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

ất giải pháp cải thiện kết cấu v cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu: Đối tƣợng nghi n cứu củ luận án đƣợc lựa chọn là v cầu chủ động ô tô tải DongFeng DV 2.5, tải trọng 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá độ ền tĩnh và ền m i v cầu ô tô tải nh tải trọng 2,45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt N m trong các điều kiện sử dụng cụ thể, bao gồm chuyển động đặc trƣng tr n đƣờng với 4 trƣờng hợp nặng nhọc nhất và chuyển động tr n đƣờng thực với mấp mô ngẫu nhi n th o tiêu chuẩn ISO). Nội dung và bố cục của luận án: Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 phần chính: phần 1: Tổng quan; phần 2: Xây dựng mô hình tính toán và đánh giá độ ền v cầu chủ động ô tô tải; phần 3: Khảo sát đánh giá độ ền v cầu; phần 4: Thí nghiệm xác định tải trọng tác động l n v cầu. Ngoài r c n có phần kết luận và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội ung đƣợc trình ày trong 136 tr ng, trong đó có 23 bảng, 134 hình và đồ thị, 78 tài liệu tham khảo. Phần lớn kết quả của luận án đã đƣợc công bố với 5 ài áo đăng trong các tạp chí trong nƣớc và hội nghị quốc tế. Những kết quả mới của luận án: - Mô hình xác định tải trọng tĩnh và động tác động lên v cầu để đánh giá độ bền của v cầu ở các chế độ làm việc đặc trƣng. - ô hình đánh giá độ bền của v cầu chủ động xe tải nh độ bền phá hủy và độ bền m i). 2 - Qui trình đánh giá độ bền và đề xuất cải tiến kết cấu của v cầu th o hƣớng giảm khối lƣợng vật liệu gia công và giảm tập trung ứng suất trên v cầu. - Phƣơng pháp và thí nghiệm hợp l để đo tải trọng trọng động lên v cầu khi xe chuyển động tr n đƣờng thực. Kết quả so sánh giữa thí nghiệm và mô ph ng với sai số chấp nhận đƣợc. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Luận án đã sử dụng bộ thông số và kết cấu thực của sản phẩm xe tải sản xuất, lắp ráp trong nƣớc, thí nghiệm kiểm chứng đƣợc thực hiện trong điều kiện thực với các thiết bị hiện có tại Việt Nam. - Các đề xuất về cải tiến đƣợc áp dụng trên mô hình v cầu có tham khảo các công nghệ chế tạo hiện đ ng áp dụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới chế tạo thử nhằm giảm chi phí sản xuất thực tế. Ý nghĩa khoa học của luận án: - Xây dựng phƣơng pháp xác định tải trọng động tác động lên v cầu bằng mô hình, làm cơ sở cho việc lựa chọn hợp lý các thông số kết cấu khi tính toán cầu chủ động trong hệ thống truyền lực tại Việt Nam. - Xây dựng đƣợc phƣơng pháp đánh giá độ bền và đề xuất cải thiện kết cấu nhằm n ng c o độ bền của chi tiết, làm cơ sở khoa học để xây dựng các mô hình đánh giá độ bền của các sản phẩm thiết kế, chế tạo trong nƣớc, góp phần hoàn thiện qui trình thiết kế các chi tiết, cụm chi tiết trong cầu chủ động nói riêng và hệ thống truyền lực nói chung. - Luận án có thể đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất ô tô tải tại Việt Nam trong quá trình nghiên cứu phát triển thiết kế mới cũng nhƣ đánh giá độ bền của các chi tiết của ô tô tải cùng loại. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải Trong bối cảnh chung của ngành công nghiệp ô tô Việt N m s u hơn 20 năm x y ựng và phát triển vẫn đ ng sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô nh với công nghệ lạc hậu. Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống cho ô tô, thì cần phải có đầu tƣ chiều sâu, đặc biệt là đầu tƣ cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lƣợng cao. 1. Vỏ cầ chủ động t tải i ộ phận củ cầu chủ động thực hiện một chức năng ri ng, trong đó v cầu chủ động là hộp chứ toàn ộ các chi tiết trong cụm cầu chủ động. V cầu c n thực hiện chức năng củ ầm đ toàn ộ phần trọng lƣợng phí s u củ ô tô và chịu các tải trọng t tƣơng tác ánh x với đƣờng. Vì vậy, kết cấu củ v cầu phải đảm ảo độ ền và đặc iệt là độ cứng vững để không ảnh hƣởng đến điều kiện làm việc củ các ộ phận n trong. 3 Đối với các loại ô tô tải nh , loại v cầu kiểu ầm liền r ng giữ đƣợc sử ụng phổ iến o có kết cấu đơn giản và thuận tiện cho quá trình ảo ƣ ng sử chữ . Hiện n y, đối với v cầu ô tô tải g ng cầu vẫn là loại vật liệu đƣợc sử ụng phổ iến hơn cả. G ng cầu có nhiều chủng loại khác nh u với ứng suất giới hạn nằm trong khoảng 460 - 920 P và giới hạn chảy 310 - 670 P . Giới hạn ền m i củ g ng cầu thƣờng lớn hơn 200 P và số chu k g y m i nằm trong khoảng 106 – 108. V cầu phải chịu tác ụng củ các lực và mô m n t các ánh x chủ động truyền l n c ng với các lực tƣơng tác với hệ thống tr o. Do ô tô tải thƣờng xuy n phải hoạt động tr n đƣờng xấu n n ầm cầu phải chịu tải trọng động iến thi n li n tục với i n độ lớn. 1. Độ ền vỏ cầ v c c phư ng ph p đ nh gi Để đánh giá độ ền v cầu th o phƣơng pháp truyền thống, ngƣời t thƣờng tính toán cho trƣờng hợp đặc trƣng với các tải trọng cực đại. C ng với sự phát triển củ các phần mềm tính toán chuy n ụng, phƣơng pháp tính toán v cầu ằng PTHH đã trở thành công cụ đắc lực cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá độ ền v cầu. Trong nghi n cứu phát triển, ngƣời t thƣờng đánh giá độ ền v cầu ằng phƣơng pháp thực nghiệm. Phƣơng pháp này đ i h i chi phí lớn cho thiết ị đo và mẫu v cầu để thí nghiệm cũng nhƣ thời gi n thực hiện ài và chi phí lớn. 1. C c hướng nghi n cứ về độ ền vỏ cầ chủ động 1. .1 Đ nh gi độ ền th o tải t ọng cực đại Đ y là phƣơng pháp đánh giá đƣợc coi là truyền thống, độ ền củ v cầu đƣợc đánh giá th o các giá trị tải trọng cực đại đạt đƣợc trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng. 1. . Đ nh gi độ ền t ong điề kiện tải t ọng động Phƣơng pháp tính ền tĩnh tr n đ y chỉ ph hợp với ô tô chuyển động ở vận tốc thấp và khối lƣợng không lớn. Khi ô tô chuyển động với vận tốc lớn thì quán tính củ các ộ phận có khối lƣợng lớn sẽ sinh r các tải trọng động có ảnh hƣởng đáng kể đến độ ền phá hủy và độ bền lâu củ v cầu.. 1. . Đ nh gi độ ền mỏi 1 4 3 1 Kích thích t mặt đƣờng g y n n tải trọng động iến thi n li n tục th o thời gi n tác ụng l n v cầu. Hiện n y phƣơng pháp mô tả mấp mô mặt đƣờng ằng hàm ngẫu nhi n đã đƣợc chuẩn hoá th o ti u chuẩn ISO 8608:1995. 