(Đề tài NCKH) viết chương trình tính toán bán trục ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN BÁN TRỤC Ơ TƠ Mã số: T2015 - 53 Chủ nhiệm đề tài: THS GV TRẦN ĐÌNH Q SKC005591 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN BÁN TRỤC Ơ TƠ Mã số: T2015 - 53 Chủ nhiệm đề tài: GVC ThS TRẦN ĐÌNH QUÝ TP HCM, 10/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN BÁN TRỤC Ơ TƠ Mã số: T2015 - 53 Chủ nhiệm đề tài: TRẦN ĐÌNH QUÝ TP HCM, 10/2015 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TT Họ tên Trần Đình Quý MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu - Tính cấp thiết đề tài- Mục tiêu nghiên cứu: Hiện có nhiều chƣơng trình máy tính hỗ trợ tính tốn truyền động nƣớc ngồi nhƣ nƣớc: phần mềm mơ phỏng, tính kết cấu, chi tiết khí đƣợc thƣơng mại hố hãng, số chƣơng trình máy tính đề tài NCKH Các chƣơng trình mạnh, giúp phân tích kết cấu trạng thái tĩnh, động với chế độ tải trọng khác nhau, ràng buộc đa dạng mộ t cách thuận lợi Các chƣơng trình phù hợp với công việc nghiên cứu, thiết kế sản xuất Bán trục cầu xe đƣợc dùng để truyền momen xoắn từ vi sai đến bánh xe chủ động Tùy theo kết cấu, cách bố trí chi tiết cụm cầu chủ đ ộng, chế độ hoạt động xe mà bán trục có trạng thái chịu tải với mức độ khác Khi tính tốn xác định kích thƣớc bán trục cần phân tích yếu tố cách đầy đủ Trong phân bố chƣơng trình đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động lực, thời lƣợng dành cho mơn học Thiết kế ô tô không nhiều Sinh viên ngành Cơ khí Động lực chƣa có nhiều thời gian để thực tập tính tốn thiết kế ơtơ; trƣờng hợp hoàn thành tập thiếu cơng cụ để tự đánh giá kết Hơn nữa, số trƣờng hợp cần có thông số kết cấu chi tiết, hệ thống, …nhƣng việc tính tốn thủ cơng lại nhiều thời gian Việc sử dụng phần mềm tính kết cấu lớn với khả tính tốn, phân tích mạnh tập có tính học thuật, đơn giản nhƣ môn học Thiết kế ô tô với thời lƣợng u cầu phân tích khơng nhiều khơng thích hợp (lý nêu trên) Do đó, cần có chƣơng trình máy tính nhỏ gọn để hỗ trợ tính tốn, phù hợp với mục tiêu hỗ trợ sinh viên học tập, giúp họ nắm đƣợc bƣớc tính tốn sức bền chi tiết ô tô với trợ giúp máy tính mà không tốn nhiều thời gian Đề tài nghiên cứu khoa học “Viết chương trình tính tốn bán trục ô tô” đƣợc thực nhƣ cố gắng cung cấp cho sinh viên chun ngành tơ có thêm công cụ hỗ trợ giúp nâng cao hiệu học tập Cách tiếp cận: Bán trục chi tiết cụm cầu chủ động tơ, có chức truyền momen xoắn từ truyền lực chính, vi sai đến bánh xe chủ động Tùy theo kết cấu cầu chủ động, cách bố trí bán trục, ổ bị, vỏ cầu mà bán trục có mức độ chịu tải trọng khác Nhìn chung, xem bán trục nhƣ dầm chịu lực phức tạp: kéo-nén, cắt, uốn ngang-uốn