Nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của bán trục ô tô giảm tải 12

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -VŨ HUY HÙNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU CỦA BÁN TRỤC Ô TÔ GIẢM TẢI 1/2 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội- 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -VŨ HUY HÙNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU CỦA BÁN TRỤC Ô TÔ GIẢM TẢI 1/2 Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HOAN Hà Nội- 2018 MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam phát triển lĩnh vực sản xuất ô tô tải .1 1.1.1 Thực trạng 1.1.2 Định hướng phát triển 1.1.3 Những tồn nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển 1.2 Giới thiệu chung bán trục ô tô 1.2.1 Cấu tạo chung 1.2.2 Công dụng, phân loại, yêu cầu chung 1.2.3 Các dạng tải trọng tác dụng lên bán trục .5 1.3 Các chế độ tính bền bán trục ô tô giảm tải 1/2 1.3.1 Theo phương pháp truyền thống 1.3.2 Theo phương pháp phần tử hữu hạn ( PTHH ) phần mềm chuyên dụng 1.4 Hướng nghiên cứu độ bền bán trục .8 1.4.1 Đánh giá độ bền mỏi 1.4.2 Các nghiên cứu nước đánh giá độ bền mỏi phận ô tô .16 1.5 Nội dung luân văn 17 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 17 1.5.2 Đối tượng nghiên cứu 17 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 18 1.5.4 Nội dung 18 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN BÁN TRỤC GIẢM TẢI 1/2 .19 2.1 Các tải trọng tác dụng lên cầu chủ động 19 2.1.1 Trường hợp :Chuyển động thẳng với lực phanh lực kéo cực đại 22 2.1.2 Trường hợp 2: Khi xe chuyển động quay vịng có trượt ngang: .23 2.1.3 Trường hợp 3: Khi xe chuyển động đường lồi, lõm không phẳng 23 2.2 Các tải trọng tác dụng lên bán trục giảm tải 1/2 phương pháp đánh giá độ bền theo chế độ tải trọng 24 2.2.1 Xác định tải trọng theo phương pháp truyền thống 25 2.2.2 Tính tốn bán trục 3D phần mềm chuyên dụng 27 2.2.3 Xác định tải trọng tác dụng lên bán trục 28 2.2.4 Lựa chọn hàm kích thích từ mặt đường 28 2.2.5 Tính tốn bền mỏi bán trục 32 2.2.6 Phương pháp xây dựng mơ hình 38 2.2.7 Phân tích cấu trúc tơ đặt giả thiết 39 2.2.8 Thiết lập hệ phương trình vi phân mơ tả động lực học xe 40 CHƯƠNG TÍNH TỐN ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN BÁN TRỤC GIẢM TẢI 1/2 42 3.1 Thơng số kí thuật xe tham khảo VPT095 – 990kg 42 3.2 Chế độ tính tốn 48 3.3 Tính toán xác định tải trọng .48 3.3.1 Mấp mô đường theo ISO 8608-1995 .48 3.3.2 Tính tốn tải trọng thẳng đứng Zi 53 3.3.3 Tính ứng suất bán trục giảm tải 1/2 57 3.4 Tính bền mỏi bán trục giảm tải 1/2 .61 3.4.1 Vật liệu 61 3.4.2 Xây dựng đường cong mỏi 61 3.4.3 Tính bền mỏi bán trục giảm tải 1/2 63 KẾT LUẬN .…………………………………………………………………66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan Các kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, khách quan chưa bảo vệ học vị Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc hoàn thành luận văn cám ơn, thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, Ngày 25 tháng 09 năm 2018 Hướng dẫn khoa học Tác giả luận văn PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan Vũ Huy Hùng DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Z1,Z2 Y1,Y2 X1,X2 R1,R'1,R2,R'2 v Y B gbx rbx G2 m2 m1 ih ihttl ηhttl Memax Mu Mx Wu Wx B a b hg φ φ x0 x1 x2 c1 c2 k