MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.. i

LỜI CÁM ƠN.. ii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.. v

DANH MỤC BẢNG BIỂU.. vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ.. viii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU CHỦ ĐỘNG.. 1

1.1 Cấu tạo chung của cầu chủ động. 1

1.2 Chức năng, nhiệm vụ của cầu chủ động. 2

1.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của vỏ cầu chủ động ô tô tải 2

1.3.1 Đặc điểm cấu tạo. 2

1.3.2 Vật liệu và công nghệ chế tạo. 5

1.3.3 Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng. 6

1.4 Độ bền vỏ cầu và các phương pháp đánh giá. 8

1.4.1 Phương pháp truyền thống. 8

1.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). 9

1.5 Đối tượng nghiên cứu. 11

1.6 Phương pháp nghiên cứu. 11

1.7 Mục tiêu nghiên cứu. 11

1.8 Kết luận chương 1. 11

CHƯƠNG 2 . XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI 13

2.1 Các chế độ tải trọng và phương pháp đánh giá độ bền vỏ cầu. 13

2.1.1 Các tải trọng tác dụng lên vỏ cầu chủ động của ô tô tải 13

2.1.2 Xác định tải trọng tác dụng lên vỏ cầu. 14

2.1.3 Tính toán vỏ cầu trên mô hình 3D bằng phần mềm chuyên dụng. 15

2.2 Mô hình tính toán bền vỏ cầu chủ động bằng phần mềm HyperWorks. 17

2.2.1 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải 21

2.2.2 Gán vật liệu. 22

2.2.3 Chia lưới 22

2.2.4 Đặt ràng buộc (điều kiện biên). 26

2.2.5 Xuất kết quả. 28

2.3 Kết luận chương 2. 28

CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI 29

3.1 Tính toán xác định các tải trọng đặc trưng tác động lên cầu chủ động ô tô. 29

3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Suzuki 500kg. 29

3.1.2 Các chế độ tính bền theo tải trọng cực đại 30

3.2 Phân tích kết cấu và đánh giá độ bền của vỏ cầu chủ động. 33

3.2.1 Đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu. 33

3.2.2 Đề xuất cải tiến kết cấu vỏ cầu. 43

3.2.3 Đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu sau cải tiến. 47

3.3 Kết luận chương 3. 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 53

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội công nghiệp hiện đại ngày này, không ai có thể phủ nhận vai trò quan trọng của những phương tiện giao thông ô tô. Ô tô xuất hiện từ rất lâu trên thế giới và được phát triển ngày một hiện đại và nâng cấp theo thời gian với các thiết bị tiên tiến được nghiên cứu. Các nước có thế mạnh như là Đức, Anh, Mỹ… công việc thiết kế và sản xuất ô tô không những để đáp ứng như cầu trong nước mà còn để xuất khẩu ra bên ngoài.

Việt Nam có nền khoa học công nghệ còn chưa phát triển, chưa thể tự sản xuất được những chiếc ô tô, nhưng không vì thế mà chúng ta xem nhẹ việc phát triển ngành công nghệ này. Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm chi tiết trên ô tô, thì cần phải có đầu tư đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệ thống truyền lực, nhằm phát triển sản phẩm có tính chất lượng cao.

Đồ án lần này em được giao với đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm vỏ cầu chủ động trên xe tải’’.

Cầu chủ động là một trong những cụm chi tiết quan trọng của hệ thống truyền lực trên ô tô, là bộ phận cuối cùng trên đường truyền công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Trong đó vỏ cầu là bộ phận chứa tất cả các bộ phận truyền lực (truyền lực chính, vi sai, bán trục...), đồng thời nó làm việc như một dầm đỡ trọng lượng của thân xe và phải chịu tác động của các tải trọng từ tương tác giữa bánh xe với mặt đường.

Trong quá trình làm đồ án do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án khó có thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và nhận được sự góp ý của thầy cô.

                                                                                          Hà Nội, ngày ... tháng ... năm ....

                                                                                    Sinh viên thực hiện

                                                                                   ……..…….

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU CHỦ ĐỘNG

1.1 Cấu tạo chung của cầu chủ động.

Cấu tạo chung của cầu chủ động ô tô được mô tả trên hình 1.1.

