Nghiên cứu về lỗ giảm khối lượng trên khung sơ mi rơ moóc sản xuất tại Việt Nam

Nghiên cứu này trình bày đề xuất phương án giảm tự trọng của khung xe bằng cách cắt các lỗ giảm khổi lượng trên các dầm của khung. Việc xác định vị trí, kích thước các lỗ được đề xuất sau khi khảo sát trên một xe nguyên mẫu được sản xuất tại Việt Nam. các trường hợp cải tiển được đánh giá qua khảo sát độ bền khung xe bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU VỀ LỖ GIẢM KHỐI LƯỢNG TRÊN KHUNG SƠ MI RƠ MOÓC SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM A STUDY ON LIGHTENING HOLE FOR SEMI-TRAILER CHASSIS FRAME MANUFACTURED IN VIETNAM TRƯƠNG ĐẶNG VIỆT THẮNG*, NGUYỄN TRỌNG HOAN, TRỊNH MINH HOÀNG Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: thang.truongdangviet@hust.edu.vn Tóm tắt Khung xe tải nặng phận để nâng đỡ giữ tồn hàng hóa ổn định điều kiện vận hành Kết cấu khung phải đảm bảo độ bền độ cứng vững để chịu dao động, va đập gây di chuyển đường Khung xe tải nặng thường có có dạng khung chịu lực có đặc điểm cồng kềnh chiếm phần lớn tự trọng xe Hiện nay, xu hướng nghiên cứu thiết kế khung xe theo hướng giảm tự trọng xe tải ngày quan tâm giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu giảm phát khí thải Việc cải tiến khung xe theo khía cạnh giảm khối lượng thân khung phải đảm bảo công năng, độ bền tuổi thọ khung phương tiện Nghiên cứu trình bày đề xuất phương án giảm tự trọng khung xe cách cắt lỗ giảm khổi lượng dầm khung Việc xác định vị trí, kích thước lỗ đề xuất sau khảo sát xe nguyên mẫu sản xuất Việt Nam trường hợp cải tiển đánh giá qua khảo sát độ bền khung xe phương pháp phân tích phần tử hữu hạn Thiết kế cải tiến phương pháp giúp giảm trọng lượng khung xe khoảng 2,65% Từ khóa: Xe tải nặng, khung xe, nhẹ, lỗ giảm khối lượng Abstract The heavy-duty truck chassis frame is the major part supporting the entire cargo stable under all vehicle operating conditions The vehicle frame must ensure strength and rigidity to be able to withstand vibrations and impacts that cause torsion, bending and oscillation while travelling on the road Heavy-duty truck frame often has body-on-frame structure, which makes up the primary mass of the vehicle Currently, the research and development on chassis frame tend 322 to focus on reducing the self-weight of trucks in order to improve vehicle fuel efficiency as well as to cut down emission Improving the chassis frame structure in terms of light-weight aspect while remaining its performance, durability and lifetime This study proposes a method to reduce the weight of the chassis by creating holes on the frame member to reduce frame chassis weight The location and size of holes are determined after analysing an existing truck manufactured in Vietnam Proposed study cases were simulated and evaluated through numerical simulation using the finite element analysis method The improved design in this paper help reducing the weight of the chassis by about 2,65% Keywords: Heavy-duty truck, frame, lightweight, lightening hole Giới thiệu Đối với ô tô tải nặng, khung xe xem phận chịu lực phần lớn sử dụng dạng khung chịu lực Khung xe tải có kết cấu cồng kềnh, chiếm phần lớn khối lượng thân xe, thường có dạng khung hình thang bao gồm hai dầm dọc chịu lực liên kết với