1 4 3 2 Để đánh giá độ ền l u củ chi tiết chịu tải trọng lặp có chu k , ngƣời t thƣờng sử ụng đƣờng cong m i đo ằng thực nghiệm c n gọi là đƣờng cong S – N . Các kết quả nghi n cứu thực nghiệm đã cho thấy, số chu k tải tác động tƣơng ứng với giới hạn m i đối với th p và g ng thƣờng nằm trong khoảng t 106 đến 108. 4 1. C c c ng t nh nghi n cứ t ong nước v vấn đề nghi n cứ của l ận n Các công trình nghiên cứu chung về hệ thống truyền lực ô tô cũng c n khá khi m tốn và các công trình nghi n cứu về độ ền m i cũng không nhiều. Việc đánh giá độ ền củ v cầu là rất phức tạp. Trong điều kiện thiếu thốn về cơ sở vật chất, tr ng thiết ị thí nghiệm nhƣ hiện n y thì phƣơng pháp đánh giá ph hợp nhất cho các nhà kho học Việt N m là đánh giá ằng l thuyết. 1.6 Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghi n cứu củ luận án là v cầu chủ động ô tô tải DongF ng DV 2.5, tải trọng 2.45 tấn. V cầu củ ô tô này thuộc loại ầm liền r ng giữ , đ c ằng g ng cầu. 1.7 Nội dung của Luận án 1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu y ựng phƣơng pháp đánh giá độ ền v cầu ô tô tải ằng tính toán l thuyết; khảo sát độ bền và đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu v cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. 1.7. Phư ng ph p nghi n cứu Luận án sử dụng phƣơng pháp nghi n cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình 3D v cầu ô tô tải và khảo sát đánh giá độ ền ằng phần mềm ph n tích kết cấu chuy n ụng; y ựng mô hình động lực học củ ô tô phục vụ cho việc xác định tải trọng động tác ụng l n cầu chủ động trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng; Khảo sát đánh giá độ ền v cầu ằng phần mềm chuy n ụng và đề xuất một số giải pháp cải thiện kết cấu v cầu. - Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ô tô ằng cách đo các lực tác động l n v cầu chủ động khi chuyển động qu mấp mô với các thông số hình học định trƣớc. 1.7.3 Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu, đánh giá độ ền tĩnh và ền m i v cầu ô tô tải nhẹ tải trọng 2,45 tấn trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng s u: Chuyển động tr n đƣờng với các trƣờng hợp: lực k o, lực ph nh và lực th ng đứng cực đại; Chuyển động qu mấp mô đơn ạng sin; Chuyển động tr n đƣờng với mấp mô ngẫu nhi n. 1.7.4 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án gồm: Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 2. y ựng mô hình tính toán và đánh giá độ ền v cầu chủ động ô tô tải Chƣơng 3. Khảo sát đánh giá độ ền v cầu Chƣơng 4. Thí nghiệm xác định tải trọng tác động l n v cầu 5 CHƯƠNG . X Y NG H NH T NH T N V Đ NH GI ĐỘ ỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG X TẢI .1 C c chế độ tải t ọng v phư ng ph p đ nh gi độ ền vỏ cầ 2.1.1 C c tải t ọng t c ụng l n vỏ cầ chủ động của t tải Trong mặt ph ng ng ng hình 2.1 , v cầu chịu tác ụng củ các phản lực t mặt đƣờng FZ21, FZ22 và các lực t nhíp FZn21 và FZn22. Trong mặt ph ng song song với mặt đƣờng hình 2.1 , v cầu chịu tác ụng củ các lực ọc Fx21 và Fx22 lực k o hoặc ph nh và lực t nhíp truyền qu các gối đ Fxn21 và Fxn22. Trong chuyển động qu y v ng có th m các lực ng ng Fy21, Fy22 đặt tại vết tiếp x c ánh x với mặt đƣờng. Đồng thời tại vị trí lắp nhíp sẽ có các lực Fyn21 và Fyn22. Ngoài các lực tr n, v cầu chủ động c n phải chịu mô m n xoắn o tác ụng t mô m n truyền tới cầu chủ động và củ các lực Fx2i tr n án kính ánh x r2 (hình 2.1c). .1. X c đ nh tải t ọng th o phư ng ph p t ền thống kéo . b phanh . . . .1. Tính to n vỏ cầ trên mô hình ng phần mềm ch n ụng 2 1 3 1 trên mô hình 3D Hì 2 1 S ồ ụ a) FZ21 FZ22 FZn21 FZn22 a a 2b2 Fx21 Fx22 Fxn21 Fxn22 b) A C Fy22 Fy21 Fy21 Fy22 Fyn22 Fyn21 Fyn22 Fyn21 c) Fxi r2 Myi 6 Các phần mềm ph n tích kết cấu hiện n y sử ụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán xác định ứng suất tại các phần tử tr n v cầu. Ƣu điểm củ phƣơng pháp tính ền tr n mô hình 3D là cho ph p đặt các tải trọng th o đ ng điều kiện thực tế và xuất r kết quả tại t ng phần tử tr n chi tiết. 2 1 3 2 ụ Các lực và mô m n tác động l n v cầu iến thi n li n tục trong quá trình chuyển động củ ô tô. Để xác định lực và mô m n này cần phải x y ựng mô hình chuyển động tổng quát củ ô tô và tính toán cho các điều kiện vận hành thực tế. Việc x y ựng mô hình chuyển động tổng quát củ ô tô đƣợc mô tả chi tiết trong mục 2.2. 2 1 3 3 Để mô tả hàm kích thích t mặt đƣờng tác động l n các ánh x củ cầu chủ động, ngƣời t thƣờng sử ụng các loại mấp mô khác nh u. uận án sẽ sử ụng h i ạng mấp mô: mấp mô đơn ạng sin và mấp mô th o i n ạng đƣờng ngẫu nhi n đƣợc xác định th o ti u chuẩn ISO 8608:1995. .1. Tính to n ền mỏi vỏ cầ 2.1.4.1 Giới hạn ền m i cũng có thể đƣợc tính th o ứng suất giới hạn củ vật liệu Su (ultimate tensile strength) [66]: ' 0,5e uS S , với Su ≤ 1400 P ; (2.34) ' 700eS  , với Su > 1400 Mpa. Đối với vật liệu ằng g ng : ' 0,4e uS S ([55]) Các kết quả nghi n cứu thực nghiệm 55, 56, 59, 61, 66 cho thấy, đối với g ng và th p, số chu k tải tƣơng ứng với giá trị S’e tr n đồ thị S-N thƣờng nằm trong khoảng 10 6 – 108. 2 1 4 2 Tuổi thọ củ chi tiết phụ thuộc chủ yếu vào 2 thông số củ tải trọng tác động, đó là a và m. Vì vậy, để đánh giá độ ền m i củ chi tiết, ngƣời t thƣờng sử ụng mối qu n hệ giữ h i thông số tr n để đánh giá độ ền m i thông qu các đƣờng đồng tuổi thọ ở giới hạn ền m i (hình 2.6 . ối qu n hệ giữ a và m tạo thành ti u chuẩn đánh giá độ ền m i. 4 ti u chuẩn về bền m i thƣờng đƣợc sử dụng 56 : Ti u chuẩn So r rg, ti u chuẩn Goo m n, ti u chuẩn th o giới hạn chảy và ti u chuẩn G r r. uận án sử ụng phần mềm Hyp r orks để tính toán, ứng suất g y m i e đƣợc xác định th o ti u chuẩn Goo m n: 1a m e uS n      Các giá trị ứng suất a, m đƣợc lấy t kết quả tính toán th o tải trọng động. Giới hạn ền củ Su đƣợc chọn th o vật liệu và hệ số n toàn n đƣợc chọn th o y u cầu thiết kế 61 . 