CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN MỎI KHUNG XE Ô TÔ

Lý thuyết mỏi là một nhánh của khoa học độ bền chuyên nghiên cứu về sự ứng xử của vật liệu và chi tiết máy

Chơng 2 Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung xe ô tô 2.1. Tổng quan về bài toán mỏi. 2.1.1 Lý thuyết mỏi chi tiết máy. Lý thuyết mỏi là một nhánh của khoa học độ bền chuyên nghiên cứu về sự ứng xử của vật liệu và chi tiết máy dới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh hởng của hàng loạt các yếu tố, đồng thời nêu ra phơng pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ bền mỏi. 2.1.2 Khái niệm tổn thơng mỏi. - Hiện tợng mỏi: Hiện tợng mỏi là quá trình tích luỹ dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian; ứng suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và dẫn tới sự phá huỷ của vật liệu; sự phá huỷ nh vậy đợc gọi là sự phá huỷ vì mỏi. - Độ bền mỏi: Độ bền mỏi là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hỏng vì mỏi. - Độ bền lâu: Độ bền lâu (tuổi thọ) của vật liệu hay chi tiết máy là khoảng thời gian làm việc của chúng dới tác động của một chế độ tải trọng và các yếu tố ảnh hởng khác mà không bị phá huỷ; - Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu hay chi tiết ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà chúng không bị phá huỷ. - Đờng cong mỏi đặt tải: Đờng cong mỏi là đờng cong biểu diễn mối liên hệ giữa ứng suất thay đổi với số chu kỳ ứng suất tơng ứng. 14 - Chu kỳ tải trọng: Về mặt thời gian, tải trọng biến đổi đợc đặc trng bởi khoảng thời gian duy trì tải trọng và khoảng thời gian giữa các lần đặt tải. Khoảng thời gian giữa các lần đặt tải gọi là chu kỳ tải trọng. Có thể xảy ra hai trờng hợp đặt tải sau đây: + Tải trọng đợc đặt vào kết cấu ở những thời điểm đã biết trớc 1 2 , , . n t t t ; trong trờng hợp đó sự biến đổi có thể mang tính tuần hoàn; chu kỳ tải trọng đợc biết chính xác, thêm nữa tải trọng có thể thay đổi hoặc không đổi về độ lớn từ chu kỳ này sang chu kỳ khác; ta nói chu kỳ tải trọng là đại lợng tiền định. + Tải trọng đợc đặt vào kết cấu ở những thời điểm ngẫu nhiên; trong trờng hợp đó ta nói chu kỳ tải trọng là đại lợng ngẫu nhiên; còn độ lớn của tải trọng đặt vào có thể là tiền định hay ngẫu nhiên. Ngày nay, khi thiết kế mới cũng nh khi khai thác sử dụng, ứng dụng lý thuyết mỏi trong tính toán kết cấu máy ngày càng phổ biến. Các kết quả nghiên cứu về thí nghiệm mỏi của các tác giả đã xây dựng đ- ợc phơng trình đờng cong mỏi ở các dạng khác nhau. - Các yếu tố ảnh hởng đến tuổi thọ mỏi gồm có: ảnh hởng của bản chất vật liệu và xử lý nhiệt; ảnh hởng của chế độ tải trọng; ảnh hởng của môi trờng; ảnh hởng của kích thớc; ảnh hởng của sự tập trung ứng suất; ảnh hởng của công nghệ cơ khí; ảnh hởng của công nghệ nhiệt điện(xử lý bề mặt bằng công nghệ hoá-lý); ảnh hởng tổng hợp của chất lợng bề mặt. Khi đánh giá độ bền mỏi, có các phơng pháp tính toán hệ số an toàn mỏi, việc tính toán hệ số an toàn mỏi phụ thuộc vào các kết cấu và tải trọng cụ thể. 2.1.3 Bài toán mỏi. 15 Khi tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ (đặc trng tin cậy) của chi tiết máy, cần xây dựng mối liên hệ giữa ứng suất thay đổi tại vị trí tính toán và số chu trình tác động; cơ sở khoa học của chúng xuất phát từ lý thuyết về sự lan truyền vết nứt mỏi, hiện nay có khoảng hơn 20 phơng trình lan truyền vết nứt mỏi đợc thống kê. Chi tiết trong quá trình vận hành, chịu tải trọng ngẫu nhiên, việc tính toán độ bền mỏi đặc biệt phức