Tóm tắt Luận án - Nghiên cứu độ bền vỏc cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam

GS.TS. Nguyễn Văn Tần Phản biện 3: TS. Nguyễn Tuấn Anh Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trƣờng, họp tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện: 1. Thƣ viện Tạ Quang Bửu - Trƣờng ĐHBK Hà Nội 2. Thƣ viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm chi tiết trên ô tô tại Việt Nam, cần phải có đầu tƣ đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu thiết kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệ thống truyền lực, nhằm phát triển sản phẩm có chất lƣợng cao. Cầu chủ động là một trong những cụm chi tiết quan trọng của hệ thống truyền lực trên ô tô, có nhiệm vụ chứ tất cả các ộ phận truyền lực n n cần có độ bền và độ cứng vững c o. Trong điều kiện c n nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, tr ng thiết ị thí nghiệm nhƣ hiện n y thì phƣơng pháp đánh giá ph hợp nhất cho các nhà kho học Việt N m là đánh giá độ bền ằng l thuyết. Chính vì vậy, đề tài "Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam" là một công trình khoa học cần thiết nhằm góp phần tạo dựng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc đánh giá chất lƣợng của sản phẩm và hoàn thiện qui trình thiết kế hệ thống. Mục đích của luận án: y ựng phƣơng pháp đánh giá độ ền v cầu ô tô tải ằng tính toán l thuyết; khảo sát độ bền và đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu v cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu: Đối tƣợng nghi n cứu củ luận án đƣợc lựa chọn là v cầu chủ động ô tô tải DongFeng DV 2.5, tải trọng 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá độ ền tĩnh và ền m i v cầu ô tô tải nh tải trọng 2,45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt N m trong các điều kiện sử dụng cụ thể, bao gồm chuyển động đặc trƣng tr n đƣờng với 4 trƣờng hợp nặng nhọc nhất và chuyển động tr n đƣờng thực với mấp mô ngẫu nhi n th o tiêu chuẩn ISO). Nội dung và bố cục của luận án: Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 phần chính: phần 1: Tổng quan; phần 2: Xây dựng mô hình tính toán và đánh giá độ ền v cầu chủ động ô tô tải; phần 3: Khảo sát đánh giá độ ền v cầu; phần 4: Thí nghiệm xác định tải trọng tác động l n v cầu. Ngoài r c n có phần kết luận và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội ung đƣợc trình ày trong 136 tr ng, trong đó có 23 bảng, 134 hình và đồ thị, 78 tài liệu tham khảo. Phần lớn kết quả của luận án đã đƣợc công bố với 5 ài áo đăng trong các tạp chí trong nƣớc và hội nghị quốc tế. Những kết quả mới của luận án: - Mô hình xác định tải trọng tĩnh và động tác động lên v cầu để đánh giá độ bền của v cầu ở các chế độ làm việc đặc trƣng. - ô hình đánh giá độ bền của v cầu chủ động xe tải nh độ bền phá hủy và độ bền m i). 