dầm ngang gia cường đảm bảo khả chịu tải Hai dầm dọc khung thường chế tạo từ thép định hình chữ I, C hình hộp theo hết chiều dài tồn khung Xu hướng thiết kế khung gầm dòng xe tải nặng đòi hỏi khả chịu tải trọng cao giảm trọng lượng thân hơn, đảm bảo tuổi thọ làm việc phương tiện Nước ta có khoảng 45 doanh nghiệp sản xuất khung gầm, thân xe, thùng xe công nghiệp ô tô có tỷ lệ nội địa hóa lớn xe chuyên dụng đạt tỷ lệ 45- 55%, phương tiện vận chuyển hàng hóa chuyên dụng Đối với công nghệ sản xuất khung xe nước cịn có hạn chế định đảm bảo độ bền, an toàn vận hành, sử dụng Tuy SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 nhiên, khung xe sát xi nhập có nhiều ưu điểm kết cấu gọn nhẹ, có dạng kết cấu đặc biệt liền khối, tự trọng thân nhỏ, tải trọng cho phép lớn, tuổi thọ cao Theo nghiên cứu DuPont Automotive Technology, nhà sản xuất ô tô tập trung vào trọng lượng nhẹ để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải hiệu ứng nhà kính, chẳng hạn tiêu chuẩn Tiết kiệm Nhiên liệu Trung bình Doanh nghiệp (CAFE) khí thải gây hiệu ứng nhà kính (GHG) hội Ủy ban An tồn giao thông đường Mỹ (NHTSA) Khoan cắt lỗ giảm khối lượng khung ô tô thực từ sớm xe đua năm 1920 1930 Các dầm dọc dầm chéo khung gầm, thành phần hệ thống treo, vỏ động chí kết nối khoan loạt lỗ, có kích thước gần kích thước dầm khung mà không thực lại tính tốn ứng suất sau Phương pháp triển khai lỗ giảm khối lượng cho xe tải hạng nhẹ đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt CAFE sử dụng hiệu suất mỏi làm mục tiêu thiết kế để tối ưu hóa khung xe tải hạng nhẹ công bố [1] Để đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt CAFE, nhà sản xuất ô tô cố gắng giữ cho trọng lượng xe nhẹ tốt Giảm trọng lượng khung nhiệm vụ đầy thách thức cần trì sức mạnh, độ an toàn độ bền thực Nghiên cứu khác việc giảm trọng lượng khung xe loại khung vỏ liền thân chu kỳ thiết kế tạo lỗ giảm tải trọng loại bỏ phần trọng lượng không ảnh hưởng kết cấu khung xe đảm bảo tuổi thọ Một nghiên cứu xác định vị trí lỗ giảm tải khung xe tải nhằm giúp giảm trọng lượng xe bảo tồn tính độ bền khung đề xuất [2] Vấn đề kỹ sư nhà sản xuất ô tô Fiat Chrysler nghiên cứu từ sớm xe bán tải trình bày khái quát [3] FCA nghiên cứu lỗ giảm khối lượng thành phần kết cấu khung xe để giảm tự trọng cho khung xe từ 3% đến 5% theo kết nghiên cứu mơ ảo Kích thước, hình dạng vị trí lỗ đa dạng áp dụng cho phận xe mà khơng làm giảm hiệu suất, tính năng, độ cứng độ bền toàn xe Việc nghiên cứu tìm vật liệu nhằm giảm tự trọng tơ kỹ sư ngành công nghiệp ô tô phải khám phá giải pháp thay hiệu chi phí phát triển ô tô Bài báo trình bày nghiên cứu đề xuất phương án giảm khối lượng thân khung xe tải nặng cách tạo lỗ dầm ngang khung xe tải nặng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo độ bền khung xe tải thông thường chúng thiết kế thừa bền dẫn đến tự trọng lớn, cồng kềnh,… Giảm khối lượng thân khung xe xu hướng lựa chọn cho tính tốn tối ưu kết cấu khung xe Quá trình thực tối ưu thường tập trung vào yếu tố làm giảm tự trọng dầm hệ thống khung tăng khả chịu tải chúng theo hướng nghiên cứu sau: - Thay đổi vật liệu chế tạo khung; - Thực khoan lỗ giảm tải khối lượng không cần thiết khung, giảm ứng suất gây lên vùng nguy hiểm mà không ảnh hưởng đến độ bền; - Thay đổi chiều dày dầm mà không làm giảm section modulus nhằm không thay đổi cấu trúc hoàn toàn hay giảm khả chịu tải khung Trong nghiên cứu tập trung vào việc thực nghiên cứu đề xuất tạo lỗ giảm khối lượng (lightening holes) dầm hệ khung Lỗ giảm khối lượng xem phần cấu trúc sử dụng thiết kế khí để làm cho cấu trúc nhẹ Các lỗ thường có dạng hình trịn elip cắt vùng an tồn, khơng sinh ứng suất hay biến dạng q trình hoạt động Vị trí kích thước lỗ phụ thuộc vào kết cấu, vật liệu, mối lắp ghép với phận hay chi tiết khác Hình Trong thực tế, dầm ngang thường khoét lỗ với số lượng kích thước vị trí phải tùy theo kết khảo sát sơ ứng suất sinh số trạng thái nguy hiểm toàn khung xe Nguồn: Fiat Chrysler Automobiles Hình Các lỗ giảm tải khung xe hãng Fiat Chrysler Trong thực tế, di chuyển tải trọng định đường có mấp mơ lực tổng hợp làm cho khung bị uốn, xoắn va đập lỗ trở thành điểm yếu khung góp phần nhanh 323 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 chóng làm khung nhanh bị phá hủy Theo khảo sát sơ nhóm nghiên cứu số mẫu khung xe bán moóc chở container thời gian đầu sản xuất lắp ráp Việt Nam sau thời gian vận hành ngắn xuất vết nứt khu vực mối hàn dầm ngang dầm dọc Các khung xe sau cải tiến theo mẫu cách khoét lỗ giảm tải số vị trí theo xe mẫu tượng nứt khung khơng cịn Để xác định vị trí giảm tải cần phải khảo sát, phân tích phần tử hữu hạn mơ hình trường hợp tĩnh động để xác định vùng ứng suất thấp để đề xuất phương án khoét lỗ Các nghiên cứu sâu phương pháp chưa có nhiều Tuy nhiên qua nghiên cứu, việc tạo lỗ giảm khối lượng phải đảm bảo số nguyên tắc sau: - Xác định vùng ứng suất thấp kết cấu để đề xuất phương án khoét lỗ nhằm đảm bảo không ảnh hưởng đến chức năng, độ cứng, độ bền kết cấu; - Hình dáng lỗ giảm khối lượng hình trịn, hình tam giác, hình elip hình chữ nhật phải có cạnh bo trịn, tuyệt đối khơng có góc nhọn; Phương án khoan hai lỗ bốn dầm ngang khung xe có Phương án thứ hai cắt ba lỗ bốn dầm ngang tùy chọn Chi tiết số lượng, hình dáng, kích thước lỗ cho phương đề xuất khoét lỗ mô tả chi tiết theo Bảng Bảng Các phương án tạo lỗ giảm khối lượng Phương án khảo sát Chi tiết Dầm ngang dạng Khung xe không cắt lỗ Khoan cắt lỗ dầm x f200 mm ngang (PA1) Khoan cắt lỗ dầm 12 x f200 mm ngang (PA2) Các sửa đổi hình dạng dầm ngang khung xe nguyên thể mơ hình theo Hình cho hai phương án khoét lỗ giảm khối lượng nghiên cứu Mơ hình - Các lỗ phải cách xa khu vực mối hàn 20mm để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi mối hàn Sau thực tạo lỗ giảm khối lượng, kết cấu khung cần phải khảo sát, phân tích mối hàn kim loại gốc điều kiện vật liệu tải ban đầu Dựa vào kết khảo sát, cần lặp lại để khắc phục vấn đề phát sinh tìm vị trí lỗ sáng đạt thiết kế tối ưu hóa cho hiệu suất trọng lượng Ưu điểm lớn phương pháp lỗ giảm khối lượng khơng có nhiều hạn chế, đặc tính mặt cắt mối hàn giữ nguyên lỗ đặt cách hợp lý khu vực khơng quan trọng, hiệu suất độ bền khung đảm bảo Để thực quy trình khảo sát khoét lỗ giảm khối lượng khung xe, nghiên cứu sử dụng cơng cụ hỗ trợ máy tính (CAE) để khảo sát độ bền khung xe trước sau thực khoét lỗ nhằm giúp việc tiết kiệm chi phí thời gian nghiên cứu, cụ thể sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để khảo sát Đối tượng nghiên cứu báo sử dụng khung xe bán moóc sản xuất nước Các phương án khoét lỗ cụ thể phụ thuộc vào kết khảo sát độ bền mẫu xe tham khảo nguyên dùng mô thực phần báo Có hai phương án khoét lỗ giảm khối lượng đề xuất nghiên cứu 324 Hình Xe bán mc chở container 40 feet, trục Bảng Các thông số khung SMRM 40 feeet, trục Tham số Kích thước bao Giá trị Đơn vị 12.500x2.480x1.520 mm 500x140x6x16 mm 270x170x6 mm 410x160x6 mm 170x270x6 mm 9.000+1310 mm 4800 kg Trọng tải 27.200 kg Trọng lượng toàn 32.000 kg (DxRxC) Kích thước dầm dọc I Kích thước dầm ngang đầu U Kích thước dầm ngang kép Kích thước dầm ngang cuối Khoảng cách trục Trọng lượng thân Bài báo sử sụng kết cấu khung xe bán moóc chở container 40 feet, trục sản xuất Việt Nam Hình để mơ khảo sát Khung xe bao SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 gồm 02 dầm dọc chịu lực liên kết với dầm ngang Đặc điểm khung dầm ngang thép dạng ghép lại với thơng qua mối hàn Mơ hình khung xe ban đầu dựng thành mơ hình CAD xác thông qua tài liệu kỹ thuật đo đạc trực tiếp khung xe thật Thông số kỹ thuật khung trình bày chi tiết Bảng Sau đó, thực chia lưới thực phân tích phần tử hữu hạn mơi trường Hyperworks nhằm phục vụ cho q trình mơ phỏng, mơ hình đươc đơn giản hóa mơ hình tính tốn cấu trúc hình học khơng ảnh hưởng tới giá trị ứng suất lỗ, loại bỏ đinh tán Coi dầm dọc dầm ngang liên kết tuyệt đối cứng qua mối hàn Các mối hàn mô tả thông qua phần tử chuyên dụng phần mềm để mô mối hàn Các giá trị tải trọng giá trị tải trọng định mức theo thơng số kỹ thuật Mơ hình xây dựng nhằm nghiên cứu khảo sát độ bền khung, số chi tiết phụ gắn lên khung khơng đóng góp vào độ cứng khung chịu tải giản lược Phương thức xây dựng mơ hình trình tự thực phân tích phần tử hữu hạn khung xe mô tả chi tiết nghiên cứu [4] nhóm tác giả Mơ hình chia lưới toàn khung xe nguyên thể qua Hình Từ mơ hình khung xe ngun mẫu, phương án khoét lỗ giảm khối lượng đề xuất thể qua Hình Kết Các chế độ khảo sát đánh giá độ bền thông qua ứng suất, độ võng kết cấu khung thực số trạng thái đặc trưng sau: 1) xe đầy tải đứng yên mặt đường phẳng; 2) xe đầy tải khung xe bị xoắn bánh xe bên cầu sau xe mấp mô cao 20cm; 3) xe đầy tải khung xe chịu uốn toàn bánh xe cầu sau xe mấp mơ cao 20cm Hình Ứng suất phân bổ dầm ngang khung xe nguyên Hình Ứng suất phân bổ dầm ngang với lỗ giảm khối lượng Hình Xe bán mc chở container 40 feet, trục Hình Dầm ngang khung SMRM cắt lỗ Hình Dầm ngang khung SMRM cắt lỗ SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Ứng suất phân bổ dầm ngang Trong phạm vi nghiên cứu, báo trình bày số kết mô phân bố ứng suất tương đương (von Mises) độ võng khung xe theo phương thẳng đứng Kết khảo sát kết cấu khung xe nguyên mẫu cho thấy ứng suất chuyển vị lớn tập trung phần hai dầm khung, dầm ngang nằm vùng ứng suất thấp Theo Hình 6, kết khảo sát khung xe theo chế độ khảo sát trình bày từ trái sang phải, cho thấy ứng suất phân bổ dầm ngang khung xe trường hợp khảo sát nằm vùng ứng suất gần không Đây sở để đề xuất phương án khoét lỗ nhằm đảm bảo khơng ảnh 325 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 hưởng đến chức năng, độ cứng, độ bền kết cấu Kết phân bổ ứng suất chuyển vị theo phương thẳng đứng dầm ngang theo phương án đề xuất cắt lỗ giảm khối lượng thể qua Hình Hình Qua kết quả, dầm ngang bị khoét lỗ không chịu ứng suất thấp