tạp. Để đánh giá gần đúng thờng sử dụng lý thuyết cơ học phá huỷ hoặc thuyết tích luỹ tổn thơng tuyến tính; tuy nhiên giữa chúng có sự tơng đồng, bằng giải tích có thể đa đợc chúng về cùng một dạng phơng trình quen thuộc của đờng cong mỏi S - N. III II lg N Hình 2.1. So sánh hai đờng da K dN và (S - N) da dN - tốc độ phát triển vết nứt; K - số gia cờng độ ứng suất; C,m tham số phát triển vết nứt (xác định từ thực nghiệm); - ứng suất; I - cờng độ ứng suất. 16 lg da dN ( ) m da C K dN = m I N C = lg K lg I I II III Trên hình 2.1: Vùng I: vùng dới ngỡng (không nứt) - dới giới hạn mỏi (tuổi thọ dài vô hạn); Vùng II: vùng phát triển vết nứt - tuổi thọ dài hữu hạn; Vùng III: vùng phá huỷ (phá huỷ nhanh hoặc chảy dẻo) vùng phá huỷ tĩnh hoặc phá huỷ với chu trình thấp. So sánh 2 phơng pháp trên, thuyết tích luỹ tổn thơng tuyến tính đặc biệt thuận lợi cho phơng pháp mô hình hoá. 2.2. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung xe ô tô. 2.2.1. Bằng kết quả thực nghiệm. Đây là bài toán lớn đòi hỏi nhiều công sức, thời gian và tiền của nên nó thích hợp với các thử nghiệm cuối cùng. a. Thử nghiệm xác định đặc trng cơ học, đặc trng mỏi của vật liệu. Việc đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi đòi hỏi phải có các thông số về đặc trng cơ học và đặc trng mỏi của các loại vật liệu chế tạo nên các kết cấu đó. Trong điều kiện thực tế hiện nay, để có đợc các thông số này cần phải tiến hành chế tạo mẫu từ các kết cấu thực và thử nghiệm các mẫu vật liệu đó. Việc thử nghiệm mẫu vật liệu tiến hành theo các nội dung chủ yếu sau đây: - Thử nghiệm xác định thành phần hoá học Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định thành phần hoá học và mác thép đợc tiến hành trên máy quang phổ (ARL-3460 của hãng FISONS Thuỵ Sỹ). 17 Trong quá trình thử nghiệm mẫu vật liệu tiến hành xác định hàm lợng của 17 thành phần hoá học, bao gồm: cacbon, silic, lu huỳnh, phốt pho, mănggan, nitơ, crôm, môlipđen, vônfram, đồng, titan, kẽm, côban, nhôm, chì, thiếc và sắt. - Thử nghiệm kéo xác định giới hạn chảy, giới hạn bền và hệ số biến dạng: Thử nghiệm kéo xác định giới hạn chảy, giới hạn bền và hệ số biến dạng của các loại mẫu vật liệu. Việc thử nghiệm mẫu vật liệu để xác định các đặc trng cơ học đợc tiến hành trên máy thử kéo nén. Các mẫu thép đợc kiểm tra theo TCVN 1651-85 Mẫu vật liệu sau khi thử nghiệm kéo xác định đợc : + Giới hạn chảy : P ch, ,(daN), ch ,(daN/ cm 2 ) + Giới hạn bền : P b , (daN), b ,(daN/ cm 2 ) + Biến dạng tơng đối , (%) - Thử nghiệm kéo xác định môđun đàn hồi : Việc thử nghiệm mẫu vật liệu để xác định môđun đàn hồi đợc tiến hành trên máy thử kéo nén (mã hiệu DLY-10, Trung Quốc), Các mẫu thép đợc kiểm tra theo TCVN 1651-85. Mẫu vật liệu sau thử nghiệm kéo xác định đợc : + Số đo đồng hồ chuyển vị kế trung bình (vạch) + Lực tác dụng đàn hồi P tl (daN) + Biến dạng trung bình tb (mm) + Mođun đàn hồi E (daN/cm 2 ) 18 - Thử nghiệm độ dai va đập: Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định độ dai va đập đợc tiến hành trên máy thử va chạm, (mã hiệu JB-36 - TQ) Kết quả thử nghiệm độ dai va đập của các loại mẫu vật liệu xác định đợc: + Công phá hỏng ( daN.cm) + Độ dai va đập a k (daN/cm) - Thử nghiệm mỏi và xử lý số liệu thử nghiệm mỏi : + Thử nghiệm mỏi các loại mẫu vật liệu Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định giới hạn mỏi đợc tiến hành trên máy chuyên dùng (PWC-6 - TQ) thử mỏi uốn đối xứng thuần tuý với bốn hoặc năm mức tải trọng Kết quả thử nghiệm mỏi các