1 - Qui trình đánh giá độ bền và đề xuất cải tiến kết cấu của v cầu th o hƣớng giảm khối lƣợng vật liệu gia công và giảm tập trung ứng suất trên v cầu. - Phƣơng pháp và thí nghiệm hợp l để đo tải trọng trọng động lên v cầu khi xe chuyển động tr n đƣờng thực. Kết quả so sánh giữa thí nghiệm và mô ph ng với sai số chấp nhận đƣợc. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Luận án đã sử dụng bộ thông số và kết cấu thực của sản phẩm xe tải sản xuất, lắp ráp trong nƣớc, thí nghiệm kiểm chứng đƣợc thực hiện trong điều kiện thực với các thiết bị hiện có tại Việt Nam. - Các đề xuất về cải tiến đƣợc áp dụng trên mô hình v cầu có tham khảo các công nghệ chế tạo hiện đ ng áp ụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới chế tạo thử nhằm giảm chi phí sản xuất thực tế. Ý nghĩa khoa học của luận án: - Xây dựng phƣơng pháp xác định tải trọng động tác động lên v cầu bằng mô hình, làm cơ sở cho việc lựa chọn hợp lý các thông số kết cấu khi tính toán cầu chủ động trong hệ thống truyền lực tại Việt Nam. - Xây dựng đƣợc phƣơng pháp đánh giá độ bền và đề xuất cải thiện kết cấu nhằm n ng c o độ bền của chi tiết, làm cơ sở khoa học để xây dựng các mô hình đánh giá độ bền của các sản phẩm thiết kế, chế tạo trong nƣớc, góp phần hoàn thiện qui trình thiết kế các chi tiết, cụm chi tiết trong cầu chủ động nói riêng và hệ thống truyền lực nói chung. - Luận án có thể đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất ô tô tải tại Việt Nam trong quá trình nghiên cứu phát triển thiết kế mới cũng nhƣ đánh giá độ bền của các chi tiết của ô tô tải cùng loại. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải Trong bối cảnh chung của ngành công nghiệp ô tô Việt N m s u hơn 20 năm x y ựng và phát triển vẫn đ ng sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô nh với công nghệ lạc hậu. Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống cho ô tô, thì cần phải có đầu tƣ chiều s u, đặc biệt là đầu tƣ cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lƣợng cao. 1. Vỏ cầ chủ động t tải i ộ phận củ cầu chủ động thực hiện một chức năng ri ng, trong đó v cầu chủ động là hộp chứ toàn ộ các chi tiết trong cụm cầu chủ động. V cầu c n thực hiện chức năng củ ầm đ toàn ộ phần trọng lƣợng phí s u củ ô tô và chịu các tải trọng t tƣơng tác ánh x với đƣờng. Vì vậy, kết cấu củ v cầu phải đảm ảo độ ền và đặc iệt là độ cứng vững để không ảnh hƣởng đến điều kiện làm việc củ các ộ phận n trong. 2 Đối với các loại ô tô tải nh , loại v cầu kiểu ầm liền r ng giữ đƣợc sử ụng phổ iến o có kết cấu đơn giản và thuận tiện cho quá trình ảo ƣ ng sử chữ . Hiện n y, đối với v cầu ô tô tải g ng cầu vẫn là loại vật liệu đƣợc sử ụng phổ iến hơn cả. G ng cầu có nhiều chủng loại khác nh u với ứng suất giới hạn nằm trong khoảng 460 - 920 P và giới hạn chảy 310 - 670 P . Giới hạn ền m i củ g ng cầu thƣờng lớn hơn 200 P và số chu k g y m i nằm trong khoảng 106 – 108. V cầu phải chịu tác ụng củ các lực và mô m n t các ánh x chủ động truyền l n c ng với các lực tƣơng tác với hệ thống tr o. Do ô tô