Cầu chủ động bao gồm các bộ phận cuối cùng trên đường truyền công suất từ động cơ đến các bánh xe chủ động, cầu chủ động có ba bộ phận chính: truyền lực chính (TLC), vi sai và các bán trục được lắp trong một vỏ. Trong đó, vỏ cầu là bộ phận chứa tất cả các bộ phận truyền lực nêu trên, đồng thời nó làm việc như một dầm đỡ trọng lượng của thân xe và phải chịu tác động của các tải trọng từ tương tác bánh xe - đường.

1.2 Chức năng, nhiệm vụ của cầu chủ động

Mỗi bộ phận của cầu chủ động thực hiện một chức năng riêng. Bộ truyền lực chính, thường là cặp bánh răng hypoit hoặc bánh răng côn, có nhiệm vụ tạo tỷ số truyền nhằm tăng mô men truyền tới các bánh xe chủ động. Ngoài ra, đối với ô tô tải, TLC còn thực hiện thêm chức năng đổi hướng chuyển động đi một góc 90°. Bộ vi sai tạo điều kiện cho các bánh xe quay với vận tốc khác nhau khi ô tô quay vòng. Các bán trục thực hiện chức năng truyền mô men tới các bánh xe chủ động.

1.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của vỏ cầu chủ động ô tô tải

1.3.1 Đặc điểm cấu tạo

Cấu trúc của vỏ cầu khá đa dạng, phụ thuộc vào cấu tạo của các bộ phận bên trong và kết cấu của hệ thống treo cùng với cách lắp đặt các bánh xe. Theo M.J. Nunney [6], vỏ cầu có thể được phân thành 3 loại: loại liền khối (carrier type), loại hai nửa (trumpet type) và loại dầm liền rỗng giữa (banjo type).

Loại vỏ cầu này thường được sử dụng trên các loại ô tô có tải trọng nhỏ và trung bình. Nó có khả năng chịu lực thẳng đứng rất tốt, tuy nhiên khả năng chịu các lực dọc như lực kéo và lực phanh lại kém.

Ưu điểm nổi bật của loại vỏ cầu này là việc tháo lắp cụm TLC và vi sai rất thuận tiện, giảm được nhiều công sức trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa (hình 1.4).

Đối với các loại ô tô tải nhẹ, loại vỏ cầu kiểu dầm liền rỗng giữa được sử dụng phổ biến hơn cả do có kết cấu đơn giản và thuận tiện trong quá trình bảo dưỡng sửa chữa. Ô tô tải nhỏ Suzuki 500kg là đối tượng nghiên cứu của đồ án, có vỏ cầu chủ động thuộc dạng này.

1.3.2 Vật liệu và công nghệ chế tạo

Tuỳ theo các dạng kết cấu đã mô tả trên đây, vỏ cầu có thể được chế tạo từ gang đúc hoặc thép dập. Công nghệ sử dụng gang đúc có thể được áp dụng đối với cả ba loại vỏ cầu mô tả trên đây. Để đảm bảo độ bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt với tải trọng biến thiên trong phạm vi rộng, người ta thường sử dụng gang cầu để đúc vỏ cầu ô tô tải. Riêng vỏ cầu kiểu dầm liền rỗng giữa (banjo type) có thể được chế tạo từ các mảng thép dập và hàn ghép với nhau.

1.3.3 Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng

Vỏ cầu phải chịu tác dụng của các lực và mô men từ các bánh xe chủ động truyền lên cùng với các lực tương tác với hệ thống treo.

Các phản lực tại bánh xe, thường được gọi theo phương tác động, gồm lực dọc (lực kéo và lực phanh), lực ngang và lực thẳng đứng. Các lực này tạo thành các tải trọng tác động lên vỏ cầu dưới dạng lực hoặc mô men. Ngoài ra, mô men xoắn truyền qua các bộ phận trong cầu chủ động cũng có tác động lên vỏ cầu. Trong quá trình chuyển động của ô tô, vỏ cầu còn phải chịu tác dụng của các lực từ khối lượng được treo truyền qua các vị trí lắp nhíp và giảm chấn.

