MỤC LỤC
Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp.........
Mục lục .........
Lời nói đầu ..........
Chương I. Tổng quan về khung xe tải ........
1.1. Giới thiệu các mẫu ô tô tải cơ bản .......
1.2. Chức năng, phân loại và yêu cầu của khung xe .........
1.2.1. Chức năng của khung xe .......
1.2.2. Phân loại .......
1.2.3. Yêu cầu đối với khung xe ........
1.2.4. Vật liệu làm khung ..........
1.3. Khái quát tình hình công nghệ lắp ráp, chế tạo xe tải ......
1.3.1. Công nghệ sản xuất khung xe ........
1.3.2. Công nghệ sản xuất Cabin ........
1.3.3. Công nghệ sản xuất thùng xe .......
1.3.4. Công nghệ sơn ........
1.3.5. Công nghệ lắp ráp ........
1.3.6. Công nghệ kiểm tra sản phẩm .........
1.4. Đặc điểm kết cấu khung xe tải khảo sát .....
Chương II. Cơ sở tính toán kiểm bền khung xe tải ......
2.1. Bảng trị số tải trọng lên khung xe ........
2.2. Theo phương pháp lý thuyết .......
2.2.1. Đặt các giả thiết tính toán ........
2.2.2. Xác định mômen uốn khung ......
2.2.3. Tính khung theo lý thuyết sức bền vật liệu .......
2.3. Sử dụng phần mềm mô phỏng kết cấu để tính bền ........
2.3.1. Xây dựng mô hình .......
2.3.2. Đặt tải và giải bài toán ......
2.3.3. Chạy chương trình .......
2.3.4. Lấy kết quả và nhận xét ......
2.4. Nhận xét ........
Chương III. Tính toán và kiểm bền cho khung xe tải khi xe đi trên đường bằng phẳng ......
3.1. Phương pháp lý thuyết ..........
3.1.1. Xác định mômen uốn khung .......
3.1.2. Tính toán ứng suất ..........
3.2. Phương pháp sử dụng phần mềm mô phỏng kết cấu để tính bền .............
3.2.1. Xây dựng mô hình ......
3.2.1.1. Giả thiết khi xây dựng mô hình ......
3.2.1.2. Xây dựng mô hình ........
3.2.1.3. Đặt vật liệu cho khung xe tải ........
3.2.2. Các bước tính bền bằng phương pháp mô phỏng ......
3.2.2.1. Chia lưới cho khung xe tải ........
3.2.2.2. Đặt các lực tác dụng ......
3.2.2.3. Đặt các ràng buộc .......
3.2.2.4. Chạy chương trình tính toán ......
3.2.2.5. Kết quả, đồ thị và nhận xét .....
3.3. Nhận xét giữa phương pháp lý thuyết và phương pháp mô phỏng ...........
Chương IV. Tính toán và kiểm bền cho khung xe tải khi xe hoạt động trên đường xấu ......
4.1. Trường hợp một bánh xe phía trước đi lên mô đất .....
4.1.1. Đặt các ràng buộc .....
4.1.2. Chạy chương trình tính toán ......
4.1.3. Kết quả, đồ thị và nhận xét ......
4.2. Trường hợp một bánh xe phía sau đi lên mô đất ....
4.2.1. Đặt các ràng buộc ......
4.2.2. Chạy chương trình tính toán ......
4.2.3. Kết quả, đồ thị và nhận xét .......
4.3. Trường hợp hai bánh xe bị kênh: Một bánh xe trước và một bánh xe sau chéo nhau đi lên mô đất cao .....
4.3.1. Đặt các ràng buộc .....
4.3.2. Chạy chương trình tính toán ........
4.3.3. Kết quả, đồ thị và nhận xét ........
Kết luận ......
Tài liệu tham khảo .....
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới đang phát triển ở một trình độ cao. Nó ứng dụng thành tựu của rất nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác như: Cơ khí, điện tử, công nghệ thông tin, vật liệu... để phục vụ tốt nhất cho đời sống con người.
Ở nước ta hiện nay, thị trường ô tô đang sôi động với nhiều doanh nghiệp tham gia sản suất lắp ráp ô tô. Trong số các doanh nghiệp có vốn đầu tư trực tiếp nước ngoài, đa số các doanh nghiệp tham gia sản xuất lắp ráp xe du lịch, còn các doanh nghiệp tham gia vào sản xuất lắp ráp xe tải chiếm số lượng rất nhỏ. Sản lượng của các doanh nghiệp trong nước và doanh nghiệp có vốn đầu tư trực tiếp nước ngoài chỉ chiếm hơn 20%, còn lại gần 80% là nhập các xe đã qua sử dụng của các nước như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga, Đức, Trung Quốc... Nhiều doanh nghiệp đã nhập sát xi về và thiết kế chế tạo thành xe ô tô dùng trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là chở hàng hóa. Điều đó đã đáp ứng được phần nào nhu cầu về xe tải trong khi nền công nghiệp ô tô của nước ta chưa đáp ứng được.
Một vấn đề tồn tại là kiểm nghiệm được độ bền của những chiếc xe đó để đưa vào sử dụng trong thời gian nhanh nhất và đảm bảo thỏa mãn các điều kiện về an toàn và kỹ thuật. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, em đã triển khai đề tài về kiểm nghiệm độ bền khung xe với sự trợ giúp của máy tính, đây là một đề tài có ý nghĩa to lớn trong thực tiễn nước ta hiện nay. Có nhiều phần mềm có thể dùng để kiểm nghiệm độ bền như: Solidwork, Catia, Ansys, RDM,... Trong đồ án, em sử dụng phần mềm Catia để thực hiện. Catia là một phần mềm được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng và tính toán kết cấu.
Đồ án được hoàn thành với 01 bản thuyết minh và 06 bản vẽ. Do trình độ và thời gian có hạn nên đồ án của em khó tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo : Ths……………… và các thầy giáo trong bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và cho em những ý kiến quý báu để em hoàn thành đồ án.