tải thƣờng xuy n phải hoạt động tr n đƣờng xấu n n ầm cầu phải chịu tải trọng động iến thi n li n tục với i n độ lớn. 1. Độ ền vỏ cầ v c c phư ng ph p đ nh gi Để đánh giá độ ền v cầu th o phƣơng pháp truyền thống, ngƣời t thƣờng tính toán cho trƣờng hợp đặc trƣng với các tải trọng cực đại. C ng với sự phát triển củ các phần mềm tính toán chuy n ụng, phƣơng pháp tính toán v cầu ằng PTHH đã trở thành công cụ đắc lực cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá độ ền v cầu. Trong nghi n cứu phát triển, ngƣời t thƣờng đánh giá độ ền v cầu ằng phƣơng pháp thực nghiệm. Phƣơng pháp này đ i h i chi phí lớn cho thiết ị đo và mẫu v cầu để thí nghiệm cũng nhƣ thời gi n thực hiện ài và chi phí lớn. 1. C c hướng nghi n cứ về độ ền vỏ cầ chủ động 1. .1 Đ nh gi độ ền th o tải t ọng cực đại Đ y là phƣơng pháp đánh giá đƣợc coi là truyền thống, độ ền củ v cầu đƣợc đánh giá th o các giá trị tải trọng cực đại đạt đƣợc trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng. 1. . Đ nh gi độ ền t ong điề kiện tải t ọng động Phƣơng pháp tính ền tĩnh tr n đ y chỉ ph hợp với ô tô chuyển động ở vận tốc thấp và khối lƣợng không lớn. Khi ô tô chuyển động với vận tốc lớn thì quán tính củ các ộ phận có khối lƣợng lớn sẽ sinh r các tải trọng động có ảnh hƣởng đáng kể đến độ ền phá hủy và độ bền lâu củ v cầu.. 1. . Đ nh gi độ ền mỏi 1 4 3 1 Kích thích t mặt đƣờng g y n n tải trọng động iến thi n li n tục th o thời gi n tác ụng l n v cầu. Hiện n y phƣơng pháp mô tả mấp mô mặt đƣờng ằng hàm ngẫu nhi n đã đƣợc chuẩn hoá th o ti u chuẩn ISO 8608:1995. 1 4 3 2 Để đánh giá độ ền l u củ chi tiết chịu tải trọng lặp có chu k , ngƣời t thƣờng sử ụng đƣờng cong m i đo ằng thực nghiệm c n gọi là đƣờng cong S – N . Các kết quả nghi n cứu thực nghiệm đã cho thấy, số chu k tải tác động tƣơng ứng với giới hạn m i đối với th p và g ng thƣờng nằm trong khoảng t 106 đến 108. 3 1. C c c ng t nh nghi n cứ t ong nước v vấn đề nghi n cứ của l ận n Các công trình nghiên cứu chung về hệ thống truyền lực ô tô cũng c n khá khi m tốn và các công trình nghi n cứu về độ ền m i cũng không nhiều. Việc đánh giá độ ền củ v cầu là rất phức tạp. Trong điều kiện thiếu thốn về cơ sở vật chất, tr ng thiết ị thí nghiệm nhƣ hiện n y thì phƣơng pháp đánh giá ph hợp nhất cho các nhà kho học Việt N m là đánh giá ằng l thuyết. 1.6 Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghi n cứu củ luận án là v cầu chủ động ô tô tải DongF ng DV 2.5, tải trọng 2.45 tấn. V cầu củ ô tô này thuộc loại ầm liền r ng giữ , đ c ằng g ng cầu. 1.7 Nội dung của Luận án 1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu y ựng phƣơng pháp đánh giá độ ền v cầu ô tô tải ằng tính toán l thuyết; khảo sát độ bền và đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu v cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam. 1.7. Phư ng ph p nghi n cứu Luận án sử dụng phƣơng pháp nghi n cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình 3D v cầu ô tô tải và khảo sát đánh giá độ ền ằng phần mềm ph n tích kết cấu chuy n ụng; y ựng mô hình động lực học củ ô tô phục vụ cho việc xác định tải trọng động tác ụng l n cầu chủ động trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng; Khảo sát đánh giá độ ền v cầu ằng phần mềm chuy n ụng và đề xuất một số giải pháp cải thiện kết cấu v cầu. - Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ô tô ằng cách đo các lực tác động l n v cầu chủ động khi chuyển động qu mấp mô với các thông số hình học định trƣớc. 1.7.3 Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu, đánh giá độ ền tĩnh và ền m i v cầu ô tô tải nhẹ tải trọng 2,45 tấn trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng s u: Chuyển động tr n đƣờng với các trƣờng hợp: lực k o, lực ph nh và lực th ng đứng cực đại; Chuyển động qu mấp mô đơn ạng sin; Chuyển động tr n đƣờng với mấp mô ngẫu nhi n. 1.7.4 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án gồm: Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 2. y ựng mô hình tính toán và đánh giá độ ền v cầu chủ động ô tô tải Chƣơng 3. Khảo sát đánh giá độ ền v cầu Chƣơng 4. Thí nghiệm xác định tải trọng tác động l n v cầu 4 CHƯƠNG . X Y NG H NH T NH T N V Đ NH GI ĐỘ ỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG X TẢI .1 C c chế độ tải t ọng v phư ng ph p đ nh gi độ ền vỏ cầ 2.1.1 C c tải t ọng t c ụng l n vỏ cầ chủ động của t tải 2b2 a a FZ21 FZn21 FZn22 FZ22 Myi Fyn21 Fyn22 r2 Fy21 Fy22 Fxi a) c) Fx21 Fx22 A C Fy21 Fy22 Fyn22 Fyn21 Fxn21 Fxn22 b) Hì 2 1 S ồ ụ Trong mặt ph ng ng ng hình 2.1 , v cầu chịu tác ụng củ các phản lực t mặt đƣờng FZ21, FZ22 và các lực t nhíp FZn21 và FZn22. Trong mặt ph ng song song với mặt đƣờng hình 2.1 , v cầu chịu tác ụng củ các lực ọc Fx21 và Fx22 lực k o hoặc ph nh và lực t nhíp truyền qu các gối đ Fxn21 và Fxn22. Trong chuyển động qu y v ng có th m các lực ng ng Fy21, Fy22 đặt tại vết tiếp x c ánh x với mặt đƣờng. Đồng thời tại vị trí lắp nhíp sẽ có các lực Fyn21 và Fyn22. Ngoài các lực tr n, v cầu chủ động c n phải chịu mô m n xoắn o tác ụng t mô m n truyền tới cầu chủ động và củ các lực Fx2i tr n án kính ánh x r2 (hình 2.1c). .1. X c đ nh tải t ọng th o phư ng ph p t ền thống kéo . b phanh . . . .1. Tính to n vỏ cầ trên mô hình ng phần mềm ch n ụng 2 1 3 1 trên mô hình 3D 5 Các phần mềm ph n tích kết cấu hiện n y sử ụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán xác định ứng suất tại các phần tử tr n v cầu. Ƣu điểm củ phƣơng pháp tính ền tr n mô hình 3D là cho ph p đặt các tải trọng th o đ ng điều kiện thực tế và xuất r kết quả tại t ng phần tử tr n chi tiết. 2 1 3 2 ụ Các lực và mô m n tác động l n v cầu iến thi n li n tục trong quá trình chuyển động củ ô tô. Để xác định lực và mô m n này cần phải x y ựng mô hình chuyển động tổng quát củ ô tô và tính toán cho các điều kiện vận hành thực tế. Việc x y ựng mô hình chuyển động tổng quát củ ô tô đƣợc mô tả chi tiết trong mục 2.2. 