tính toán và thiết kế chi tiết ô tô theo phương pháp xác suất (áp dụng tính toán cho bán trục)

Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………… 02 Chương I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 . Một số nội dung, khái niệm cơ bản……… 03 1.2. Các phương pháp tính toán chi tiết máy 05 1.3. Bản chất của phương pháp tính toán theo xác suất 10 1.4. Lịch sử phát triển và thực trạng nghiên cứu 14 1.5. Nội dung nghiên cứu 15 Chương II: LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT 2.1. Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế …………………16 2.2. Hàm phân phối đại lượng ngẫu nhiên……………… 18 2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy…… 20 Chương III: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO ĐỘ TIN CẬY 3.1. Phân tích và thiết kế trên cở sở độ tin cậy theo độ bền……… …41 3.2. Tính toán chi tiết máy theo dạng trục chịu xoắn … 45 3.3. Ứng dụng phần mềm matlab trong tính toán, thiết kế ………………….48 Chương IV: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÁN TRỤC Ô TÔ 4.1. Đặt vấn đề………………………………………………… ……………… 57 4.2. Giới thiệu xe Zil 130 và bán trục xe Zil 130………………… …………… 59 4.3. Tính toán bán trục theo phương pháp tĩnh…………………… …………. … 62 4.4. Tính toán bán trục theo phương pháp mỏi………………… …… ………… 65 4.5. Tính toán bán trục theo phương pháp xác suất…………………… ……… 67 SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 1 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang 4.6. Đánh giá kết quả tính toán………………………………………… ……… 69 Kết luận ……………………………………………………………… …………… 70 Tài liệu tham khảo…………………………………………… ……………71 SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 2 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang LỜI NÓI ĐẦU Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định về việc “ Thực hiện Chiến lược, Quy hoạch nghành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2010 và tầm nhìn 2020” theo đó đặt ra mục tiêu là: Các loại xe phổ thông và chuyên dùng đến năm 2010 đạt tỷ lệ nội địa hoá 60% trong đó (động cơ là 50% và hộp số là 90%), xe cao cấp tỷ lệ đó là 30 – 40%. Về tổ chức sản suất: Sản xuất ô tô và phụ tùng ô tô theo quy mô công nhiệp theo hướng chuyên môn hoá, hợp tác hoá. Khuyến kích mọi thành phần kinh tế phát triển sản xuất phụ tùng ô tô. Với chủ trương đó hiện nay ở Việt Nam có nhiều nhà máy sản xuất ô tô và phụ tùng ô tô với quy mô tương đối lớn. Tuy nhiên các sản phẩm sản xuất ra vẫn chưa có sức cạnh tranh cao trên thị trường. Có rất nhiều lý do, tuy nhiên lý do chính là giá thành sản xuất cao, độ tin cậy không cao. Để giải quyết vấn đề này cần có nhiều giải pháp song giai đoạn thiết kết kết cấu, kích thước của chi tiết là vấn đề cần được quan tâm hàng đầu để nâng cao độ tin cây, giảm nhẹ trọng lượng và kích thước chi tiết. Xuất phát từ quan điểm trên với những kiến thức đã học tại trường đồng thời được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bang em đã lựa chọn đề tài “ Tính toán chi tiết ô tô theo phương pháp xác suất” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bang và các thầy trong bộ môn Cơ khí Ô tô cùng với sự nổ lực của bản thân em đã hoàn thành đồ án của mình đúng tiến độ. Tuy nhiên do thời gian và trình độ bản thân còn có hạn, nên sai sót là điều không thể tránh khỏi. Em mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài tốt nghiệp của em được hoàn thiên hơn và có thể được ứng dụng trong thực tế thiết kế. Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bang cùng các thầy cô trong Bộ môn cơ khí ô tô – Khoa Cơ Khí - Trường ĐHGTVT Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 3 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Quang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Một số nội dung, khái niệm cơ bản 1.1.1. Máy và chi tiết máy Bất kỳ một máy nào dù đơn giản hay phức tạp cũng được cấu tạo từ nhiều bộ phận máy, thí dụ máy tiện gồm: bàn máy, ụ máy, ụ động, hộp tốc độ, bàn giao, cơ cấu truyền dẫn từ động cơ đến hộp tốc độ. Mỗi máy lại gồm nhiều chi tiết máy, chẳng hạn như ụ đứng của máy tiện gồm có: trục chính, ổ trục, bánh răng… Vậy chi tiết máy là phần tử cấu tạo đầu tiên, hoàn thiện của máy mặc dù chi tiết máy gồm rất nhiều loại, kiểu, khác nhau về hình dạng và kích thước, về nguyên lý làm việc, về tính năng…Nhưng trên quan điểm thiết kế có thể xếp chúng vào hai nhóm: Nhóm chi tiết máy có công dụng chung và chi tiết máy có công dụng riêng. • Chi tiết máy có công dụng chung như bulông, bánh răng, trục, ổ trục…là các chi tiết máy được dùng phổ biến trong các loại máy khác nhau • Chi tiết máy có công dụng riêng như trục khuỷu, van, trục cam, bánh tuabin…chỉ được dùng trong một số loại máy nhất định. 1.1.2. Ô tô và chi tiết ô tô Ô tô là loại xe tự hành bằng bánh xe chủ yếu dùng để chuyên chở hàng hoá hoặc hành khách trên các loại đường bộ. Ngoài ra, trên đó có thể được trang bị các loại máy công tác để thực hiện các công việc đặc biệt như máy cứu hoả, nâng hàng. Phạm vi sử dụng ô tô rất rộng, có thể trong mọi lĩnh vực kinh tế, SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 4 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang quốc phòng. Để có thể thực hiện được các công việc đó ô tô được cấu tạo từ rất nhiều chi tiết ( khoảng 15000 chi tiết). Chi tiết ô tô gồm rất nhiều loại khác nhau, chi tiết ô tô chính là chi tiết máy.Trong lĩnh vực công nghiệp ô tô, chi tiết ô tô được chia làm 6 nhóm: • Chi tiết dạng vỏ: Thân máy, nắp máy, vỏ, hộp số, vỏ hộp cầu… • Chi tiết dạng trục: Trục khuỷu, trục cam, trục hộp số, bán trục… có nghĩa là gồm các trục trơn và các trục then, then hoa, trục răng. • Chi tiết ống (thanh rộng): Đặc trưng là tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính lớn nhất không nhỏ hơn 0,5 như xilanh động cơ, moay ơ bánh xe, vỏ vi sai. • Chi tiết nhóm đĩa: Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính lớn nhất nhỏ hơn 0.5 như trống phanh, đĩa phanh, bánh đà, li hợp… • Nhóm thanh tròn: Thanh truyền, cầu trước, đòn mổ xupat… • Các chi tiết nối ghép: Bulông, đai ốc, vòng đệm… 1.1.3. Các yêu cầu đối với máy và chi tiết máy, chi tiết ô tô • Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng: Máy mới thiết kế phải có năng suất cao, hiệu suất cao, tốn ít năng lượng, độ chính xác cao, chi phí thấp về lao động, vận hành máy… Đồng thời kích thước trọng lượng cần cố gắng thật nhỏ gọn. • Khả năng làm việc: Đó là khả năng của máy hoặc chi tiết máy có thể hoàn thành các chức năng đã định mà vẫn giữ được độ bền, không thay đổi kích thước hình dạng, giữ được sự ổn định, có tính bền mòn, tính chịu nhiệt, chấn động. Để đảm bảo chi tiết có đủ khả năng làm việc cần xác định hợp lý hình dạng và kích thước chi tiết máy, chọn vật liệu và sử dụng các biện pháp tăng bền. • Độ tin cậy cao: Độ tin cậy là tính chất của máy, bộ phận máy hoặc chi tiết máy thực hiện được các chức năng đã định, đồng thời vẫn giữ được các chỉ tiêu về tính sử dụng ( năng suất, công suất, độ chính xác). Trong suốt thời gian làm việc nào đó hoặc trong suốt