Nghiên cứu thiết kế và đánh giá độ bền của vành hợp kim ô tô

Bài viết cho thấy vành hợp kim ô tô là bộ phận để lắp lốp, chúng thường xuyên chịu các lực nên rất dễ bị biến dạng, trầy xước và hỏng hóc. Do đó, nghiên cứu thiết kế kích thước, hình dạng của vành phải phù hợp để lắp lốp và đảm bảo độ bền làm việc. Bài báo trình bày nội dung nghiên cứu thiết kế và tính toán bền chịu va đập của vành hợp kim ô tô được sử dụng tại Việt Nam.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA VÀNH HỢP KIM Ô TÔ RESEARCH OF DESIGN AND DURABILITY ASSESSMENT OF AUTOMOBILE WHEEL RIMS Nguyễn Quang Cường1, Nguyễn Thành Công1,*, Phạm Thị Thanh Nhàn2 TĨM TẮT Vành hợp kim tơ phận để lắp lốp, chúng thường xuyên chịu lực nên dễ bị biến dạng, trầy xước hỏng hóc Do đó, nghiên cứu thiết kế kích thước, hình dạng vành phải phù hợp để lắp lốp đảm bảo độ bền làm việc Bài báo trình bày nội dung nghiên cứu thiết kế tính tốn bền chịu va đập vành hợp kim tô sử dụng Việt Nam Dựa quy chuẩn QCVN78:2014/BGTVT Việt Nam ISO 4000-2 xác định tham số kết cấu cho vành ô tô tiến hành xây dựng mơ hình tính tốn bền Sử dụng phần mềm Solidwork để xây dựng mơ hình 3D phần mềm Ansys tính tốn bền vành bánh xe Phương pháp giúp giảm thời gian công sức chi phí q trình thiết kế Từ khóa: Vành hợp kim, phần tử hữu hạn, thiết kế tính tốn bền, QCVN78:2014/BGTVT, ISO 4000-2 Trên tơ, vành hợp kim tơ đóng vai trị quan trọng, phận trực tiếp nhận tồn lực tác động ô tô di chuyển Cấu tạo chung vành bánh xe ô tô thường bao gồm hai chi tiết vành mâm vành (nan hoa) chế tạo liền khối, kẹp chặt cố định với tháo Vành hợp kim phận mang tải quay nằm lốp trục, thông thường vành bao gồm phận: nan hoa, giá bắt bu lơng, vành bao ngồi, gờ vành, lỗ định tâm, lỗ chân van Các thông số vành hợp kim là: đường kính vành, chiều rộng vành, đường kính vịng lăn, số bu lơng, hình dạng gờ vai vành, kích thước, hình dạng, cấu tạo nan hoa đúc, hình ABSTRACT Automobile alloy wheel rims are the parts that are frequently subject to mechanical forces so they are easily deformed, scatched and damaged Therefore, design of the size and shape of the rim must be suitable for tire mounting and ensure durability The article presents the contents of design and calculation of impact resistance of automobile alloy rims used in Vietnam Based on National technical regulation QCVN78:2014/BGTVT of Vietnam and ISO 40002 to determine structural parameters for automobile rims and to build a durable computational model Using Solidwork software to build 3D models and using Ansys software to calculate durability for wheel rim This method helps to reduce the time and effort in the design process Keywords: Alloy wheel rims, Finite Element, design and durability assessment, QCVN78:2014/BGTVT,ISO 4000-2 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải Khoa Khoa học bản, Trường Đại học Công nghiệp Việt Hung * Email: congnt@utc.edu.vn Ngày nhận bài: 10/8/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/9/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2021 TỔNG QUAN Ơ tơ ngày phương tiện giao thông ưa chuộng phổ biến giới nói chung Việt Nam nói riêng Chính lý tính an tồn, tính tiện nghi, thân thiện thẩm mỹ ln ln địi hỏi loại phương tiện phải phát triển không ngừng Hình