1.4 Độ bền vỏ cầu và các phương pháp đánh giá

1.4.1 Phương pháp truyền thống

Để đánh giá độ bền vỏ cầu theo phương pháp này, người ta thường tính toán cho ba trường hợp đặc trưng sau :

- Chuyển động thẳng với lực dọc cực đại (tăng tốc hoặc phanh);

- Chuyển động quay vòng tới giới hạn trượt ngang;

- Chuyển động qua đường xấu với lực thẳng đứng cực đại.

Ba trường hợp trên được tính toán độc lập với mục đích xác định giá trị ứng suất cực đại σ_max trên vỏ cầu. Vỏ cầu được coi là đủ bền nếu ứng suất cực đại không vượt quá giới hạn cho phép đối với vật liệu chế tạo:

σ_max ≤ [σ],

Với [σ] là giới hạn cho phép của vật liệu chế tạo.

Phương pháp này thường cho kết quả vỏ cầu thừa bền, kết cấu không hợp lý ( do ứng suất phân bố không đều) và có khối lượng lớn.

1.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

Cùng với sự phát triển của các phần mềm tính toán chuyên dụng, phương pháp tính toán vỏ cầu bằng PTHH đã trở thành công cụ đắc lực cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá độ bền vỏ cầu.

Giả thuyết của Tresca cho rằng chi tiết bị phá huỷ do sự trượt tương đối giữa các lớp vật liệu. Theo giả thiết này, điều kiện để chi tiết không bị hỏng là ứng suất cắt lớn nhất τ_max không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu σ_y:

τ_max ≤ σ_y                                                                                                      (1.1)

Phương pháp xác định ứng suất tương đương theo lý thuyết của Tresca còn được gọi với tên khác là phương pháp ứng suất cắt cực đại (Maximum Shear Stress theory).

1.5  Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ Suzuki 5 tạ (hình 1.9)

1.8 Kết luận chương 1

Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đặt ra nhu cầu bức thiết đối với các nhà khoa học là xây dựng một nền tảng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các bộ phận cơ bản của ô tô, trong đó đánh giá độ bền là khâu tất yếu.

Độ bền của các chi tiết vỏ thường nhận được sự quan tâm rộng rãi của các nhà nghiên cứu do độ phức tạp cao của nó. Vỏ cầu chủ động của ô tô tải là một điển hình trong lĩnh vực này. Ngoài những yêu cầu chung đối với chi tiết dạng dầm, vỏ cầu còn có đặc thù là bộ phận chứa các bộ truyền bánh răng với yêu cầu khắt khe về vị trí lắp đặt và điều kiện làm việc, nên nó phải được chế tạo với độ chính xác cao. Ngoài ra, do có kích thước theo chiều dài lớn, vỏ cầu dễ biến dạng gây sai lệch về vị trí của các bộ phận lắp trong nó. Để tránh hiện tượng này, vỏ cầu cần có độ cứng vững cao.

Những đặc thù trên của vỏ cầu đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt đối với việc đánh giá độ bền và độ cứng vững của nó. Nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ phần mềm trong những năm gần đây, công cụ tính toán chủ yếu được các nhà khoa học sử dụng là các phần mềm phân tích kết cấu.

Trước tình hình trên, đề tài tính toán kiểm nghiệm vỏ cầu chủ động trên xe tải xuất phát từ nhu cầu bức thiết của thực tiễn sản xuất, đáp ứng trực tiếp những đòi hỏi của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

CHƯƠNG 2 . XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI

2.1 Các chế độ tải trọng và phương pháp đánh giá độ bền vỏ cầu

2.1.1  Các tải trọng tác dụng lên vỏ cầu chủ động của ô tô tải

Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên cầu chủ động của ô tô tải được mô tả trên hình 2.1. Vỏ cầu được đặt trên các bánh xe có bán kính r₂ và đỡ trọng lượng phần được treo thông qua các bộ nhíp đặt tại các vị trí A và C như trên hình vẽ.

Trong mặt phẳng ngang (hình 2.la), vỏ cầu chịu tác dụng của các phản lực từ mặt đường F_Z21, F_Z22 và các lực từ nhíp F_Zn21 và F_Zn22.

Do vỏ cầu chịu tác dụng của nhiều tải trọng đồng thời, nên việc tính toán nó theo đúng điều kiện thực tế rất phức tạp. Theo phương pháp truyền thống, vỏ cầu chủ động thường được tính bền cho 3 trường hợp tải trọng đặc trưng với các phản lực từ mặt đường lên bánh xe đạt giá trị cực đại. Ngày nay, người ta thường sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu 3D để đánh giá vỏ cầu một cách đầy đủ và toàn diện hơn.

2.1.2  Xác định tải trọng tác dụng lên vỏ cầu 

a) Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại :

Vỏ cầu chủ động chịu các lực và mô men sau:

- Lực dọc: F_x21 =F_x22 =F_x2max = φ_x  =φ_x  ;                            

- Lực ngang: F_Y21=F_Y22=0;                                                                                                

- Mô men xoắn: M_y21=M_y22=F_x2maxr₂                                                          

c) Trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại :

Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu các lực sau:

- Lực dọc: F_x21=F_x22=0                                                                           

- Lực ngang: F_y21=φ_yF_Z21; F_y22= φ_yF_Z22; F_y21+F_y22=F_y2=φ_yG_c                     

- Phản lực thẳng đứng: F_z21=  ; F_Z22=G_c-F_Z21                      

Trong trường hợp này, vỏ cầu chịu chỉ ứng suất uốn do các lực F_y2i và F_z2i tạo nên.

d) Trường hợp xe chuyển động trên đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại:

Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu các lực sau:

- Lực dọc: F_x21=F_x22=0                                                                                        (2.12)

- Lực ngang: F_y21= F_y22=0                                                                                   (2.13)

Các giá trị tải trọng xác định được cho các trường hợp trên được đưa vào mô hình 3D của phần mềm HyperWorks với các điều kiện ràng buộc phù hợp để tính bền vỏ cầu.

2.2 Mô hình tính toán bền vỏ cầu chủ động bằng phần mềm HyperWorks

HyperWorks là một trong những phần mềm CAE nổi tiếng của của công ty Altair (Mỹ) và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với khả năng phân tích chính xác dựa trên phương pháp phần từ hữu hạn. Altair là tập đoàn lớn của Mỹ chuyên cung cấp các giải pháp mô phỏng số bằng máy tính. Đây là một phần mềm phục vụ cho việc tính toán, mô phỏng, tối ưu hóa chi tiết, kết cấu nhằm giảm chi phí, giảm thời gian đưa sản phầm ra thị trường và tăng độ tin cậy của sản phầm. 

Khả năng ứng dụng của phần mềm HyperWorks:

- Mô phỏng:

HyperMesh: chia lưới cấu trúc không gian của chi tiết, tạo nền tảng cho việc phân tích tính toán về sau.

HyperView: tạo ra các báo cáo kết quả phân tích một cách trực quan dựa trên kết quả phân tích phần tử hữu hạn và mô phỏng đa vật thể.

HyperView player: Tạo ra các báo cáo kết quả tính toán hoặc các trình duyệt , nó có thể cho phép người dùng hiển thị và thao tác kết quả 3D hoặc hình ảnh CAE trực tiếp trên trình duyệt powerpoint hoặc trên các trang web.

- Phân tích:

Radioss: là một hệ thông phân tích phần tử hữu hạn, cho phép giải quyết các bài toán tuyến tính hay phi tuyến. Nó có thể sử dụng để phân tích kết cấu, chất lỏng, chất lỏng tương tác, cơ cấu, dập kim loại tấm, các hệ thống cơ khí. Tối đa hoá độ bền, giảm tiếng ồn, giảm độ rung hiệu quả.

Một modul khác trong HyperWorks cũng cung cấp các giải pháp tối ưu hóa kết cấu là  SolidThinking. Tối ưu hóa bằng phân tích kết cấu cho các bài toán tuyến tính hay phi tuyến theo tải trọng tĩnh và động. Đây là giải pháp hàng đầu cho việc thiết kế và tối ưu hóa kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và thông qua phân tích tiên tiến và các thuật toán tối ưu hóa.