2 1 3 3 Để mô tả hàm kích thích t mặt đƣờng tác động l n các ánh x củ cầu chủ động, ngƣời t thƣờng sử ụng các loại mấp mô khác nh u. uận án sẽ sử ụng h i ạng mấp mô: mấp mô đơn ạng sin và mấp mô th o i n ạng đƣờng ngẫu nhi n đƣợc xác định th o ti u chuẩn ISO 8608:1995. .1. Tính to n ền mỏi vỏ cầ 2 1 4 1 Giới hạn ền m i cũng có thể đƣợc tính th o ứng suất giới hạn củ vật liệu Su (ultimate tensile strength) [66]: ' SSeu 0,5 , với Su ≤ 1400 P ; (2.34) ' Se  700 , với Su > 1400 Mpa. ' Đối với vật liệu ằng g ng : SSeu 0,4 ([55]) Các kết quả nghi n cứu thực nghiệm 55, 56, 59, 61, 66 cho thấy, đối với g ng và th p, số 6 8 chu k tải tƣơng ứng với giá trị S’e tr n đồ thị S-N thƣờng nằm trong khoảng 10 – 10 . 2 1 4 2 Tuổi thọ củ chi tiết phụ thuộc chủ yếu vào 2 thông số củ tải trọng tác động, đó là a và m. Vì vậy, để đánh giá độ ền m i củ chi tiết, ngƣời t thƣờng sử ụng mối qu n hệ giữ h i thông số tr n để đánh giá độ ền m i thông qu các đƣờng đồng tuổi thọ ở giới hạn ền m i (hình 2.6 . ối qu n hệ giữ a và m tạo thành ti u chuẩn đánh giá độ ền m i. 4 ti u chuẩn về bền m i thƣờng đƣợc sử dụng 56 : Ti u chuẩn So r rg, ti u chuẩn Goo m n, ti u chuẩn th o giới hạn chảy và ti u chuẩn G r r. uận án sử ụng phần mềm Hyp r orks để tính toán, ứng suất g y m i e đƣợc xác định th o ti u chuẩn Goodman:  1 am  euSn Các giá trị ứng suất a, m đƣợc lấy t kết quả tính toán th o tải trọng động. Giới hạn ền củ Su đƣợc chọn th o vật liệu và hệ số n toàn n đƣợc chọn th o y u cầu thiết kế 61 . 6 2.2 h nh tính to n ền vỏ cầ chủ động ng phần mềm H p Wo k HyperWorks 13.0 là phiên bản mới trong bộ phần mềm CAE của công ty Altair (Mỹ). Trong luận án sử dụng 3 mo ul ƣu việt của HyperWorks 13.0 trong việc tính toán ph n tích độ bền của v cầu: Hyp r sh chi lƣới cấu trúc), OptiStruct (các giải pháp tối ƣu, các ài toán tĩnh và động) và SolidThinking (tối ƣu hó kết cấu). Các ƣớc xác lập mô hình tính toán bền một chi tiết trong HyperWorks về cơ ản cũng nhƣ các phần mềm CAE khác. 2.2.1 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải Trong nghiên cứu này, mô hình 3D của v cầu chủ động ô tô tải đƣợc xây dựng bằng phần mềm Catia (hình 2.7), s u đó đƣợc đƣ vào Hyp r orks 2.2.2 Gán vật liệu HyperWorks cung cấp kho vật liệu lớn đã đƣợc kiểm chứng thực tế. Với v cầu Hình 2.7 Mô hình v c u ch ng xe t i chủ động ô tô tải, vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng là gang cầu. . . Chia lưới Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp chi lƣới đƣợc chọn là kiểu tự động kết hợp với điều chỉnh lƣới bằng tay. Phần tử đƣợc chọn là phần tử tiêu chuẩn tetras có kích thƣớc là 5mm. Mô hình bao gồm 451976 phần tử và 110946 nút. Việc kiểm chứng mô hình chi lƣới đã đƣợc kiểm soát theo các tiêu chuẩn đƣợc Hình 2.9 M ì i v c u trong HyperMesh v i đề ra bởi các nhà nghiên cứu phát triển ph n tử tiêu chuẩ ó c là 5 mm và ứng dụng phần mềm chuyên dụng. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng lƣới đƣợc dựa trên kết quả đánh giá độ lệch của phần tử so với phần tử tiêu chuẩn. . . Đặt ràng buộc Với kết cấu cầu chủ động có bán trục giảm tải hoàn toàn, vị trí gối đ chặn tại 2 đầu v cầu đƣợc mô ph ng bằng ràng buộc dịch chuyển th o 3 phƣơng (vị trí lắp ổ bi). Tại tâm cầu chủ động, mô men xoắn sinh ra t động cơ truyền xuống trong trƣờng hợp xe chuyển động th ng sẽ tác động lên v cầu. Trong trƣờng hợp này, mô men xoắn tác động lên v cầu trong khoảng giữa 2 vị trí đặt nhíp. Do đó trong mô hình mô ph ng, ràng buộc mô men xoắn đƣợc đặt tại tâm cầu. 7 . . Đặt lực Ngoại lực tác dụng lên v cầu là các thành phần phản lực đặt tại vị trí bắt nhíp lên v cầu. Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp tổng quát, tại m i vị trí liên kết giữa v cầu và hệ thống treo (2 bên trái - phải) có 6 thành phần lực và mô men. Đối với ài toán tĩnh lực tĩnh xác định độ bền phá hủy của v cầu, các thành phần lực đƣ vào ƣới các giá trị là hằng số và đƣợc nhập trực tiếp vào mô hình lực. Đối với ài toán động nhƣ trƣờng hợp xe chuyển động tr n đƣờng có mấp mô ngẫu nhiên), các giá trị lực động là các v ctơ th o thời gian thực, ch ng đƣợc nhập vào t các file dữ liệu (ví dụ t xt, xc l, . 2.2.6 Xuất kết quả Sau khi thực hiện quá trình tính toán phân tích bằng phần mềm, kết quả thu đƣợc về chuyển vị và ứng suất tƣơng đƣơng Von is s đƣợc thể hiện ƣới dạng phổ màu. Ngoài ra, kết quả phân tích có thể thu đƣợc thông qua giá trị ứng suất, biến dạng lớn nhất th y đổi theo thời gian ài toán động). 2.3 Xây dựng mô hình tính toán tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu 2.3.1 Phư ng ph p xâ ựng mô hình ô hình xác định các tải trọng động tác dụng lên v cầu trong trƣờng hợp xe chuyển động tr n đƣờng đƣợc xác định t mô hình động lực học của xe tải 2 cầu. Sử dụng mô hình động lực học có thể xác định đƣợc tải trọng động lên v cầu trong nhiều trƣờng hợp chuyển động củ x khi đi tr n đƣờng. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phƣơng pháp tách cấu trúc hệ nhiều vật để thiết lập mô hình động lực học. 2.3.2. Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết Luận án sử dụng các giả thiết sau trong quá trình mô tả động lực học của xe tải 2 cầu: 1. ô hình động lực học không gian tổng quát; 2. Mô hình ô tô tải nhẹ 2.45 tấn có 2 trục (cầu sau chủ động là đối xứng theo trục dọc của xe; 3. Th n x đƣợc coi nhƣ một tấm ph ng có khối lƣợng M đặt tại trọng t m. Trong trƣờng hợp tổng quát, thân xe có 6 chuyển động (6 bậc tự do) bao gồm: 3 chuyển động tịnh tiến theo các trục x (trục dọc), y (trục ngang), z (trục th ng đứng và 3 góc xo y tƣơng ứng:  (góc lắc dọc - quay quanh trục y),  (góc lệch bên - quay quanh trục z),  (góc lắc ngang - quay quanh trục x); 4. Các cầu xe (cầu trƣớc - 1, cầu sau - 2) là các khối lƣợng không đƣợc tr o đƣợc coi nhƣ các thanh ph ng, có khối lƣợng mA1, mA2 đặt tại trọng tâm