Một số thơng số vành hơp kim Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ mô số vào tính tốn thiết kế ngành kỹ thuật tô Việt Nam lĩnh vực công nghiệp ô tô Công nghệ mơ số góp phần khơng nhỏ giúp cải thiện thời gian tính tốn đưa giải pháp việc cải thiện thiết kế từ nâng cao hiệu trình sản xuất phát triển sản phẩm sau Việc thiết kế kích thước, hình dạng vành yêu cầu phải phù hợp để 84 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 lắp lốp đảm bảo độ bền làm việc Trên giới, P Meghashyam cộng [1] ứng dụng phần mềm Catia phần mềm Ansys để thiết kế mơ hình 3D tính tốn kiểm nghiệm bền vành tơ trạng thái vành chịu áp suất Kalpesh R.Salunkhe cộng [2] ứng dụng phần mềm Creo thiết kế phần mềm Ansys tính tốn bền vành hợp kim chế độ chịu tải trọng hướng kính vành Atish Prabhakar Pawar cộng [3] sử dụng phần mềm Solidwork thiết kế mơ hình vành bánh xe, phần mềm ansys tính tốn bền vành bánh xe mức tải trọng hướng kính 8000 (N) tính tốn tối ưu xác định tham số vành Tại Việt Nam, quy chuẩn QCVN78:2014/BGTVT [4] ban hành nhằm quy định yêu cầu kỹ thuật kiểm tra chất lượng an toàn kỹ thuật vành xe hợp kim nhôm vành xe hợp kim magiê (gọi chung vành xe hợp kim nhẹ) Để làm sở cho việc thử nghiệm, Đặng Việt Hà cộng [5] trình bày phương pháp thử nghiệm giới thiệu thiết bị thử độ bền va đập vành hợp kim nhẹ ô tô phù hợp với QCVN78:2014/BGTVT Ngoài ra, Đặng Việt Hà cộng [6] cơng bố cơng trình nghiên cứu phương pháp thử độ bền mỏi uốn quay vành sử dụng cho ô tô sản xuất lắp ráp Việt Nam Tuy nhiên, thực tế cơng trình nghiên cứu Việt Nam liên quan tới vành hợp kim tơ cịn hạn chế Do đó, việc nghiên cứu phương pháp thiết kế đánh giá khả chịu va đập vành bánh xe giúp cho nhà sản xuất, nhà quản lý chất lượng sản xuất lắp ráp kiểm soát chất lượng vành bánh xe, tối ưu chi phí THIẾT KẾ VÀNH HỢP KIM Ơ TƠ 2.1 Xác định thơng số cho profin vành ô tô Quy chuẩn quốc gia QCVN 78:2014/BGTVT vành hợp kim nhẹ dùng cho xe ô tô quy định kích thước vành hình Theo tiêu chuẩn ISO 4000-2 [7], profin mặt cắt ngang vành dùng cho xe ký hiệu “J” hình Ký hiệu chữ “J” coi biên dạng gờ vành hay profin mép lốp Profin vành có biên dạng “J” kiểu vành mảnh liền khối, có thân lõm 5ᵒ (β = 5o) Hình Dạng profin mặt cắt ngang vành Dựa thông số đưa hãng sản xuất, chiều rộng danh nghĩa vành đường kính danh định tương ứng xe Honda Civic 2020 phù hợp với thơng số loại vành bảng Bảng Một số loại vành cho Honda Civic 2020 Ký hiệu vành 7Jx16 1/2Jx17 8Jx18 9Jx19 1/2x20 Đường kính danh định (mm) 405,6 436,6 462,0 487,4 512,5 Chiều rộng danh nghĩa (mm) 178,0 190,5 203,0 228,5 241,5 Lựa chọn vành sở ký hiệu 8Jx18 để xác định tính tốn thiết kế vành bánh xe ô tô cho lốp xe có kí hiệu 235/40ZR18 91W Các kích thước profin vành liệt kê hình Hình Hình dạng profin vành thiết kế Hình Quy định kích thước vành a - Chiều rộng quy định vành; b - Chiều rộng gờ vành; c - Vị trí bán kính gờ vành; d - Lỗ van; D - Đường kính quy định vành; f - Vị trí lỗ van; g - Chiều cao gờ vành; H - Độ sâu mặt lõm; l - Chiều rộng mặt lõm; m - Vị trí mặt lõm; p - Chiều rộng mặt tựa mép lốp; r1 - Bán kính cong gờ vành; r2 - Bán kính gờ vành; r3 - Bán kính mặt tựa mép lốp; r4 - Bán kính đỉnh mặt lõm Phía lắp lốp; r5 - Bán kính đáy mặt lõm; r6 - Bán kính mép gờ vành; r7 - Bán kính gờ vành phía khối lượng cân bằng; r8 - Bánh kính đỉnh lõm - Phía khơng lắp lốp; α - Góc mặt lõm; β - Góc mặt tựa mép lốp; - Mặt phẳng trung tâm vành Trong tiêu chuẩn ISO lốp vành, profin mặt cắt ngang vành kí hiệu theo chữ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Kiểm nghiệm khoảng cách tháo lắp lốp Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 85 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Dựng biên dạng vành bao ngồi Hình Dựng biên dạng moay nan hoa P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Độ sâu tối thiểu mặt lõm vị trí mặt lõm phải thỏa mãn điều kiện khoảng cách tính từ đáy mặt mặt lõm phía lắp lốp đến mép gờ vành phía đối diện (khoảng cách tháo lắp lốp) nhỏ đường kính danh định vành Khoảng cách liên quan đến việc tháo lắp lốp vào vành bánh xe Kiểm nghiệm với profin thiết kế thể hình Như vậy, khoảng cách tháo lắp lốp 461,40 (mm) nhỏ đường kính danh định vành bánh xe 462,0 (mm) Profin vành xe thiết thỏa mãn kích thước Đối với vành bánh xe liền khối, độ dày vành phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, độ dày khoảng từ (mm) đến (mm) Chọn độ dày vành thiết kế (mm) 2.2 Xây dựng mô hình 3D vành tơ phần mềm Solidwork Hình Dựng biên dạng lỗ bắt bu lơng Hình Thiết kế hình dạng cho chấu 86 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Bước Dựng biên dạng vành bào ngoài: Trong môi trường Sketch 2D, vẽ biên dạng phần vành kích thước thiết kế Sử dụng lệnh Revolved để tạo nên phần vành tròn xoay với bán kính bán kính danh định vành Kết thúc lệnh Reloved, ta mơ hình phần vành Q trình thể hình Bước Dựng biên dạng may nan hoa: Trên mặt phẳng chứa mặt cắt ngang vành xe, sử dụng lệnh môi trường Sketch 2D tạo biên dạng cho Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 moay nan hoa vành bánh xe Sử dụng lệnh Revolved biên dạng vừa tạo với trục tâm vành bánh xe Quá trình thể hình Bước Dựng lỗ bắt bulông: Dựng Sketch mặt phẳng chiếu đứng Revolved Cut để tạo lỗ bắt bu lông cho vành bánh xe Tạo bốn lỗ bắt bu lơng cịn lại lệnh Circular Pattern với thuộc tính lỗ bắt bu lơng vừa dựng tâm xoay lỗ đặt trục bánh xe Quá trình thể hình hình 12 xây dựng mơ hình với ba thành phần: vành hợp kim, giá lắp khối tải trọng va đập Vành hợp kim được lắp ghép với giá lắp qua điều kiện tiếp xúc bề mặt Mô trình va đập khối tải trọng vành hợp kim độ cao 230mm Bước Dựng biên dạng chấu cho nan hoa vành bánh xe: Trong Sketch 2D mặt phẳng song song với mặt phẳng trung tuyến có offset 150 (mm) Sử dụng lệnh Extruded Cut để tạo hình cho đường vừa thiết kế, tiếp tục dùng Circular Pattern vào lỗ vừa cắt tạo nên chấu hoàn chỉnh vành bánh xe tơ Q trình thể hình Bước Dựng lỗ cắm van cho vành bánh xe: Quá trình thực hình 10 Hình 12 Mơ hình thử nghiệm va đập vành hợp kim Hình 10 Dựng lỗ cắm van Bước Dựng hồn thiện mơ hình 3D vành bánh xe: Vì vành bánh xe thiết kế vành nguyên khối nên sau thiết kế tất phận phải liên kết lại làm khối đồng Lệnh Combine Solidworks thực nhiệm vụ Mô hình 3D hồn chỉnh vành bánh xe ký hiệu 8Jx18 ET50 xây dựng phần mềm CAD Solidworks 2016 hình 11 Thực xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho vành ô tô từ mô hình hình học hình 13, lựa chọn kiểu phần tử SOLID185 cho mơ hình vành, bề mặt tiếp xúc khối vật thể