Tên gọi Phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe trái, phải Phản lực ngang tác dụng lên bánh xe trái phải Phản lực vòng truyền qua bánh xe chủ động Lực phản lực thẳng đứng tác dụng lên ổ bi đỡ trái, phải Vận tốc chuyển động xe Lực quán tính bánh xe Chiều rộng sở xe Trọng lượng bánh xe Bán kính bánh xe có tính độ biến dạng Trọng lượng cầu sau Khối lượng treo Khối lượng không treo Tỉ số truyền hộp số Tỉ số truyền hệ thống truyền lực Hiệu suất hệ thống truyền lực Mô men động Mô men uốn Mô men xoắn Mô men chống uốn Mô men chống xoắn Khoảng cách vệt bánh xe cầu sau Khoảng cách tâm ổ bi đỡ Khoảng cách tâm bánh xe đến tâm ổ bi đỡ bán trục Chiều cao trọng tâm Hệ số bám dọc cực đại Hệ số bám ngang cực đại Chuyển vị theo phương thẳng đứng mặt đường Chuyển vị theo phương thẳng đứng khối lượng không treo Chuyển vị theo phương thẳng đứng khối lượng treo Độ cứng lốp Độ cứng nhíp Hệ số cản giảm chấn Đơn vị N N N N km/h m N m kg kg kg kgm2 kg kg Nm Nm m m m m m m m N/m N/m N/m/s Ω Hàm mật độ phổ lượng chiều cao mấp mô mặt đường Tần số góc n Tần số khơng gian no Giá trị tham chiếu tần số không gian h Hm Chiều cao mấp mô Chiều cao mấp mô dạng sin rad/m Chu kỳ/m Chu kỳ/m m m Lm t σmax Chiều dài mấp mô dạng sin Thời gian Ứng suất cực đại m s MPa Ứng suất giới hạn bền vật liệu chế tạo MPa Ứng suất cắt lớn nhât MPa σy Ứng suất giới hạn chảy vật liệu MPa σv Ứng suất tương đương Von Mises MPa S’e Ứng suất giới hạn mỏi vật liệu MPa σm Ứng suất trung bình MPa σr Vùng biến thiên ứng suất MPa σa R A Biên độ ứng suất Hệ số ứng suất Hệ số biên độ MPa - Gd [σ],Su τmax - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CKD Viết tắt cụm từ tiếng anh: Completely Knocked Down Ngĩa xe lắp ráp với 100% linh kiện nhập VAMA Hiệp hội nhà sản xuất ô tô Việt Nam VEAM Tổng công ty máy động lực máy nông nghiệp Việt Nam PTHH Phần tử hữu hạn ISO 3D CAE CAD Viết tắt cụm từ tiếng anh: Internationnal Organization for Standardization Nghĩa tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế Viết tắt cụm từ tiếng anh: Three dimenson Nghĩa chiều Viết tắt cụm từ tiếng anh: Computer Aided Engineering Nghĩa phân tích cơng nghệ với trợ giúp máy tính Viết tắt cụm từ tiếng anh: Computer Aided Design Nghĩa phân tích cơng nghệ với trợ giúp máy tính DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Cơ tính số vật liệu chế tạo trục Bảng 1.2 Tiêu chuẩn ISO 8608-1995 phân loại đường 11 Bảng 1.3 Thông số kĩ thuật xe tải VPT095 42 Bảng 1.4 Thơng số sử dụng tính tốn mơ động lực học 47 Bảng 1.5 Tải trọng thẳng đứng Zi cực đại đường mấp mô 56 Bảng 1.6 Ứng suất cực đại đường mấp mô 60 Bảng 1.7 Thành phần hợp chất thép C35 61 Bảng 1.8 Tính tuổi thọ đường E-F 65 Bảng 1.9 Tuổi thọ đường B-C,C-D,D-E 65 Hình 3.4 – Sơ đồ tốn mơ hình động lực học để tính Zi Matlap Sumulink Thực cho loại đường, cho kết Zi theo biểu đồ :  Hình 3.5 - Tải trọng thẳng đứng Zi đường mấp mơ B-C 54  Hình 3.6 - Tải trọng thẳng đứng Zi đường mấp mô C-D  Hình 3.7 - Tải trọng thẳng đứng Zi đường mấp mơ D-E 55  Hình 3.8 - Tải trọng thẳng đứng Zi đường mấp mơ E-F Các hình 3.5;3.6;3.7;3.7 vẽ theo thời gian t Quan hệ x t tính theo giả thiết tô chuyển động với vận tốc V : x  V t (m) nên t  x (s) V Các biểu đồ mô tả phản lực thẳng đứng Zi thay đổi theo thời gian theo độ mấp mô loại đường : Bảng 1.5 Tải