loại mẫu vật liệu xác định đợc số chu trình N tơng ứng với bốn hoặc năm mức suất xác định. + Xử lý số liệu thử nghiệm mỏi các loại mẫu vật liệu Việc xử lý số liệu thí nghiệm mỏi thực chất là thiết lập phơng trình các đ- ờng cong mỏi và xác định giới hạn mỏi, bao gồm ứng suất giới hạn và chu trình cơ sở. Với tập số liệu thử nghiệm mỏi mẫu, việc xử lý thống kê xây dựng đờng cong mỏi đợc tiến hành theo các bớc sau: ứng với từng nhóm mức ứng suất có số lợng mẫu thử nghiệm xác định, tiến hành thiết lập hàm mật độ phân bố chu trình ứng suất f(N), từ đó xác định giá trị kỳ vọng toán, phơng sai, sai lệch bình phơng trung bình của chu trình ứng suất cho từng nhóm. Việc thiết lập hàm mật độ phân bố chu trình ứng suất và xác định các đặc tr- 19 ng bằng số của nó đợc tiến hành nhờ chơng trình xử lý chuyên dùng [3]. Thiết lập phơng trình đờng cong mỏi dới dạng [4]: Công thức: NaNaNaa n na 2 210 ++++= Với n=1 và n=2, hoặc: N b a aa += Các phơng trình đờng cong mỏi đợc thiết lập theo 2 phơng pháp: Theo giá trị kỳ vọng toán của chu trình ứng suất ở các mức ứng suất. Theo tất cả các giá trị chu trình ứng suất N i ở các mức ứng suất nhận đợc sau quá trình thử nghiệm. Các đờng cong mỏi cho phép xác định giới hạn mỏi, bao gồm ứng suất giới hạn và chu trình cơ sở, mặt khác đờng cong mỏi còn là cơ sở để tính toán tuổi thọ mỏi của kết cấu sau này. b. Vấn đề kiểm nghiệm độ bền mỏi. - Kiểm nghiệm độ bền mỏi theo lý thuyết cổ điển: Do tính đơn giản và dễ hiểu, phơng pháp cổ điển kiểm nghiệm độ bền mỏi vẫn còn đợc ứng dụng rộng rãi trong các qui trình thiết kế, tính toán của một số nớc, trong đó có Liên bang Nga, Việt Nam và một số nớc khác. 20 Tuy nhiên, nhợc điểm cơ bản của phơng pháp này không cho phép tính đến một cách đầy đủ và mềm dẻo các yếu tố có liên quan đến sự thay đổi ngẫu nhiên của tải trọng khai thác, các đặc trng làm việc của vật liệu và sự ổn định chất lợng của chúng. Ngoài ra, phơng pháp này còn hoàn toàn bất lực trong việc đánh giá và dự báo tuổi thọ cũng nh độ tin cậy khai thác hoặc vận dụng của kết cấu. - Kiểm nghiệm độ bền mỏi theo giả thuyết tích luỹ tổn thơng mỏi tuyến tính: Trình tự xác định các thông số và dữ liệu đánh giá tuổi thọ mỏi Để xác định đợc tuổi thọ mỏi theo giả thuyết tích luỹ tổn thơng mỏi tuyến tính, tiến hành những bớc sau đây: + Xử lý số liệu đo ứng suất động và xây dựng biểu đồ ứng suất động cho các điểm đo ở tất cả các dải tốc độ đã khảo sát (0ữ80km/h). Đây là biểu đồ ghi quá trình biến đổi của ứng suất động theo thời gian, đồng thời đó là một quá trình ngẫu nhiên [1]. Khi tính toán tổn thơng mỏi cần xử lý biểu đồ này để xác định các tập hợp ứng suất gồm nhiều bậc, với các cặp giá trị ( , n i ), và biểu diễn chúng thành một biểu đồ tập hợp ứng suất hay còn gọi là phổ ứng suất. + Thiết lập giá trị các mức ứng suất động và xác định số chu trình ứng suất động của các điểm đo bằng cách đếm chu trình số đỉnh ứng suất trong khoảng thời gian đo ghi ở tất cả các dải tốc độ đã khảo sát. Việc xác định số chu trình ứng suất động có thể tiến hành bằng cách đếm số lần cắt các mức ứng suất khác nhau, đếm số đỉnh, đếm số cực trị nằm trong một khoảng hoặc đếm số chu trình theo phơng pháp dòng ma [6]. 