với vành, vành ô tô với chân đế có kiểu phần tử CONTA174, TARGE170 vật liệu hợp kim có tính chất thể bảng 2, thơng qua việc chia lưới mơ hình hình học mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu vành ô tô hình 13 Hình 13 Mô hình phần tử hữu hạn vành tơ Bảng Tính chất vật liệu vành họp kim tơ Hình 11 Combine vành, moay nan hoa TÍNH TỐN KẾT CẤU VÀNH HỢP KIM Ô TÔ KHI CHỊU VA ĐẬP BẰNG PHẦN MỀN ANSYS 3.1 Xây dựng mơ hình tính tốn độ bền vành tơ phần mềm ANSYS Mơ hình tính tốn đánh giá độ bền vành ô tô xây dựng dựa quy chuẩn QCVN78:2014/BGTVT Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Tính chất vật liệu Kí hiệu Giá trị Đơn vị Mô đun đàn hồi E 71,7 GPa Hệ số pốt xơng ν 0,33 Giới hạn bền uốn (Tensile Yield Strength) σc 505 MPa Giới hạn bền kéo (Ultimate Tensile Strength) σk 570 MPa Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 87 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 3.2 Phương án đặt tải Khi thực đặt tải cho mô hình dựa quy định quy chuẩn QCVN 34:2017/BGTVT kiểm tra vành hợp kim ô tô thực sau: - Khối vật thể va chạm có khối lượng lựa chọn theo QCVN 34:2017/BGTVT 550kg với khả chịu tải lớn bánh xe lấy theo quy định nhà sản xuất lốp Khối vật thể thực chuyển động va chạm xuống vành hợp kim quy đổi từ độ cao 230mm xuống độ cao 1mm, vận tốc khối vật thể va chạm lúc cách vành 1mm tính theo cơng thức: v  2.gh  2, 2321(m / s) Hình 15 Phân bố chuyển vị theo phương thẳng đứng (1) Trong đó: h = 0,229m độ cao khối vật thể ban đầu so với vị trí cách bề mặt va chạm vành ô tô 1mm, g = 9,81m/s2 gia tốc trọng trường Hình 16 Phân bố ứng suất tương đương theo Von Mises Hình 14 Mơ hình phân tích độ bền va chạm vành tơ phần mềm Ansys - Áp suất khơng khí bên lốp tác dụng lên vành xe ô tô chia làm hai thành phần: Thành phần thứ tác dụng lên bề mặt vành bao áp suất tĩnh theo tiêu chuẩn có giá trị P0 = 2,3.105Pa Thành phần thứ hai tác dụng lên gờ vành, thành phần có giá trị tính theo công thức: Tf  Fp .rf   a2  rf2  Po 4rf   0, 2782  0, 22862  230000  18074(Pa) 4.0, 2285 (2) Trong đó: Tf lực khơng khí nén bên lốp tác dụng lên gờ vành ô tô Po áp suất tĩnh tiêu chuẩn lốp theo quy chuẩn, a = 0,346m bán kính ngồi bánh xe, rf = 0,457/2 = 0,2286m bán kính danh nghĩa vành hợp kim Giá đỡ cố định mặt phẳng khối tải trọng va đập gán vận tốc, áp lực khơng khí lốp tác dụng lên vành, trình bày hình 14 3.3 Giải toán Sau tiến hành giải toán phần mềm Ansys thu kết trường phân bố chuyển vị nút (hình 15), trường phân bố ứng suất nút theo Von Mises (hình 16) trường phân bố biến dạng theo Von Mises (hình 17) Hình 17 Phân bố biến dạng tương đương theo Von Mises Từ kết hình 16 17 cho thấy, nơi có biến dạng lớn tập trung ứng suất lớn vị trí tiếp xúc vành với khối vật thể va chạm Giá trị ứng suất sinh lớn 234,68 (MPa) < 505 (MPa) (ứng suất giới hạn vật liệu vành) vành đủ bền Phân bố biến dạng tương đương theo Von Mises hình 16 cho thấy giá trị lớn vùng tiếp xúc khối vật thể vành bánh xe va chạm có giá trị 0,0035479 (mm) Như theo Tiêu chuẩn đánh giá dựa theo mục Đánh giá 4.4 QCVN 78:2014/BGTVT vành tính tốn đạt u cầu KẾT LUẬN Vành hợp kim ô tô phận thường xuyên chịu lực tác động học nên dễ bị biến dạng, trầy xước hỏng hóc Do đó, nghiên cứu thiết kế kích thước, hình dạng vành phải