7 2.2 h nh tính to n ền vỏ cầ chủ động ng phần mềm H p Wo k HyperWorks 13.0 là phiên bản mới trong bộ phần mềm CAE của công ty Altair (Mỹ). Trong luận án sử dụng 3 mo ul ƣu việt của HyperWorks 13.0 trong việc tính toán ph n tích độ bền của v cầu: Hyp r sh chi lƣới cấu trúc), OptiStruct (các giải pháp tối ƣu, các ài toán tĩnh và động) và SolidThinking (tối ƣu hó kết cấu). Các ƣớc xác lập mô hình tính toán bền một chi tiết trong HyperWorks về cơ ản cũng nhƣ các phần mềm CAE khác. 2.2.1 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải Trong nghiên cứu này, mô hình 3D của v cầu chủ động ô tô tải đƣợc xây dựng bằng phần mềm Catia (hình 2.7), s u đó đƣợc đƣ vào Hyp r orks 2.2.2 Gán vật liệu HyperWorks cung cấp kho vật liệu lớn đã đƣợc kiểm chứng thực tế. Với v cầu chủ động ô tô tải, vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng là gang cầu. . . Chia lưới Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp chi lƣới đƣợc chọn là kiểu tự động kết hợp với điều chỉnh lƣới bằng tay. Phần tử đƣợc chọn là phần tử tiêu chuẩn tetras có kích thƣớc là 5mm. Mô hình bao gồm 451976 phần tử và 110946 nút. Việc kiểm chứng mô hình chi lƣới đã đƣợc kiểm soát theo các tiêu chuẩn đƣợc đề ra bởi các nhà nghiên cứu phát triển và ứng dụng phần mềm chuyên dụng. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng lƣới đƣợc dựa trên kết quả đánh giá độ lệch của phần tử so với phần tử tiêu chuẩn. . . Đặt ràng buộc Với kết cấu cầu chủ động có bán trục giảm tải hoàn toàn, vị trí gối đ chặn tại 2 đầu v cầu đƣợc mô ph ng bằng ràng buộc dịch chuyển th o 3 phƣơng (vị trí lắp ổ bi). Tại tâm cầu chủ động, mô men xoắn sinh ra t động cơ truyền xuống trong trƣờng hợp xe chuyển động th ng sẽ tác động lên v cầu. Trong trƣờng hợp này, mô men xoắn tác động lên v cầu trong khoảng giữa 2 vị trí đặt nhíp. Do đó trong mô hình mô ph ng, ràng buộc mô men xoắn đƣợc đặt tại tâm cầu. Hình 2.7 Mô hình v c u ch ng xe t i Hình 2.9 Mô hình l i v c u trong HyperMesh v i ph n tử tiêu chuẩ ó c là 5 mm 8 . . Đặt lực Ngoại lực tác dụng lên v cầu là các thành phần phản lực đặt tại vị trí bắt nhíp lên v cầu. Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp tổng quát, tại m i vị trí liên kết giữa v cầu và hệ thống treo (2 bên trái - phải) có 6 thành phần lực và mô men. Đối với ài toán tĩnh lực tĩnh xác định độ bền phá hủy của v cầu, các thành phần lực đƣ vào ƣới các giá trị là hằng số và đƣợc nhập trực tiếp vào mô hình lực. Đối với ài toán động nhƣ trƣờng hợp xe chuyển động tr n đƣờng có mấp mô ngẫu nhiên), các giá trị lực động là các v ctơ th o thời gian thực, ch ng đƣợc nhập vào t các file dữ liệu (ví dụ t xt, xc l, . 2.2.6 Xuất kết quả Sau khi thực hiện quá trình tính toán phân tích bằng phần mềm, kết quả thu đƣợc về chuyển vị và ứng suất tƣơng đƣơng Von is s đƣợc thể hiện ƣới dạng phổ màu. Ngoài ra, kết quả phân tích có thể thu đƣợc thông qua giá trị ứng suất, biến dạng lớn nhất th y đổi theo thời gian ài toán động). 2.3 Xây dựng mô hình tính toán tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu 2.3.1 Phư ng ph p xâ ựng mô hình ô hình xác định các tải trọng động tác dụng lên v cầu trong trƣờng hợp xe chuyển động tr n đƣờng đƣợc xác định t mô hình động lực học của xe tải 2 cầu. Sử dụng mô hình động lực học có thể xác định đƣợc tải trọng động lên v cầu trong nhiều trƣờng hợp chuyển động củ x khi đi tr n đƣờng. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phƣơng pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật để thiết lập mô hình động lực học. 2.3.2. Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết Luận án sử dụng các giả thiết sau trong quá trình mô tả động lực học của xe tải 2 cầu: 1. ô hình động lực học không gian tổng quát; 2. Mô hình ô tô tải nhẹ 2.45 tấn có 2 trục (cầu sau chủ động là đối xứng theo trục dọc của xe; 3. Th n x đƣợc coi nhƣ một tấm ph ng có khối lƣợng M đặt tại trọng t m. Trong trƣờng hợp tổng quát, thân xe có 6 chuyển động (6 bậc tự do) bao gồm: 3 chuyển động tịnh tiến theo các trục x (trục dọc), y (trục ngang), z (trục th ng đứng và 3 góc xo y tƣơng ứng:  (góc lắc dọc - quay quanh trục y),  (góc lệch bên - quay quanh trục z),  (góc lắc ngang - quay quanh trục x); 4. Các cầu xe (cầu trƣớc - 1, cầu sau - 2) là các khối lƣợng không đƣợc tr o đƣợc coi nhƣ các thanh ph ng, có khối lƣợng mA1, mA2 đặt tại trọng tâm của chúng. M i cầu xe có 3 chuyển động tịnh tiến: theo trục dọc (x1, x2), theo trục ngang (y1, y2), theo trục th ng đứng (A1, A2) và 1 chuyển vị góc lắc ngang quanh trục dọc (A1, A2). B qua góc xoay của cầu xe theo trục th ng đứng và trục ngang; 5. Th n x đƣợc nối với các cầu xe thông qua hệ thống tr o đặc trƣng ởi các độ cứng 9 Cij và hệ số cản giảm chấn Kij). (chỉ số i: 1 – trƣớc; 2-sau; chỉ số j: 1-trái; 2-phải); 6. Cầu xe liên kết với mặt đƣờng bằng ánh x đàn hồi, đặc trƣng ởi độ cứng CLij; 7. B qua thành phần cản trên lốp; 8. B qu tác động củ gió đến chuyển động của xe. Với các giả thiết cấu tr c nhƣ vậy thì mô hình động lực học xe tải có thể đƣợc mô tả theo các thể hiện nhƣ tr n hình 2.14. Hình 2.14 Mô hình không gian xe t i Nhƣ vậy, mô hình cấu trúc của xe tải sẽ có 14 tọ độ suy rộng (14 bậc tự do) bao gồm: 6 bậc tự do mô tả chuyển động của thân xe - khối lƣợng đƣợc treo (x, y, z, , , ), 2 bậc tự do mô tả cầu trƣớc (cầu thứ 1) - khối lƣợng đƣợc treo 1 (A1, A1), 2 bậc tự do mô tả cầu sau (cầu thứ 2) - khối lƣợng đƣợc treo 2 (A2, A2) và 4 bậc tự do mô tả góc quay của bánh xe (11, 12, 21, 22). 2.3.3 Thiết lập hệ phư ng t nh vi phân m tả động lực học của xe Hệ phƣơng trình vi ph n mô tả động lực học của xe tải đƣợc xây dựng nhờ phƣơng pháp tách vật và đặt các ngoại lực lên t ng vật là các phản lực liên kết giữa các vật, s u đó sử dụng nguy n l D'Al m rt để thiết lập các phƣơng trình vi ph n mô tả chuyển động của t ng vật theo các tọ độ suy rộng. Hệ phƣơng trình vi ph n tổng quát mô tả động lực học của xe tải 2 cầu nhằm xác định các tải trọng động lên v cầu đƣợc mô tả ở hệ (2.84) bao gồm 14 phƣơng trình vi ph n. 10 11 11 12 12 21 21 22 22 11 11 12 12 11 11 12 12 21 22 11 11 12 12 11 11 12 12 21 22 Z 1 11 11 11 cos cos sin sin cos cos sin sin ( cos sin C K C K C K C K x x y y x x y y x x y y x y Mz F F F F F F F F Mx F F F F F F M y My F F F F F F M x J b F F                                            11 11 11 12 12 2 21 22 2 21 22 1 11 11 12 12 11 11 12 12 1 11 11 12 12 2 21 21 22 22 ' ' 11 12 21 22 1 11 12 2 21 cos sin ) ( ) ( ) ( cos cos sin cos ) ( ) ) ( )( x y x x y y y y x x y C K C K C K C K g x x g x F F b F F l F F l F F F F J l F F F F l F F F F M M M M h r F F h r F                                    ' '22 1 1 2 11 ) c x x C11 K11 C12 K12 1 C21 K21 C22 K22 2 A A CL11 CL12 KL11 KL12 C11 K11 C12 K12 Ax1 A1 C12 K12 C11 K11 1 CL11 KL11 CL12 KL12 y F J β = (F +F - F - F )w +(F +F - F - F )w m = (F + F F + F (F + F + F + F ) J β = (F +F - F - F )w +(F +F - F - F )b + ( F       11 12 12 11 11 12 12 1 2 2 2 os cos sin siny x x A A CL21 CL22 KL21 KL22 C21 K21 C22 K22 ' ' Ax2 A2 C22 K22 C21 K22 2 CL21 KL21 CL22 KL22 2 y21 y22 Ayij ij ij xij zij F F F )r m = (F + F + F + F )-(F + F - F - F ) J β = (F +F - F - F )w +(F +F - F - F )b +(F +F )r J φ = M - F + fF r         (2.84) 1,2; 1,2ij i j                           Trong đó, các lực liên kết hệ thống tr o đƣợc xác định theo mô hình hệ thống tr o nhƣ s u:         11 11 11 11 C11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 F n n dyn dyn t n dyn dyn t t dyn dyn K C z f khi z f C z khi f z f C z f khi z f F K z                                  (2.61) Mô hình lốp dạng phi tuyến theo hàm mẫu Ammonn [15-17, 19], các phản lực dọc Fx, ngang Fy đƣợc tính t mô hình tích hợp: 2 2 2 2 ,max ,max ,max 2 2 2 2 ,max x,max ,max ( , ) ( ) ( ) (s , ) ( ) ( ) x x x x x z x x x x x y x y z y s s F s F t f s s s s F F t f                   (2.76) Các phản lực Fzij đƣợc xác định theo các thông số động học tính đƣợc t mô hình o động bánh xe thứ ij: t CLij KLij Gij ij Aij ij zij t ij Aij ij F + F + F khi h - ξ - f 0 F = 0 khi h - ξ - f <0            (2.78) 11   ij t Lij ij Aij ij Aij ij CLij t t z ij Aij ij C h - ξ khi h - ξ - f 0 F = F khi h - ξ - f <0            (2.79) CHƯƠNG . HẢ T Đ NH GI ĐỘ ỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI .1 Tính to n x c đ nh c c tải t ọng đặc t ưng t c động l n cầ chủ động t 3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Dongfeng 2.45 tấn Xe tải ben Dongfeng 2.45 tấn là dòng xe liên doanh giữa công ty Việt Trung và tập đoàn Dongfeng Trung Quốc. Trong luận án, các thông số về khối lƣợng, kích thƣớc đƣợc tham khảo t catalog của nhà sản xuất và đo trực tiếp tr n x . Các mô m n quán tính đƣợc tính gần đ ng th o phƣơng pháp khối hộp đồng chất. Các thông số của hệ thống treo, nhíp độ cứng, hệ số cản giảm chấn đƣợc tham khảo [4, 19]. .1. C c chế độ tính bền theo tải trọng cực đại Trong nghiên cứu khảo sát này, 4 chế độ tính bền tĩnh với tải trọng cực đại (xem mục 2.1.2) đƣợc sử dụng với mục ti u xác định độ bền của v cầu và so sánh với kết quả tính truyền thống. .1. Tính to n x c đ nh tải t ọng động Các trƣờng hợp khảo sát tải trọng động trong bao gồm: Xe chuyển động th ng trên đƣờng đi qua mấp mô có định dạng; Xe chuyển động th ng tr n đƣờng mấp mô (theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995). 3 1 3 1 ó ấp mô đơn ạng sin đƣợc sử ụng trong khảo sát o có kết cấu đơn giản cũng nhƣ ễ thực hiện thí nghiệm để kiểm chứng. Trong nghiên cứu này, chiều c o củ mấp mô hình sin đƣợc sử dụng với chiều cao mấp mô cực đại Hm = 0.04m; chiều dài mấp mô Lm = 0.5m. 3 trƣờng hợp khảo sát với mấp mô định dạng bao gồm: Mấp mô đơn đều 2 bên bánh xe; Mấp mô đơn đặt 1 bên bánh xe; Mấp mô đơn đặt lệch 2 bên bánh xe. Các kết quả khảo sát là các thành phần lực dọc (Fx2i, i = 1, 2) và lực th ng đứng (Fz2i, i = 1, 2 đặt lên v cầu. Các kết quả này sẽ ng để so sánh với mô hình thí nghiệm kiểm chứng chƣơng 4 . Ngoài r , trong nghiên cứu này cũng đánh giá về giá trị cực đại của các tải trọng động (max(Fx2i), max(Fz2i)). Kết luận: Các khảo sát về ảnh hƣởng của vận tốc đến tải trọng động tác động lên v cầu trong trƣờng hợp x đi qu mấp mô có định dạng nhằm mục ti u xác định tính đ ng đắn của mô 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 x (m) h ( m ) Hình 3.1 M p mô m ng: mô t theo chi u dài 12 hình. Khi vận tốc tăng, giá trị của các tải động tăng ph hợp đ ng qui luật. Khi mấp mô 2 bên mặt đƣờng đều nhau, chỉ xuất hiện thành phần lực dọc và lực th ng đứng. Khi chỉ có mấp mô một bên vết bánh xe, xuất hiện lực ngang và lực th ng đứng biến đổi nhiều ở bên vết có mấp mô. Trƣờng hợp mấp mô 2 bên mặt đƣờng khác nhau cho thấy sự xuất hiện và lệch ph đ ng qui luật của các thành phần lực dọc, lực ngang và lực th ng đứng. Hình 3.2b T i tr ng c i d c (m u 2 bên bánh xe) Hình 3.3b T i tr ng c i th ng (m u 2 bên bánh xe) 3.1.3.2 Xe chuy ng th ng m p mô theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 Hình 3.11b M p mô m ng E-F (v = 40 km/h) Hình 3.12b T i tr c Fx2i ( = 40 / , ng E-F) Hình 3.13b T i tr th ng ng Fz2i (v = 40 km/h, ng E-F) Hình 3.14b T i tr ng c i theo th ng 30 40 50 60 0 1000 2000 3000 4000 5000 v (km/h) m a x (F x 2 2 ) (N ) 30 35 40 45 50 55 60 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 x 10 4 v (km/h) m a x (F z 2 2 ) (N ) 0 5 10 15 20 25 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 t (s) h ( m ) E-F 0 5 10 15 20 25 -5000 0 5000 t (s) F x 2 i (N ) Fx2i 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 x 10 4 t (s) F z 2 i (N ) Fz2i 30 35 40 45 50 55 60 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 x 10 4 v (km/h) m a x (F z 2 i) ( N ) Duong B-C Duong C-D Duong D-E Duong E-F 13 ấp mô mặt đƣờng đƣợc mô tả theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 (phần 2.1 đƣợc sử ụng trong khảo sát tiếp theo nhằm xác định ảnh hƣởng của tải trọng động tr n mô hình đƣờng thực. Trong nghiên cứu này, 4 loại đƣờng theo ISO 8608:1995 đã đƣợc khảo sát (B-C đƣờng tốt), đƣờng C-D đƣờng trung ình , đƣờng D-E đƣờng xấu và đƣờng E-F đƣờng rất xấu)). Mấp mô mặt đƣờng đƣợc đặt đều trên 2 vết bánh xe, xe chuyển động th ng. Hình 3.11b mô tả mấp mô mặt đƣờng E-F theo hàm thời gian. Kết quả lực dọc tại một bên nhíp khi xe chạy với vận tốc v = 40 km/h tr n đƣờng tiêu chuẩn E-F đƣợc thể hiện trên hình 3.12b. Lực th ng đứng tác động tại vị trí đặt 1 bên nhíp trên v cầu (xe chạy với vận tốc v = 40 km/h tr n đƣờng tr n đƣờng E-F thể hiện trên hình 3.13b. Hình 3.14b mô tả sự th y đổi của giá trị cực đại của lực th ng đứng theo vận tốc trên các loại đƣờng khảo sát. Các kết quả trên hình 3.14b cho thấy: với cùng 1 loại đƣờng, khi vận tốc chuyển động củ x tăng l n, giá trị lực dọc tăng và lực th ng đứng động cũng tăng. Kết quả này mô tả đ ng hiện tƣợng vật lý củ ô tô khi tăng tốc. Với cùng 1 giá trị vận tốc, khi chất lƣợng mặt đƣờng xấu đi, mấp mô bề mặt tăng l n, các giá trị tải trọng động cũng tăng. Kết luận chung: Các khảo sát về tải trọng động tác động lên v cầu chủ động xe tải nh trong nhiều trƣờng hợp cho ph p đánh giá mô hình xác định tải trọng động tác động lên v cầu. Các giá trị và quy luật biến đổi của các thành phần lực động (lực dọc, lực th ng đứng, lực ngang) đã phản ánh đ ng các quy luật thực tế khi xe chạy tr n đƣờng. Mặt khác, các khảo sát về tải trọng động cho thấy giá trị giới hạn củ nó chƣ vƣợt quá giá trị củ ch ng trong các trƣờng hợp tiêu cực 4 trƣờng hợp tính toán độ bền của v cầu khi chịu các tải trọng tĩnh cực đại). Tuy nhiên, chế độ tải trọng động chính là thông số đầu vào cho ài toán xác định độ bền m i của v cầu khi chạy tr n đƣờng. 