21 Nếu quá trình là dải hẹp hoặc dải rộng vừa phải thì kết quả đếm theo các phơng pháp khác nhau sai lệch nhau không đáng kể. Chỉ đối với trờng hợp dải rất rộng thì việc chọn phơng pháp đếm mới trở nên quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phơng pháp dòng ma là phơng pháp cho kết quả tốt hơn cả. + Tổng hợp kết quả xác định tổng số chu trình ứng suất và tổng thời lợng đo-ghi, xác định giá trị kỳ vọng toán chu kỳ ứng suất và phổ xác suất tổng hợp của các mức ứng suất động. + Căn cứ vào các dữ liệu về thời gian làm việc trong quá khứ của kết cấu, xác định tổng số chu trình ứng suất động đã tích luỹ với các điều kiện biên và các ràng buộc khác nhau thông qua các ph- ơng án tính toán cụ thể. + Căn cứ phổ xác suất tổng hợp của các mức ứng suất động, xác định số lợng chu trình ứng suất động tích luỹ tơng ứng với các mức ứng suất, hay còn gọi là phổ chu trình ứng suất tích luỹ theo các phơng án khác nhau. + Căn cứ vào các giá trị mức ứng suất động, xác định phổ chu trình giới hạn tơng ứng theo đờng cong mỏi đã thiết lập. + Căn cứ vào phổ chu trình giới hạn và phổ chu trình ứng suất động tích luỹ, tiến hành tính toán mức độ tích luỹ tổn thơng mỏi theo lý thuyết của Palmgren-Miner với các phơng án khác nhau. + Kiểm nghiệm mức độ tổn thơng mỏi còn lại theo các tiêu chuẩn kiểm nghiệm hiện hành thông qua các chỉ tiêu tổn thơng cho phép. + Xác định tuổi thọ mỏi hoặc dự báo tuổi thọ mỏi còn lại theo một số phơng án với các điều kiện biên và các ràng buộc khác nhau. 22 Tuổi thọ mỏi có thể đợc xác định bằng số lợng chu trình ứng suất, bằng tổng thời lợng làm việc (giây, giờ), bằng tổng quãng đờng chạy của đầu máy (km) hoặc bằng tổng thời gian làm việc (năm). Trong đó các chỉ tiêu tuổi thọ cho dới dạng số chu trình ứng suất hoặc tổng thời lợng làm việc (tính bằng giây hoặc bằng giờ) là các chỉ tiêu chính xác; còn các chỉ tiêu tuổi thọ thể hiện dới dạng tổng quãng đờng chạy (km) hoặc tổng thời gian làm việc (năm) chỉ là các chỉ tiêu tơng đối. - Kiểm nghiệm độ bền mỏi trên cơ sở phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi: + Tính chỉ tiêu đồng dạng Kết quả tính toán chỉ tiêu theo các công thức 2.20 và 2.21 đợc cho trong bảng . + Tính hệ số ảnh hởng của kích thớc Từ phơng trình đồng dạng (2.19) theo [4] có thể tính đợc: 10 . ' , su p b a += 10 . ' , su p b a += + Xác định hệ số tập trung ứng suất thực tế Hệ số k và k đợc xác định theo hình dạng kết cấu + Xác định hệ số ảnh hởng của vật liệu ( tra bảng) + Xác định hệ số an toàn mỏi Xác định giá trị ứng suất trung bình, ứng suất biên độ [3] trên cơ sở từ các kết quả tính toán hệ số động [1] thay vào các công thức 2.22, 2.23 và 2.24 tính đợc hệ số an toàn mỏi thành phần và toàn phần của kết cấu. 23 [...]... phận, kết cấu không đo đợc ứng suất động Song phơng pháp này rất khó khăn đối với bài toán đánh giá độ bền mỏi các kết cấu có vật liệu tổ chức không đồng nhất nh khung xe ô tô do đó phơng pháp đồng dạng phá huỷ mỏi không phù hợp với bài toán đánh giá độ bền mỏi khung xe Tuy nhiên, việc nghiên cứu độ bền mỏi đòi hỏi một quá trình lâu dài và công phu Những kết quả nhận đợc của nghiên cứu mỏi tuy khá tin... về độ bền lâu, về tuổi thọ của các chi tiết và kết cấu đòi hỏi phải có những nghiên cứu một cách có hệ thống, toàn diện và sâu sắc hơn nữa 32 Qua phân tích các phơng pháp đánh giá độ bền mỏi và áp dụng đối với bài toán cụ thể là đánh giá độ bền mỏi khung xe ta thấy tính bền mỏi theo phơng pháp cổ điển là phù hợp Tuy kết quả cha toàn diện song lại đợc chơng trình hoá nên thuận lợi với bài toán đánh giá. .. tính các tổn thơng mỏi có u điểm rất quan trọng là có thể đánh giá độ bền mỏi cho các kết cấu có tổ chức vật liệu không đồng nhất Nhợc điểm của phơng pháp này là cha bao quát đợc các đặc trng nh: kích thớc, vật liệu,nên kết quả