phù hợp để lắp lốp đảm bảo độ bền làm việc Nội dung báo trình bày nghiên cứu thiết kế tính tốn bền chịu va đập vành hợp kim ô tô sử dụng Việt Nam Dựa quy chuẩn QCVN78:2014/BGTVT Việt Nam ISO 4000-2 xác định tham số kết cấu cho vành ô tô tiến hành xây dựng mô hình tính tốn bền Sử dụng phần mềm Solidwork để xây dựng mơ hình 3D 88 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phần mềm Ansys tính tốn bền vành bánh xe Kết tính tốn cho vành hợp kim cụ thể lắp cho lốp có kí hiệu 235/40ZR18 91W xác định ứng suất lớn vành tập trung vị trí tiếp xúc khối vật thể vành ô tô trình va chạm 234,68 (MPa) nhỏ ứng suất cho phép vật liệu kết thử nghiệm cho thấy không xuất vết nứt xuyên tâm theo quy chuẩn QCVN78:2014/BGTVT vành đảm bảo chất lượng Như thông qua việc nghiên cứu cho thấy kết sử dụng làm sở để nghiên cứu thông số thay đổi bánh xe vật liệu mới, độ dày, kích thước kiểu nan hoa Do đó, nghiên cứu nhiều cung cấp giải pháp tốt cho vấn đề công nghiệp liên quan đến thiết kế, sản xuất sử dụng vành lắp ô tô sử dụng Việt Nam LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Giao thông vận tải đề tài mã số T2021-CK-017 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Meghashyam, S Girivardhan Naidu, N Sayed Baba, 2013 Design and Analysis of Wheel Rim using CATIA & ANSYS International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management (IJAIEM), ISSN 2319 - 4847, Volume 2, Issue [2] Kalpesh R Salunkhe, Shailesh S Pimpale, 2017 Design, FEM Analysis and of Alloy Wheel Rim International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology, ISSN (Online) 2393 ISSN (Print) 2394- -1588 8021, Vol 4, Issue [3] Atish Prabhakar Pawar, B D Patil, 2020 Design, analysis and optimization of wheel rim Journal of Emerging Technologies and Innovative Research (JETIR), Volume 7, Issue [4] QCVN78:2014/BGTVT, National technical regulation on light alloy wheels for automobiles [5] Dang Viet Ha, Vu Thanh Niem, Dinh Quang Vu, 2015 Research methodology and introduce equipment impact test Transport Journal, Ministry of Transport Vol 08 [6] Dang Viet Ha, Duong Hiep Si, 2018 Rotating bending fatigue testing of light alloy wheels used for automobile according to QCVN 78:2014/BGTVT Transport Journal, Ministry of Transport Vol 08 [7] ISO 4000-2, 2017 Passenger car tyres and rims - Part2: Rims International Standard, Fourth edition AUTHORS INFORMATION Nguyen Quang Cuong1, Nguyen Thanh Cong1, Pham Thi Thanh Nhan2 Faculty of Mechanical Engineering, University of Transport and Communications Faculty of Fundamental Science, Viet - Hung Industrial University Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 89 ... lượng vành bánh xe, tối ưu chi phí THIẾT KẾ VÀNH HỢP KIM Ô TÔ 2.1 Xác định thông số cho profin vành ô tô Quy chuẩn quốc gia QCVN 78:2014/BGTVT vành hợp kim nhẹ dùng cho xe tơ quy định kích thước vành. .. đó, nghiên cứu thiết kế kích thước, hình dạng vành phải phù hợp để lắp lốp đảm bảo độ bền làm việc Nội dung báo trình bày nghiên cứu thiết kế tính tốn bền chịu va đập vành hợp kim ô tô sử dụng... bền va đập vành hợp kim nhẹ ô tô phù hợp với QCVN78:2014/BGTVT Ngoài ra, Đặng Việt Hà cộng [6] cơng bố cơng trình nghiên cứu phương pháp thử độ bền mỏi uốn quay vành sử dụng cho ô tô sản xuất