Hà nội, ngày … tháng …. năm 20….
Sinh viên thực hiện
…………………
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KHUNG XE TẢI
1.1. GIỚI THIỆU CÁC MẪU Ô TÔ TẢI CƠ BẢN.
Ô tô tải là phương tiện cơ động với mục đích chính là vận tải hàng hóa. Nó cũng có thể tham gia vào việc kéo bán rơ moóc hoặc rơ moóc, nhưng cần thiết phải có thêm các khâu nối tiếp với đầu kéo, chúng ta dùng với khái niệm đoàn xe.
Có thể chia ra các loại ô tô tải đa năng, tự đổ, thùng kín.
- Ô tô tải đa năng được dùng với mục đích chuyên chở đa năng kể cả các vật thể có hình khối không thể tháo rời, không gian dùng cho chở hàng cách biệt với buồng lái bằng vách ngăn. Thùng hàng phải có khả năng mở về các phía để thuận lợi cho việc xếp dỡ hàng hóa. Riêng loại ô tô tải nhỏ thùng kín được xem xét bố trí chung trên cơ sở của ô tô chở người loại nhỏ.
- Pick-up thuộc loại ô tô tải nhỏ có thùng hàng gắn liền với buồng lái, thùng hàng có thể thay đổi phần che phía trên phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau.
- Ô tô tải thùng kín là ô tô tải có thùng kín bắt chặt với khung xe, thùng có công dụng chung không nhằm mục đích chuyên chở riêng biệt. Với loại thùng kín có thể chia ra:
+ Nối liền với buồng lái có (hoặc không có) vách ngăn giữa hai khoang.
+ Không nối liền nhưng phải có tấm ngăn giữa hai khoang.
1.2. CHỨC NĂNG, PHÂN LOẠI VÀ YÊU CẦU CỦA KHUNG XE.
1.2.1. Chức năng của khung xe.
- Khung xe là hệ thống dầm truyền lực, nhận và truyền tất cả các lực cũng như phản lực trong quá trình vận hành của xe.
- Khung xe là cơ sở để lắp đặt các cụm, các hệ thống của xe như động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, các cơ cấu điều khiển, hệ thống lái và các thiết bị phụ chuyên dùng, cabin, tải trọng.
1.2.2. Phân loại.
a. Theo kết cấu khung: Có 3 loại.
+ Khung có xà dọc ở giữa:
+ Loại hỗn hợp (Loại chữ X):
c. Theo các loại hệ thống chịu lực trên ô tô: Có 3 loại chính.
- Khung chịu lực: Khi vỏ đặt lên khung qua các mối nối đàn hồi. Trường hợp này khung cứng hơn vỏ nhiều nên chịu được các tác động của ngoại lực và có thể biến dạng nhưng không truyền đến vỏ.
- Vỏ chịu lực: Loại vỏ này đồng thời là khung (Không có khung chính thức nên vỏ chịu toàn bộ ngoại lực tác dụng lên ô tô).
1.2.3. Yêu cầu đối với khung xe.
Khi thiết kế khung của ôtô phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Tiết diện ngang của xà dọc phải được chọn theo các phép tính uốn và xoắn khung.
- Mô men thay đổi trên suốt chiều dài của xà dọc từ giá trị không đến gía trị cực đại. Để tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm trọng lượng của khung và đảm bảo độ cứng của xà dọc là đều nhau, khi chế tạo xà dọc nên làm với tiết diện thay đổi. Để thoả mãn yêu cầu này xà dọc thường được chế tạo bằng phương pháp dập.
- Khung phải đảm bảo đủ độ cứng để các cụm gắn trên khung hoàn toàn cố định hoặc chỉ có thể thay đổi vị trí tương đối với nhau một cách ít nhất có thể.
1.3. KHÁI QUÁT TÌNH HÌNH CÔNG NGHỆ LẮP RÁP, CHẾ TẠO XE TẢI.
1.3.1. Công nghệ sản xuất khung xe :
- Chế tạo dầm dọc và dầm ngang từ khâu tạo phôi tới hoàn chỉnh bằng phương pháp xấn trên máy xấn dài 12m. Dập định hình trên máy dập 3000T -6000T.
- Gia công các lỗ trên khung xe đồng thời với dập vuốt tạo hình dầm dọc.
- Lắp ráp, gá hàn khung xe trên đồ gá chuyên dùng bằng thiết bị hàn tự động, bán tự động, tán đinh gá lắp bằng các thiết bị chuyên dùng đối với các xe tải lớn
1.3.3. Công nghệ sản xuất thùng xe :
- Khung xương thùng xe được chế tạo bằng phương pháp dập định hình trên các máy dập 600T – 1000T, máy xấn thuỷ lực.
- Tấm dày, thành bên, thành trước, thành xe (loại xe tải thùng) được dập trên các máy dập 1000T – 3000T và máy xấn thuỷ lực.
- Ghép hàn thùng xe trên các đồ gá chuyên dùng bằng máy hàn tự động, hàn bấm, hàn có khí CO2 bảo vệ.
1.3.6. Công nghệ kiểm tra sản phẩm:
- Kiểm tra tốc độ bằng băng thử tốc độ.
- Kiểm tra phanh bằng băng thử phanh.
- Kiểm tra sự trượt ngang xe bằng bệ thử trượt ngang.
- Kiểm tra góc lái bằng các dụng cụ chuyên dùng.
- Kiểm tra đèn pha bằng băng thử đèn pha.
1.4. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG XE KHẢO SÁT.
- Xe khảo sát là xe ô tô tải tự đổ 3 tấn.
+ Trọng lượng bản thân là 24150 N.
+ Khả năng chở đầy hàng là 30000 N.
+ Trọng lượng toàn bộ là 54150 N.