 Các bước xác lập mô hình tính toán bền một chi tiết trong HyperWorks về cơ bản cũng như các phần mềm CAE khác, bao gồm 6 bước chính: 

- Xây dựng mô hình 3D của chi tiết;

- Gán vật liệu;

- Chia lưới;

- Đặt ràng buộc (điều kiện biên);

- Đặt lực;

- Xuất kết quả.

Sau đây là các bước cụ thể trong xây dựng mô hình tính toán bền vỏ cầu chủ động xe tải bằng HyperWorks.

2.2.1 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải

Việc xây dựng mô hình 3D của vỏ cầu chủ động xe tải theo phương pháp trực tiếp từ phần mềm HyperWorks tương đối khó khăn do mô hình tính toán yêu cầu có tính chính xác và độ phức tạp cao. Vì thế việc xây dựng mô hình vỏ cầu được tiến hành trong các phần mềm CAD (mô hình 3D), sau đó được đưa vào HyperWorks. Phần mềm HyperWorks cho phép liên kết với các mô hình CAD để có thể nhận dạng mô hình một cách chính xác. Trong đồ án này, mô hình 3D của vỏ cầu chủ động ô tô tải được xây dựng bằng phần mềm NX (hình 2.3).

2.2.3 Chia lưới

Chất lượng của việc tiến hành chia lưới có ảnh hưởng đến độ chính xác và thời gian tính trong quá trình phân tích vỏ cầu chủ động xe tải. Trong đồ án này, phương pháp chia lưới được chọn là kiểu tự động kết hợp với điều chỉnh lưới bằng tay. Đối với vỏ cầu là chỉ tiết có các biên dạng phức tạp, do vậy, để mô tả đúng hình dạng hình học và độ chính xác của mô hình, các thuộc tính về chất lượng phần tử đã được đánh giá theo các tiêu chuẩn được các nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm đề xuất.

Trong nghiên cứu này, việc kiểm chứng mô hình chia lưới đã được kiểm soát theo các tiêu chuẩn được đề ra bởi các nhà nghiên cứu phát triển và ứng dụng phần mềm chuyên dụng. Sau đó so sánh kết quả theo các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng lưới của HyperWorks và tối ưu thời gian tính toán. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng lưới được dựa trên kết quả đánh giá độ lệch của phần tử so với phần tử tiêu chuẩn. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của việc chia lưới trong HyperWorks bao gồm :

- Tỉ số lệch (Aspect ratio): Tỉ số giữa cạnh dài nhất và cạnh ngắn nhất của một phần tử. Trong HyperWorks thì tỉ số phần tử sai lệch nhỏ hơn 0,5% thì coi như chấp nhận dược.

- Hệ số Jacobian (Jacobian Ratio): là thước đo độ lệch của một phần tử so với phần tử hoàn hảo. Gía trị Jacobian khoảng từ 0 tới 1 (hệ số 1 đại diện cho phần tử hoàn hảo). Trong bài toán phân tích kết cấu thì giá trị Jacobian lớn hơn 0.6 là chấp nhận được.

* Nhận xét: Các thông số đánh giá chất lượng phần tử phù hợp để giải quyết bài toán vỏ cầu. Trong mô hình chia lưới, còn một số phần tử khác so với phần tử tiêu chuẩn, do mô hình vỏ cầu có nhiều chỗ uốn lượn, bậc khác nhau, tuy nhiên chiếm một lượng rất nhỏ không ảnh hưởng tới chất lượng phân tích vỏ cầu.

2.2.5 Xuất kết quả

Sau khi thực hiện quá trình tính toán phân tích bằng phần mềm, kết quả thu được về chuyển vị và ứng suất tương đương (Von Mises) được thể hiện dưới dạng phổ màu. Ngoài ra, kết quả phân tích có thể thu được thông qua giá trị ứng suất, biến dạng lớn nhất thay đổi theo thời gian. 

Ngoài ra ứng suất tại 1 điểm bất kỳ trên vỏ cầu cũng hoàn toàn có thể xuất ra. Kết quả thu được là giá trị ứng suất (bài toán tĩnh).

