Trong lĩnh vực thiết kế cơ khí sử dụng phần mềm thiết kế 3D hiện nay, đang có rất nhiều phần mềm được các nhà thiết kế, và nhà nghiên cứu ứng dụng để thiết kế, và đánh giá chất lượng sản phẩm thiết kế. Các phần mềm chuyên dụng trong thiết kế 3D như Catia, Solidwork, hay Autocad 3D. Trong lĩnh vực kiểm nghiệm bền, phần mềm Solidwork được sử dụng rộng rãi hơn cả, đi kèm với module COSMOS ứng dụng tính bền sản phẩm thiết kế. Với kinh nghiệm sử dụng phần mềm Solidworks này, tác giả đề tài quyết định lựa chọn sử dụng phần mềm ứng dụng vào nghiên cứu, thiết kế 3D vỏ van cơ cấu chấp hành.
3.2.2. Giới thiệu chung về phần mềm Solid Works:
Trong những năm gần đây, phần mềm Solid Works thiết kế 3 chiều do công ty Dassault System của Mỹ xây dựng được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới trong các lĩnh vực như cơ khí chế tạo, ô tô, tàu thủy, máy xây dựng,... do sử dụng công nghệ mới nhất về lĩnh vực đồ họa máy tính.
Phần mềm này cho phép người sử dụng thiết kế các chi tiết, cụm chi tiết trong không gian 3 chiều, sau đó lắp ráp chúng lại với nhau tạo thành một bộ phận hoàn chỉnh, kiểm tra sự giao cắt của các chi tiết, kiểm tra động học,...
Phần mềm này còn có thư viện cung cấp chi tiết tiêu chuẩn, thông số vật liệu
Với việc tích hợp module COSMOS (Solidworks Simulation), nó có thể kiểm tra đánh giá độ bền, độ ổn định,... bằng cách chia nhỏ chi tiết hay cụm chi tiết thiết kế thành nhiều phần tử nhỏ chia lưới , đặt điều kiện biên, đặt lực, và tính toán phương pháp phần tử hữu hạn từ đó cho ra kết quả đánh giá được ứng suất, chuyển vị, độ an toàn ...
Hình 3.8: Logo của phần mềm Solidworks
Do hàm lượng khoa học, tiện ích của phần mềm nên nó được sử dụng để thiết kế mô phỏng chuyển động, kiểm nghiệm, đánh giá, lựa chọn vật liệu thích hợp, đánh giá khả năng chịu lực, chỉ ra được chỗ tập trung ứng suất khi hoạt động, tạo báo cáo kết quả kiểm nghiệm được mã hóa theo màu sắc trên mô hình trực quan giúp người dùng sử dụng tăng năng suất thiết kế đảm bảo yêu cầu kĩ thuật.
Đối với những lĩnh vực ô tô và xe chuyên dụng, phần mềm này cho phép thiết kế chi tiết, lắp ráp chúng lại với nhau tạo thành bộ phận hoàn chỉnh, cho phép mô phỏng chuyển động trên mô hình ba chiều,... nhờ đó kiểm tra được độ bền, dựa trên dữ liệu về lực, mô men, vật liệu, lựa chọn thiết kế phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết và cụm chi tiết.
Quá trình giải bài toán về đàn hồi, sức bền, kết cấu cơ khí trong kỹ thuật thường dẫn đến giải phương trình hoặc hệ phương trình vi phân, đạo hàm riêng hoặc hệ phương trình đại số.
Đối với các bài toán phức tạp, việc tìm ra nghiệm chính xác bằng phương pháp giải tích gần như không thực hiện được mà ta chỉ lấy các giá trị gần đúng. Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời về cơ bản giải quyết được những khó khăn trên.
Ngày nay, với tiến bộ của công nghệ thông tin và máy tính điện tử, các phần mềm của phương pháp phần tử hữu hạn ra đời phát huy tác dụng tích cực. Phương
pháp phần tử hữu hạn này là công cụ chính trong việc thiết kế máy cơ khí: máy cắt kim loại, hộp số cơ khí.
3.2.3. iới thiệu module COSMOS (Solidworks Simulation):
Trước đây việc tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết máy như trục máy, thân máy,... thường phải mô hình hóa trục, thân máy thành các dạng đơn giản hơn rồi đặt lực lên đó thêm một số giả thiết nhằm tính toán đơn giản hóa, sau đó tính toán theo các giả thiết trên. Việt giả thiết như vậy vừa không đưa ra kết quả xác thực,vừa không chính xác.