+ Kích thước bao: L0 x B0 x H0 = 5400 x 2150 x 2400 mm.
- Khung xe có xà dọc ở hai bên, các xà dọc được liên kết với nhau bằng các xà ngang nhờ các mối hàn điện.
- Các xà có tiết diện chữ U. Các dầm ngang có tiết diện khác so với tiết diện dầm dọc và dầm đỡ buồng lái, dầm đỡ két nước.
+ Hai xà dọc có tiết diện chữ U, chiều hướng vào trong và tiết diện không đổi trên suốt chiều dài. Chiều cao 200 mm, rộng 60 mm, dày 6 mm. Chiều dài xà dọc là 4900 mm, khoảng cách giữa 2 xà dọc là 860 mm.
CHƯƠNG II
CƠ SỞ TÍNH TOÁN KIỂM BỀN KHUNG XE TẢI
2.1. BẢNG TRỊ SỐ TẢI TRỌNG LÊN KHUNG XE.
Các thông số xe thiết kế thể hiện như bảng 2.1.
2.2. THEO PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT.
2.2.1. Đặt các giả thiết tính toán.
- Tính uốn khung trong trường hợp chịu tải trọng tĩnh, tăng hệ số an toàn cho phép.
- Chỉ xét phần trọng lượng được treo của ô tô gây uốn trong mặt phẳng dọc của khung, không kể đến hiện tượng xoắn do trọng lượng các cụm đặt lệch đi so với đường tâm khung như bình nhiên liệu, ắc quy.
- Coi dầm dọc như một dầm đàn hồi có tiết diện không đổi và bằng tiết diện lớn nhất của dầm dọc.
- Khi tính uốn khung bỏ qua tác dụng của dầm ngang nhằm làm phép tính đơn giản và tăng hệ số dự trữ bền của khung.
2.2.3. Tính khung theo lý thuyết sức bền vật liệu.
Các lực tác dụng lên dầm dọc mà ta đã phân tích ở trên ngoài gây uốn khung còn gây ứng suất cắt khung. Vì vậy việc kiểm tra bền dầm dọc theo uốn khung còn phải xét đến ảnh hưởng của lực cắt.
So sánh ứng suất tổng hợp lớn nhất với ứng suất cho phép để kết luận khung xe đủ bền hay không.
2.3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG KẾT CẤU ĐỂ TÍNH BỀN.
Hiện nay ở nước ta đã sử dụng một số phần mềm tính kết cấu vào việc tính bền khung xe tải, khung xương xe khách và xe con như Catia, SAP90, SAP2000, ANSYS,…Với việc sử dụng các phần mềm tính kết cấu này vào việc tính bền khung xe, nhà thiết kế tính toán có thể xây dựng các mô hình tương đối thật với các giả thiết ngày càng chính xác với thực tế chịu tải của xe. Có thể tính toán khi xe chịu các loại tải ngẫu nhiên. Các loại tải động và mô phỏng quá trình biến dạng.
- Gauss: Dùng tính toán cho mẫu, chi tiết nhỏ và vừa.
- Gradient: Giải quyết tính toán đã được nhớ trước đó, dùng tính toán chi tiết khổng lồ.
- Gauss R6: Dùng phương pháp Gauss một cách nhanh chóng, dùng tính toán cho chi tiết có kích cỡ lớn.
2.3.1. Xây dựng mô hình.
- Để xây dựng mô hình chính xác của khung xe ta chọn phương pháp xây dựng mô hình hình học sau đó chia lưới để tạo mô hình phần tử hữu hạn. Cần chú ý rằng để giải quyết bài toán phần tử hữu hạn chúng ta cần có nút và phần tử chứ không chỉ là mô hình hình học, mô hình hình học không tham gia vào lời giải phần tử hữu hạn.
- Cơ sở của việc tạo lưới trong Catia: Tạo lưới là bước có tính quyết định trong phân tích thiết kế. Quá trình tạo lưới tự động trong Catia sinh ra lưới dựa trên kích cỡ phần tử chung, mức sai lệch và các đặc điểm kiểm soát lưới. Có 2 dạng lưới là dạng tứ diện cạnh thẳng và tứ diện cạnh parabol.
2.3.4. Lấy kết quả và nhận xét.
So sánh kết quả tính toán giữa phương pháp lý thuyết với phương pháp mô phỏng, giữa các trường hợp trong phương pháp mô phỏng với nhau. Rút ra nhận xét và kết luận.
2.4. NHẬN XÉT.
Hiện nay, việc sử dụng các công cụ tin học vào việc tính toán thiết kế ô tô đã đảm bảo tính chính xác, đồng thời giảm bớt thời gian công sức của người thiết kế nhất là với việc tính bền khung xe. Ngoài ra với việc sử dụng các phần mềm tính bền mà một trong những phần mềm mà ngày càng đang được ứng dụng triển khai ở nước ta trong lĩnh vực công nghiệp là phần mềm Catia. Ngoài việc sử dụng phần mềm để tính bền cho khung dưới tác động của tải trọng tĩnh mà ta còn có thể kiểm nghiệm khung dưới tác dụng của tải trọng động với mức độ chính xác cao so với các phương pháp cổ điển mà ta còn có thể kiểm tra va đập của khung xe, công việc mà trước đây khó có thể thực hiện hoặc rất vất vả cho người thiết kế kiểm tra.
CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN CHO KHUNG XE TẢI KHI XE ĐI TRÊN ĐƯỜNG BẰNG PHẲNG
3.1. PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT.
Trên thực tế, khung xe có kết cấu phức tạp, gồm có các dầm dọc và các dầm ngang được liên kết với nhau bằng nhiều loại liên kết như các mối hàn, các mối lắp ghép bằng đinh tán... Rất khó để mô tả chính xác các liên kết này trong phân tích tính kiểm nghiệm độ bền. Song chúng ta có thể tính kiểm nghiệm độ bền khung xe mà vẫn đảm bảo hệ số an toàn cho phép nhờ phương pháp mặt cắt.