trọng thẳng đứng Zi cực đại đường mấp mô STT Loại đường Phản lực Zi (max) Đơn vị Đường B-C 7894.10 N Đường C-D 8458.10 N Đường D-E 8458.10 N Đường E-F 1054.10 N Kết cho thấy :  Đường có độ xấu tăng ( theo thứ tự B-C, C-D, D-E, E-F ) tải trọng thẳng đứng Zi tăng theo 56  Tải trọng thẳng đứng Z theo mấp mô loại đường dao động xung quanh giá trị Z = 7603 N Kết mơ tả tượng thực tế 3.3.3 Tính ứng suất bán trục giảm tải 1/2 Khi tính tốn bền mỏi bán trục giảm tải 1/2, ta bỏ qua lực dọc, lực ngang tính đến lực thẳng đứng Zi theo mấp mơ mặt đường Hình 3.9 - Sơ đồ tính tốn bán trục giảm tải 1/2 Do bánh xe chạy đường có biên dạng mấp mơ nên vị trí tâm ổ bi đỡ phía ngồi ( hình 3.9) xuất mơ men uốn mô men xoắn Với b khoảng cách từ tâm bánh xe đến tâm ổ bi đỡ:  Mô men uốn cực đại đạt vị trí lắp ổ bi đỡ phía ngồi lắp bán trục ta có : M u  Z i b (3.1) o Ứng suất uốn lớn tính sau : u  M u Zi b  Wu Wu Hình 4.0 - Tiết diện bán trục vị trí lắp ổ bi đỡ 57 (3.2) o Bán trục có tiết diện trịn có đường kính d ( hình 4.0) Mơ men chống uốn tính gần theo công thức : Wu  0,1.d (3.3)  Mô men xoắn cực đại đạt vị trí lắp ổ bi đỡ phía ngồi lắp bán trục tính theo cơng thức : M x  M e ihttl httl (3.4) Trong : o M e  0,8.M e max o ihttl - tương ứng tay số o httl - Là hiệu suất truyền lực Chọn httl  0,92 Mô men chống xoắn tính theo cơng thức :  Mx Wx (3.5) Ứng suất tổng hợp bán trục :  th    4 (3.6) Từ kết lực thẳng đứng Zi theo biểu đồ tính trên, vào tiết diện mặt cắt ngang, vật liệu bán trục để tính tốn thay đổi ứng suất theo Zi Vị trí chịu ứng suất lớn bán trục vị trí ổ bi đỡ phía ngồi bán trục xác định theo cơng thức (3.6), với tiết diện hình trịn có đường kính d = 40 mm khoảng cách từ tâm bánh xe tới tâm ổ bi đỡ b = 118 mm Ứng suất nguy hiểm tính tốn thể dạng đồ thị theo thời gian hình 4.1, hình 4.2, hình 4.3, hình 4.4 sau : 58 Hình 4.1 - Ứng suất theo thời gian đường B-C Hình 4.2 - Ứng suất theo thời gian đường C-D 59 Hình 4.3 - Ứng suất theo thời gian đường D-E Hình 4.4 - Ứng suất theo thời gian đường E-F Qua biểu đồ ta thấy ứng suất cực đại ứng với loại đường theo bảng sau: Bảng 1.6 Ứng suất cực đại đường mấp mô STT Loại đường Ứng suất cực đại Đơn vị Đường B-C 144.9 MPa Đường C-D 147.7 MPa Đường D-E 150 MPa Đường E-F 155.5 MPa 60 3.4 Tính bền mỏi bán trục giảm tải 1/2 3.4.1 Vật liệu Chọn vật liệu làm bán trục giảm tải 1/2 thép C35 :  Bảng 1.8 - Thành phần hợp chất thép C35 Mác thép C35 Hàm lượng nguyên tố, % Photlưu crom niken huỳnh cacbon silic mangan Không lớn 0,32 – 0,40 0,17 – 0,37 0,50 – 0,80 0,040 0,040 0,25 0,25  Cơ tính vật liệu thép C35 ( theo bảng 1.1) 3.4.2 Xây dựng đường cong mỏi Với tải trọng tác động theo chu kỳ dạng sin hình 4.1, tính bền mỏi người ta quan tâm chủ yếu đến thông số sau:    Ứng suất trung bình:  m  max Biên độ ứng suất: a   r  max    2 Đối với trường hợp tải trọng đối xứng qua trục hồnh  m  61 Hình 4.5: Đồ thị biến thiên ứng suất chi tiết chịu tải Việc đánh giá độ bền mỏi chi tiết thực dựa đường cong mỏi Đường cong xây dựng cách tính tốn dựa cơng thức kinh nghiệm Hình 4.6: Đường cong mỏi theo hệ trụ logarit Nếu thể giá trị hệ trục logarit đường cong mỏi có dạng hai đoạn thẳng hình 4.6 Trong  ứng suất, N số chu kỳ gây hỏng mỏi, Su giới hạn bền vật liệu, S’e giới hạn mỏi vật liệu điều kiện thí nghiệm chuẩn: Se  0,5.Su