi hỏi tìm ra phương pháp tính mới có thể sử dụng đơn giản và tốn ít thời gian.

* Phương pháp mô men thích hợp

Nếu như đầu vào ta biết được hai giá trị mô men: Giá trị trung bình và sai lệch bình phương trung bình của biến thiết kế thì ta áp dụng phương pháp mô men thích hợp để ước lượng giá trị trung bình và sai lệch bình phương trung bình của hàm trạng thái giới hạn. Với giả thiết các biến ngẫu nhiên thiết kế X = (X_1,X₂...X_n) và các giá trị sai lệch bình phương trung bình của chúng lần lượt là m = (m_x1,m_x2,…m_xn) và S = (S_X1,S_X2,…,S_Xn).  

Tuyến tính hóa hàm đặc tính xác suất qua phép khai triển Taylor tại giá trị trung bình:                   

m = (m_x1,m_x2,…m_xn) 

g(X)L(X) =g(m)  (2.22)

Sau đó giá trị của hàm g(X) thay bởi hàm tuyến tính L(x) và được tính tại giá trị : m_g =g(m)

* Phương pháp xấp xỉ bậc nhất

Tên gọi của phương pháp này xuất phát xuất phát từ việc sử dụng các công thức xấp xỉ trong tính toán: Hàm trạng thái giới hạn g(X) được xấp xỉ bởi kỷ thuật khai triển chuỗi Taylor bậc nhất.

Phương pháp xấp xỉ bậc nhất bao gồm hai bước :

- Chuyển các biến ngẫu nhiên ban đầu sang không gian chuẩn

- Xấp xỉ hàm trạng thái giới hạn

Để chuyển các biến ngẫu nhiên từ không gian ngẫu nhiên ban đầu sang không gian chuẩn thì đầu tiên trước tiên hàm dưới dấu tích phân f_x(x) được đơn giản hóa bằng cách biến đổi các biến ngẫu nhiên. Không gian của các biến ngẫu nhiên ban đầu X=(X₁,X₂,…,X_n)  được gọi là không gian X. Chuyển tất cả các biến ngẫu nhiên thiết kế từ không gian X sang không gian chuẩn U với giá trị trung bình của các biến này bằng 0 và sai lệch chuẩn bằng 1.

F_xi(xi) = O(u₁)  với Xi=m_xi +U_i.S_xi      (2.25)

Thực hiện các bước 1-9, nếu thỏa mãn các điều kiện hội tụ thì dừng nếu không lặp lại trình tự tính với k= k+1 kết quả cuối cùng ta thu được giá trị chỉ số độ tin cậy.

Từ đây ta sẽ xác định được giải thuật tìm kiếm điểm xác suất lớn nhất rất đơn giản khi sử dụng, tốc độ hội tụ rất cao trong rất nhiều trường hợp. 

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO ĐỘ TIN CẬY

  Trong chương này chúng ta phân tích và thiết kế các kết cấu trên cơ sở độ tin cậy theo các chỉ tiêu và khả năng làm việc. Như chúng ta đã biết trong các hệ thống phức tạp, sự hỏng hóc của một phần tử dẫn đến hậu quả rất nghiêm trọng.

 Do đó nhiệm vụ chủ yếu của kỹ sư thiết kế về độ tin cậy là chọn các thông số chi tiết máy và kết cấu tốt nhất cho hệ thống cơ khí khi tính đến các nhân tố như: Giá thành, độ tin cậy, khối lượng và thể tích. Để đạt được mục tiêu này cần phải tiến hành ước lượng độ tin cậy các phần tử trong giai đoạn thiết kế.

Ngoài độ bền, khả năng làm việc của chi tiết máy được đặc trưng bởi một loạt các chỉ tiêu quan trọng các như: Độ bền mòn, độ cứng, độ chịu nhiệt, độ ổn định dao động, độ chính xác….

Các bài toán trong chương này được tính toán theo các phương pháp xấp xỉ đã trình bày trong chương 2 và bằng trình tự thiết lập RADME. Khi thiết kế sử dụng phương pháp mô men thích hợp để đánh giá độ tin cậy sử dụng phương pháp tìm điểm xác suất lớn nhất (MMP).

3.1- Phân tích và thiết kế trên cở sở độ tin cậy theo độ bền

 Tính toán được tiến hành theo các chỉ tiêu riêng biệt với các đại lượng giới hạn của chúng: đặc trưng độ bền (giới hạn bền,  giới hạn chảy, giới hạn mỏi), tải trọng giới hạn, tuổi thọ, chuyển vị tới giới hạn (do đàn hồi, do mài mòn, do nhiệt độ),  độ chịu nhiệt của dầu và vật liệu, tần số và biên độ dao động, độ ổn định động lực học…

Các đại lượng giới hạn cho trong các bảng tra cứu và được xác định bằng thực nghiệm hoặc quá trình sử dụng.

Đại lượng tính toán L khi tính toán độ tin cậy theo tiêu chuẩn độ bền là ứng suất tính toán hoặc tải trọng. Tương ứng với các đại lượng giới hạn S là giới hạn bền, giới hạn chảy, giới hạn mỏi và khả năng tải.

Hình 3.1 trình bày đặc tính ngẫu nhiên của các tham số thiết kế khi xác định độ bền và ứng suất. Nếu như các phân phối này được xác định thì có thể tính toán xác suất làm việc không hỏng của chi tiết. Hình 3.2 trình bày sơ đồ tính toán theo phương pháp này.  Khi tính toán đầu tiên ta xét đến ảnh hưởng của các hệ số, điều kiện làm việc, bởi vì chúng là các nhân tố quan trọng khi tính toán ứng suất và độ bền.

Quá trìng phân tích độ tin cậy bao gồm các bước sau:

1. Tiến hành thiết kế sơ bộ.

2. Đánh giá ảnh hưởng các nhân tố bên ngoài.

3. Phân tích các phương án sơ bộ của hệ thống, bao gồm tải trọng tác dụng lên các chi tiết và sự phân phối của chúng.

4. Chọn vật liệu theo cơ tính và phân tích giá thành.

5. Đặc tính độ bền và tải trọng phá huỷ bao gồm cả các phân phối của chúng.

6. Ước lượng giá tri độ bền của chi tiết và tải trọng phá huỷ, các giá trị này phụ thuộc vào cơ tính vật liệu, hình dạng hình học…

7. Tính toán độ tin cậy theo độ bền và tải trong phá huỷ

3.2. Tính toán chi tiết máy dạng trục chịu xoắn

Chúng ta đi khảo sát bài toán một chi tiết dạng trục chịu xoắn. Chi tiết dạng trục được xét đến chịu mô men xoắn có dạng như sau: Trục có bán kính r, một đầu được giữ chặt và một đầu tác dụng mô men xoắn T. Biết răng mô men xoắn T, bán kính r và ứng suất cắt giới hạn là đại lượng ngẫu nhiên.

Ta có số liệu đầu vào của trục như sau: T = 800000 Nmm; S_T 8000 Nmm. Ta đi xác định bán kính trục tại tiết diện nguy hiểm với xác suất làm việc không hỏng R = 0,9999.  Biết rằng bán kính R là đại lượng ngẫu nhiên, ứng suất cắt giới hạn có giá trị trung bình t= 240 Mpa và sai lệch bình phương trung bình s = 20 Mpa.

Giải phương trình có nghiệm: a = 15,12 mm và r = 10,734 mm. Ta chọn bán kính của trục là R= 15,12 mm tương ứng với ứng suất làm việc không hỏng là R = 0,999

3.2.2. Phụ thuộc kích thước vào độ phân tán vật liệu

Khi kích thước thay đổi bình phương trung bình giới hạn bền cắt, thì kích thước  thay đổi theo bảng sau.

3.2.3. Phụ thuộc kích thước vào độ phân tán mô men xoắn

Nếu ta thay đổi giá trị sai lệch bình phương trung bình tải trọng S_T thì bán kính làm việc của trục củng thay đổi theo.

3.3. Ứng dụng phần mềm matlab trong tính toán chi tiết máy theo độ tin cậy

3.3.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab.

Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính  PC nhằm hộ trợ cho các tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cái nhân do công ty “THE MATHWORKS” viết ra.

Thuật ngữ MATLAB có được từ hai từ MATRIX và LABORATORY ghép lại. Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kỹ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự báo chuổi quan sát,….

Cửa sổ thư mục hiện tại Current Directory Browser (1):

Cửa sổ Command Windowns (2): Đây là cửa sổ chính của matlab tại đây thực hiện toàn bộ công việc nhập dữ liệu và xuất kết quả tính toán. Dấu nháy >> báo hiệu chương trình sẵn sàng hoạt động.

Cửa sổ Command history (3): lưu trữ tất cả các lệnh đã thực hiện trong cửa sổ command Windown(2) có thể lặp lại lệnh cũ bằng cách nháy kép chuột vào lệnh đó, củng có thể cắt sao hoặc xoá cả nhóm lệnh hoặc riêng rẽ từng lệnh.

Cửa sổ Editor soạn chương trình

Ngoài ra còn có cửa sổ trợ giúp help rất phong phú giúp người sử dụng trong quá trình tính toán bằng câu lệnh Help (command).

3.3.2. Ứng dụng lập trình GUIDE trong MATLAB để giải bài toán

Phần lập trình GUIDE là một phần của phần mềm tính toán trong Matlab, nó giúp chúng ta có thể lập trình các bài toán tổng quát để giải các bài toán thiết kế khi các biến đầu vào, mô hình tính toán tương tự nhau. Lúc đó chúng ta chỉ cần nhập các số liệu đầu vào cho mô hình tính toán thiết kế phần mềm lập trình GUIDE sẽ cho ta kết quả đầu ra.

Trong các thuộc tính trên thì thuộc tính string và tag là hai thuộc tính rất quan trọng trong đó:

- Tag là thuộc tính để đặt tên điều khiển, dùng tên nay để thao thác đến các thuộc tính của đối tượng.

- String là xâu ký tự hiện lên Edit box.

Phần quan trọng nhất của phần lập trình GUIDE là viết lệnh cho chương trình. Chương trình này có tác dụng khi nhấn vào nút push botton sẽ hiện kết quả ở Static box. Vì thế nên sẽ vào viết hàm nào khi mà nhấn nut Push botton sẽ gọi chính là hàm Callback. 

3.3.3. Giải bài toán trục chịu uốn bằng lập trình GUIDE

Ta có số liệu đầu vào của trục như sau: T = 800000 Nmm; S_T 8000 Nmm. Ta đi xác định bán kính trục tại tiết diện nguy hiểm với xác suất làm việc không hỏng R = 0,9999. Biết rằng bán kính R là đại lượng ngẫu nhiên, ứng suất cắt giới hạn có giá trị trung bình t= 240 Mpa và sai lệch bình phương trung bình a = 20 Mpa. (Xem lý thuyết tính trang 36,37 chương III).

Kết quả của chương trình cho ta bán kính cần thiết kế của trục tương ứng với xác suất làm việc không hỏng R = 0,9999 là r = 15,12 (mm).

Như vậy khi có một trục chịu lực xoắn như mô hình tính toán trên và với các giá trị đầu vào đã có, ta chỉ việc nhập số liệu vào chương trình để tính toán. 

CHƯƠNG IV

ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÁN TRỤC ÔTÔ

4.1. Đặt vấn đề

Bán trục ôtô là chi tiết máy dạng trục thuộc hệ thống truyền lực ôtô và có nhiệm vụ nhận mô men từ vi sai làm quay bánh xe. Chính vì vậy bán trục ôtô làm việc trong điều kiện hết sức khắc nhiệt. Lực tác dụng lên bán trục thay đổi liên tục cả phương và trị số, bán trục chịu mô men thay đổi liên tục những điều đó dẫn đến bán trục ôtô là chi tiết rất dễ bị hỏng (có thể gãy trục, cong trục …) không  thể làm việc được. Do vậy khi tính toán thiết kế bán trục ôtô đòi hỏi người kỷ sư thiết kế cần phải tính toán đến tất cả các ảnh hưởng bên ngoài lên bán trục như (Loại đường, vật liệu…) và cả những ảnh hưởng do sự thay đổi liên tục của lực và mô men. 

4.1.1. Các phương án kết cấu của bán trục:

Các cụm chi tiết bán trục và moay ơ, vỏ cầu có thể được lắp đặt theo các phương án sau:

Loại nữa trục giảm tải một nửa ( hình 4.1) ổ bi trong đặt trên vỏ vi sai còn ổ bi ngoài đặt ngay trên bán trục. Bán trục sẽ chịu  các lực và mô men (được thể hiện trên hình vẽ). Có mô men uốn, mô men xoắn, bán trục không chỉ có truyền mô men mà còn chịu tải trọng đỡ.

4.2. Giới thiệu xe ZIL130 và bán trục xe ZIL130

4.2.1. Giới thiệu chung về xe ZIL 130.

- Loại xe ZIL 130 là loại ôtô vận tải do nhà máy chế tạo xe hơi Matxcơva mang tên Li-Kha-Trốp sản xuất từ cuối năm 1962.

- Trọng tải (chạy trên đường đất đá, sỏi)  : 4000Kg. Khi chạy trên đường loại I và loại II có thể tăng tải lên tới 5500-6000kg.

- Trọng lượng xe không : 4270Kg.

- Trọng lượng xe có đủ hàng : 8525Kg.

4.2.2. Giới thiệu bán trục ô tô ZIL130

Bán trục ô tô Zil 130 là loại bán trục giảm tải hoàn toàn, bán trục chỉ chịu tác dụng của mô men xoắn từ hệ thống truyền lực xuống hay mô men phanh khi phanh xe bằng phanh trung ương. Các lực X_k, Y, Z_bx sẽ không truyền đến trục mà chỉ truyền đến dầm cầu và do ổ đỡ chịu.

Bán trục xe Zil 130 làm bằng vật liệu thép 45, bề mặt được tôi cao tần, chiều sâu 6mm trên toàn bộ chiều dài. Độ cứng sau tôi là 52 – 58 HRC, độ đảo bề mặt là 0,1mm. Độ bền bán trục được xác định theo độ bền tĩnh và mỏi.

4.3. Tính toán tĩnh bán trục ô tô  Zil 130

4.3.1. Trường hợp chịu lực kéo

Ta có:

i₁ - Tỷ số truyền từ động cơ đến chi tiết.

u₁ - Hiệu suất của chi tiết thuận.

i₂ - Tỷ số truyền từ chi tiết đến bánh xe chuyển động.

u₂ - Hiệu suất chi tiết nghịch. 

Trong trường hợp xe chịu kéo người ta đưa ra một số giả thiết để tính toán phân bố tải trọng lên các cầu như sau:

- Xe chạy trên đường bằng ( lực cản dốc P = 0) với tốc độ đều (lực cản tăng tốc bằng 0).

- Bỏ qua lực cản lăn và lực cản không khí vì so với lực kéo chúng có giá trị tương đối nhỏ.

   Z_2k = m^’₂ . Z_2T và chọn (m^’₂ = 1,25) ta có Z_2k = 1,25 . 9550 = 11937,5 (Kg).

 Thay  các giá trị vào công thức (4.2) ta có: M₂ = 11937,5 . 0,8 . 0,49/2 = 2339,75 (Kg.m)

Vậy đường kính của bán trục là d = 17,5(cm).

4.3.2. Trường hợp truyền lực phanh khi phanh bằng phanh trung ương

Thay vào công thức (4.9) ta có đường kính bán trục là d = 33 (cm)                       

4.5. Tính toán bán trục theo phương pháp xác suất          

Khi áp dụng phương pháp xác suất độ tin cậy vào tính toán bán trục  xe Zil 130 ta nhận thấy các biến đầu vào để tìm ra đường kính bán trục là Mô men xoắn, xác suất làm việc không hỏng của bán trục ( hay chính là độ tin cậy mà nhà thiết kế đưa ra),  ứng suất cắt, và các giá trị sai lệch trung bình của chúng. Tuy nhiên các biến đầu vào này lại là các đại lượng ngẫu nhiên và được xác định qua thí nghiệm và thống kê xác suất.

Áp dụng lý thuyết (mục 3.2) Chương 3 “ Thiết kế và phân tích kết cấu theo độ tin cây”  ta đi tính toán bán trục ôtô theo hệ số an toàn trung bình.

Với giá trị xác suất làm việc không hỏng R = 0.999  khi ta tra bảng ta thu được điểm phân vị và chỉ số độ tin cậy là: Z₁= - 3,09

Giải phương trình ta thu được đường kính bán trục thoả mãn xác suất làm việc không hỏng là d = 4,705 (cm).