thời gian thực hiện khối lượng công việc đã định. SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 5 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang • An toàn trong sử dụng: Một số kết cấu làm việc an toàn có nghĩa là trong điều kiện sử dụng bình thường kết cấu đó không gây ra tai nạn nguy hiểm cho người sử dụng, không gây hư hại cho các thiết bị xung quanh. • Tính công nghệ và tính kinh tế: Đây là một trong những yêu cầu cơ bản đối với máy và chi tiết máy. Để thoả mãn yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế, chi tiết máy thiết kế phải có hình dạng, kết cấu, vật liệu phù hợp với điều kiện sản xuất cụ thể, đảm bảo khối lượng và kích thước nhỏ nhất, tốn ít vật liệu và chi phí về chế tạo thấp nhất, giá thành rẻ nhất. 1.2. Các phương pháp tính toán chi tiết máy Máy và chi tiết máy thường được tính toán theo phương pháp độ bền. Phương pháp tính độ bền thông dụng nhất hiện nay được tiến hành theo các so sánh ứng suất sinh ra khi chi tiết chịu tải được ký hiệu là σ đối với ứng suất pháp và τ là đối với ứng suất tiếp, với ứng suất cho phép lần lượt là: và . Điều kiện bền được viết như sau: [ ] σσ ≤ hoặc [ ] ττ ≤ Với [ ] s lim σ σ = hoặc [ ] s lim τ τ = Trong đó: s là hệ số an toàn limlim ; τσ là ứng suất pháp và ứng suất tiếp giới hạn, khi đạt đến trị số này vật liệu chi tiết bị phá hỏng. 1.2.1. Tính toán chi tiết máy theo độ bền tĩnh Trong trường hợp này chi tiết máy chỉ chịu ứng suất không thay đổi trong quá trình làm việc. Ta giả thiết tải trọng tác dụng lên chi tiết là P và được minh hoạ bằng hình vẽ dưới đây: SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 6 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 P Q Q Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang Hình1.1. Biểu đồ mô men, lực cắt tác dụng lên chi tiết minh hoạ Bằng phương pháp mặt cắt ta vẽ được biểu đồ mô men và lực cắt tác dụng lên chi tiết , từ đó ta xác định được ứng suất tại mặt cắt nguy hiểm ta có: = = Trong đó: - Mô men chống uốn của chi tiết máy tại mặt cắt nguy hiểm. - Mô men tỉnh của chi tiết tại mặt cắt nguy hiểm. - Bề rộng của chi tiết tại mặt cắt nguy hiểm. - Mô men quán tính tính trung tâm tại mặt cắt nguy hiểm. SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 7 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 t t Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang Điều kiện bền phải thoả mạn là: hoặc . Nếu tại mặt cắt nguy hiểm tồn tại cả và người ta tiến hành tính theo và được tính: Theo lý thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng: Theo lý thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất : 1.2.2. Tính chi tiết máy theo độ bền mỏi Chi tiết máy khi làm việc chịu ứng suất thay đổi không ổn định. Giả sử tải trọng tác dụng lên chi tiết trong trường hợp này là tải trọng thay đổi theo thời gian = f(t) (Hình 1.2) Hình 1.2: Tải trọng tác dụng lên chi tiết thay đổi theo thời gian Các ứng suất có số chu kỳ tác dụng tương ứng là n 1 ; n 2 ; ….,n n . Người ta thường dùng phương pháp tính toán chuyển chế độ làm việc không ổn định SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 8 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 k σ r σ k N 0 N N σ Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang này về chế độ làm việc ổn định có ứng suất lớn nhất là và số chu kỳ tương đương là N td số chu kỳ tương đương được tính trong công thức: N td = Trong đó: m - Bậc của đường cong mỏi; - Ứng suất sinh ra tương ứng với chu kỳ thứ i; - Ứng suất lớn