đứng, xoắn Mức độ phức tạp tải trọng tùy vào cách bố trí bán trục cụm cầu chủ động (mức độ chịu tải) trƣờng hợp tải đặc trƣng Trên sở loại xe, loại bán trục cần tính tốn kết hợp với yêu cầu vận hành khai thác xe, ta xác định yêu cầu đặt toán thiết kế tính tốn bán trục với chế độ tải trọng tính tốn đặc trƣng, từ xây dựng đƣợc mối quan hệ thơng số hình học bán trục với lực, momen tải trọng theo điều kiện bảo đảm bền cho chi tiết, tiến tới đƣa bƣớc tính tốn xác định thơng số Xây dựng lƣu đồ thuật tốn lựa chọn ngơn ngữ lập trình thích hợp với tính tốn kỹ thuật, phổ biến viết chƣơng trinh Phương pháp nghiên cứu: phân tích tổng hợp lý thuyết Đối tượng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu bán trục tơ, cụ thể phƣơng pháp tính tốn xác định kích thƣớc bán trục với hỗ trợ công cụ tin học Phạm vi, nội dung nghiên cứu: Cơng việc tính tốn bán trục ô tô đƣợc thực qua bƣớc cụ thể sau: Phân tích kết cấu, từ xác định bán trục cần tính tốn có mức độ chịu lực nhƣ nào, bán trục thuộc loại chịu tải hon ton, gim ti ẵ, gim ti ắ hay gim tải hoàn toàn Xác định lực tác dụng lên cầu xe, bán trục chế độ tải trọng khác nhau: truyền lực kéo cực đại, truyền lực phanh cực đại, xe trƣợt ngang hoàn toàn (chịu lực ngang cực đại), xe chuyển động đƣờng không phẳng (chịu lực thẳng đứng cực đại – tải trọng động) Tính tốn bán trục với chế độ tải trọng đặc trƣng khác nói trên: xác định đƣờng kính bán trục tính ứng suất kiểm tra bền bán trục biết Dựa vào tình hình thực tế thời gian, vào kinh phí đƣợc khốn, ngƣời thực đƣa nhiệm vụ cụ thể đề tài cần thực phạm vi thực đề tài Nhiệm vụ đề tài viết chƣơng trình máy tính tính ứng suất xuất bán trục giảm tải ½ bố trí dầm cầu liền c ầu sau chủ động khơng dẫn hƣớng (trong q trình tính toán bỏ qua ảnh hƣởng lực cắt, lực dọc trục ) TĨM TẮT NỘI DUNG I PHÂN TÍCH BÀI TỐN Phân tích tốn: Hiện cầu sau chủ động ô tô thƣờng dùng loại cầu liền, việc truyền momen xoắn từ truyền lực chính, vi sai đến bánh xe chủ động nhờ bán trục Có nhiều cách phân loại bán trục, t heo mức độ chịu tải, bán trục đƣợc chia làm loại: + Loại nửa trục khơng giảm tải (hình 1) Ở loại bạc đạn đặt trực tiếp lên nửa trục Lúc nửa trục chịu tồn lực, phản lực từ phía đƣờng lực vòng bánh chậu(loại bán trục ngày khơng cịn dùng nửa) Hình 1: Sơ đồ bán trục không giảm tải + Loại nửa trục giảm tải ½ (hình 2) Ở loại bạc đạn đặt vỏ vi sai, cịn bạc đạn ngồi đặt vỏ cầu, vòng bạc đạn đở bán trục Hình 2: Sơ đồ bán trục giảm tải ½ + Loại giảm tải ¾ (hình 3) Ở loại bạc đạn đặt vỏ vi sai, cịn bạc đạn ngồi đặt vỏ cầu lồng vào moayơ bánh xe Hình 3: Sơ đồ bán trục giảm tải ¾ + Loại nửa trục giảm tải hồn tồn (hình 4) Ở loại bạc đạn đặt vỏ vi