2.3 Kết luận chương 2

Chương 2 đã phân tích và trình bày cơ sở lý thuyết và mô hình nghiên cứu độ bền của vỏ cầu xe tải nhẹ. Đây là mô hình kết hợp các lý thuyết cơ bản về cơ học, sức bền vật liệu, phương pháp PTHH trong phân tích kết cấu ô tô:

- Các chế độ tải trọng tác động lên vỏ cầu được phân tích cho các trường hợp tĩnh. Các chế độ tải tĩnh được sử dụng nhằm đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu cũng như để định hướng cho bài toán cải thiện kết cấu.

- Phương pháp đánh giá độ bền của vỏ cầu là đánh giá qua tiêu chí về độ bền phá hủy. Cơ sở lý thuyết của các phương pháp đánh giá đã được tổng hợp và phân tích nhằm xác định mô hình nghiên cứu độ bền của vỏ cầu theo phương pháp PTHH bằng phần mềm chuyên dụng.

CHƯƠNG 3 . KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI

3.1 Tính toán xác định các tải trọng đặc trưng tác động lên cầu chủ động ô tô

3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Suzuki 500kg

Xe tải nhỏ Suzuki 500kg là một trong những dòng xe tải nhỏ do có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, tiện lợi cho việc chuyên chở nguyên vật liệu ở thành thị và nông thôn. Chính vì vậy, trong đồ án đã tập trung nghiên cứu độ bền của vỏ cầu chủ động của dòng xe tải này.

Trong đó: φ_x, φ_y, m_k, m_p theo [2]

r₂ = 279,4 mm = 0,2794 m

M_c2 = Khối lượng toàn bộ x 45%

K_d theo [1].

3.1.2  Các chế độ tính bền theo tải trọng cực đại

Bốn chế độ tính bền tĩnh với tải trọng cực đại (xem mục 2.1.2) được sử dụng với mục tiêu xác định độ bền của vỏ cầu. Bốn chế độ khảo sát gồm có:

- Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại

- Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực phanh cực đại

- Trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại;

- Trường hợp xe chuyển động trên đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại.

Các tải trọng đặt lên cầu bao gồm các lực dọc F_x2i, lực ngang F_y2i, lực thẳng đứng F_z2i, mô men xoắn M_y2i, và mô men uốn M_x2i.

a) Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại:

Vỏ cầu chủ động chịu các lực và mô men sau:

- Lực dọc: F_x21 =F_x22 =F_x2max= 3136 N

- Lực ngang: F_Y21=F_Y22=0; 

- Phản lực thẳng đứng: F_Z21=F_Z22= 3920 N

- Mô men xoắn: M_y21=M_y22=F_x2maxr₂ = 3136.0,2794= 876 Nm

c) Trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại:

Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu các lực sau:

- Lực dọc: F_x21=F_x22=0 ;

- Lực ngang: F_y21=φ_yF_Z21= 4066 N ; F_y22= φ_yF_Z22= 410 N;

- Phản lực thẳng đứng: F_z21= = = 5809 N ;

F_Z22=G_c-F_Z21= 586 N 

- Mô men uốn: M_x21=F_y21r₂= 1136 Nm ; M_x22=F_y22r₂ + F_z22a= 195 Nm ;

d) Trường hợp xe chuyển động trên đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại

Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu các lực sau:

- Lực dọc: F_x21=F_x22=0  ;

- Lực ngang: F_y21= F_y22=0  ;

- Phản lực thẳng đứng: F_Z21=F_Z22= =2.  = 6396 N

Giá trị các tải trọng được thể hiện trong bảng 3.3. Giá trị của các lực sẽ được đưa vào trong mô hình tính toán độ bền vỏ cầu theo phương pháp PTHH (xem phần 2.2).

3.2 Phân tích kết cấu và đánh giá độ bền của vỏ cầu chủ động

Thông qua các kết quả khảo sát về giá trị tải trọng đặt lên vỏ cầu đã trình bày ở phần 3.1, việc phân tích kết cấu và đánh giá độ bền của vỏ cầu chủ động cần được thực hiện qua các bước sau:

- Khảo sát và đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu trong 4 trường hợp kiểm bền tĩnh với tải trọng lớn nhấ.