4.6. Đánh giá kết quả tính toán của các phương pháp

Qua kết quả tính toán từ 3 phương pháp trên ta nhận thấy:

- Khi tính toán theo phương pháp tĩnh thì cách tính đơn giãn nhưng đường kính bán trục sau khi thiết kế lớn nhất điều đó dẫn đến bán trục to, cồng kềnh không đảm bảo tính kinh tế đề ra. Xét một cách rộng hơn thì các loại máy và chi tiết máy khi tính toán thiết kế theo phương pháp tính bền tĩnh sẽ làm cho máy và chi tiết máy to nặng cồng kềnh nhất là các chi tiết máy phức tạp, sử dụng vật liệu yêu cầu cao thì tính kinh tế không đảm bảo, khả năng cạnh tranh của sản phẩm thấp.

- Khi tính theo phương pháp mỏi đường kính bán trục thu được đảm bảo tốt yêu cầu kỷ thuật của chi tiết, đường kính bán trục thu được sau khi tính toán theo phương pháp mỏi nhỏ gọn hơn theo phương pháp tính bền tĩnh nhưng đòi hỏi cao về máy móc kỷ thuật, mẫu thử và thời gian tiến hành thí nghiệm.

KẾT LUẬN

   Trên đây là toàn bộ nội dung đề tài tốt nghiệp của em nghiên cứu với tên đề tài là “Tính toán chi tiết ô tô (Bán trục ô tô 130) theo phương pháp xác suất”  bao gồm 4 phần chính:

1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu.

2. Lý thuyết của phương pháp tính theo xác suất.

3. Thiết kế và phân tích kết cấu theo độ tin cậy.

4. Áp dụng tính toán cho bán trục ô tô Zil 130.

   Trong quá trình thực hiện đề tài này em đã vận dụng các kiến thức đã học tại trường ĐHGTVT và tham khảo một số tài liệu của nước ngoài, và trong nước, các kết quả thí nghiệm đã được tổng hợp trong các sách liên quan về xác suất độ tin cậy máy và chi tiết máy. Việc hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp đã giúp cho em bổ sung được cho mình nhiều kiến thức quý báu, đồng thời nhờ đó mà khả năng làm việc tư duy củng như đức tính kiên trì, say mê trong công việc của em được nâng lên rất nhiều. Chắc chắn rằng điều đó sẽ góp phần không nhỏ vào việc giúp em hoàn thành tốt hơn trọng trách của mình trong xã hội sau khi ra trường. Qua đây em củng hy vọng đồ án của em sẽ góp một phần nhỏ bé làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên cơ khí nói chung và sinh viên cơ khí ôtô nói riêng. Một lần nữa,  em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Cơ khí ôtô-ĐHGTVT Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo: PGS.TS ……………. đã chỉ bảo dìu dắt em trong quá trình học tập tại trường củng như giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.

   Em xin chân thành cảm ơn!

                                                   Hà nội, ngày… tháng … năm 20…

                                                  Sinh viên thực hiện

                                               ……………..

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Chi tiết máy tập I, tập II.

TS. Trương Tất Đích -  NXB - GTVT.

2. Cơ sở lý thuyết mỏi.

Ngô Văn Quyết -  NXB Giáo dục.

3. Kết cấu và tính toán ôtô máy kéo.

GS.TSKH. Nguyễn Hữu Cẩn - Phan Đình Kiên. NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp.

4. Lý thuyết ô tô.

GS.TSKH. Nguyễn Hữu Cẩn - NXB Khoa hoc & Kỷ thuật.

5. Sổ tay kỷ thuật chế tạo máy. NXB Khoa học & Kỷ thuật.

6. Độ tin cậy trong thiết kế chế tạo máy và hệ cơ khí.

PGS.TS Nguyễn Doãn Ý -  NXB Xây dựng.

7. Phân tích & thiết kế hệ thống cơ khí theo độ tin cậy.

TS. Nguyễn Hữu Lộc -  NXB Khoa học & Kỷ thuật.

8. Gnedenko B. V, beliaev Iu. K, Xoloviev A. D. Những phương pháp toán học độ tin cậy. NXB Khoa học & Kỷ thuật (bản dịch từ tiếng Nga năm 1965).

9. Matlab & Simulink.

 Nguyễn Phùng Quang - NXB Khoa học & Kỷ thuật.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"