sai, cịn ngồi gồm bạc đạn đặt gần Chúng đƣợc đặt vỏ cầu lồng vào moayơ bánh xe Hình 4: Sơ đồ bán trục giảm tải hoàn toàn(4/4) Hiện bán trục giảm tải ½ dùng xe du lịch, minibus, bán tải ; bán trục giảm tải hoàn toàn dùng xe tải, xe khách Các lực tác dụng lên cầu xe, bán trục Hình 5: Sơ đồ lực tác dụng lên cầu sau chủ động G2 – Phần trọng lƣợng xe tác dụng lên cầu sau xe đứng yên mặt phẳng nằm ngang m2 - Hệ số thay đổi trọng lƣợng tác dụng lên cầu sau phụ thuộc vào điều kiện chuyển động + Trƣờng hợp truyền lực kéo m2 = m2k lấy khoảng nhƣ sau: Cho xe du lịch : m2k =1,2 ÷ 1,4 Cho xe tải : m2k =1,1 ÷ 1,2 + Trƣờng hợp xe phanh m2 = m2p lấy giá trị khoảng sau: Cho xe du lịch : m2p = 0,8 ÷ 0,85 Cho xe tải : m2p = 0,9 ÷ 0,95 Y lực ngang phát sinh xe chuyển động đƣờng nghiêng quay vòng (lực ly tâm) Lực đặt trọng tâm xe, truyền xuống tác động vào mặt đƣờng gây phản lực ngang mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe bên trái bên phải cầu sau chủ động tơ Y1 Y2 Ta có: Y=Y1+Y2 B – Chiều rộng sở xe (m) gbx – Trọng lƣợng bánh xe – tính tốn bán trục ta bỏ qua (N) hg – Chiều cao trọng tâm xe (m) σ = u Mu1 0,1d3 = kñ G2 b 0,2d3 Để bảo đảm bền ứng suất tiết diện nguy hiểm phải nhỏ ứng suất cho phép vật liệu bán trục: σt h ≤ [σ] Từ quan hệ ta xác định đƣợc đƣờng kính tối thiểu bán trục Tính tốn xác định đường kính bán trục: + Thông số ban đầu: - Loại bán tr ục cần tính tốn: loại giảm tải ½ - Các kích thƣớc chiều dài bán trục, kho ảng cách gi ữa ổ bi ngoai với ổ bi vi sai, khoảng cách từ ổ bi đến mặt phẳng đối xứng bánh xe chủ động a, b (hình 6) - Bán kính tính tốn bánh xe chủ động r b (hình 6) - Phân bố tải trọng lên cầu sau chủ động chứa bán tr ục cần tính tốn G - Chiều cao trọng tâm xe hg (hình 6) - Chiều rộng sở ô tô (kho ảng cách tâm bánh xe cầu chủ động) B (hình 6) - Momen xoắn cực đại động truyề n xuố ng cầu chủ động chứa bán tr ục cần tính tốn Memax - Tỉ số truyề n tay số ih1 - Tỉ số truyề n truyền lực cầu chủ động i0 - Hệ số bám dọc bánh xe với bề mặt đƣờng ϕ - Chọn hệ số bám ngang ϕ1=1 - Hệ số thay đổi trọng lƣợng tác dụng lên cầu sau kéo m2k , m2p - Chọ n hệ số tải trọng động xe chuyển động đƣờng gồ ghề ứng xe du lịch Kđ = - Ứng suất cho phép bán trục [σ] + Nhiệm vụ tính tốn: tính tốn đƣớng kính bán trục đƣợc thực sau chọn đƣợc loại xe, phân bố tải trọng,… chọn đƣợc só kích thƣớc bán trục a,b Đƣờng kính bán trục đƣợc chọn cho làm việc bảo đảm điều kiện bền Thực tính tốn trung gian: xác định nội lực tiết diện nguy hiểm, tính momen uốn đứng, momen uốn ngang, momen xoắn tiết diện nguy hiểm ứng với trƣờng hợp tải trọng tính toán đặc trƣng: truyền lực kéo cực đại, truyền lực phanh cực đại, xe bị trƣợt