- Đề xuất cải tiến kết cấu vỏ cầu theo hướng giảm khối lượng và tập trung ứng suất.

- Đánh giá lại độ bền phá hủy của vỏ cầu sau khi cải tiến.

3.2.1 Đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu

 Dựa trên các kết quả tính toán khảo sát đã trình bày ở phần 3.1, có thể thấy rằng tải trọng đặt lên vỏ cầu đạt các giá trị lớn nhất trong 3 trường hợp "cực đoan" theo phương pháp truyền thống: xe chuyển động thẳng với lực dọc lớn nhất, chuyển động quay vòng với lực ngang lớn nhất và chuyển động trên đường xấu với lực thẳng đứng lớn nhất.

a) Trường hợp 1: Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại:

Các lực đặt lên mô hình xác định ứng suất vỏ cầu bao gồm:

- Lực dọc truyền từ thân xe: F_xn21 = F_xn22 = 3136 N;

- Lực thẳng đứng từ trên xuống: F_zn21 = F_zn22= 3920 N;

- Mô men xoắn quanh trục y: M_y1 = M_y2 = 876 Nm.

Các giá trị ứng suất theo từng phương cũng có thể được lấy bằng việc sử dụng thanh công cụ Stress, nó sẽ cho ra ứng suất theo các phương x, y, z.

* Nhận xét: Ứng suất tập trung chủ yếu ở hai bên vỏ cầu và có giá trị lớn nhất ở gờ chuyển tiếp trên vỏ cầu.

b) Trường hợp 2: Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực phanh cực đại:

Các lực đặt lên mô hình xác định ứng suất vỏ cầu bao gồm:

- Lực dọc truyền từ thân xe : F_xn21 = F_xn22 = 967 N;

- Lực thẳng đứng từ trên xuống: F_zn21 = F_zn22 = 1209 N;

- Mô men xoắn quanh trục y: M_y1 = M_y2 = 270 Nm.

d) Trường hợp 4: Xe chuyển động trên đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại:

Các lực tác động lên vỏ cầu bao gồm:

- Lực thẳng đứng: F_zn21 = F_zn22 = 6396 N;

Các giá trị ứng suất theo từng phương cũng có thể được lấy bằng việc sử dụng thanh công cụ Stress, nó sẽ cho ra ứng suất theo các phương x, y, z.

* Nhận xét: Ứng suất tập trung ở hai bên vỏ cầu và vị trí ứng suất lớn nhất ở khu vực bắt nhíp.

* Kết luận: Sau khi phân tích các trường hợp đặt lực trên mô hình bài toán tĩnh, có thể nhận thấy ứng suất chủ yếu tập trung tại các khu vực có gờ hoặc các góc cạnh của vỏ cầu, tuy nhiên ứng suất lớn nhất trên vỏ cầu xảy ra trong trường hợp 4 (chuyển động trên đường xấu với lực thẳng đứng cực đại), đạt giá trị 226 MPa. Giá trị ứng suất này vẫn nhỏ hơn so với ứng suất cho phép của vật liệu thép S460N là 467 MPa nên vỏ cầu chưa bị phá hủy. Tuy nhiên, nhiều vùng trên vỏ cầu thừa bền nhiều, do đó phương án được đề xuất là thiết kế cải tiến mô hình vỏ cầu trên cơ sở giảm bề dày vỏ cầu, tăng góc lượn tại các bề mặt có tập trung ứng suất.

3.2.2 Đề xuất cải tiến kết cấu vỏ cầu

Mục tiêu của cải tiến thiết kế vỏ cầu là giảm khối lượng vỏ cầu và giảm các vùng tập trung ứng suất bằng cách tạo khoét rộng hoặc đắp thêm, tạo các góc lượn... nhằm phân bố lại ứng suất đều trên toàn bộ vỏ cầu nhưng vẫn đảm bảo điều kiện bền tĩnh và các tính năng làm việc của vỏ cầu chịu tải hoàn toàn.