3.1.1. Xác định mômen uốn khung.
* Xét đoạn z = 0 ÷ 0,96 (m)
Mx = - 2180,273.z2
Qy = - 3166,667.z – 1193,878.z = - 4360,545.z
* Xét đoạn z = 1,2 ÷ 1,36 (m)
Qy = 20155 – 3800 – 1193,878.z = 16355 – 1193,878.z
* Xét đoạn z = 1,36 ÷ 1,7 (m)
Qy = 20155 – 3800 - 3400 – 1193,878.z = 12955 – 1193,878.z
* Xét đoạn z = 2,26 ÷ 2,66 (m)
Qy = 20155 – 3800 – 3400 – 700 – 1200 – 1193,878.z – 11937,5.(z – 1,7) = 31348,75 – 13131,378.z
* Xét đoạn z = 3,96 ÷ 4,9 (m)
Qy = 20155 – 3800 – 3400 – 700 – 1200 - 1000 + 33995 – 1193,878.z – 11937,5.(z – 1,7) = 64343,75 – 13131,378.z
Từ những tính toán trên ta có biểu đồ Mômen và Lực cắt như hình vẽ.
Ta thu được mômen uốn và lực cắt lớn nhất tại các vị trí trên dầm như sau:
Mx max = 11632,78 Nm tại mặt cắt z = 2,26 m.
Qy max = 21651,5 N tại mặt cắt z = 3,96 m.
3.1.2. Tính toán ứng suất.
- Tính ứng suất uốn:
Tại mặt cắt z = 2,26 m thì:
σu1 = 51,932 . 106 (N/m2) = 51,932 (MPa)
Tại mặt cắt z = 3,96 m thì:
σu2 = 25,893 . 106 (N/m2) = 25,893 (MPa)
- Tính ứng suất cắt:
Tại mặt cắt z = 2,26 m thì:
τ1 = 0,566 . 106 (N/m2) = 0,566 (MPa)
Tại mặt cắt z = 3,96 m thì:
τ2 = 4,270 . 106 (N/m2) = 4,27 (MPa)
Ứng suất cho phép:
Thanh số được: [σ] = 66,667 (MPa)
Do σth max < [σ] nên khung xe đủ bền.
3.2. PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG KẾT CẤU ĐỂ TÍNH BỀN.
3.2.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH.
3.2.1.1. Giả thiết khi xây dựng mô hình.
- Tính khung trong trường hợp chịu tải trọng tĩnh có xét đến hệ số tải trọng động.
- Coi dầm dọc như một dầm đàn hồi có tiết diện không đổi trên suốt chiều dài của dầm.
- Tải trọng của cabin và thùng xe phân bố đều theo chiều dài của 2 dầm dọc. Phản lực từ hệ thống treo lên khung xe tại các mõ nhíp.
3.2.1.2. Xây dựng mô hình.
a. Phân tích chọn phương hướng xây dựng mô hình khung xe tải.
Catia là một chương trình có khả năng vẽ 3D rất tốt, nó cung cấp cho người dùng nhiều công cụ khác nhau để vẽ một vật thể theo nhiều cách khác nhau. Có 2 phương thức chủ yếu để vẽ là tạo một vật thể trong cùng một Part hoặc tạo nhiều chi tiết của vật thể đó thành nhiều Part khác nhau rồi vào Assembly Design để tạo các ràng buộc cho chúng.
c. Các bước vẽ mô hình khung xe tải.
Mô hình khung xe tính kiểm nghiệm gồm có 2 dầm dọc được liên kết với nhau bằng các dầm ngang. Trên 2 dầm dọc này có các giá đỡ để đỡ động cơ, ly hợp và hộp số. Các vị trí mõ nhíp trước, nhíp sau cũng được bắt trên 2 dầm này.
* Xây dựng dầm dọc:
- Từ môi trường Part Design, chọn mặt phẳng xy trên Specification tree, chọn Sketch để đưa về môi trường 2D. Dùng công cụ Profile để tạo mặt cắt ngang của dầm chữ U kích thước 200 x 60 x 6.
* Xây dựng dầm ngang:
- Dầm ngang để nối giữa hai dầm dọc với nhau, vì vậy ta chọn mặt đáy phía trong của dầm dọc để làm mặt phẳng xây dựng Sketch 2D cho dầm ngang. Trong môi trường Sketch, dùng công cụ Profile để xây dựng biên dạng mặt cắt ngang của dầm chữ U kích thước 188 x 60 x 6.
- Tiếp theo, đặt ràng buộc về khoảng cách giữa dầm ngang với trục tọa độ Oxyz (cũng là khoảng cách giữa dầm ngang với mặt đầu của hai dầm dọc). Thực hiện lệnh Insert/ Constraint/ Constraint Creation/ Auto Contraint. Chỉnh khoảng cách cho các cạnh dầm này với trục tọa độ bằng cách click vào các đoạn ghi kích thước 
Hộp thoại Constraint Definition hiện ra:
+ Tất cả các dầm ngang đều có khoảng cách từ cạnh bên tới trục tọa độ Oz là 6 mm. Trong ô Value nhập giá trị 6 mm.
+ Khoảng cách từ cạnh đáy của các dầm ngang tới mặt phẳng xOy lần lượt là 745mm, 2985mm, 3195mm, 3315mm, 3675mm, 3795mm, 4500mm.
* Xây dựng xà Cabin:
- Xà Cabin để nối giữa hai dầm dọc với nhau, vì vậy ta chọn mặt đáy phía trong của dầm dọc để làm mặt phẳng xây dựng Sketch 2D cho xà Cabin. Trong môi trường Sketch, dùng công cụ Profile để xây dựng biên dạng mặt cắt ngang của dầm chữ U kích thước 100 x 46 x 3.