3.2 Phân tích kết cấ v đ nh gi độ bền của vỏ cầu chủ động . .1 Đ nh gi độ bền phá hủy của vỏ cầu ở c c t ường hợp ch u tải trọng tĩnh lớn nhất Dựa trên các kết quả tính toán khảo sát đã trình ày ở phần 3.1, có thể thấy rằng tải trọng đặt lên v cầu đạt các giá trị lớn nhất trong 4 trƣờng hợp "cực đo n". Chính vì vậy, trong nội ung ph n tích đánh giá độ bền v cầu chủ động, các chế độ tải trọng trong các trƣờng hợp nêu trên là cần thiết. Kết quả của việc ph n tích này cho ph p đánh giá độ bền (thông qua giá trị ứng suất) trên toàn bộ kết cấu v cầu cũng nhƣ là cơ sở để cải thiện kết cấu của v cầu. Các trƣờng hợp khảo sát bao gồm: chuyển động th ng với lực k o cực đại (TH1); chuyển động th ng với lực ph nh cực đại (TH2); Qu y v ng với lực ng ng cực đại (TH3); chuyển động tr n đƣờng xấu với phản lực th ng đứng cực đại (TH4). Kết luận: S u khi ph n tích các trƣờng hợp đặt lực tr n mô hình ài toán tĩnh, có thể nhận thấy ứng suất chủ yếu tập trung tại các khu vực có gờ hoặc các góc cạnh của v cầu, tuy nhiên ứng suất lớn nhất trên v cẩu xảy r trong trƣờng hợp 4 (chuyển động tr n đƣờng xấu với lực th ng đứng cực đại , đạt giá trị gần 207 MPa. Giá trị ứng suất này vẫn nh hơn so với ứng suất cho phép của vật liệu gang cầu là 490 MPa nên v cầu chƣ ị phá hủy. Tuy nhiên, nhiều 14 vùng trên v cầu th a bền nhiều, o đó phƣơng án đƣợc đề xuất là thiết kế cải tiến mô hình v cầu tr n cơ sở giảm bề dầy v cầu, tăng có góc lƣợn tại các bề mặt có tập trung ứng suất. Hình 3.34 K t qu chuy n v v c u và v trí có giá tr l n nh t (TH4) Hình 3.35 Ứng su t tổng h p Von Misses trên v c m có giá tr l n nh t (TH4) . . Đề xuất cải tiến kết cấu vỏ cầ th o hướng giảm khối lượng và tập trung ứng suất Mục tiêu của cải tiến thiết kế v cầu là giảm khối lƣợng v cầu và giảm các vùng tập trung ứng suất bằng cách tạo khoét rộng hoặc đắp thêm, tạo các góc lƣợn, tăng g n chịu lực nhằm phân bố lại ứng suất đều trên toàn bộ v cầu nhƣng vẫn đảm bảo điều kiện bền tĩnh và các tính năng làm việc của v cầu chịu tải hoàn toàn. Hình 3.40 Phân bố l i ng su t trên toàn b v c u v i hệ số an toàn bằng 3 Với mục tiêu tối ƣu khối lƣợng v cầu với các điều kiện ràng buộc về độ cứng vững lớn nhất và hệ số an toàn nh nhất là 3, quá trình tối ƣu v cầu đã đƣợc mô ph ng bằng phần mềm HyperWorks với mô đun Soli Thinking, kết quả tối ƣu nhƣ hình 3.40. Một số vị trí có hệ số an toàn lớn đƣợc đề xuất giải pháp cắt b khối lƣợng tại các vị trí đó: phần tâm v cầu, phần mo y ơ ph nh, đầu các ổ bi và moay ơ, 15 Hình 3.41 Các vùng vật liệu th a b ã ã c cắt g t d a trên phân tích mô hình ng su t tổng h p và hệ số an toàn trên v c u Mô hình v cầu sau tối ƣu hoàn toàn ph hợp với kết quả khảo sát ứng suất tổng hợp trên v cầu. Tuy nhi n, để đảm bảo giữ nguyên kết cấu n ngoài cũng nhƣ tính năng hoạt động của v cầu, NCS đã thiết kế lại chi tiết v cầu để đảm bảo hình áng cũng nhƣ chức năng của nó. Các đề xuất cải tiến kết cấu v cầu trong t ng v ng nhƣ s u: 1) Phần v giữa, ứng suất tập trung chủ yếu ở vành tròn nên mô hình cải tiến thử nghiệm làm m ng phần giữ đi t 10mm còn 5mm và vát phần góc để tăng cứng vững cho vùng tập trung ứng suất. a) Ứng suất tại vòng v giữa trên mô hình v cầu nguyên bản b) Kết cấu vùng v giữa của v cầu nguyên bản c) Kết cấu vùng v giữa sau cải tiến Hình 3.42 C i ti n vùng v giữa 2 V ng đặt bó quang nhíp, ứng suất tập trung rất thấp nên vật liệu có thể khoét b , thành dày 10mm, đƣợc vát ở các góc để tăng cứng vững 3) Vùng chuyển tiếp gần mo y ơ đƣợc làm trơn để giảm tập trung ứng suất, phần tiết diện đƣợc làm nh đi, đảm bảo lƣợng vật liệu cần ng không đổi 4) Vùng ít tập trung ứng suất sát khu vực lắp ổ bi: Vùng này tập trung ứng suất ít nên có thể làm nh tiết diện lại, đồng thời tạo vát ở vùng chuyển tiếp tránh tập trung ứng suất 5) Khoét b bớt vật liệu ở vùng tập trung ứng suất ít ở mặt đầu v cầu 6) Phần v chuyển tiếp giữa phần v cacte và phần chứa các bán trục đƣợc làm hẹp lại và tạo 16 vát để dồn vật liệu về nơi có ứng suất tập trung lớn. Phía bên trong v đã đƣợc vát nhƣ đã nói ở tr n n n độ cứng vững vẫn đƣợc đảm bảo 7) Phần v sát với khu vực bắt nhíp đƣợc làm hẹp lại và tạo vát để dồn vật liệu về nơi có ứng suất tập trung lớn. Phía bên trong v đã đƣợc vát nhƣ đã nói ở tr n n n độ cứng vững vẫn đƣợc đảm bảo S u khi đã cải tiến với các góc cạnh sử đổi nhƣ tr n, v cầu sau cải tiến đƣợc dựng lại ở mô hình 3D nhƣ hình 3.50. Khối lƣợng của v cầu sau cải tiến là 65.59 kg, so với khối lƣợng v cầu cũ 93.35 kg, nhƣ vậy đã giảm gần 29.7% khối lƣợng vật liệu v cầu. . . Đ nh gi lại độ bền phá hủy của vỏ cầu sau khi cải tiến Sau khi cải tiến mô hình, v cầu đã đƣợc tính toán kiểm tr độ bền trong các trƣờng hợp đặt lực giống nhƣ mô hình nguy n ản. Có thể nhận thấy ứng suất tập trung tại các khu vực có gờ hoặc các góc cạnh của v cầu đã giảm, các điểm tập trung ứng suất đã chuyển sang các vùng có bề dầy m ng hơn. . . Đ nh gi độ bền của vỏ cầu ưới t c động của tải trọng động Các chế độ tải trọng động là thƣờng xuyên xuất hiện khi xe chạy tr n đƣờng, chúng có thể g y n n độ bền m i. Do đó việc xác định độ bền phá hủy vẫn cần tính toán khảo sát trong trƣờng hợp này. Ở đ y, chế độ tải trọng động khi xe chạy th ng tr n đƣờng xấu (D-E) và rất xấu (E-F) theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 đƣợc chọn để khảo sát. Việc đánh giá này đƣợc thực hiện với cả mẫu v cầu nguyên bản và mẫu v cầu sau cải tiến. B