1) Phần vỏ giữa, ứng suất tập trung chủ yếu ở vành tròn nên mô hình cải tiến thử nghiệm làm mỏng phần giữa đi từ 4mm còn 3mm. Đắp thêm vật liệu bên trong  chỗ mối hàn.

3) Vùng ít tập trung ứng suất gần moay ơ: vùng này tập trung ứng suất ít nên có thể làm nhỏ tiết diện lại tạo vát.

4) Khoét bỏ bớt vật liệu ở vùng tập trung ứng suất ít ở mặt đầu vỏ cầu gần khu vực lắp ổ bi.

Sau khi đã cải tiến với các góc cạnh sửa đổi như trên, vỏ cầu sau cải tiến được dựng lại ở mô hình 3D như hình . Khối lượng của vỏ cầu sau khi cải tiến là 6,75 kg, so với khối lượng vỏ cầu cũ 8,56 kg, như vậy đã giảm 21% khối lượng vật liệu vỏ cầu.

3.2.3 Đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu sau cải tiến

Vỏ cầu sau khi cải tiến đã được đánh giá lại độ bền phá hủy theo 4 chế độ kiểm bền tĩnh với tải trọng lớn nhất (giống 4 trường hợp mục 3.2.1). Kết quả đạt được như sau:

- Trường hợp 1: Trường hợp xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại:

Ứng suất max = 111,5 Mpa, tại phần tử 542815.

* Nhận xét: Ứng suất tập trung ở hai bên của vỏ cầu và ứng suất lớn nhất ở gờ chuyển tiếp đã giảm so với vỏ cầu nguyên bản.

Chuyển vị max = 1,085 mm, tại nút số 46679.

- Trường hợp 3: trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại:

Ứng suất max = 95,4 Mpa, tại phần tử số 440442 .

* Nhận xét: Ứng suất tập trung nhiều phía bên phải vỏ cầu do chịu lực ngang quay vòng lớn, vị trí ứng suất lớn nhất thay đổi sang gần vực bắt nhíp.

Chuyển vị max = 0,76 mm, tại nút số 46368.

* Kết luận: Sau khi cải tiến mô hình , vỏ cầu đã được tính toán kiểm tra độ bền trong các trường hợp đặt lực giống như mô hình nguyên bản. Có thể nhận thấy ứng suất tập trung tại các khu vực có gờ hoặc các góc cạnh của vỏ cầu đã giảm, các điểm tập trung ứng suất đã chuyển sang các vùng có bề dày mỏng hơn. Điều này phù hợp do các khu vực đó có mô men chống uốn giảm đi sau khi giảm bề dày chi tiết.

3.3 Kết luận chương 3

Chương 3 đã trình bày khảo sát các chế độ tải trọng tĩnh đặt lên vỏ cầu trong các trường hợp khác nhau, đánh giá độ bền của vỏ cầu theo tiêu chí độ bền phá hủy và cuối cùng là đề xuất các phương án cải tiến kết cấu vỏ cầu nhằm thỏa mãn tiêu chí trên:

- Tính toán các tải trọng cực đại tác động lên vỏ cầu trong bài toán kiểm bền tĩnh (4 trường hợp)

- Tính toán đánh giá độ bền vỏ cầu với 4 chế độ kiểm bền tĩnh với các tải trọng cực đại. Kết quả cho thấy ứng suất trên vỏ cầu xe tải còn nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phép của vật liệu. Do đó có thể cải thiện kết cấu để giảm nhẹ khối lượng vật liệu và phân tán vùng tập trung ứng suất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Trọng Hoan (2019) Thiết kế tính toán ô tô. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.

[2]. Trần Phúc Hòa (2017) Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất,  lắp ráp tại Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

[3]. Ninh Đức Tốn (2016) Dung sai và lắp ghép. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.

[4]. Hà Văn Vui, Nguyễn Chỉ Sáng: Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1,2. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật.

[5]. Chang Jong, William Springer (2009) Teaching von Mises Stress: From Principal Axes To Non-Principal Axes. American Society for Engineering Education.

[6]. M.J. Nunney (2007) Light and Heavy Vehicle Technology. Fourth edition, Butterworth- Heinemann.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"