* Xây dựng giá đỡ động cơ:
- Tạo mặt phẳng để vẽ Sketch cho giá đỡ động cơ: Chọn biểu tượng Plane để tạo mặt phẳng. => Hộp thoại Plane Definition hiện ra:
+ Trong ô Plane Type chọn “Offset from plane”.
+ Reference: Ta click vào mặt phẳng xy trong hệ tọa độ gốc.
+ Trong ô Offset ghi giá trị 1310 mm.
- Xuất hiện mặt phẳng mới dùng để vẽ Sketch cho giá đỡ động cơ. Click vào mặt phẳng này và biểu tượng Sketch để chuyển về môi trường vẽ 2D. Trong môi trường Sketch này ta dùng các lệnh Profile, Line, Offset và Trim để tạo một biên dạng 2D cho giá đỡ. Việc thao tác vẽ cũng tương tự như vẽ 2D trong AutoCad. Theo các kích thước như hình dưới đây ta xây dựng biên dạng chiếu đứng cho giá đỡ.
* Xây dựng giá đỡ ly hợp:
- Tạo mặt phẳng để vẽ Sketch cho giá đỡ ly hợp: Chọn biểu tượng Plane để tạo mặt phẳng => Hộp thoại Plane Definition hiện ra:
+ Trong ô Plane Type chọn “Offset from plane”.
+ Reference: Ta click vào mặt phẳng xy trong hệ tọa độ gốc.
+ Trong ô Offset ghi giá trị 1810 mm.
d. Tạo các phân vùng đặt lực cho khung xe tải.
Khung xe tải chịu các lực là trọng lượng động cơ, ly hợp, hộp số, thùng nhiên liệu, các tải trọng cabin, thùng hàng. Đối với động cơ, ly hợp, hộp số và thùng nhiên liệu ta đã tạo các giá đỡ cho chúng, trọng lượng của các cụm này sẽ được đặt trên các giá đỡ trên.
3.2.1.3. Đặt vật liệu cho khung xe tải.
a. Tạo thuộc tính cho vật liệu làm khung xe.
Sử dụng thép C25 để làm vật liệu cho khung xe tải. Trong thư viện của Catia chưa có loại vật liệu này, do đó ta cần tạo loại vật liệu mới này và đặt các thông số cần thiết cho nó như Môđun đàn hồi, ứng suất chảy, hệ số Poatxông, khối lượng riêng...
Từ môi trường Part Design, trên Menu ta chọn Start/ Infrastructure/ Material Library. Trong khung New Family xuất hiện một mẫu vật liệu mới New Material chưa được đặt các thông số. Ta click đúp vào mẫu vật liệu này để đặt thông số của thép C25 cho nó:
- Rendering: Biểu diễn màu sắc và độ sáng của vật liệu.
+ Material size: 100 mm
+ Ambient (độ sáng vật liệu): 0.40
+ Diffuse (độ khuếch tán ánh sáng chiếu tới): 0.40
+ Specular (độ phản chiếu): 0.50
+ Roughness (độ nhám): 0.20
+ Transparency (độ trong suốt): 0.00
- Drawing: Biểu diễn mặt cắt vật liệu.
+ Type: Chọn Hatching.
+ Number of hatching: 1
+ Angle (Góc nghiêng của nét gạch mặt cắt): 60 deg
+ Pitch (mức độ dày của nét gạch): 4 mm
Sau khi đặt xong các thuộc tính cho vật liệu, ta save file chứa các thông số của vật liệu mới này lại với tên “C25.CATMaterial”.
b. Gán vật liệu cho khung xe.
Trong môi trường Part Design, click vào biểu tượng Apply Material.
=> Hộp thoại Library hiện ra, click vào biểu tượng Open để chọn đường dẫn tới file “C25.CATMaterial” vừa mới tạo. Chọn Open, vật liệu này sẽ xuất hiện trong hộp thoại Library.
3.2.2. CÁC BƯỚC TÍNH BỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG.
3.2.2.1. Chia lưới cho khung xe tải.
Để giải được bài toán tính kiểm nghiệm độ bền trong Catia, vật thể cần phải được chia ra thành các phần tử nhỏ hơn bằng cách chia lưới. Các lưới phần tử này sẽ điền đầy vật thể và các lực tác động sẽ coi như tác động lên các nút lưới này. Vì vậy chia lưới là việc đầu tiên phải làm trước khi thực hiện các thao tác kiểm bền cho khung xe.
Từ môi trường Part Design, trên Menu, ta chọn Start/ Analysis & Simulation/ Generative Structural Analysis.
3.2.2.3. Đặt các ràng buộc.
Khi xe hoạt động trên mặt đường bằng phẳng, cả 4 bánh xe đều chạm đất. Khi đó, phản lực từ mặt đường sẽ tác dụng lên khung xe qua hệ thống treo, tại ví trí bắt tai nhíp vào khung xe.
Trên bề mặt xà dọc bên trái, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 0 mm và Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 385 mm, 1535 mm, 3210 mm, 4710 mm. Trên bề mặt xà dọc bên phải, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 860 mm, Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 385 mm, 1535 mm, 3210 mm, 4710 mm.
3.2.2.5. Kết quả, đồ thị và nhận xét.
- Sau khi chương trình đã tính toán cho khung xe xong, ta click vào biểu tượng “Von Mises Stress” để xem kết quả tính toán được hiển thị trong môi trường Analysis.
Von Mises Stress là ứng suất tổng hợp (ứng suất tương đương) được tính toán từ các ứng suất thành phần. Mặc dù ứng suất tổng hợp tại một nút không xác định duy nhất trạng thái ứng suất tại nút này, nhưng nó mang lại thông tin thích hợp để đánh giá mức độ an toàn của thiết kế với nhiều kim loại dẻo.
