Đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu chủ động xe tải 1.25 tấn

Bài báo trình bày các kết quả đánh giá độ bền phá hủy của vỏ cầu chủ động xe tải 1,25 tấn bằng phần mềm Ansys nhằm xác định các giá trị ứng suất, biến dạng xuất hiện trên vỏ cầu chủ động tương ứng với các chế độ chuyển động đặc trưng trên đường.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN PHÁ HỦY CỦA VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI 1.25 TẤN ASSESSMENT BREAKING STRENGTH OF DRIVE AXLE HOUSING 1.25 TON TRUCK LƯƠNG VĂN VẠN*, TÔ NGỌC LUẬT, NGUYỄN VĂN TỒN, PHAN HỒNG SƠN Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long *Email liên hệ: vanlv@vlute.edu.vn Tóm tắt Cầu chủ động cụm chi tiết quan trọng hệ thống truyền lực tơ Trong q trình làm việc, vỏ cầu chịu tải trọng cực đại tác động mặt đường Bài báo trình bày kết đánh giá độ bền phá hủy vỏ cầu chủ động xe tải 1,25 phần mềm Ansys nhằm xác định giá trị ứng suất, biến dạng xuất vỏ cầu chủ động tương ứng với chế độ chuyển động đặc trưng đường Từ khóa: Ứng suất, biến dạng, vỏ cầu chủ động, Ansys Abstract Drive axle are one of theo most important components of an automotive powertrain In working process, axle housing is subject to maximum loads under the impact of the road surface This paper presents the result of assess the duralility of drive axle housing 1.25 ton truck using Ansys software to determine values of stress, strain appears on drive axle housing corresponding to typical montion modes on the road Keywords: Stress, strain, drive axle housing, Ansys Mở đầu Cầu chủ động chi tiết quan trọng ô tô, phận cuối hệ thống truyền lực, chứa tất phận truyền lực chính, vi sai, bán trục,… đồng thời vỏ cầu nâng đỡ trọng lượng thân xe chịu tác động tải trọng tương tác bánh xe với mặt đường Tại Việt Nam, xe tải nhẹ sử dụng rộng rãi vận chuyển hàng hóa, ưu điểm xe di chuyển vào cung đường vùng sâu xa, nơi mà hệ thống giao thông đường chưa phát triển Tuy nhiên để nâng cao khả vận chuyển, tiết kiệm chi phí, xe thường làm việc tải trọng cho phép Khi đó, vỏ cầu chủ động chịu tải trọng lớn tác dụng lên làm ảnh hưởng đến độ bền Do đó, việc khảo sát đánh giá độ bền vỏ cầu chủ động trường hợp đặc trưng đường cần thiết [1] 244 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn vỏ cầu chủ động 2.1 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải Việc xây dựng mơ hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải theo phương pháp trực tiếp từ phần mềm Ansys tương đối khó khăn mơ hình tính tốn u cầu có tính xác độ phức tạp cao Vì việc xây dựng mơ hình vỏ cầu thực phần mềm CAD (mơ hình 3D), sau đưa vào Ansys Phần mềm Ansys cho phép liên kết với mơ hình CAD để nhận dạng mơ hình cách xác Trong nghiên cứu này, mơ hình 3D vỏ cầu chủ động ô tô tải xây dựng phần mềm Solidworks [1] Hình Mơ hình 3-D vỏ cầu chủ động xe tải 1,25 2.2 Gán vật liệu Ansys cung cấp kho vật liệu lớn kiểm chứng thực tế Với vỏ cầu chủ động ô tô tải, vật liệu thường sử dụng gang cầu với thông số Bảng [1], [2], [5] Bảng Thông số vật liệu vỏ cầu Đơn vị Giá trị Khối lượng riêng kg/m3 7200 Mô đun đàn hồi MPa 1,7.10 Thông số Hệ số Poisson 0.29 Ứng suất giới hạn chảy gang cầu Ứng suất giới hạn phá hủy gang cầu MPa 490 MPa 690 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 2.3 Chia lưới 2.4 Đặt ràng buộc Chất lượng việc