ng 3.9 So sánh các giá tr m tập trung ng su ng l n nh t trên mô hình v c u nghiên c u trong 2 lo i m ng ngẫu nhiên D-E và E-F Mô hình Nguyên bản Cải tiến Khối lƣợng (kg) 93,359 65,596 Loại đƣờng Đƣờng D-E Đƣờng E-F Đƣờng D-E Đƣờng E-F Số hiệu phần tử 292317 292317 444690 4449690 ỨS max (MPa) 204 315 202 396 Trong nghiên cứu này, chế độ tải trọng động đƣợc chọn khi xe chạy với vận tốc v = 40 km/h, đ y là vận tốc xe tải thƣờng sử dụng khi chuyển động tr n đƣờng. Kích động t mấp mô mặt đƣờng đƣợc lựa chọn trên hai loại đƣờng xấu (D-E) và rất xấu (E-F) theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Hình 3.50 Mô hình v c u sau khi c i ti n 17 Kết luận: Việc ph n tích ái toán động trên hai mô hình v cầu trƣớc và sau khi cải tiến cho thấy có sự cải thiện rõ rệt, đầu tiên là khối lƣợng của chi tiết đã giảm t 93,35 kg xuống còn 65,59 kg (giảm 29,7%), mặt khác, ứng suất đƣợc phân bố đều trên toàn bộ chi tiết và ứng suất lớn nhất tập trung lớn nhất trên v cầu cải thiện đã giảm so với trƣớc. Vị trí các điểm tập trung ứng suất o đó đã ịch chuyển sang vị trí khác. Tuy vẫn nh hơn ứng suất cho phép, nhƣng kết quả 396 MPa vẫn là một giá trị ứng suất khá cao, do đó cần thiết phải tiếp tục cải tiến kết cấu v cầu th o hƣớng cải thiện độ bền m i. . . Đ nh gi độ bền mỏi của vỏ cầu và cải thiện kết cấu 3.2.5.1 Phân tích bài toán m i c a v c u trong ph n m m chuyên dụng HyperWorks Phân tích bài toán m i trong phần mềm Hyp r orks cũng ựa trên lý thuyết m i đƣ r ở phần 2.1. 3.2.5.2 K t qu phân tích bài toán m i c a v c u Việc đánh giá độ bền m i của cả v cầu nguyên bản và v cầu sau cải tiến kết cấu đƣợc thực hiện trong trƣờng hợp tải trọng động lớn với chế độ thƣờng xuyên hoạt động củ x trƣờng hợp x đi tr n đƣờng rất xấu). Các chế độ mấp mô mặt đƣờng khảo sát là loại đƣờng D-E và E-F theo tiêu chuẩn ISO 8606:1995. Các tải trọng động tác động lên v cầu khi xe chạy trên đƣờng đƣợc xác định t mô hình động lực học. Hình 3.70 Số chu kỳ m i trên mô hình nguyên b n , v i lo ng E-F Hình 3.71 Số chu kỳ m i trên mô hình c i ti n l n 1, v i lo ng E-F Kết quả tổng hợp về nghiên cứu độ bền m i đối với mô hình v cầu đƣợc thể hiện trong bảng 3.13. Khi xe chạy tr n đƣờng D-E, đối với cả 2 mẫu v cầu trƣớc và sau khi cải tiến, số chu k m i tại mọi điểm trên v cầu đều lớn hơn 106. Khi xe chạy tr n đƣờng E-F, với mẫu nguyên bản, số chu k m i tại mọi điểm trên v cầu đều lớn hơn 106, nên có thể coi là v cầu 18 đủ độ bền m i (hình 3.70). Với mô hình cải tiến lần 1, điểm m i đồng thời cũng là điểm tập trung ứng suất lớn nhất ở phần tử số 444690 (hình 3.71), có số chu k m i là 5.468.105, nhƣ vậy theo lý thuyết là không đủ độ bền m i. B ng 3.13 So sánh số chu kì b n m i trên mô hình v c u nguyên b n, c i ti n l n 1 và c i ti n l n 2 v i 2 lo i m ng ngẫu nhiên D-E và E-F Mô hình Nguyên bản Cải tiến lần 1 Cải tiến lần 2 Khối lƣợng (kg) 93,35 65,59 67,15 Loại đƣờng D-E E-F D-E E-F D-E E-F Vị trí điểm m i nh nhất 374998 374998 444690 444690 261082 261082 Số chu kì nh nhất 2.428x10 8 3.431x10 6 2.78x10 8 5.468x10 5 8,318x10 8 6.318x10 6 Nhƣ vậy là v cầu sau cải tiến lần 1 đã cải thiện về độ bền m i (số chu k , nhƣng vẫn xuất hiện điểm m i ở phần tử 444690. Do đó, cần tiếp tục cải tiến kết cấu. Để thực hiện mục tiêu này, trong cải tiến lần 2, khu vực qu nh điểm m i 444690 (hình 3.72 đƣợc tăng ền bằng cách tăng án kính củ góc lƣợn. Góc lƣợn tại vị trí tập trung ứng suất đƣợc điều chỉnh tăng dần t 25mm đến 30mm, với mục đích tăng số chu kì m i củ mô hình vƣợt giới hạn chu kì m i là 106 lần. Hình dáng tổng thể của mô hình sau cải tiến lần 1 và lần 2 thể hiện trên hình 3.72b và 3.72c. a) V trí tập trung ng su t b) Mô hình c i ti n l n 1 c) Mô hình c i ti n l n 2 Hình 3.72 C i ti ó n t i v trí tập trung ng su t Sau cải tiến lần thứ 2, o tăng th m kích thƣớc tăng vật liệu) cho v cầu nên ko cần kiểm nghiệm lại độ bền phá hủy với ài toán tĩnh và ài toán động, mà chỉ cần kiểm nghiệm lại với bài toán m i. Kết quả tổng hợp thể hiện trong bảng 3.13 và hình 3.73. Hình 3.73 thể hiện số chu k m i trên mô hình cải tiến lần 2 và bảng 3.13 thể hiện kết quả so sánh về số chu k m i trên các mô hình nguyên bản, cải tiến lần 1 và cải tiến lần 2 khi xe chạy với các loại đƣờng D-E và E-F theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Sau khi cải tiến lần 2, số 19 chu kì m i đã đạt đƣợc đến 6.318x106. Số chu kì m i này đã đạt yêu cầu đƣợc đặt r n đầu trƣớc khi cải tiến mô hình th o độ bền m i. So với mô hình v cầu nguyên bản (93, 35 kg) thì khối lƣợng v cầu cũng đã giảm đáng kể (giảm 28%). Hình 3.73 Số chu kỳ m i trên mô hình c i ti n l n 2, v i lo ng E-F 3.3. Kết luận chư ng Những kết quả điển hình đạt đƣợc đã trình ày ở chƣơng 3 bao gồm: - Tính toán các tải trọng cực đại tác động lên v cầu trong các bài toán kiểm bền tĩnh. - Tính và khảo sát ảnh hƣởng của các thông số sử dụng đến các tải trọng động tác dụng lên v cầu. Các kết quả cho thấy các quy luật phù hợp với lý thuyết động lực học. - Các kết quả khảo sát tải trọng động với các điều kiện sử dụng khác nhau cho thấy, về mặt giá trị thì các tải trọng này không vƣợt quá 4 trƣờng hợp "cực đo n". Do đó, để an toàn khi thiết kế thì có thể sử dụng mô hình kiểm bền tĩnh. Tuy nhi n, việc khảo sát tải trọng động t mô hình động lực học khi xe chạy trong các trƣờng hợp cụ thể cho ph p đánh giá độ bền m i của v cầu. - Kết quả kiểm bền tĩnh cho thấy ứng suất trên v cầu xe tải còn nh hơn nhiều so với giới hạn cho phép của vật liệu. Do đó có thể cải thiện kết cấu để giảm nhẹ khối lƣợng vật liệu và phân tán vùng tập trung ứng suất. Trong nghiên cứu cải thiện kết cấu lần thứ nhất, 7 vùng tập trung ứng đã đƣợc can thiệp cải tiến, t đó đã giảm đƣợc 29,7% khối lƣợng vật liệu chế tạo và ph n đều giá trị ứng suất trên toàn miền của v cầu. - Đánh giá độ bền m i của v cầu khi xe chạy trên 2 loại đƣờng xấu đƣờng D-E) và rất xấu đƣờng E_F) theo tiêu chuẩn ISO. Kết quả cho thấy, sau cải tiến lần 1, v cầu chƣ đảm bảo độ bền m i khi x đi tr n đƣờng E-F. Do đó, trong cải tiến kết cấu lần thứ 2, vùng kết cấu xung qu nh điểm m i đã đƣợc tăng vật liệu tăng án kính góc lƣợn). Kết quả là số chu k m i nh nhất trên v cầu đã đạt yêu