- Trong quá trình tính toán, chương trình Catia sẽ tính toán cho từng cụm chi tiết, vì vậy kết quả xuất ra thường không theo thứ tự nhất định. Để sắp xếp lại kết quả nhằm lấy những nút trên xà dọc bên trái, trong file TH1.xls ta dùng lệnh Data/ Sort:
+ Sort by: x (mm)
+ Then by: y (mm)
+ Then by: z (mm)
- Kiểm nghiệm bền:
Ứng suất cho phép: [σ] = 66,667 (MPa)
Do σth max < [σ] nên khung xe hoàn toàn đủ bền trong trường hợp hoạt động trên mặt đường tốt.
* Nhận xét:
Theo phương pháp tính lý thuyết, ta có ứng suất tổng hợp lớn nhất trên một xà dọc là 25,97 MPa. Còn với phương pháp mô phỏng, kết quả là 19,1 MPa. Sự sai khác là không nhiều, lý do vì khi tính theo phương pháp lý thuyết, ta đã bỏ qua các xà ngang nên ứng suất trên xà dọc sẽ cao hơn so với bình thường. Như vậy, khi dùng phương pháp mô phỏng tính toán bằng máy, kết quả ra sát với thực tế hơn giúp cho ta có thể chọn loại vật liệu phù hợp hơn mà vẫn đủ bền.
3.3. NHẬN XÉT GIỮA PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG.
Phương pháp lý thuyết sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa kết cấu để tính, vì vậy việc tính toán đơn giản hơn so với việc vẽ mô phỏng hình 3D của vật thể. Do đó kết quả tính toán sai khác với thực tế nhiều hơn so với phương pháp mô phỏng, đồng thời không phản ánh đúng trạng thái chịu lực của xe.
Khi tính toán bằng lý thuyết, do bỏ qua các dầm ngang đỡ và nối 2 xà dọc với nhau nên ứng suất tổng hợp lớn nhất là 25,97 MPa, còn với phương pháp mô phỏng, kết quả là 19,1 MPa. Như vậy việc chọn vật liệu cũng như kích thước dầm theo phương pháp lý thuyết có thể dẫn tới việc thừa bền nhiều, làm hao tốn nguyên vật liệu hơn khi tính với phương pháp mô phỏng.
Từ những nhận xét trên ta kết luận rằng phương pháp mô phỏng có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp tính toán bằng lý thuyết cổ điển.
Trong trường hợp xe đi trên mặt đường bằng phẳng, cả 2 phương pháp tính đều cho kết quả là khung xe đủ bền. Sau đây ta sẽ kiểm bền cho khung xe bằng phương pháp dùng phần mềm mô phỏng kết cấu trong trường hợp xe đi trên mặt đường xấu.
CHƯƠNG IV
TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN CHO KHUNG XE TẢI KHI XE HOẠT ĐỘNG TRÊN ĐƯỜNG XẤU
4.1. TRƯỜNG HỢP MỘT BÁNH XE PHÍA TRƯỚC ĐI LÊN MÔ ĐẤT.
4.1.1. Đặt các ràng buộc.
Ta thay đổi các ràng buộc liên kết ở cụm cầu trước này.
Trên bề mặt xà dọc bên trái, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 0 mm và Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 3210 mm, 4710 mm (không còn phản lực từ mặt đường lên khung xe qua nhíp trước bên trái). Trên bề mặt xà dọc bên phải, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 860 mm, Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 385 mm, 1535 mm, 3210 mm, 4710 mm.
Click vào biểu tượng Clamp, hộp thoại Clamp hiện ra. Ta chọn Support là các vị trí tai nhíp nói trên.
4.1.3. Kết quả, đồ thị và nhận xét.
- Sau khi chương trình đã tính toán cho khung xe xong, ta click vào biểu tượng “Von Mises Stress” để xem kết quả tính toán được hiển thị trong môi trường Analysis.
- Trên Specification tree/ Static Case Solution/ Von Mises Stress ta click chuột phải và chọn “Export Data” để xuất kết quả ra file TH2.xls.
- Trong trường hợp một bánh xe phía trước đi qua mô đất cao, hai xà dọc sẽ chịu ứng suất lớn do khung bị xoắn lệch. Ngoài ra xà đỡ Cabin cũng chịu tải trọng lớn vì lúc này phần đầu xà dọc bên trái lệch thấp hơn xà dọc bên phải, hơn nữa phản lực lên cầu trước dồn sang phía bên phải khiến xà đỡ Cabin bị uốn mạnh. Vì vậy để khảo sát ứng suất nguy hiểm trên khung xe ta sẽ khảo sát ứng suất tổng hợp trên 2 xà dọc và xà đỡ Cabin.
* Nhận xét:
+ So với khi xe đi trên mặt đường bằng phẳng, ứng suất tổng hợp trên xà dọc bên trái tăng mạnh tập trung tại khoảng tọa độ Z từ 2500 mm tới 3200 mm. Lý do vì tại thời điểm bánh xe phía trước bên trái bị nhấc lên khỏi mặt đất, phản lực từ mặt đất lên khung xe qua nhíp trước bên trái mất đi.
+ Giá trị ứng suất lớn nhất là σth max =76,5 . 106 (N/m2) = 76,5 MPa , tại vị trí có tọa độ Z = 3115,7 mm.
Theo như tính toán ở trên, ta có ứng suất cho phép là [σ] = 66,667 MPa. Do σth max > [σ] nên xà dọc trái không đủ bền trong trường hợp này.
=> Phương pháp tăng cứng phù hợp nhất trong trường hợp này là lắp đặt thêm các tấm gia cường tại vị trí có ứng suất vượt quá giới hạn cho phép.
=> C > 1,15
=> δC > 0,9 (mm)
Theo như kết quả tính toán, tấm gia cường chỉ cần có độ dày 1 mm là xà dọc trái đã đủ bền trong trường hợp này. Đó là do xà dọc không chịu ứng suất quá lớn so với ứng suất cho phép, nhờ tính toán ta có thể tiết kiệm tối đa vật liệu gia cường thêm cho khung xe mà khung vẫn đủ bền.