nhất. Bằng việc tiến hành thí nghiệm (Wohler) trên một số mẫu thử. Trong loạt thí nghiệm với mẫu thử thứ nhất, người ta đặt tải trọng để ứng suất cực đại trên mẫu vào khoảng 70% giới hạn bền. Với giá trị này chỉ sau một số chu kỳ N 1 mẫu bị gãy. Với loạt thí nghiệm thứ 2 người ta giảm tải trọng để có ứng suất cực đại là tương ứng với số chu trình làm gãy mẫu tăng N 2 . Nếu tiếp tục thí nghiệm với nhiều mẫu thử ta đưa ra được đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất hoặc ứng suất biên độ ) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết máy hay mẫu thử có thể chịu được cho đến khi hỏng. Hình1.3 Đồ thị đường cong mỏi Trong đó: r σ - Giới hạn bền mỏi của vật liệu SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 9 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Bang N 0 - Số chu kỳ cơ sở của vật liệu (N 0 = (106 -107). Ta có phương trình đường cong mõi có dạng: Khi xác định được ứng suất lớn nhất thì tiến hành so sánh với ứng suất cho phép xem có thoả mãn hay không với điều kiện: . Từ đó cho phép ta chọn được kích thước chi tiết thoả mãn yêu cầu bài toán đặt ra. 1.2.3. Xác định hệ số an toàn và ứng suất cho phép • Xác định hệ số an toàn +Tra cứu ứng suất cho phép từ các bảng đã lập sẵn. +Tính toán hệ số an toàn rồi từ đó tìm ứng suất cho phép: Hệ số an toàn s= s 1 .s 2 .s 3 Trong đó : s 1 - Hệ số xét đến mức độ chính xác trong việc xác định tải trọng và ứng suất s 1 = 1,2-1,5. s 2 - Hệ số xét đến độ đồng nhất của cơ tính vật liệu đối với chi tiết bằng thép cán thì s 2 =1,5 đối với chi tiết bằng gang s 2 =1,5-2,5. s 3 - Hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn cũng như mức độ quan trọng của chi tiết máy. • Xác định ứng suất cho phép Khi làm việc với ứng suất tĩnh, vật liệu dẻo chgh σσ = với vật liệu dòn bgh σσ = Khi làm việc với ứng suất thay đổi giới hạn mỏi được xác định theo số chu kỳ làm việc N nếu: N > N 0 thì lấy rgh σσ = ( r σ là giới hạn mõi dài hạn) N < N 0 thì dùng giới hạn mõi ngắn hạn m rrN N N 0 σσ = SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 10 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 [...]... Chỉ ra các phương pháp và trình tự tiến hành cho việc tính toán máy và chi tiết máy theo phương pháp xác suất Xây dựng phần mền áp dụng cho công việc tính toán Và cuối cùng là áp dụng tính toán cho bán trục Đề tài tốt nghiệp “ Tính toán chi tiết tô theo phương pháp xác suất (bán trục tô) ” gồm 4 chương: Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương II: Lý thuyết của phương pháp tính theo xác suất Chương... kiến thức cần thiết để áp dụng xác suất thống kê toán học vào phân tích thiết kế kỹ thuật 1.5 Nội dung Nghiên cứu Từ những phân tích và đánh giá trên thì đề tài Tính toán chi tiết tô theo phương pháp suất “ đi vào nghiên cứu phương pháp tính toán chi tiết máy nói SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 16 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp Bang GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn chung bằng phương pháp xác suất độ tin... pháp tính toán thiết kế chi tiết máy theo phương pháp xác suất là xác định độ tin cậy của chi tiết với kích thước đặt ra trước hay thiết kế chi tiết máy, máy với độ tin cậy cho trước 1.4 Lịch sử phát triển và thực trạng về vấn đề nghiên cứu Lý thuyết về tính toán chi tiết máy được phát triển theo lịch sử phát triển và hoàn thiện các kết cấu máy Những tính toán đơn giản như xác định tỷ số truyền và lực... ứng với xác suất cho trước Điểm phân vị ứng với