Se giới hạn mỏi thực tế: Se  K Se 62 Trong công thức trên, K hệ số hiệu chỉnh theo vật liệu điều kiện làm việc cụ thể Đối với thép, giá trị ứng suất tương ứng với số chu kỳ 103 là: S1000  0.9Su  0.9  510  459MPa Giới hạn mỏi Se thường đạt sau 106 – 108 chu kỳ [5] Chọn số chu kỳ 106 ta dựng đồ thị hình 4.2 tính theo công thức : Se  K  Se' Hệ số K tính sau: K  K s  KG  K L  K R Trong đó:  Ks- hệ số ảnh hưởng chất lượng bề mặt: ks  a.Sub Với a = 4,51 b = -0,256, ta tính được: ks = 0,94  KG- hệ số ảnh hưởng kích thước: kG = 0,8  KL- hệ số ảnh hưởng dạng tải trọng: ứng suất uốn: kL =  KT- hệ số ảnh hưởng nhiệt độ, với nhiệt độ nhỏ 4600c: kT =  KR- hệ số độ tin cậy: KR = 0,753 Se = 255.0,566  144 MPa Cuối ta hệ số K = 0,566 Vậy: Với kết S1000 Se tìm được, ta xây dựng đường cong mỏi hệ trục logarit hình 4.2 3.4.3 Tính bền mỏi bán trục giảm tải 1/2 Mục đích tính bền mỏi xác định số chu kì gây mỏi N Vận dụng quy tắc qui tắc Palmgren-Miner (Quy tắc cộng tác dụng Palmgren ,1924 – Miner ,1945 Tổng hư hại tất mức ứng suất i gây hỏng chi tiết): N k n  Ni j 1 63 i Trong :  ni - số lần xuất ứng suất nguy hiểm σi xác định từ biểu đồ phân bố ứng suất  Ni - Số chu kì gây hỏng σi Từ biểu đồ đường cong mỏi ta có mối quan hệ ứng suất σ số chu kì gây hỏng so mỏi N công thức :  m N  const (3.7)  1m N1   2m N (3.8) Từ cơng thức ta viết : Lấy logarit vế biến đổi ta : m log N  log N1 log   log  (3.9) Thay S1000  459MPa vị trí N  10 Se  144MPa vị trí N  10 vào phương trình 8.2 ta có : m log 103  log 108  9.931 log S1000  log Se Từ công thức 3.8 ta viết lại sau : m   N     N1 2  (3.10) Chọn   S1000  459MPa N1  1000 ta có phương trình tổng qt sau: m  459  Ni     1000  i  (3.11) Từ biểu đồ ứng suất, xác định số lần suất ni mức ứng suất  i  Se hay  i  144MPa Thay giá trị  i vào công thức 3.11 ta xác định Ni Từ đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian nhận thấy ứng suất cực đại lớn xe chạy đường E-F Vì luận văn học viên áp dụng tính trường hợp xe chuyển động đường E-F ( đường xấu): 64  Từ đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian, ta sử dụng công cụ Matlab ( sử dụng lệnh “hist”) để xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất Hình 4.7: Biểu đồ phân bố ứng suất đường E-F  Từ biểu đồ phân bố ứng suất đếm số lần tác động ứng suất σi >144 Mpa Bảng 1.8: Tính tuổi thọ đường E-F σi > 144 Mpa ni Ni ni/Ni c=∑ni/Ni N=1/c Tuổi thọ (km) 144 146 148 150 152 154 130 70 60 50 30 99,945,644 87,151,239 76,136,460 66,634,552 58,421,554 51,308,994 1.30E-06 8.03E-07 7.88E-07 7.50E-07 5.14E-07 9.74E-08 4.253286E-06 235,112 58,711 Làm tương tự đường B-C, đường C-D, đường D-E Ta có bảng sau : Bảng 1.9: Tuổi thọ đường B-C,C-D,D-E Loại đường Số chu kỳ gây hỏng Tuổi thọ (km) B-C 1,4.106 351.514 C-D 0,67.106 168.705 D-E 0,41.106 103.505 E-F 2.35.106 58.711 65 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu phương pháp tính bền mỏi áp dụng tính bền mỏi bán trục giảm tải 1/2 cầu sau chủ động xe tải nhẹ Luận văn sử dụng mơ hình động học 1/4 để làm sở tính tốn tải trọng Z tác dụng lên bán trục điều kiện chuyển động với vận tốc không đổi v=40km/h 04 loại đường mấp mô theo tiêu chuẩn ISO 8608-1995 Luận văn xây dựng đường cong mỏi theo công thức thực nghiệm cho vật liệu gia công bán trục vận dụng quy tắc Palmgren - Miner để tính