ngang, xe chạy đƣờng gồ ghề Dựa vào mối mối quan hệ đại lƣợng kích thƣớc, khả chịu tải, 11 tải trọng tác dụng lên bán trục sở bảo đảm điều kiện bền : ứng suất tiết diện nguy hiểm phải nhỏ ứng suất c ho phép σ ≤ [σ], tính đƣợc đƣờng kính nhỏ bán trục tiết diện nguy hiểm ứng với trƣờng hợp tải khác nhau, từ chọn đƣợc đƣờng kính tiết diện bán trục + Kết nhận được: xác định đƣợc đƣờng kính bán trục giảm tải ½ Các bước thực tính tốn: 2.1.Xác định thông số ban đầu: Các thông số ban đầu đƣợc xác định từ thông số kỹ thuật xe, từ bố trí chung cụm tổng thành xe, từ yêu cầu thiết kế xe 2.2 Tính bán trục giảm tải ½ 2.2.1 Trường hợp truyền lực kéo cực đại : Bán trục truyền momen xoắn đến bánh xe chủ động: Mxoắn = (Memax.ih1.i0/2) Các lực tác dụng lên bánh xe truyền đến bán trục: X Z k1max k1max =X = (M =Z = m G /2 k21max k21max i i /2r ) emax h1 2k b Tiết diện nguy hiểm tiết diện vị trí lắp ổ bi ngồi Momen nội lực tiết diện nguy hiểm : Momen xoắn: Mxoắn = Mk1 = X1.rb = X2.rb = (Memax.ih1.i0/2) Momen uốn mặt phẳng ngang lực X1, X2 gây ra: Mun = Mux1 = Mux2 = X1 b = X2.b Momen uốn mặt phẳng đứng lực Z1, Z2 gây ra: Muđ = Muz1 = Muz2 = Z1.b = Z2.b Ứng suất tổng hợp tiết diện nguy hiểm (vừa chịu uốn đứng, vừa chịu uốn ngang, vừa chịu xoắn): σ th = = 0,1d Mth = 0,1d M b 0,2d ux1 + M uz1 + M k1 = 12 Để bảo đảm bền: σt h ≤ [σ] , suy : 2.2.2 Trường hợp truyền lực phanh cực đại : Các lực tác dụng lên bánh xe truyền đến bán trục: Z p1max X p1max =Z p21max =X = m G /2 2p p2max Tiết diện nguy hiểm tiết diện vị trí lắp ổ bi ngồi Momen nội lực tiết diện nguy hiểm : Momen uốn mặt phẳng ngang lực Xp1m Momen uốn mặt phẳng đứng lực Zp1max Ứng suất tiết diện nguy hiểm: Mu σu = = 0,1d Để bảo đảm bền: σu ≤ [σ] , suy : d ≥ 2.2.3 Trường hợp lực ngang cực đại : Các lực tác dụng lên bánh xe truyền đến bán trục:  G = Z1  1+  2 Y=Z Bán trục (bán trục bên trái ) chịu tải lớn bán trục (bán trục bên phải) Ta tính bền bán trục Tiết diện nguy hiểm vị trí lắp ổ bi ngồi Momen uốn nội lực tiết diện nguy hiểm: Mu1 = Y1rb – Z1b 13 Ứng suất tiết diện nguy hiểm: M σ = u = Để bảo đảm bền: σu ≤ [σ] , suy : d ≥ , [σ] 2.2.4 Trường hợp lực thẳng đứng cực đại (xe chạy đường gồ ghề) : Lực mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe truyền đến bán trục: Z1m ax = Z2m ax = Kđ G2 Bán trục chịu uốn Tiết diện nguy hiểm tiết diện vị trí lắp ổ bi ngồi Momen uốn ứng suất uốn tiết diện nguy hiểm: Mu1 = Mu2 = Z1max.b = σ = u Mu1 0,1d3 = kñ k ñ G 2 b G2 b 0,2d3 Để bảo đảm bền: σu ≤ [σ] , suy : d ≥ Từ kết tính đƣờng kính bán trục với trƣờng hợp tải trọng tính tốn đặc trƣng ta chọn đƣợc giá trị đƣờng kính bán trục thỏa điều kiện bền, phù hợp với yêu cầu bố trí chung cụm cầu xe 14 AI VIẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN ĐƯỜNG KÍNH BÁN TRỤC Lưu đồ giải thuật : Bắt đầu Nhâpp̣ số liệu đầu vào : Các kích thƣớc B, a, b , hg , rb, G2, - Memax, ih1 , i0 , ϕ , m2k , m2p, Kđ = Ứng suất cho phép bán trục [σ] - Tính theo b ền truyền lực kéo cực đại : +Tính X1kmax , Z1kmax , MUX1 , MUZ1, MK1, Mth +Tính d ≥ ℎ 0,1[σ] Tính theo b ền truyền l ực phanh cực đại : +Tính d ≥ 3.Tính theo b ền lực ngang Y cực đại: + Tính Z1, Y1, Mu +Tính d ≥ 4.Tính theo b ền lực thẳng đứng cực đại: + Tính Z1, Mu +Tính d ≥ Xuất kết quả: Đƣờng kính tối thiểu bán trục Kết thúc 15 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH Chƣơng trinh ngơn ngữ Matlab la mơṭchƣơng trinh viết cho may tinh nhằm hổtrơ c ̣ ho tinh toan khoa hoc ̣ ky thuâṭvơi cac phần tƣ ban la ma trân may ́ tính cá nhân công ty MATRIX va LABORATORY ghep laị ̀ nhiều nghiên cƣu cac vấn đềtinh toan cua cac bai toan ky thuâṭnhƣ thuyết điều khiển tƣ đ ̣ ông ̣ , kỹ thuật thống kê xác xuất tích liệu, v…v… MATLAB đƣơc ̣ cho phep môṭkha lâp ̣ trinh vơi cu phap thong dicḥ lênḥ ́ Các lệnh hay lệnh rông ̣ bơi cac phần TOOLS BOX ̉ ́ dụng đƣợc xây dụng từ ngƣời sử dụng giúp cho việc khảo sát v ấn đề có liên quan mơ rơng ̣ cua MATLAB ̉ ̉ chóng tiện lợi MATLAB 3.5 trơ xuống hoaṭđông ̣ môi trƣơng MS -DOS MATLAB 4.0, 4.2, 5.1, 5.2 hoạt động môi trƣờng WINDOWS thâṭdểdang va ta cần chu y viêc ̣ dung thêm cac thƣ viêṇ trơ g ̣ iup hay muốn liên kết phần mền vơi môṭvai ngôn ngƣ cấp cao ̀ ̀ Chƣơng trình đƣợc viết dựa chƣơng trình ngơn ngữ Matlab Đây một chƣơng trình ngơn ngữ mạnh, đƣợc sử dụng rộng rãi tính toán kỹ thuật Dựa vào lƣu đồ giải thuật, tiến hành viết chƣơng trình Mặt khác, để thuận tiện cho sử dụng, giao diện chƣơng trình cần có số yêu cầu cụ thể Yêu cầu giao diện chương trình: - Giao diện phải thân thiện ngƣời dùng, dễ sử dụng - Trên giao diện có vùng nhập thông số đầu vào …Giao diện chứa nút lệnh vùng xuất kết tính tốn trung gian (nếu cần thiết), kết tính tốn cuối - Các lệnh đƣợc chuẩn bị sẵn nút lệnh, ngƣời dùng cần nhấp vào, lệnh đƣợc thực thi 16 Khi sử dụng chƣơng trình, ngƣời dùng cần nhập thông số đầu vào trình nhập chỉnh sửa giá trị thơng số Kết thúc q trình nhập, ngƣời dùng nhấn vào nút lệnh u cầu thực thi tính tốn, chƣơng trình đƣợc thực thi THIẾT KẾ GIAO DIỆN CHƢƠNG TRÌNH Trƣớc hết, chạy chƣơng trình Matlab, gõ vào dịng nhắc >> guide, sau nhấn Enter Chọn Blank GUI, nhấn OK Hình 7: Chọn giao diện trắng ban đầu Ta có đƣợc cửa sổ GUI để thiết lập giao diện, bên trái nút biểu tƣợng điều khiển Hình 8: Cửa sổ GUI với biểu tượng nút điều khiển 17 Chọn điều khiển mong muốn, rê vào khung trống, nhập đúp để