tiến hành chia lưới có ảnh hưởng đến độ xác thời gian tính q trình phân tích vỏ cầu chủ động xe tải Trong nghiên cứu này, phương pháp chia lưới chọn kiểu tự động kết hợp với điều chỉnh lưới tay Đối với vỏ cầu chi tiết có biên dạng phức tạp, vậy, để mơ tả hình dạng hình học độ xác mơ hình, thuộc tính chất lượng phần tử đánh giá theo tiêu chuẩn nhà nghiên cứu phát triển phần mềm đề xuất Cầu sau chủ động xe tải loại có bán trục giảm tải hồn tồn, điều kiện đặt ổ bi mơ hình bán trục giảm tải hồn tồn phân tích Hình [1], [2] Hình Sơ đồ kết cấu bố trí bán trục giảm tải hồn tồn Hình Mơ hình chia lưới vỏ cầu Ansys với phần tử tiêu chuẩn có kích thước 5mm Trong nghiên cứu này, việc kiểm chứng mơ hình chia lưới kiểm soát theo tiêu chuẩn đề Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng lưới dựa kết đánh giá độ lệch phần tử so với phần tử tiêu chuẩn Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng việc chia lưới Ansys bao gồm: Tỉ số lệch (Aspect ratio), Ansys tỉ số phần tử sai lệch nhỏ 0,5% coi chấp nhận được; Hệ số Jacobian (Jacobian Ratio), giá trị Jacobian lớn 0.6 chấp nhận được; Độ lệch (Skewness), tỉ lệ số phần tử sai lệch góc nhỏ 0,5% chấp nhận được; Chất lượng ma trận trực giao (Orthogonal Quality), chất lượng ma trận trực giao lớn 70% tốt tốt đạt 100%; Chất lượng phần tử (Element Quality), chất lượng phần tử lưới thường lớn 70% Bảng Kết đánh giá chất lượng chia lưới Tiêu chí Giá trị Số phần tử 132.537 Số nút 256.443 Chất lượng phần tử (Element Quality) Tỉ số độ lệch cạnh phần tử (Aspect Ratio) Tỉ số lệch cạnh phần tử (Skewnes) Chất lượng trực giao bề mặt phần 0,74 0,32 0,36 0,74 tử (Orthogonal Quality) Hệ số Jacobian (Jacobian Ratio): SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 0,97 Với kết cấu bán trục giảm tải hoàn toàn, moay bánh xe lắp ổ bi đỡ chặn vỏ cầu, ổ bi có tác dụng gối đỡ chặn vỏ cầu hạn chế dịch chuyển vỏ cầu theo phương tịnh tiến x, y, z mặt phẳng tọa độ Do đó, vị trí gối đỡ chặn đầu vỏ cầu mô ràng buộc dịch chuyển theo phương Hình Ràng buộc vị trí ổ bi bánh xe đặt vỏ cầu Tại tâm cầu chủ động, mô men xoắn sinh từ động truyền xuống trường hợp xe chuyển động thẳng tác động lên vỏ cầu Do đối tượng nghiên cứu vỏ cầu, tiết khác bánh xe, bán trục, vi sai, truyền lực chính,… bên cầu chủ động loại bỏ Trong trường hợp này, mô men xoắn tác động lên vỏ cầu khoảng vị trí đặt nhíp Do mơ hình mơ phỏng, tác giả sử dụng ràng buộc mơ men xoắn đặt tâm cầu 2.5 Đặt lực Ngoại lực tác dụng lên vỏ cầu thành phần phản lực đặt vị trí bắt nhíp lên vỏ cầu Như vậy, trường hợp tổng quát, vị trí liên kết vỏ cầu hệ thống treo (2 bên trái - phải) có thành phần lực: thành phần lực dọc, lực ngang lực thẳng đứng theo phương x, y, z; thành phần mô men quanh trục x, y, z Trong trường hợp khảo sát khác nhau, giá trị tính chất (tĩnh, động) lực thay đổi, trường hợp cụ thể, giá trị lực phân tích đưa vào riêng biệt [2] 245 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Đối với tốn tĩnh (lực tĩnh) xác định độ bền phá hủy vỏ cầu, thành phần lực đưa vào giá trị số nhập trực tiếp vào mơ hình lực Đối với tốn tải trọng động (như trường hợp xe chuyển động đường có mấp mô ngẫu nhiên), giá trị lực động vectơ theo thời gian thực, chúng nhập vào từ file liệu (ví dụ text, excel,…) Các lực mô men đưa vào theo bước nhảy xác định, phù hợp u cầu tốn mơ động