cầu (lớn hơn 106 chu k ). Khối lƣợng vật liệu chế tạo v cầu sau cải tiến lần 2 giảm đƣợc 28% so với mẫu v cầu nguyên bản. CHƯƠNG . NGHIÊN CỨU TH C NGHIỆM 4.1 Mục đích, đối tượng và các thông số đo 4.1.1 Mục đích thí nghiệm 20 Mục đích của thí nghiệm là đo phản lực mặt đƣờng tác dụng lên v cầu chủ động trong quá trình x đi qu mấp mô tiêu chuẩn, tr n cơ sở đó tính toán ứng suất tác dụng lên cầu xe. Kết quả thí nghiệm đƣợc so sánh với kết quả tính toán lý thuyết để kiểm chứng mô hình mô ph ng của luận án. .1. Đối tượng thí nghiệm Đối tƣợng của thí nghiệm là v cầu chủ động của ô tô tải Dongf ng DV 2.5 đƣợc sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam. Các thông số đo - Lực tác dụng t lốp xe lên v cầu sau chủ động theo phƣơng dọc Fx (N); - Lực dụng t lốp xe lên v cầu sau chủ động theo phƣơng th ng đứng Fz (N); 4.2 Lựa chọn phư ng ph p v thiết b đo Nguyên lý đo tải trọng tác động lên vỏ cầu chủ động Thí nghiệm xác định tải trọng trên cầu xe có thể sử dụng phƣơng pháp đo các đại lƣợng không điện bằng điện với việc ứng dụng chuyển đổi tenzo với tải trọng uốn trên một thanh dầm bất k . Hệ thống đo o gồm cảm biến và các bộ phận tiếp nhận, khuếch đại, chuyển đổi, xử lý, hiển thị và lƣu trữ kết quả đo. 4.3 Thiết b thí nghiệm Để đo lực th ng đứng (Fz22) tác động lên v cầu sau chủ động, 4 lá điện trở t nzo điện trở nhƣ nhau (120Ω đƣợc dán lên mặt trên và mặt ƣới của v cầu, mặt trên hai lá, mặt ƣới hai lá song song nhau và đối xứng quanh mặt ph ng nằm ng ng đi qu trục cầu chủ động (hình 4.4c . Để đo lực dọc (Fx22) tác động lên v cầu sau chủ động, 4 lá điện trở t nzo điện trở nhƣ nhau (120Ω đƣợc dán lên mặt trƣớc và mặt sau của v cầu tƣơng tự nhƣ cầu đo điện trở để đo lực th ng đứng tác động lên v cầu. Với cách án điện trở nhƣ tr n hình 4.4, cả 4 điện trở trong cầu đo đều là tenzo biến dạng. Cách án này làm tăng độ khuếch đại của tín hiệu đo điện áp U1), đồng thời loại tr đƣợc ảnh hƣởng của nhiệt độ tới điện áp đo. Các cầu đo đƣợc hàn với dây bọc chống nhiễu 6 lõi rồi hàn với jắc cắm 15 chân để có thể cắm vào các mô đun khuếch đại của thiết bị thu khuếch đại và chuyển đổi A/D DMC Plus. Tenzo đo lực th ng đứng Tenzo đo lực dọc c) Tenzo dán trên v c u thí nghiệm Hình 4.4 C u ện trở tenzo trên trục v c u thí nghiệm 21 Hiệu chuẩn giá trị đo lực Hiệu chuẩn giá trị đo lực tác động lên v cầu nhằm xác định quan hệ giữa tín hiệu điện áp đo đƣợc ở cầu điện trở và lực tác dụng lên v cầu, t đó xác định đƣợc đ ng giá trị lực tác dụng l n th o đơn vị đo N. Các cầu đo t nzo đƣợc hiệu chuẩn trên giá lắp cầu sau chuyên dùng do NCS tự thiết kế chế tạo (hình 4.7) cùng với thiết bị DMC Plus và cảm biến lực Z4 của CHLB Đức hình 4.8 . Để tạo lực th ng đứng và lực dọc t khung xe tác dụng lên cầu NCS dùng kích thủy lực kết hợp với cảm biến lực tiêu chuẩn Z4 tác dụng lên cầu th o phƣơng th ng đứng và phƣơng ọc. Hình 4.7 S ồ hiệu chuẩn thi t b l c th ng và l c d c c u xe Sơ đồ gá lắp cầu xe cùng với thiết bị đo đƣợc mô tả trên hình 4.7. V cầu đƣợc kẹp tại 2 đầu mo y ơ tr n một giá đ chuyên dụng. Lực th ng đứng t kích thủy lực sẽ đƣợc chi đều cho 2 bên tại vị trí bắt nhíp của cầu xe bằng một khung truyền. Lực tác dụng do kích thủy lực sinh r đƣợc đo ằng cảm biến lực Z4. Nhƣ vậy lực th ng đứng tác động lên 2 bề mặt mo y ơ cầu bằng 1/2 lực do kích thủy lực sinh ra. Để hiệu chuẩn thiết bị đo lực, tiến hành tăng ần tải trọng do kích thủy lực, so sánh kết quả đo lực của cảm biến Z4 với điện áp ra của cầu điển trở tenzo. Kết quả đo đƣợc thể hiện trong đồ thị hiệu chuẩn thiết bị đo nhƣ tr n hình 4.9. Khung giá lắp cầu Cảm iến Z4 Kích thủy lực Cầu thí nghiệm Điểm dán tenzo Khung truyền lực 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 Giá trị lực p th ng đứng kN Hình 4.9 ồ th chuẩn t nh quan hệ giữa tín hiệ ệ c ở c ện trở và l c th ng ng trên v c u 22 b. Thiết bị thu thập, khuếch đại, xử lý, hiển thị thông tin đo lường DMC Plus Để tiếp nhận và khuếch đại tín hiệu thu đƣợc t thiết bị đo lực trên v cầu, NCS đã sử dụng thiết bị DMC Plus của Phòng thí nghiệm Đo lƣờng kỹ thuật Trƣờng Đại học Lâm nghiệp. Đ y là thiết bị khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi A/D kết nối với máy tính do hãng HBM (CHLB Đức) sản xuất. 4.4. Các phư ng n thí nghiệm 4.4.1 Mô tả thí nghiệm Các thí nghiệm đƣợc thực hiện tr n đƣờng nhựa tốt, bằng ph ng, khô ráo tại khuôn viên Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - Cơ sở 3. Các mấp mô đƣợc lựa chọn là các gờ giảm tốc có độ cao 0,04m, chiều dài 0,5 m. Vị trí đặt các mấp mô th o 03 phƣơng án: Mấp mô 1 bên bánh xe; Mấp mô đều 2 bên; Mấp mô 2 bên lệch nhau bằng chiều ài cơ sở của xe. 4.4.2 C c phư ng n thí nghiệm B ng 4.5 C thí nghiệm TT Thông số Tên thí nghiệm Thí nghiệm 1 Thí nghiệm 2 Thí nghiệm 3 1 Mấp mô Mấp mô đơn 2 mấp mô đều 2 mấp mô lệch 2 Vận tốc (km/h) 30 40 50 30 40 50 30 40 50 4.5 Kết quả thí nghiệm 4.5.1 Kết quả đo Kết quả thí nghiệm đo đƣợc là giá trị lực tác động l n mo y ơ tr n v cầu th o phƣơng ọc và phƣơng th ng đứng. 4.5.2 So sánh với kết quả mô phỏng Để đánh giá độ chính xác mô hình, kết quả thí nghiệm đƣợc so sánh với các kết quả mô ph ng trong c ng điều kiện (mấp mô định dạng đã đƣợc thực hiện ở chƣơng 3, phần 3.1.3.1. Do điều kiện mô ph ng và thí nghiệm là giống nhau, NCS sử dụng phƣơng pháp chồng đồ thị để đánh giá sự tƣơng đồng về quy luật và tần số giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Ngoài r , để đánh giá s i số, NCS so sánh các giá trị lực cực đại tại các đỉnh củ đồ thị (nhằm so sánh i n độ lớn nhất của tải trọng động). Các kết quả so sánh trong t ng trƣờng hợp đƣợc thể hiện qu các đồ thị và bảng dữ liệu. So sánh các kết quả trong 3 trƣờng hợp thí nghiệm, có thể thấy rằng quy luật biến thiên lực dọc và lực th ng đứng theo tính toán lý thuyết và đo đƣợc bằng thực nghiệm là giống nhau. Sai lệch lớn nhất giữa kết quả tính toán mô ph ng và kết quả thí nghiệm là 10,08% (bảng 4.6). Với những giả thiết đã chấp nhận khi xây dựng mô hình mô ph ng thì sai lệch này là có thể chấp nhận đƣợc. Do vậy mô hình này có thể sử dụng để xác định lực kích động trong tính bền v cầu. 23 Hình 4.20 L c d c và th ng ng khi va vào m p mô u 2 bên bánh xe ở vận tốc 40km/h B ng 4.6 So sánh các k t qu l c d c và l c ngang c c ( ng h p 2) V=30Km/h V=40Km/h V=50Km/h Mô ph ng Thí nghiệm Sai số [%] Mô ph ng Thí nghiệm Sai số [%] Mô ph ng Thí nghiệm Sai số [%] MaxFx [kN] 0,98 0,92 7,15 1,51 1,52 0,24 2,70 3,00 10,08 MinFx [kN] -0,65 -0,69 5,50 -1,44 -1,49 3,38 -2,54 -2,53 0,20 MaxFz [kN] 30,11 29,82 0,99 30,53 30,64 0,34 31,67 32,20 1,65 MinFz [kN] 14,95 14,10 6,04 17,01 16,49 3,14 15,27 13,98 9,24 KẾT LUẬN 1. Luận án đã x y ựng đƣợc phƣơng pháp đánh giá độ bền của v cầu chủ động ô tô tải dựa trên phần mềm phân tích kết cấu 3D HyperWorks. V cầu đƣợc kiểm bền ở các chế độ tĩnh và động để đánh giá độ bền phá hủy và độ bền m i của nó. Trong đó, tải trọng tác động lên v cầu đƣợc xác định bằng cách tính toán mô ph ng dự tr n mô hình động lực học tổng quát của ô tô với các điều kiện chuyển động đặc trƣng. 