cha toàn diện Theo phơng pháp đồng dạng phá huỷ mỏi có sử dụng kết quả thí nghiệm mỏi của mẫu đã xác định đợc độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi có tính đến đặc trng độ nhạy của vật liệu,... cha xét tới mỏi; k - hệ số tính tới việc giảm thấp khả năng chịu tải của vật liệu kết cấu khi chịu tác động của tải trọng thay đổi Tích k.tt = gh thờng đợc gọi là cờng độ mỏi hay giới hạn mỏi của vật liệu kết cấu Khi gh, mẫu kết cấu coi nh có tuổi thọ vô hạn, hay nói cách khác là đảm bảo để trong suốt thời hạn phục vụ không xảy ra phá hoại mỏi ứng suất xuất hiện trong khung ô tô do tác động của tải... nhất); b - giới hạn bền; t - ứng suất tĩnh Khi đánh giá độ bền mỏicủa kết cấu, giá trị td cần đợc so sánhvới biên độ lớn nhất cho phép [-1k] của các ứng suất động, tác động theo chu kỳ đối xứng Trong trờng hợp này: 1k [-1k] = k z (2.4) trong đó: -1k giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu kỳ đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất; kz - hệ số dự trữ, có xét tới khả năng tản mạn của các giá trị -1k và các... tính toán lý thuyết a Sơ sở đánh giá độ bền mỏi theo phơng pháp cổ điển Cơ sơ tính toán của phơng pháp này đợc dựa trên đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mức ứng suất lớn nhất của chu trình và thời lợng hoạt động tơng ứng, hay nói cách khác là dựa vào đờng cong mỏi = f(N) Biểu thức đánh giá của phơng pháp này có thể biểu diễn dới dạng : max k.tt = gh (2.1) trong đó : max - giá trị ứng suất lớn nhất;... Nhằm tạo ra giới hạn trên và giới hạn dới về tuổi thọ mỏi còn lại của kết cấu Cần lu ý rằng chỉ tiêu [D]=0,85 trong một chừng mực nào đó chỉ mang tính chất tham khảo c Cơ sở đánh giá độ bền mỏi của kết cấu theo phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối - Phơng trình đồng dạng mỏi phá huỷ tơng đối Dạng tổng quát của phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tơng đối: ( ' S max = S gh + a ' b 10 u p ss )... thuộc các yếu tố công nghệ và điều điện làm việc Theo các nghiên cứu về độ bền mỏi khung xe do A.N.Xavoxkin và các tác giả đề xuất, thì hệ số tập trung ứng suất trên dầm dọc tại mặt cắt nguy hiểm nhất có trị số tối đa là 3,96 Trong quá trình kiêm nghiệm, nếu: td [-1k] (2.6) thì có thể coi khung xe có thời hạn phục vụ không hạn chế Còn nếu: td > [-1k] (2.7) thì thời hạn phục vụ của khung xe đợc coi là... tiếp thực tế; và - hệ số ảnh hởng của kích thớc; , , và - hệ số ảnh hởng của vật liệu Việc đánh giá độ bền mỏi của kết cấu có thể tiến hành theo ba phơng pháp: theo lý thuyết mỏi cổ điển, theo giả thuyết tích luỹ tuyến tính các tổn thơng mỏi và theo phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi Việc kiểm nghiệm mỏi theo phơng pháp cổ điển chỉ cho ta một kết luận cha bao quát hết các tính chất vật liệu và yếu... hiện nay đã đợc chơng trình hoá trong các phần mềm tính toán do đó việc đánh giá độ bền mỏi theo phơng pháp này có nhiều thuận lợi Sự hoàn thiện về phơng pháp và kế đến các yếu tố đặc trng cho ta kết quả ngày càng tin cậy hơn Việc ứng dụng lý thuyết xác suất kiểm nghiệm độ bền mỏi theo giả thuyết tích luỹ tuyến tính các tổn thơng mỏi đã cho phép giải đáp vấn đề đặt ra một cách cụ thể hơn, và đa ra đợc . (ARL-3460 của hãng FISONS Thuỵ Sỹ). 17 Trong quá trình thử nghiệm mẫu vật liệu tiến hành xác định hàm lợng của 17 thành phần hoá học, bao. xuất phát từ lý thuyết về sự lan truyền vết nứt mỏi, hiện nay có khoảng hơn 20 phơng trình lan truyền vết nứt mỏi đợc thống kê. Chi tiết trong quá trình