xác suất 0,5 được gọi là điểm trung vị Điểm trung vị đặc trưng cho vị trị tâm nhóm của đại lượng ngẫu nhiên 2.3 Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 21 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp Bang GVHD: PGS-TS.Nguyễn Văn Thiết kế theo xác suất bao gồm:  Thiết kế theo độ tin cậy  Thiết kế bền... tích và thiết kế kết cấu theo độ tin cậy Chương IV: Thiết kế bán trục CHƯƠNG II LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT 2.1 Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế a)Tải trọng tác dụng Việc phân tích và thiết kế các chi tiết máy cần phải kể đến tải trọng Vì nó là đại lượng tác động trực tiếp và thường xuyên lên các chi tiết máy Tuỳ theo tính chất thay đổi của tải trọng theo thời gian mà người ta chia... cao nhất, tính kinh tế tốt nhất, tính công nghệ đảm bảo người ta đưa ra phương pháp tính toán máy và chi tiết máy theo xác suất 1.3 Bản chất của phương pháp tính toán theo xác suất Trong thiết kế các công trình và máy móc, thông thường người ta đưa thêm hệ số an toàn thể hiện tỷ số giữa độ bền và khả năng tải, nhưng trong thực tế cả 2 thông số này đều phân tán chúng gồm các phần tử độc lập và giao thoa... được chia thành nhiều môn học trong đó có chi tiết máy Trong đó đưa ra nội dung và phương pháp tính toán và thiết kế chi tiết máy: Tính toán theo độ bền tĩnh và độ bền mỏi Tuy nhiên có 1 vấn đề đặt ra là có 1 số máy móc, thiết bị sau khi thiết kế ra bị hỏng hóc mà không rõ nguyên nhân (các máy vận hành không đảm bảo đủ tin cậy mặc dù hệ số an toàn khi thiết kế được chọn rất cao) Số liệu thống kê sau cho. .. hai phương pháp tính toán máy và chi tiết máy truyền thống, bằng cách thiết kế máy và chi tiết máy thoả mãn điều kiện: Để đảm bảo độ tin cậy và làm việc an toàn của máy và chi tiết máy người ta đã đưa vào hệ số an toàn s = s 1.s2.s3 Để tăng độ bền, khả năng làm việc thì tăng s lên, điều đó dẫn đến độ tin cậy của máy và chi tiết cao hơn nhưng nhược điểm là chi tiết máy trở nên to nặng, cồng kềnh không... và chi tiết máy theo xác suất độ tin cậy không nhiều Một số cuốn có viết nhưng chưa đi sâu vào phương pháp cụ thể Hầu như các tài liệu đều của nước ngoài chủ yếu viết bằng tiếng Nga và tiếng Anh Sinh viên chuyên ngành cơ khí đang được học cuốn giáo trình chi tiết máy của NXB Giáo dục và trung học chuyên nghiệp nhưng giáo trình cũng chỉ mới đưa ra phương pháp thiết kế máy và chi tiết máy theo phương pháp. .. có nhiều ưu điểm hơn và phức tạp hơn như: Khi tính toán có xét đến yếu tố góc lượn, độ nhẵn bề mặt Tuy nhiên cả 2 phương pháp vẫn chưa tính đến các đại lượng ngẫu nhiên là các yếu tố đầu vào để tính toán và thiết kế ra máy và chi tiết máy như vật liệu, tải trọng, kích thước bề mặt … Chi tiết máy khi thiết kế ra đảm SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 11 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ án tốt nghiệp Bang GVHD: PGS-TS.Nguyễn . công việc đó ô tô được cấu tạo từ rất nhiều chi tiết ( khoảng 15000 chi tiết) . Chi tiết ô tô gồm rất nhiều loại khác nhau, chi tiết ô tô chính là chi tiết máy.Trong lĩnh vực công nghiệp ô tô, . bằng phương pháp xác suất độ tin cây. Chỉ ra các phương pháp và trình tự tiến hành cho việc tính toán máy và chi tiết máy theo phương pháp xác suất. Xây dựng phần mền áp dụng cho công việc tính toán. . phân tích và đánh giá trên thì đề tài Tính toán chi tiết tô theo phương pháp suất “ đi vào nghiên cứu phương pháp tính toán chi tiết máy nói SVTH: Nguyễn Ngọc Quang 16 Lớp: Cơ khí ô tô A - K45 Đồ