2. Kết quả kiểm bền tĩnh đƣợc thực hiện với bốn trƣờng hợp tải trọng cực đại (lực kéo, lực phanh, lực ngang và lực th ng đứng cực đại) cho thấy v cầu th a bền và phân bố ứng suất không đều. Trong bốn trƣờng hợp trên, ứng suất lớn nhất đạt đƣợc khi v cầu chịu lực th ng đứng cực đại có giá trị là 207 MPa, nh hơn rất nhiều so với giới hạn chảy của vật liệu (490 MPa). Hơn nữ độ chênh lệch ứng suất giữa các vùng trên v cầu là rất lớn (t 1 đến 207 P , điều này chứng t v cầu đƣợc thiết kế chƣ hợp lý. 3. Để đánh giá độ bền m i của v cầu luận án đã x y ựng mô hình động lực học tổng quát của ô tô với kích động t mấp mô mặt đƣờng là ngẫu nhi n đƣợc xác định theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Các phƣơng trình vi ph n chuyển động củ ô tô đƣợc giải bằng công cụ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 -2000 -1000 0 1000 2000 F x [ N ] Thi nghiem Mo phong 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 4 time [s] F z [ N ] Thi nghiem Mo phong 24 Simulink trong phần mềm chuyên dụng MATLAB và cho kết quả là tải trọng động tác dụng lên v cầu khi ô tô chuyển động trên các loại đƣờng xấu (D-E) và rất xấu (E-F). 4. Kết quả tính bền m i bằng phần mềm HyperWorks với tải trọng động đƣợc xác định trong điều kiện chuyển động trên các loại đƣờng D-E và E-F cho thấy v cầu nguyên bản đủ bền. Tuy nhiên, hệ số an toàn tại các vùng trên v cầu chênh lệch rất lớn (hệ số an toàn nh nhất là 3.135, lớn nhất là 1.833*1011). 5. Dựa trên các kết quả đánh giá độ bền trong HyperWorks, NCS đã đề xuất cải thiện kết cấu v cầu với điều kiện đảm bảo hệ số n toàn n > 3, đồng thời giảm i n độ chênh lệch ứng suất giữa các vùng bằng cách gia cố các điểm yếu và giảm khối lƣợng những ch có ứng suất thấp. Với 8 vị trí đƣợc cải thiện, v cầu giảm đƣợc 28% khối lƣợng. Các chế độ kiểm bền tĩnh và động cho thấy v cầu cải tiến đảm bảo độ bền phá huỷ và bền m i. Hơn nữ , i n độ chênh lệch ứng suất giữ các v ng đã đƣợc giảm đáng kể. 6. Luận án đã thực hiện thí nghiệm đo lực tác dụng lên v cầu ô tô tải Dongfeng DVM 2.5 nhằm kiểm chứng mô hình lý thuyết đã sử dụng trong tính toán tải trọng động. Luận án đã lựa chọn đƣợc phƣơng pháp, thiết bị thí nghiệm và xây dựng đƣợc quy trình thí nghiệm phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt N m để đo tải trọng động tác dụng lên v cầu ô tô tải. Trong đó, NCS đã thiết kế chế tạo và ứng dụng thành công bộ thiết bị hiệu chuẩn thiết bị đo. Để có thể so sánh kết quả tính toán với kết quả đo, thí nghiệm đƣợc thực hiện trong các điều kiện giống hoàn toàn với điều kiện tính toán mô ph ng lý thuyết. Luận án đã thực hiện các thí nghiệm với 3 cách bố trí mấp mô khác nhau là mấp mô đơn tr n 1 ánh x , mấp mô đơn tr n 2 ánh đều nhau và mấp mô đơn đặt lệch 2 bánh xe. Kết quả thí nghiệm đã cho các quy luật tƣơng đồng với các quy luật thu đƣợc t tính toán khảo sát bằng mô hình lý thuyết. Sai lệch tối đ giữa kết quả mô ph ng và thí nghiệm đƣợc xác định tại các điểm cực đại là 10,08%. Đ y có thể coi là một minh chứng cho độ chính xác và độ tin cậy củ mô hình động lực học mà luận án đã x y ựng và sử dụng để xác định tải trọng tác dụng lên cầu xe. 7. NCS đã sử dụng các phần mềm chuyên dụng có uy tín có độ tin cậy và độ chính xác cao là Matlab và HyperWorks trong tính toán mô ph ng và phân tích kết cấu, cùng với mô hình động lực học đã đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm, nên các kết quả nghiên cứu của luận án là đáng tin cậy. Nếu đƣợc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, t các kết quả của luận án có thể hình thành một qui trình khoa học trong tính toán và đánh giá độ bền của v cầu chủ động nói riêng và các chi tiết v nói chung trên ô tô, phục vụ cho công tác thiết kế chế tạo các bộ phận của ô tô trong nƣớc. Một số hạn chế của luận án và hƣớng nghiên cứu tiếp theo: - Luận án mới chỉ sử dụng biên dạng mấp mô mặt đƣờng theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995, nên có thí nghiệm xác định mấp mô đƣờng thực tế ở Việt Nam nhằm có đƣợc kết quả nghiên cứu sát thực hơn. - Chƣ ph n tích mo l v cầu để đánh giá mức độ cộng hƣởng khi xe chạy tr n đƣờng. Cần có một nghiên cứu hoàn chỉnh hơn để đánh giá yếu tố này. DANH MỤC C NG TR NH ĐÃ C NG Ố CỦA LUẬN ÁN [1] Trần Phúc Hòa, Nguyễn Tiến Dũng, Dƣ Quốc Thịnh, Nguyễn Hữu Hƣờng (2013) M ì ng l c h nh thông số u vào cho bài toán tính b n v c u. Tạp chí Khoa học công nghệ giao thông vận tải, số 7&8,9/ 2013, trang 75 - 79. [2] Tran Phuc Hoa, Trinh Minh Hoang, Le Hong Quan, Du Quoc Thinh (2015) Study on the reliability of active axle of light trucks produced and asembled in Việt Nam. Proceedings of International Conference on Automotive Technology for Vietnam, pp. ICAT2015-041 (1/6 - 6/6). [3] Trần Ph c H , Dƣ Quốc Thịnh, Lê Hồng Quân (2016) Ứng dụng ph n m m Catia thi t k các chi ti t trong cụm c u ch ng xe t i. Tạp chí Cơ khí Việt N m, số 06.2016, trang 51-57. [4] Trần Phúc Hòa, Trịnh Minh Hoàng, Lê Hồng Quân (2016) nh t i tr ng ng lên v c u ch ng xe t i nhẹ s n xu t, lắp ráp t i Việt Nam. Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 07.2016, trang 29-41. [5] Trần Phúc Hòa, Trần Thanh Tùng, Lê Hồng Quân (2016). b n m i v c u sau xe t i v ng m ng ngẫu nhiên tiêu chuẩn ISO 8608: 1995. Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 08. 2016, trang 34-44.