- Lấy các điểm nút nằm trên xà dọc phải, các điểm này đều có tọa độ X = 860, Y = 200 và Z biến thiên từ 0 tới 4900 mm (Bảng 2b – Phụ lục).
* Nhận xét:
+ So với khi xe đi trên mặt đường bằng phẳng, ứng suất tổng hợp trên xà dọc bên phải tăng mạnh tại phần đầu. Lý do vì khi không còn phản lực từ mặt đất lên khung xe qua nhíp trước bên trái, phần lớn tải trọng Cabin đều được đỡ bởi phần đầu của xà dọc bên phải. Do đó ứng suất tổng hợp tại đây tăng lên đột ngột.
+ Giá trị ứng suất lớn nhất là σth max = 51,8 . 106 (N/m2) = 51,8 MPa , tại vị trí có tọa độ Z = 449,9 mm.
Theo như tính toán ở trên, ta có ứng suất cho phép là [σ] = 66,667 MPa. Do σth max < [σ] nên xà dọc phải đủ bền trong trường hợp này.
4.2. TRƯỜNG HỢP MỘT BÁNH XE PHÍA SAU ĐI LÊN MÔ ĐẤT CAO.
4.2.1. Đặt các ràng buộc.
Ta thay đổi các ràng buộc liên kết ở cụm cầu sau này.
Trên bề mặt xà dọc bên trái, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 0 mm và Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 385 mm, 1535 mm (không còn phản lực từ mặt đường lên khung xe qua nhíp sau bên trái). Trên bề mặt xà dọc bên phải, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 860 mm, Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 385 mm, 1535 mm, 3210 mm, 4710 mm.
Click vào biểu tượng Clamp, hộp thoại Clamp hiện ra. Ta chọn Support là các vị trí tai nhíp nói trên.
4.2.3. Kết quả, đồ thị và nhận xét.
- Sau khi chương trình đã tính toán cho khung xe xong, ta click vào biểu tượng “Von Mises Stress” để xem kết quả tính toán được hiển thị trong môi trường Analysis.
- Trên Specification tree/ Static Case Solution/ Von Mises Stress ta click chuột phải và chọn “Export Data” để xuất kết quả ra file TH3.xls.
- Trong trường hợp một bánh xe phía sau đi qua mô đất cao, hai xà dọc sẽ chịu ứng suất lớn do khung bị xoắn lệch.
* Nhận xét:
+ So với khi xe đi trên mặt đường bằng phẳng, ứng suất tổng hợp trên xà dọc bên trái tăng mạnh tập trung tại khoảng tọa độ Z từ 1500 mm tới 2000 mm. Lý do vì tại thời điểm bánh xe phía sau bên trái bị nhấc lên khỏi mặt đất, phản lực từ mặt đất lên khung xe qua nhíp sau bên trái mất đi.
+ Giá trị ứng suất lớn nhất là σth max =34,9 . 106 (N/m2) = 34,9 MPa , tại vị trí có tọa độ Z = 1648 mm.
Theo như tính toán ở trên, ta có ứng suất cho phép là [σ] = 66,667 MPa. Do σth max < [σ] nên xà dọc trái đủ bền trong trường hợp này.
4.3. TRƯỜNG HỢP HAI BÁNH XE BỊ KÊNH: MỘT BÁNH XE TRƯỚC VÀ MỘT BÁNH XE SAU CHÉO NHAU ĐI LÊN MÔ ĐẤT CAO.
4.3.1. Đặt các ràng buộc.
Ta thay đổi các ràng buộc liên kết ở cả 2 cụm cầu trước và cầu sau.
Trên bề mặt xà dọc bên trái, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 0 mm và Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 3210 mm, 4710 mm (không còn phản lực từ mặt đường lên khung xe qua nhíp trước bên trái). Trên bề mặt xà dọc bên phải, các vị trí bắt tai nhíp có cùng tọa độ X = 860 mm, Y = 100 mm. Các tọa độ Z lần lượt là 385 mm, 1535 mm (không còn phản lực từ mặt đường lên khung xe qua nhíp sau bên phải).
4.3.3. Kết quả, đồ thị và nhận xét.
- Sau khi chương trình đã tính toán cho khung xe xong, ta click vào biểu tượng “Von Mises Stress” để xem kết quả tính toán được hiển thị trong môi trường Analysis.
- Trên Specification tree/ Static Case Solution/ Von Mises Stress ta click chuột phải và chọn “Export Data” để xuất kết quả ra file TH4.xls.
- Lấy các điểm nút nằm trên xà dọc trái, các điểm này đều có tọa độ X = 0, Y = 200 và Z biến thiên từ 0 tới 4900 mm (Bảng 4a – Phụ lục).
* Nhận xét:
+ So với khi xe đi trên mặt đường bằng phẳng, ứng suất tổng hợp trên xà dọc bên trái tăng mạnh tập trung tại khoảng tọa độ Z từ 2500 mm tới 3200 mm. Lý do vì tại thời điểm bánh xe phía trước bên trái bị nhấc lên khỏi mặt đất, phản lực từ mặt đất lên khung xe qua nhíp trước bên trái mất đi.
+ So với khi xe đi trên mặt đường bằng phẳng, ứng suất tổng hợp trên xà dọc bên trái tăng mạnh tại vị trí bắt nhíp sau. Lý do vì khi đó không còn phản lực từ mặt đất lên khung xe qua nhíp sau bên phải, phần lớn phản lực lên cầu sau được chuyển sang tác dụng lên xà dọc trái thông qua nhíp sau bên trái.
+ Giá trị ứng suất lớn nhất là σth max = 83,8 . 106 (N/m2) = 83,8 MPa , tại vị trí có tọa độ Z = 3115,7 mm.