bền bán trục Qua tính tốn, đánh giá độ bền mỏi bán trục giảm tải 1/2 xe chạy 04 loại đường khảo sát đường tốt (đường B-C), đường trung bình (đường C-D), đường xấu (đường D-E), đường xấu (đường E-F) theo tiêu chuẩn ISO , kết cho thấy di chuyển với vận tốc 40 km/h đường C-D ( đường trung bình ) tuổi thọ bán trục giảm tải 1/2 168.705 Km gần với chu kì bảo dưỡng thực tế xe 150.000 Km 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Giao Tiến, “Nghiên cứu tải trọng động cho thiết kế hệ thống truyền lực ô tô tải thông dụng sản xuất Việt Nam” Luận án tiến sĩ, ĐHBK Hà Nội, 2016 Trần Phúc Hòa (2016) Nghiên cứu độ bền cụm cầu sau xe tải chế tạo Việt Nam Luận án Tiến Sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Phạm Lê Tiến (2011) Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đường sắt Việt Nam Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường ĐH Giao thông vận tải Vũ Văn Nhân: “Nghiên cứu đánh giá độ bền lâu dầm cầu trước ô tô tải” Luận văn ThS KT ĐHBK Hà Nội 2017 Vũ Văn Nhân, Nguyễn Trọng Hoan, Trịnh Minh Hoàng: “Đánh giá độ bền mỏi dầm cầu trước tơ tải” Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 3/2017 Vũ Tuấn Đạt (2015) Dự báo tuổi thọ độ bền mỏi cho khung ô tô tải CLKC9650D2 Tạp chí khoa học & Công Nghệ trường Đại học công nghiệp Hà Nội, số 27, 04/2015 Harald Naunheimer, Bernd Bertsche, Joachim Ryborz, Wolfgang Novak: “Automotive Transmissions, Fundamentals, Selection, Design and Application” Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994, 2011 (7.4 Operational Fatigue Strength and Service Life, page 205) Meng Qinghua, Zheng Huifeng and Lv Fengjun (2011) Fatigue failure fault prediction of truck rear axle housing excited bay random road rounghness International Journal of the Physical Sciences Vol.6 (7) Bogsjö, Klas: “Road profile statistics relevant for vehicle fatigue” Centre for Mathematical Sciences, Lund University, 2007 10 Ji-xin Wang, Guo-qiang Wang, Shi-kui Luo, Dec-heng Zhou: “Static and Dynamic Strength Analysis on Rear Axle of Small Payload Off-highway Dump Trucks” College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, 2004 67 11 Aparajita P Ray, Dr R R Arakerimath: “Design Analysis and Shape Optimization of Front Axle of Automotive Truck” International Journal of Engineering and Management Research (IJEMR) ICRAME-2015 Page Number: 54-58 12 R Budynas, and K.J Nisbett, Shigley's “Mechanical Engineering Design”, 9th Edition, McGraw-Hill, New York, 2013 13 Meng Qinghua, Zheng Huifeng and Lv Fengjun: “Fatigue failure fault prediction of truck rear axle housing excited by random road roughness” International Journal of the Physical Sciences Vol 6(7), April, 2011 68 ... vào để đánh giá độ bền mỏi dầm cầu Nhiều cơng trình nghiên cứu khác, công bố kết đánh giá độ bền mỏi dầm cầu trước ô tô tải chịu tác động tải trọng động kích thích ngẫu nhiên từ mấp mô mặt đường... pháp đánh giá phù hợp đánh giá độ bền lý thuyết Chính vậy, học viên chọn đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá độ bền lâu bán trục tơ giảm tải 1/2” nhằm góp phần tạo dựng sở lý thuyết phục vụ cho việc đánh. .. độ bền bán trục .8 1.4.1 Đánh giá độ bền mỏi 1.4.2 Các nghiên cứu nước đánh giá độ bền mỏi phận ô tô .16 1.5 Nội dung luân văn 17 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu