.Thiết lập điều kiện biên

Trong quá trình hoạt động của xe ơ tơ, chi tiết tay địn chữ A chịu nhiều trường hợp tải trọng khác nhau phụ thuộc vào các chế độ hoạt động của xe trên đường. Có

thể liệt kê ra đây một số trường hợp tải trọng điển hình thường được xét đến:

• Phanh khi xe đang chạy tiến hoặc lùi, nếu có thêm gia tốc hoặc ở tốc độ cao sẽ làm tăng thêm lực và mơ men tác dụng lên tay địn chữ A

• Phanh khi xe gặp phải ổ gà trên đường

• Xe gặp phải đá trên đường hoặc gặp gờ giảm tốc

Với các thông số cụ thể của xe, giá trị các lực và mơ men tác dụng lên tay địn chữ A sẽ được xác định tương ứng với các trường hợp khác nhau (Liang Tang,

2014).

Trong hệ thống treo độc lập MacPherson (Hình 3.4), khi xe gặp phải các tải trọng bất thường (phanh, ổ gà, lượn vòng, đá, gờ giảm tốc), các lực và mô men tác dụng lên các bánh xe (phản lực từ mặt đường) sẽ được truyền tới tay địn chữ A thơng qua khớp cầu. Trong khi đó, ổ trục trước và ổ trục sau liên kết trực tiếp với dầm treo ngang của hệ thống treo nên sẽ chịu các hạn chế về chuyển vị theo các phương x, y, z.

Với các trường hợp tải trọng khác nhau như đã đề cập ở phần trên, việc kiểm nghiệm độ bền của kết cấu thường dừng lại ở bài tốn mơ phỏng kiểm bền tĩnh (Nagarjuna, 2012; Kumar, 2013). Trong luận văn này, độ bền mỏi của kết cấu được quan tâm nên tải trọng tác dụng lên kết cấu không cố định mà sẽ được khảo sát trong một khoảng để có thể đánh giá được ảnh hưởng của tải trọng tới tuổi thọ của kết cấu.

Trước khi đi vào bài tốn phân tích mỏi thì bài tốn phân tích độ cứng của chi tiết cũng thường được quan tâm. Trong bài tốn phân tích độ cứng sẽ bao gồm độ cứng theo phương x và độ cứng theo phương y. Để xác định độ cứng theo phương x và phương y, một lực xác định sẽ được đặt vào khớp cầu và biến dạng của kết cấu sẽ được xác định thông qua mô phỏng tĩnh. Độ cứng theo một phương được xác định theo tỷ số giữa lực tác dụng và biến dạng theo phương đó (đơn vị độ cứng

là kN/mm).

Với phân tích độ cứng của tay đòn chữ A, thiết lập các điều kiện biên như sau: Ổ trục trước (Front bushing): hạn chế chuyển vị theo phương x,y,z

Ổ trục sau (Rear bushing): hạn chế chuyển vị theo phương x,z Khớp cầu (Ball joint): hạn chế chuyển vị theo phương z Lực ổ trục (hướng tâm) tác dụng lên khớp cầu

Trong bài tốn phân tích độ bền mỏi, thực chất bao gồm hai phân tích, trước hết cần phân tích tĩnh với tải trọng xác định để xác định trường phân bố ứng suất trong kết cấu, tiếp theo sử dụng mơ đun phân tích mỏi trong phần mềm Ansys để xác định tuổi thọ của kết cấu tương ứng với tải trọng khảo sát. Với phân tích ứng suất tĩnh và độ bền mỏi, thiết lập các điều kiện biên như sau:

Ổ trục trước (Front bushing): hạn chế chuyển vị theo phương x, y, z Ổ trục sau (Rear bushing): hạn chế chuyển vị theo phương x, y, z Khớp cầu (Ball joint): hạn chế chuyển vị theo phương z

Vị trí đặt các hạn chế chuyển vị và đặt lực là các mặt trụ của tay địn như được thể hiện như trong hình 3.5.

Hình 3.5: Thiết lập các hạn chế chuyển vị

Trong bài tốn phân tích độ cứng, đặt lực ổ trục hướng tâm (bearing force)

lên bề mặt khớp cầu theo các hướng với cường độ:

Fx= 1000N; Fy= 1000N

Các lực này được lựa chọn tùy ý trong phạm vi biến dạng đàn hồi của kết cấu (thường mặc định 1000 N) vì độ cứng sẽ được xác định bằng tỷ lệ giữa lực tác dụng và biến dạng của kết cấu.

Hình 3.6: Lực đặt lên khớp cầu

Trong bài tốn phân tích ứng suất tĩnh và độ bền mỏi, lực ổ trục (hướng tâm) tác dụng lên khớp cầu sẽ được khảo sát trong một dải để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng tới tuổi thọ như dưới đây:

1. Fx=Fy=1000N 2. Fx=Fy =1500N 3. Fx=Fy =2000N 4. Fx=Fy =2500N 5. Fx=Fy =3000N 6. Fx=Fy =3500N 7. Fx=Fy =4000N 8. Fx=Fy =4500N 9. Fx=Fy =5000N

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM TAY ĐỊN CHỮ A

4.1.Phân tích độ cứng

Độ cứng được tính tốn theo phương dọc và phương ngang ( trục x và y của

mơ hình phân tích ) với lực đặt lên khớp cầu có độ lớn 1000N theo phương x, y tương ứng. Độ cứng được xác định bằng công thức:

Độ cứng theo phương x = tải trọng phương x / chuyển vị phương x (max) Độ cứng theo phương y = tải trọng phương y / chuyển vị phương y (max)

Thiết lập các điều kiện biên và lực tác dùng lên khớp cầu như đã mô tả trong chương 3. Sau khi mô phỏng tĩnh, trong phần khai thác kế quả lựa chọn Total

deformation để tính tốn chuyển vị tồn phần; Directional deformation để tính tốn chuyển vị theo các trục khác nhau(2 trường hợp phương x và y).

Chuyển vị tồn phầncủa tay địn được thể hiện trong Hinhg 4.1:

Chuyển vị theo phương xđược thể hiện trên hình 4.2:

Chuyển vị theo phương y được thể hiện trên hình 4.3:

Từ kết quả biến dạng theo các phương xác định từ mô phỏng, ta xác định được độ cứng theo các phương như sau:

Trục dọc (x): Kx = 1000/0.088 = 11.36 KN/mm

Trục ngang (y): Ky = 1000/0.3 = 3.33 KN/mm

4.2. Phân tích ứng suất tĩnh

Trong bài tốn phân tích ứng suất tĩnh, thiết lập điều kiện biên và các lực như đã mô tả trên chương 3. Trong phần khai thác kết quả lựa chọn Equivalent

Stress để xem trường phân bố ứng suất tương đương (Ứng suất Von-Mises) trong

tay địn.

Hình 4.4: Ứng suất tĩnh trường hợp Fx=Fy=1000N

Ta thấy trường hợp đặt lực tác dụng Fx=Fy=1000N (Hình 4.4), ứng suất max

trên mơ hình là 59.44 MPa và ứng suất min là 0.0007 MPa.

Các trường hợp lực tác dụng là 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500 và 5000 (N)(hình ảnh mơ phỏng được trình bày cùng phần phân tích độ bền mỏi ), ta thấy ứng suất max tăng dần và được thể hiện trong bảng số liệu sau:

Bảng 4.1: Ứng suất tĩnh trên tay đòn

Fx=Fy (N) Ứng suất max (MPa) Ứng suất min (MPa)

1000 59.443 0.0007 1500 89.047 0.0009 2000 118.84 0.0021 2500 148.4 0.0022 3000 178.29 0.0024 3500 207.76 0.0021 4000 237.46 0.0023 4500 267.34 0.0026 5000 296.96 0.0041

Ta vẽ được biểu đồ sự thay đổi ứng suất theo lực tác dụng

Có thể thấy rằng ứng suất thay đổi gần như tuyến tính khi lực tác dụng vào khớp cầu của tay địn thay đổi.

Vị trí ứng suất tĩnh lớn nhất được chỉ ra như trong hình 4.6. Vị trí nguy hiểm này là tương đồng trong các trường hợp đặt lực khác nhau.

Hình 4.6: Vị trí ứng suất tĩnh max

Trong bài tốn đang xét, vật liệu của tay đòn chữ A là thép kết cấu có ứng suất phá hủy là 440Mpa. Qua kết quả tính tốn mơ phỏng, dễ thấy ứng suất tác dụng lên tay đòn trong trường hợp Fx=Fy=5000 N vẫn nằm trong giới hạn phá hủy của vật liệu với ứng suất lớn nhất là 296.96 MPa.

Như vậy, kết cấu tay đòn chữ A đủ bền tĩnh trong phạm vi khảo sát của lực tác dụng lên tay đòn.

4.3. Phân tích độ bền mỏi

Trong bài tốn phân tích độ bền mỏi, sau khi xác định được phân bố ứng suất tĩnh trong kết cấu, chúng ta sẽ sử dụng đường cong mỏi S-N của vật liệu để nội suy ra tuổi thọ của kết cấu tại các vị trí khác nhau. Trong mục Solution, chọn mục Fatigue tool. Trong Fatigue tool, chọn Life để tính tốn chu kỳ mỏi của kết cấu.

Đường cong mỏi S-N của vật liệu thép kết cấu được cung cấp bởi thư viện vật liệu của Ansys như trong Hình 4.7 dưới đây:

Hình 4.7: Đường cong mỏi S-N của vật liệu thép kết cấu

Thực hiện phân tích độ bền mỏi của tay đòn với giá trị tải trọng đặt lên khớp cầu biến thiên trong một dải như đã nêu ở Chương 3, ta thu được các kết quả phân bố ứng suất tĩnh và phân bố tuổi thọ bền mỏi của kết cấu tương ứng. Toàn bộ các trường hợp khảo sát được tổng hợp trong Hình 4.8 dưới đây.

Trường hợp Fx=Fy=1500N

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Trường hợp Fx=Fy=2000N

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Trường hợp Fx=Fy=3000N

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Trường hợp Fx=Fy=4000N

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Trường hợp Fx=Fy=5000N

Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi

Hình 4.8: Phân bố ứng suất tĩnh và tuổi thọ bền mỏi của tay đòn chữ A

Để dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đối với tuổi thọ mỏi của kết cấu, giá trị tuổi thọ mỏi (xác định theo số chu trình) của các trường hợp khảo sát được tổng hợp trong Bảng 4.2.

Bảng 4.2: Tuổi thọ mỏi của tay đòn chữ A:

Fx=Fy (N) Tuổi thọ bền mỏi Max (Chu kỳ)

Tuổi thọ bền mỏi Min (Chu kỳ) 1000 1000000 1000000 1500 1000000 829380 2000 1000000 172000 2500 1000000 76597 3000 1000000 39076 3500 1000000 22294 4000 1000000 14006 4500 1000000 9395 5000 1000000 6789

Từ các số liệu trong Bảng 4.2, chúng ta có thể xây dựng được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tuổi thọ bền mỏi nhỏ nhất (min) của kết cấu tay đòn chữ A theo lực tác dụng đặt vào vị trí khớp cầu (Hình 4.9).

Trong trường hợp lực tác dụng nhỏ nhất ( Fx=Fy=1000N ), kết quả tuổi thọ bền mỏi được thể hiện đồng đều trên toàn bộ cấu trúc, số chu kỳ mỏi là 1 000 000 chu kỳ. Điều này khơng có nghĩa là tuổi thọ bền mỏi ở các vị trí đều giống nhau mà do cách phần mềm Ansys biểu diễn kết quả. Phần mềm cho phép thiết lập một giá trị số chu kỳ tới hạn tương ứng với giới hạn mỏi của vật liệu. Khi giá trị ứng suất trong kết cấu nhỏ hơn giá trị ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu đồng nghĩa với việc số chu kỳ có thể tiến tới vơ cùng mà khơng gây ra nứt gãy hay phá hủy kết cấu. Số chu kỳ tới hạn thường mặc định là 106 chu kỳ. Vậy nên, khi giá trị ứng suất trong kết cấu nhỏ, dẫn đến số chu kỳ dẫn đến phá hủy kết cấu vượt quá 106 chu kỳ thì

phần mềm không thể hiện chi tiết mà coi là tương ứng với 106chu kỳ. Trong trường hợp này (Fx=Fy=1000N), có thể hiểu là tồn bộ phân bố ứng suất trong kết cấu đều nhỏ hơn ứng suất giới hạn mỏi của kết cấu, sẽ không gây ra phá hủy kết cấu dù số

chu trình tác dụng lực tiến tới vô cùng.

Khi tăng lực tác dụng Fx, Fy lên tay đòn, độ bền mỏi (min) thay đổi phi tuyến, ta có thể quan sát thấy sự biến đổi như thể hiện trên Hình 4.9. Đặc biệt trong trường hợp tăng lực tác dụng từ 1500N lên 2000N, độ bền mỏi của tay đòngiảm đi hơn 4 lần. Khi tiếp tục tăng lực tác dụng thì số chu kỳ mỏi vẫn tiếp tục giảm nhưng độ giảm cũng nhỏ dần.

Kết quả mơ phỏng các trường hợp khác nhau (Hình 4.8) cho thấy được vị trí chịu ứng suất max cũng là vị trí có độ bền mỏi nhỏ nhất, đây là vị trí nguy hiểm cần được quan tâm, gia cố để đảm bảo tuổi thọ (Hình 4.10). Có thể thấy, nếu chỉ dừng lại ở bài tốn phân tích tĩnh, kết cấu vẫn đảm bảo độ bền tĩnh, tuy nhiên khi thực hiện phân tích mỏi, nhiều vị trí của kết cấu có thể khơng đạt được tuổi thọ (thời gian sử dụng của kết cấu) như mong muốn. Để đảm bảo thời gian khai thác kết cấu thì cần tất cả các vị trí của kết cấu đạt được một tuổi thọ mong muốn, vì vậy phân tích

mỏi rất cần thiết trong các bài tốn kỹ thuật, đặc biệt trong các ngành cơng nghiệp mà thiết bị liên quan đến sự an toàn của con người như ơ tơ, máy bay, tàu thủy…

Hình 4.10: Vị trí độ bền mỏi nhỏ nhất

IV. Kết luận

Từ kết quả mơ phỏng mơ hình tay địn chữ A của hệ thống treo MacPherson ta có một số kết luận như sau:

Mơ hình tay địncó độ cứng Kx= 11.36 KN/mm và Ky= 3.33 KN/mm

Với phân tích ứng suất tĩnh, trong những trường hợp tải trọng tác dụng khác nhau, mơ hình vẫn đảm bảo được độ bền với ứng suất max là 296.96 MPa trong

trường hợp lực tác dụng Fx=Fy=5000N. Bên cạnh đó ta khảo sát được biến thiên của ứng suất tĩnh max trên tay địn có thể coi là tuyến tính khi tải trọng tác dụng tăng

Độ bền mỏi của tay đòn chữ A phụ thuộc vào lực tác dụng đặt vào khớp cầu của tay đòn. Khi tăng độ lớn tải trọng tác dụng lên tay đòn, ta khảo sátđược sự biến thiên phi tuyến của tuổi thọ bền mỏi. Phân tích mỏi có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đảm bảo tuổi thọ làm việc của kết cấu trong điều kiện thực tế

KẾT LUẬN

Trong khuôn khổ đề tài em đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống treo trên ơ tô, phân loại và giới thiệu về nguyên lý hoạt động của một số hệ thống treo và đi sâu vào phân tích hệ thống treo độc lập kiểu Mac Pherson. Phân tích, dự đốn độ bền mỏi của chi tiết tay đòn chữ A trong hệ thống treo kiểu Mac Pherson đã được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Mơ hình tay địn chữ A đã được xây dựng 3D từ mơ hình thực tế. Các trường hợp nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện bao gồm phân tích độ cứng, phân tích ứng suất tĩnh và phân tích độ bền mỏi. Nhiều trường hợp tải trọng tác dụng khác nhau đã được xem xét. Kết quả mô phỏng cho thấy công cụ phần tử hữu hạn là một phương pháp hiệu quả trong nghiên cứu độ bền mỏi của các chi tiết cơ khí trong ơ tơ. Các vị trí xung yếu, tập trung ứng suất được xác định thông qua mô phỏng cho phép dễ dàng thực hiện các cải tiến về thiết

kế theo yêu cầu của người dùng.

Trong khuôn khổ luận văn, do hạn chế về thời gian và kiến thức, nên mới dừng lại ở việc nghiên cứu, kiểm nghiệm độ bền mỏi của chi tiết tay đòn chữ A

trong hệ thống treo kiểu Mac Pherson dưới tác động của tải trọng tĩnh, không đổi

theo thời gian. Kết quả của luận văn sẽ là tiền đề cho việc nghiên cứu sâu hơn về độ bền mỏi khi xét chi tiết chịu tác động của tải trọng biến thiên theo thời gian.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. - Lý thuyết ô tô máy kéo - GS TS . Nguyễn Hữu Cẩn

Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật- 1998.

[2]. Lý thuyết ô tô - Nguyễn Ngọc Lâm

Trường đại học giao thông vận tải Hà Nội – 1984.

[3]. Bài giảng động lực học máy - Nguyễn Bá Nghị Trường đại học giao thông vận tải.

[5]. Bài giảng mô phỏng thiết kế hệ thống tự động - An Tri Tân

Trường đại học giao thông vận tải.

[6]. Đề tài” Thiết kế hệ thống treo độc lập và mô phỏng dao động xe minibus 8 chỗ

ngồi sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam”- Trần Hùng Anh,Nguyễn Anh Ngọc

Trường ĐH Bách Khoa HN. [7]. http://otofun.net [8]. www.otosaigon.com [9]. http://www.amc.com.vn [10]. http://www.autonet.com.vn [12]. http://www.oto-hui.com [12]. http: Tailieu.vn

[13]. P. Nagarjuna, k. Devaki Devi, “Design and Optimization of Sheet Metal Control Arm for Independent Suspension System”, International Journal of Engineering Research and Applications, Vol. 2 (5), pp. 535-539, 2012

[14]. N. Kumar, RK. Veeresha, “Analysis of Front Suspension Lower Control Arm of an Automobile Vehicle”, International Journal of Science and Research, Vol. 2 (10), pp. 51-56, 2013.

[15]. L. Tang, J. Wu, J. Liu, C. Jiang, W. B. Shangguan, “Topology Optimization and Performance Calculation for Control Arms of a Suspension”, Advances in Mechanical Engineering, Vol. 2014, Article ID 734568, 2014.