Theo như tính toán ở trên, ta có ứng suất cho phép là [σ] = 66,667 MPa. Do σth max > [σ] nên xà dọc trái không đủ bền trong trường hợp này.
Từ bảng 4d và bảng 1d ta có được dạng biến thiên ứng suất tổng hợp trên thanh xà ngang đặt ở cuối đuôi xe:
* Nhận xét:
+ So với khi xe đi trên mặt đường bằng phẳng, ứng suất tổng hợp trên xà ngang cuối xe tăng mạnh tại phần bên trái. Lý do vì khi bánh xe sau bên trái đi lên mô đất cao, phần đuôi xà dọc trái sẽ lệch cao hơn so với đuôi xà dọc bên phải khiến xà dọc phải bị nâng lên theo. Lực nâng này tác động thông qua các xà ngang đặt ở phần sau xe nối giữa 2 xà dọc, đặc biệt là xà ngang cuối xe khiến cho xà này bị uốn mạnh. Do đó ứng suất tổng hợp tại đây tăng lên.
+ Giá trị ứng suất lớn nhất là σth max = 37,9 . 106 (N/m2) = 37,9 MPa , tại vị trí có tọa độ X = 83,3 mm. Do σth max < [σ] nên xà ngang đuôi xe đủ bền trong trường hợp này.
KẾT LUẬN
Trong đồ án “Tính toán và kiểm bền cho khung xe tải tự đổ 3 tấn”, ta đã kiểm nghiệm bền cho khung xe tải bằng cả phương pháp lý thuyết và phương pháp dùng phần mềm mô phỏng kết cấu. Với phương pháp lý thuyết, ta phải sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa kết cấu và cũng chỉ có thể tính kiểm bền cho khung xe trong trường hợp đường tốt. Với phương pháp dùng phần mềm Catia, ta có thể thực hiện công việc kiểm bền ngay với cả điều kiện xe đi trên đường xấu, khi khung xe chịu cả các ứng suất uốn và xoắn.
Chương trình Catia là một chương trình phần mềm được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng và tính toán kết cấu. Sử dụng Catia trong kiểm nghiệm bền khung xe cho ta kết quả tin cậy. Đồ án đã xây dựng được mô hình khung xe cần kiểm nghiệm, đưa vào các trạng thái làm việc sát với thực tế và mô tả được trạng thái làm việc của khung xe trong những điều kiện đó. Qua quá trình kiểm nghiệm trên, ta thấy với kết cấu khung như đã thiết kế thì xe có thể đảm bảo độ bền làm việc khi hoạt động trên đường bằng phẳng. Tuy nhiên khi xe hoạt động trên đường xấu có độ mấp mô cao thì khung xe chỉ đảm bảo độ bền với trường hợp có một bánh xe phía sau đi qua mô đất cao. Với trường hợp xe có một bánh phía trước đi lên mô đất hoặc trường hợp hai bánh xe chéo nhau bị kênh thì khung không đảm bảo được độ bền cần thiết. Để khắc phục, qua đồ thị ta xác định được vị trí trên khung chịu ứng suất nguy hiểm nhằm lắp thêm các tấm gia cường tại vị trí đó.
Đồ án có tính thực tế cao khi ta có thể áp dụng phương pháp kiểm nghiệm trên cho các loại khung, vỏ xe khác nhau như xe con, xe khách, xe tải, đoàn xe... và đưa ra được các kết luận đúng đắn trong thiết kế, cải tiến và nâng cấp xe.
Việc ứng dụng phần mềm công nghiệp vào sản xuất cũng có ý nghĩa kinh tế lớn vì nó giúp cho việc tính toán, thiết kế và kiểm bền cho xe được trở nên nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và nhân lực. Hơn nữa, khả năng xây dựng đồ thị ứng suất trên xe cho phép ta đề ra các phương pháp tăng bền hợp lý. Với trường hợp của xe tải kiểm nghiệm trong đồ án, thay vì sử dụng lại loại vật liệu có ứng suất cho phép cao hơn, hoặc tăng kích thước khung xe tải, ta chỉ cần lắp đặt các tấm gia cường hoặc tạo các gân trợ lực tại một số vị trí xác định là khung xe có thể làm việc tốt với mọi điều kiện địa hình khác nhau. Nhờ đó giảm thiểu việc sử dụng thừa nguyên vật liệu, hạ giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh.
Trong quá trình thực hiện đồ án, bản thân em đã cố gắng rất nhiều, đồng thời được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo : Ths……………… cùng sự giúp đỡ của các bạn bè. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên đồ án vẫn còn những mặt hạn chế nhất định như chỉ dừng ở mức tính toán khung trong điều kiện tải trọng tĩnh có kể đến hệ số tải trọng động. Song đây chính là hướng phát triển tiếp theo của đồ án, tính toán trong trường hợp tải trọng động và đưa ra các phương pháp gia cường cho khung xe. Đồ án có ý nghĩa to lớn trong thời điểm hiện nay của nước ta, khi việc cải tiến nâng cấp xe là chủ yếu và cần thiết.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Cơ sở thiết kế Ô tô.
Tác giả: Nguyễn Khắc Trai.
NXB Giao thông vận tải – 2006.
2. Sức bền vật liệu.
Tác giả: Đặng Việt Cương, Nguyễn Nhật Thăng, Nhữ Phương Mai.
NXB Khoa học và Kỹ thuật – 2003.
3. Thiết kế sản phẩm với Catia P3V5.
Tác giả: Nguyễn Trọng Hữu.
NXB Giao thông vận tải – 2008.
4. Sổ tay vật liệu kim loại.
Tác giả: Bùi Công Lương.
NXB Khoa học và Kỹ thuật – 2001.
5. Trợ giúp của chương trình Catia V5R17.
Hãng Dassault Systems.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"