Phần mềm COSMOS (Solidworks Simulation) có thể tính được bài toán như: tính toán tần số riêng của một chi tiết, một cụm chi tiết, có thể tính được độ bền chi tiết dưới dạng tác dụng của ngoại lực, có thể tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền. Ngoài ra, phần mềm có thể tính được các bài toán về truyền nhiệt, dẫn nhiệt,... Phần mềm phát triển có cấu trúc mở, chương trình đa tài liệu để tận dụng giao diện của đồ họa Window hiệu quả và trực quan. Cấu trúc mở của chương trình cho phép người dùng có thể nhúng vào các phần mềm thiết kế của một hãng thứ 3 bằng cách dùng tính năng Customization công chương trình vào hoàn chỉnh chương trình.
COSMOS được thiết kế trên nền cơ sở Parasolid, cũng hỗ trợ chuẩn ACIS và STEP AP203. Chương trình có thể mở trực tiếp từ Solidworks và Pro / Engineer. Ngoài ra, chương trình còn có thể đọc hầu hết các file CAD hiện nay.
Phần mềm trên còn rất nhiều tính năng nổi bật và ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau.
3.2.4. Mô phỏng 3D vỏ van cơ cấu chấp hành trên phần mềm Solid Works:
Hình 3.9: Hình ảnh 3D mô phỏng vỏ van cơ cấu chấp hành
Hình 3.11: Hình ảnh 3D nắp trên của van Hình 3.10: Cụm vỏ van cơ cấu chấp hành thiết kế 3D
Hình 3.12: Hình ảnh 3D nắp dưới của van
Hình 3.13: Hình ảnh 3D thân van
3.3. Kiểm nghiệm bền vỏ van cơ cấu chấp hành:
3.3.1. Các bước tiến hành kiểm nghiệm bền:
Phần mềm COSMOS (Solidworks Simulation) có ưu điểm tính toán rất sát thực tế; khi tính bền, tính độ biến dạng hay sức căng mặt ngoài một cụm chi tiết dưới tác dụng của ngoại lực ta tiến hành theo các bước sau:
+ Ban đầu ta đã có chi tiết 3D vẽ bằng phần mềm SolidWorks, save lại thành file. + Mở file lên và thực hiện các thao tác đơn giản như:
- Chọn "Simulation" sau đó chọn "New Study". (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.14: Chọn thư mục thao tác và bài toán tính bền
- Chọn vật liệu chế tạo chi tiết:
Chọn "Apply/Edit Material" để chọn vật liệu cho chi tiết. Ở đây tác giả chọn vật liệu là hợp kim nhôm có ký hiệu 1060 Alloy với những đặc điểm: Khối lượng riêng: 2700 (kg/m3), giới hạn bền kéo: 27574200 (N/m2), giới hạn bền dẻo: 69000000000 (N/m2 , biến dạng lớn nhất: 0,33 mm .
Hình 3.15: Chọn vật liệu cho chi tiết
- Đưa vào các điều kiện ràng buộc: Chọn "Fixture" → "Fixed Geometry" nhằm chọn điểm cố định cho chi tiết khi chịu ngoại lực tác dụng.
Hình 3.16: Cố định cho chi tiết
- Chọn chế độ tải trọng: Chọn "External Loads" → "Pressure" để chọn tải trọng dạng phân bố đều.
Hình 3.17: Chọn tải trọng đặt vào chi tiết
- Chia phần tử: Chọn "Mesh" → "Create Mesh" để chia lưới cho chi tiết.
- Cuối cùng là chạy chương trình: Chọn "Run" để chạy chương trình kiểm nghiệm bền cho chi tiết.
Hình 3.19: Chạy chương trình kiểm nghiệm bền
+ Sau khi chạy chương trình, ta sẽ có được kết quả cụ thể mà không tốn thời gian cũng như công sức tính toán.
3.3.2. Kết quả kiểm nghiệm bền cụm cơ cấu chấp hành:
▲ Các điều kiện mô phỏng:
- Vật liệu: Hợp kim nhôm (có ký hiệu 1060 Alloy) với đặc điểm : + Khối lượng riêng: 2700 (kg/m3)
+ Giới hạn bền kéo: 27574200 (N/m2). + Giới hạn bền dẻo: 69000000000 N/m2). + Biến dạng lớn nhất: 0,33 mm
- p suất hệ thống: Thực tế trong quá trình làm việc, tác dụng của áp suất khí trong cơ cấu là rất phức tạp, vì thế trong quá trình mô phỏng tính toán tác giả lấy giá trị áp suất lớn nhất của hệ thống: p = 0,7 (MN/m2), bởi đây là điều kiện làm việc ảnh hưởng nhiều tới cơ cấu chấp hành.
bắt bulông hay vị trí tiếp xúc giữa nắp và thân để có thể tính toán ứng suất và kiểm tra biến dạng của chi tiết.