mở hộp thoại Inspector,…và ta thiết lập đƣợc giao diện chƣơng trình nhƣ mong muốn với ô nhập thông số đầu vào , nút lệnh điều khiển giá trị tính tốn cần hiển thị Hình 9: Hộp thoại Inspector Xây dựng Form Tạo giao diện Sử dụng đối tƣợng Statictext, Listbox, Group, Button, edittext để tạo form nhƣ sau Hình 10: Tạo giao diện chương trình 18 Thay đổi định danh (tag) edittext Nháy đúp vào Edittext để hộp thoại thuộc tính Sửa giá trị Tag edittext cho phù hợp với tham số Hình 11: Thay đổi định danh (Tag) KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: Chƣơng trình đáp ứng tất u cầu đặt khả tính tốn; giao diện chƣơng trình đƣợc thiết kế đáp ứng yêu cầu đặt Hình 12: Giao diện chương trình 19 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành, giải đƣợc nhiệm vụ mục tiêu đặt ban đầu Với lƣu đồ giải thuật đƣợc xây dụng, việc tính tốn đƣờng kính bán trục thực với công cụ tin học khác nhau: Visual Basic, C, C++, … Trong đế tài này, toán đƣợc giải với Matlab nhằm giúp ngƣời dùng - chủ yếu học viên, sinh viên - quen dần với cơng cụ tính tốn kỹ tht mạnh mẽ Chƣơng trình đƣợc chạy thử, thực tốn có đối chiếu với kết tính tay (thực tính tốn trƣớc đây) cho thấy ổn định tin cậy “Chƣơng trình tính tốn bán trục tơ” xem cơng cụ tốt giúp hỗ trợ sinh viên học tâp, làm việc Do hạn chế thời gian nên đề tài tập trung thực chƣơng trình máy tinh xác định đƣờng kính bán trục giảm tải ½ xe du lich Các nội dung tính tốn khác cần đƣợc tiến hành nghiên cứu 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên- Thiết kế tính tốn tơ – Tập II - NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp - 1984 Cục đƣờng Việt Nam - Sổ tay thông số kỹ thuật ô tô (tập 1) – NXB Công an nhân dân – 1997 Nguyễn Hữu Hƣờng, Phạm Xuân Mai, Ngô Xuân Ngát -Hướng dẫn đồ án môn học Tính tốn thiết kế tơ-máy kéo- NXB Đại học Quốc gia TP.HCM Đặng Quý – Giáo trình Ơ tơ – Trƣờng ĐH SPKT TP Hồ Chí Minh Nguyễn Hoài Sơn, Đỗ Thanh Việt, Bùi Xuân Lâm- Ứng dụng Matlab tính tốn kỹ thuật – NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh – 2000 Matlab R2013a, Help 21 ... đại : Các lực tác dụng lên bánh xe truyền đến bán trục:  G = Z1  1+  2 Y=Z Bán trục (bán trục bên trái ) chịu tải lớn bán trục (bán trục bên phải) Ta tính bền bán trục Tiết diện nguy hiểm vị... công cụ tin học Phạm vi, nội dung nghiên cứu: Cơng việc tính tốn bán trục ô tô đƣợc thực qua bƣớc cụ thể sau: Phân tích kết cấu, từ xác định bán trục cần tính tốn có mức độ chịu lực nhƣ nào, bán. .. đề tài cần thực phạm vi thực đề tài Nhiệm vụ đề tài viết chƣơng trình máy tính tính ứng suất xuất bán trục giảm tải ½ bố trí dầm cầu liền c ầu sau chủ động khơng dẫn hƣớng (trong q trình tính