khung chịu xoắn chịu uốn Ngoài ứng suất, kết chuyển vị cho thấy trạng thái đầy tải đường chuyển vị dầm ngang bị khoét lỗ nhỏ khung xe nguyên cho thấy độ cứng hệ khung xe tăng sau khoét lỗ Tại vùng tiếp giáp, xung quanh mối hàn, dầm dầm ngang cho thấy phân bố ứng suất có giá trị ứng suất trường hợp khảo sát 1, nằm khoảng 19,4÷96,7 (Mpa), 67,2÷336,3 (Mpa) 36÷180 (Mpa) với dao động Như vậy, việc tạo lỗ giảm khối lượng dầm ngang khung xe tải không ảnh hưởng đến tính độ bền kết cấu khung nguyên Kết nghiên cứu việc tạo lỗ giảm khối lượng giúp giảm tự trọng xe thể chi tiết Bảng Việc thực tạo lỗ giảm tải dầm ngang khung xe tải nặng khơng ảnh hưởng đến khả làm việc độ bền độ cứng vững khung xe giúp giảm tự trọng xe nhằm hướng đến mục tiêu giảm tự trọng khung xe giúp giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính Bảng Kết giảm khối lượng khung xe với phương án cải tiến Khối Khung xe lượng toàn khung (kg) Khối lượng giảm (%) Xe nguyên 3.280 - Phương án cải tiến 3.245 1,75 Phương án cải tiến 3.227 2,65 tích hợp vào quy trình thiết kế phân tích nghiên cứu phát triển kết cấu khung xe Tuy nhiện, để đánh giá cách xác cần phải thực nghiệm để kiểm chứng tính đắn mơ hình Hướng nghiên cứu tốn tối ưu hóa kết cấu khung xe thực theo hướng đa mục tiêu sử dụng phương pháp tô pô (topology) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lin, B., bhat, R., Zhang, S., Sykes-Green, T et al., A New Weight Reduction Lightening Holes Development Approach Based on Frame Durability Fatigue Performance, SAE Technical Paper 2017-01-1348, 2017 https://doi.org/10.4271/2017-01-1348 [2] Bhat, R., Sharma, N., Rivard, C., and Thomson, K., Simplified Approach for Optimizing Lightening Holes in Truck Frames for Durability Performance, SAE Technical Paper 2017-01-1345, 2017 https://doi.org/10.4271/2017-01-1345 [3] Website, https://fsmdirect.com/tools/automotive/ 450-lighten-up [4] Trương Đặng Việt Thắng, Nguyễn Trọng Hoan, Xây dựng mơ hình nghiên cứu độ bền khung sơ mi rơ moóc sử dụng Hyperworks, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, 2017 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 10/8/2021 15/8/2021 Kết luận Nội dung nghiên cứu đề xuất có hiệu phương án cải tiến giúp giảm tự trọng khung xe mang tính khả thi ứng dụng vào quy trình thiết kế, sản xuất khung cho xe tải nặng nói chung sản xuất Việt Nam mà không thay đổi nhiều mặt kết cấu khung xe Bài báo tập trung phương pháp cải tiến theo hướng giảm khối lượng thân cấu trúc khung xe tải nhờ vào việc tạo lỗ giảm tải dầm ngang Với kỹ thuật CAE thích hợp trình bày báo này, cách tiếp cận dễ dàng 326 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... giúp giảm trọng lượng xe bảo tồn tính độ bền khung đề xuất [2] Vấn đề kỹ sư nhà sản xuất ô tô Fiat Chrysler nghiên cứu từ sớm xe bán tải trình bày khái quát [3] FCA nghiên cứu lỗ giảm khối lượng. .. dao động Như vậy, việc tạo lỗ giảm khối lượng dầm ngang khung xe tải không ảnh hưởng đến tính độ bền kết cấu khung nguyên Kết nghiên cứu việc tạo lỗ giảm khối lượng giúp giảm tự trọng xe thể chi... phương án khoét lỗ giảm khối lượng nghiên cứu Mơ hình - Các lỗ phải cách xa khu vực mối hàn 20mm để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi mối hàn Sau thực tạo lỗ giảm khối lượng, kết cấu khung cần phải