- Tải trọng tác động lên các chi tiết van ở dạng phân bố đều
- Điều kiện rung xóc được đưa vào qua hệ số động của tính toán. ▲ Kết quả kiểm nghiệm bền:
Nắp trên van cơ cấu chấp hành.
- Chọn mặt phẳng lắp ghép giữa nắp van với thân van để cố định.
- Lực khí nén tác dụng phân bố đều lên nắp trên của van.
Hình 3.20: Cố định, đặt lực và chia lưới cho nắp van trên
- Tiến hành chia lưới và kiểm nghiệm bền. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Qua kiểm nghiệm bền, ta thấy khi chịu áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2 thì ứng suất bền của nắp trên lớn nhất là 1050421 (N/m2 , nhỏ nhất là 1591 (N/m2
), đảm bảo trong giới hạn bền cho phép.
Hình 3.22: Kết quả biến dạng nắp trên
- Biến dạng lớn nhất khi nắp trên chịu áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2) là 0,0022 (mm), biến dạng nhỏ nhất là 0,0001 (mm), đảm bảo trong giới hạn biến dạng cho phép như trên.
Nắp dưới cụm cơ cấu chấp hành.
- Chọn mặt phẳng lắp ghép giữa nắp van với thân van để cố định.
- Lực khí nén tác dụng phân bố đều lên nắp dưới của van với áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2).
- Tiến hành chia lưới và kiểm nghiệm bền.
Hình 3.24: Cố định, đặt lực và chia lưới cho nắp van dưới
Hình 3.25: Kết quả ứng suất bền nắp dưới
Qua kiểm nghiệm bền, ta thấy khi chịu áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2 ) thì ứng suất bền của nắp dưới lớn nhất phải chịu đựng là 6163904 (N/m2 , ứng suất bền
nhỏ nhất phải chịu đựng là 11,3 (N/m2), đảm bảo trong giới hạn bền cho phép với giới hạn bền cho phép là 27574200 (N/m2
).
Hình 3.26: Kết quả biến dạng nắp dưới
- Khi chịu áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2 thì nắp dưới biến dạng lớn nhất là 0,007 (mm), biến dạng nhỏ nhất là 0,0001 (mm), đảm bảo trong giới hạn biến dạng cho phép như trên.
Hình 3.27: Kết quả sức căng mặt ngoài nắp dưới
Thân van chấp hành ABS.
- Lực khí nén tác dụng phân bố đều lên thân van với áp suất p = 0,7 (MN/m2)
- Tiến hành chia lưới và kiểm nghiệm bền.
Hình 3.28: Cố định, đặt lực và chia lưới cho thân van
Hình 3.29: Kết quả ứng suất bền thân van
Qua kiểm nghiệm bền, ta thấy khi chịu áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2) thì ứng suất bền của thân van lớn nhất phải chịu đựng là 14901625 N/m2 , ứng suất bền nhỏ nhất mà thân van phải chịu đựng là 633 N/m2 , so với giới hạn bền của vật liệu ta thấy đảm bảo trong giới hạn bền cho phép.
Hình 3.30: Kết quả biến dạng thân van
- Khi chịu áp suất khí nén p = 0,7 (MN/m2) thì biến dạng lớn nhất của thân van là 0,001126 (mm), biến dạng nhỏ nhất là 0,0001 (mm), đảm bảo trong giới hạn biến dạng cho phép như trên.
KẾT LUẬN 1. Kết quả đạt đƣợc.
Đề tài đã nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của các chi tiết cơ cấu quan trọng trong hệ thống phanh ABS khí nén, đã phân tích và đưa ra phương án thiết kế thích hợp cho vỏ van cơ cấu chấp hành, kết hợp với các ứng dụng trong SolidWorks trên máy tính để thiết kế 3D theo dạng sao chép mẫu và kiểm bền vỏ van cơ cấu chấp hành. Qua nghiên cứu đã đạt được mục tiêu và nội dung đặt ra với các kết quả cụ thể như sau:
- Đã nghiên cứu về công dụng, phân loại hệ thống phanh khí nén; cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cơ cấu, bộ phận chính trong hệ thống phanh khí nén trên ô tô.
- Nghiên cứu cấu tạo chung hệ thống phanh ABS khí nén trên một số ô tô tải và ô tô buýt; cấu tạo và nguyên lý làm việc của các bộ phận đặc trưng cho hệ thống phanh ABS khí nén (như cảm biến vòng quay bánh xe, bộ điều khiển trung tâm, van cơ cấu chấp hành). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của van cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh ABS khí nén; quá trình làm việc của các môđun ABS sử dụng trên ô tô tải 2 cầu và 3 cầu.
- Nghiên cứu, phân tích và lựa chọn phương pháp thiết kế vỏ van cơ cấu chấp hành trong hệ thống phanh ABS khí nén. Qua phân tích, tác giả chọn phương án thiết kế vỏ van cơ cấu chấp hành theo dạng 3 phần, bởi với phương án này có rất nhiều thuận lợi như chỉ sử dụng 3 khuôn đúc, việc bố trí làm kín dễ dàng và đặc biệt là phần thân van sẽ có không gian để bố trí thêm cửa khí đầu ra để đáp ứng được trên những dòng xe lớn có nhiều cầu trong dòng phanh sau.
- Nghiên cứu, tìm hiểu hình dáng và các thông số cơ bản của một vỏ van cơ cấu chấp hành đang sử dụng phổ biến trên ô tô tải. Sau đó tiến hành thiết kế dạng 3D theo mẫu có sẵn.
- Để thiết kế 3D vỏ van cơ cấu chấp hành, tác giả chọn phần mềm thiết kế Solisworks. Đây là phần mềm được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới trong nhiều
lĩnh vực như cơ khí chế tạo, ô tô, tàu thủy, máy xây dựng...
- Trong phần mềm thiết kế Solidworks có tích hợp module COSMOS (Solidworks Simulation) để tính toán kiểm nghiệm bền van cơ cấu chấp hành. Module Solidworks Simulation có thể tính được độ bền chi tiết dưới dạng tác dụng của ngoại lực, có thể tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền của chi tiết.
- Kết quả kiểm nghiệm bền ứng suất, chuyển vị và sức căng bề mặt của các chi tiết như nắp trên và dưới, thân van cơ cấu chấp hành đều đảm bảo theo yêu cầu đặt ra.
2. Những tồn tại và hƣớng phát triển.
Do giới hạn về thời gian và các yếu tố như: tài liệu tham khảo, các thông số, điều kiện tiến hành chế thử… Vì vậy, đề tài mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế vỏ van cơ cấu chấp hành dưới dạng sao chép theo mẫu có sẵn. Việc thiết kế và kiểm nghiệm bền mới chỉ tiến hành trên máy tính với phần mềm hỗ trợ Solidworks.
Đề tài có thể được phát triển để xem xét, tính toán đến độ trễ của khí nén cung cấp tới các bầu phanh bánh xe nhằm phù hợp với điều kiện thực tế trên các xe ô tô đang sử dụng tại Việt Nam. Trên cơ sở thiết kế vỏ van cơ cấu chấp hành, đề tài có thể tiếp tục phát triển để thiết kế kiểm nghiệm bền các chi tiết khác trong van cơ cấu chấp hành như cụm van điện từ điều khiển, cụm van màng cao su.
Một lần nữa, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Hoàng Thăng Bình, các thầy trong Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nhóm tác giả đề tài cấp Nhà nước về " Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống ABS cho hệ thống phanh khí nén dùng cho ô tô sản xuất lắp ráp tại Việt Nam" và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ, quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả thực hiện và hoàn thành đề tài này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Meritor Wabco, Anti-Lock Braking System (ABS) for Trucks, Tractors and Buses, 2011.
[2]. Meritor Wabco, Tractor ABS, Anti-Lock Braking System Training Program,
Student Manual, 2010.
[3]. Wabco Vehicle Control Systems, ABS/ASR, “D-Cab” – Version Anti-Lock Braking System for Commercial Vehicles, 1st Edition, 2006.
[4]. Meritor Wabco, Electronically Controlled Braking System, Truck ABS/EBS,
2004.
[5]. Nguyễn Khắc Trai, “Cấu tr c và nguyên l làm việc các modun ABS khí nén”, www.dangkiemquangnam.vn.
[6]. Bendix Commercial Vehicle Systems, Service Data, Bendix EC-60 ABS/ATC/ESP Controllers (Advanced Models), 2005.
[7]. Wabco Vehicle Control Systems, Antilock Braking System (ABS) and Anti-Slip
Regulation (ASR), 2nd Edition, 2011.
[8]. Bùi Minh Sáng, Vũ Ngọc Sáng, Tìm hiểu phần mềm Solidworks và MasterCam,