phần mềm chuyên dụng chuyên chở nguyên vật liệu thành thị nơng thơn Chính vậy, báo tập trung nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động dòng xe tải [1] 3.2 Các chế độ tải trọng 3.2.1 Các tải trọng tác dụng lên vỏ cầu Sơ đồ lực mô men tác dụng lên cầu chủ động ô tô tải mô tả Hình 2.6 Xuất kết Kết thu chuyển vị ứng suất tương đương (Von Mises) thể dạng phổ màu sau thực trình tính tốn phân tích phần mềm Ngồi ra, kết phân tích thu thơng qua giá trị ứng suất, biến dạng lớn thay đổi theo thời gian Hình Sơ đồ lực tác dụng lên vỏ cầu Kết nghiên cứu 3.1 Thông số kỹ thuật xe Bảng Thông số kỹ thuật xe tải 1,25 Đơn Xe tải ben tải vị trọng 1,25 Loại phương tiện - Ơ tơ tải (tự đổ) Công thức bánh xe - 4x2 Model Kích thước bao (D x R x C) mm 5180 x 1740 x 1970 Hình cho thấy vỏ cầu chịu tác dụng phản lực từ mặt đường FZ21, FZ22 lực từ nhíp FZn21 FZn22 mặt phẳng ngang Trong mặt phẳng song song với mặt đường, vỏ cầu chịu tác dụng lực dọc Fx21 Fx22 (lực kéo phanh) lực từ nhíp truyền qua gối đỡ Fxn21 Fxn22 Khi xe chuyển động quay vịng có thêm lực ngang Fy21, Fy22 đặt vết tiếp xúc bánh xe với mặt đường Đồng thời vị trí lắp nhíp có lực Fyn21 Fyn22 3.2.2 Xác định tải trọng theo phương pháp truyền thống Chiều dài sở mm 2670 Chiều rộng sở mm 1400 Khối lượng thân kg 2150 a) Trường hợp chuyển động thẳng với lực kéo cực đại kg 960 Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu kg 1190 kg 3500 kg 1206 kg 2294 chỗ 03 06 Khối lượng phân bố lên cầu trước không tải Khối lượng phân bố lên cầu sau không tải Khối lượng ô tô đủ tải Khối lượng phân bố lên cầu trước đủ tải Khối lượng phân bố lên cầu sau đủ tải Số chỗ ngồi Số lốp Kích thước thùng hàng (D x R x C) lực mô men sau: mm 3110 x 1620 x 350 Xe tải ben 1.25 dòng xe tải ben bán chạy Việt Nam có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, tiện lợi cho việc 246 mG k c Lực dọc: F = F = F x21 x22 x2max = jx (1) Lực ngang: FY 21 = FY22 = (2) Phản lực thẳng đứng Mô men xoắn: (3) My21 = My22 = Fx2maxr2 (4) b) Trường hợp chuyển động thẳng với lực phanh cực đại Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu lực mô men sau: mpGc Lực dọc: F = F = F x21 x22 x2max =jx (5) Lực ngang: FY 21 = FY22 = (6) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Phản lực thẳng đứng FZ 21 = FZ 22 = m p Gc (7) Mô men xoắn: M y 21 = M y 22 = Fx2max r2 (8) c) Trường hợp quay vòng với lực ngang cực đại Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu lực sau: Lực dọc: Fx 21 = Fx 22 = (9) Fy 21 = j y FZ 21; Fy 22 = j y FZ 22 ; Lực ngang: (10) Fy 21 + Fy 22 = Fy = j yGc ổ 2j y hg ỗ1 + 2b2 è = Gc - FZ 21 G Phản lực thẳng đứng FZ 21 = c FZ 22 ö ÷; ø (11) d) Trường hợp chuyển động đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại Phản lực thẳng đứng F = F = k Gc Z 21 Z 22 d (14) Các tải trọng đặt lên cầu bao gồm lực dọc Fx2i, lực ngang Fy, lực thẳng đứng Fz, mô men xoắn My, mô men uốn Mx Giá trị chúng thể Bảng Giá trị lực đưa vào mơ hình tính tốn độ bền vỏ cầu theo phương pháp phần tử hữu hạn [1, 2, 3] 3.3 Kết khảo sát 3.3.1 Trường hợp chuyển động thẳng với lực kéo cực đại Các lực đặt lên mơ hình xác định ứng suất vỏ cầu bao gồm: - Lực dọc truyền từ thân xe: Fxn21 = Fxn22 = 10352N; - Lực thẳng đứng từ xuống: Fzn21 = Fzn22 = 12940N; - Mô men xoắn quanh trục y: My1 = My2 = 3209m Trong trường hợp này, vỏ cầu chủ động chịu lực sau: Lực dọc: Fx 21 = Fx 22 = (12) Lực ngang: Fy 21 = Fy 22 = (13) Bảng Tải trọng tĩnh đặt lên vỏ cầu trường hợp TT TH1: TH2: TH3: Xe Xe Quay TH4: Trên Tải Đơn thẳng thẳng vòng trọng vị với lực với lực với lực kéo cực phanh ngang đại cực đại cực đại Fzmax 0 đường xấu với Fx21 N 10352 8102 Fx22 N 10352 8102 0 Fy21 N 0 19763 Fy22 N 0 492 Fz21 N 12940 12940 21958 22505 Fz22 N 12940 12940 547 22505 My21 Nm 3209 2511 0 My22 Nm 3209 2511 0 Mx21 Nm 0 6127 10 Mx22 Nm 0 153 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Chuyển vị vỏ cầu vị trí có giá trị lớn Hình Biến dạng vỏ cầu vị trí có giá trị lớn Hình Ứng suất tương đương vỏ cầu điểm có giá trị lớn 247 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Ứng suất, biến dạng chuyển vị lớn vỏ cầu xe chuyển động thẳng với lực kéo cực đại Vị trí Giá trị lớn Chuyển vị Biến dạng Ứng suất Nút số Nút số Nút số 65456 11553 11553 0,36301 0,0010334 197,78 mm mm/mm MPa Kết phân tích vỏ cầu trường hợp xe chuyển động với lực kéo cực đại cho thấy biến dạng lớn xuất vỏ cầu có giá trị 0.0010334 mm/mm, ứng suất tương đương lớn xuất vỏ cầu có giá trị 197.78 MPa So sánh giá trị ứng suất sinh cho thấy nhỏ so với ứng suất cho phép vật liệu gang cầu 490 MPa nên vỏ cầu chưa bị phá hủy 3.3.2 Trường hợp chuyển động thẳng với lực phanh cực đại Các lực đặt lên mơ hình xác định ứng suất vỏ cầu bao gồm: Hình 11 Ứng suất tương đương vỏ cầu điểm có giá trị lớn với lực phanh cực đại Hình 12 Biến dạng vỏ cầu vị trí có giá trị lớn - Lực dọc truyền từ thân xe: Fxn21 = Fxn22 = 8102N; - Lực thẳng đứng từ xuống: Fzn21 = Fzn22 = 12940N; - Mô men xoắn quanh trục y: My1 = My2 = 2511Nm Hình 13 Ứng suất tương đương vỏ cầu điểm có giá trị lớn Bảng Ứng suất,biến dạng chuyển vị lớn vỏ cầu xe quay vịng với lực ngang cực đại Vị trí Hình Chuyển vị vỏ cầu vị trí có giá trị lớn với lực phanh cực đại Giá trị lớn Hình 10 Biến dạng vỏ cầu vị trí có giá trị lớn với lực phanh cực đại 248 Chuyển vị Biến dạng Ứng suất Nút số Nút số Nút số 50100 11559 11559 0,34982 0,0015115 282,27 mm mm/mm MPa Kết phân tích vỏ cầu trường hợp xe quay vòng với lực ngang cực đại cho thấy ứng suất tương đương lớn xuất vỏ cầu có giá trị 282,27MPa So sánh với hai trường hợp khảo sát cho thấy giá trị ứng suất lớn so với xe truyền lực kéo truyền lực phanh cực đại Tuy nhiên so sánh giá trị ứng suất tương đương lớn sinh cho thấy nhỏ so với ứng suất cho phép vật liệu gang cầu 490MPa nên vỏ cầu chưa bị phá hủy SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 3.3.3 Xe chuyển động đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại Các lực tác động lên vỏ cầu bao gồm: - Lực thẳng đứng: F zn21 = Fzn22 = 22505N; phân tích trường hợp khảo sát cho thấy ứng suất chủ yếu tập trung khu vực có gờ góc cạnh vỏ cầu, nhiên ứng suất lớn vỏ cầu xảy trường hợp xe chuyển động đường xấu với lực thẳng đứng cực đại, đạt giá trị gần 337,67 Giá trị ứng suất nhỏ so với ứng suất cho phép vật liệu gang cầu 490MPa nên vỏ cầu chưa bị phá hủy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tô Ngọc Luật, Nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng đường đến độ bền vỏ cầu chủ động xe tải 1,25 tấn, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, 2020 Hình 14 Biến dạng vỏ cầu vị trí có giá trị lớn [2] Trần Phúc Hòa, Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất lắp ráp Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2017 [3] Vũ Văn Nhân, Nghiên cứu đánh giá độ bền lâu dần cầu trước ô tô tải, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2017 Hình 15 Ứng suất tương đương vỏ cầu điểm có giá trị lớn Bảng Ứng suất, biến dạng chuyển vị lớn vỏ cầu xe chuyển động đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại Chuyển vị Biến dạng Ứng suất Nút số Nút số Nút số 26158 11541 11541 0,4514 0,0017628 337,67 mm mm/mm MPa Vị trí Giá trị lớn Kết phân tích vỏ cầu trường hợp xe chuyển động đường xấu với phản lực thẳng đứng cực đại cho thấy ứng suất tương đương lớn xuất vỏ cầu có giá trị 337,67MPa So sánh với trường hợp khảo sát cho thấy giá trị ứng suất trường hợp lớn Tuy nhiên so sánh giá trị ứng suất tương đương lớn sinh cho thấy nhỏ so với ứng suất cho phép vật liệu gang cầu 490MPa nên trường hợp vỏ cầu chưa bị phá hủy Kết luận Bài báo đánh giá độ bền phá hủy vỏ cầu với chế độ kiểm bền tĩnh với tải trọng cực đại Kết SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [4] Lương Văn Vạn, Nghiên cứu độ bền khung sát xi xe chữa cháy rừng đa năng, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Lâm nghiệp, 2020 [5] Trần Phúc Hòa, Trần Thanh Tùng, Lê Hồng Quân, Đánh giá độ bền mỏi vỏ cầu sau xe tải với kích động mặt đường ngẫu nhiên tiêu chuẩn ISO 8608: 1995 Tạp chí Cơ khí Việt Nam Số 8/2016, Tr.3444, 2016 [6] Monica P, K J Mahendra Babu , Analysis on the Rear Axle housing of Heavy Truck using ANSYS, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2018 [7] Khairul Akmal Shamsuddin, Mohd Syamil Tajuddin, Megat Mohd Amzari, Megat Mohd Aris, Mohd Nurhidayat Zahelem, Stress Distribution Analysis of Rear Axle Housing by using Finite Elements Analysis, The International Journal Of Engineering And Science (IJES), Vol.3, Issue 10, pp.53-61, 2014 [8] Kurniawan, Andoko, Stress and Crack Simulation on Axle Housing Mitsubishi L300 Pickup Car using Finite Element Method, International Conference on Mechanical Engineering Research and Application, IOP Conf Series: Materials Science and Engineering 494, 2019 [9] G Rajesh Babu and N Amar Nageswara Rao, Static and Modal Analysis of Rear Axle Housing of 249 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 a Truck International Journal of Mathematical Sciences, Technology and Humanities 7, 2011 [10] Guruprasad.B.S, Arun.L.R, Mohan.K Evaluating Fos for Rear Axle Housing Using Hybrid Aluminium Composites International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology Vol.2, Issue 6, June 2013 250 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 14/6/2021 30/7/2021 08/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... đầu vỏ cầu mô ràng buộc dịch chuyển theo phương Hình Ràng buộc vị trí ổ bi bánh xe đặt vỏ cầu Tại tâm cầu chủ động, mô men xoắn sinh từ động truyền xuống trường hợp xe chuyển động thẳng tác động. .. độ bền phá hủy vỏ cầu, thành phần lực đưa vào giá trị số nhập trực tiếp vào mơ hình lực Đối với toán tải trọng động (như trường hợp xe chuyển động đường có mấp mơ ngẫu nhiên), giá trị lực động. .. phù hợp yêu cầu tốn mơ động phần mềm chun dụng chuyên chở nguyên vật liệu thành thị nơng thơn Chính vậy, báo tập trung nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động dòng xe tải [1] 3.2 Các chế độ tải trọng