của chúng. M i cầu xe có 3 chuyển động tịnh tiến: theo trục dọc (x1, x2), theo trục ngang (y1, y2), theo trục th ng đứng (A1, A2) và 1 chuyển vị góc lắc ngang quanh trục dọc (A1, A2). B qua góc xoay của cầu xe theo trục th ng đứng và trục ngang; 5. Th n x đƣợc nối với các cầu xe thông qua hệ thống tr o đặc trƣng ởi các độ cứng 8 Cij và hệ số cản giảm chấn Kij). (chỉ số i: 1 – trƣớc; 2-sau; chỉ số j: 1-trái; 2-phải); 6. Cầu xe liên kết với mặt đƣờng bằng ánh x đàn hồi, đặc trƣng ởi độ cứng CLij; 7. B qua thành phần cản trên lốp; 8. B qu tác động củ gió đến chuyển động của xe. Với các giả thiết cấu tr c nhƣ vậy thì mô hình động lực học xe tải có thể đƣợc mô tả theo các thể hiện nhƣ tr n hình 2.14. Hình 2.14 Mô hình không gian xe t i Nhƣ vậy, mô hình cấu trúc của xe tải sẽ có 14 tọ độ suy rộng (14 bậc tự do) bao gồm: 6 bậc tự do mô tả chuyển động của thân xe - khối lƣợng đƣợc treo (x, y, z, , , ), 2 bậc tự do mô tả cầu trƣớc (cầu thứ 1) - khối lƣợng đƣợc treo 1 (A1, A1), 2 bậc tự do mô tả cầu sau (cầu thứ 2) - khối lƣợng đƣợc treo 2 (A2, A2) và 4 bậc tự do mô tả góc quay của bánh xe (11, 12, 21, 22). 2.3.3 Thiết lập hệ phư ng trình vi phân mô tả động lực học của xe Hệ phƣơng trình vi ph n mô tả động lực học của xe tải đƣợc xây dựng nhờ phƣơng pháp tách vật và đặt các ngoại lực lên t ng vật là các phản lực liên kết giữa các vật, s u đó sử dụng nguy n l D'Al m rt để thiết lập các phƣơng trình vi ph n mô tả chuyển động của t ng vật theo các tọ độ suy rộng. Hệ phƣơng trình vi ph n tổng quát mô tả động lực học của xe tải 2 cầu nhằm xác định các tải trọng động lên v cầu đƣợc mô tả ở hệ (2.84) bao gồm 14 phƣơng trình vi ph n. 9 Mz FCKCKCKCK11  F 11  F 12  F 12  F 21  F 21  F 22  F 22 Mx Fcos  F cos   F sin   F sin   F  F  M  y  x11 11 x 12 12 y 11 11 y 12 12 x 21 x 22 My Fcos  F cos   F sin   F sin   F  F  M  x  y11 11 y 12 12 x 11 11 x 12 12 y 21 y 22 JZ b 1( Fxy 11 cos  11 F 11 sin 11Fx 11cos 11  F y 12 sin 12 )  b 2 ( F x 21  F x 22 )   l2( Fy 21  F y 22 )  l 1 ( F y 11 cos 11  F y 12 cos  12  F x 11 sin  11  F x 12 cos  12 ) J   lFFFF     lFFFF     y1 C 11 K 11 C 12 K 12 2 C 21 K 21 C 22 K 22   MMMM    ( hrFF  )''  )  ( hrF  )( '' F   11 12 21 22 g 1 x 11 x 12 g 2 x 21 x22   (2.84) J xβ=(F C11 +F K11 -F C12 -F K12 )w+(F 1 C21 +F K21 -F C22 -F K22 )w 2 m =(F +F F +F) (F+F+F+F )  A11 A CL11 CL12 KL11 KL12 C11 K11 C12 K12 J β =(F +F -F -F )w+(F +F -F -F )b  Ax1 A1 C12 K12 C11 K11 1 CL11 KL11 CL12 KL12 2  + ( Fy11 cos11Fy 12 cos  12  F x 11 sin  11  F x 12 sin  12 )r 1  mA22 A =(F CL21 +F CL22 +F KL21 +F KL22 )-(F C21 +F K21 -F C22 -F K22 ) J β =(F +F -F -F )w+(F +F -F -F )b+(F'' +F )r  Ax2 A2 C22 K22 C21 K22 2 CL21 KL21 CL22 KL22 2 y21 y22 2 J φ = M - F + fF r ij1,2; 1,2  Ayij ij ij xij zij  ij Trong đó, các lực liên kết hệ thống tr o đƣợc xác định theo mô hình hệ thống tr o nhƣ s u:  C  z  fnn khi  z  f    11 11dyn 11 11 dyn  F C  z khi ftn   z  f  C11 11 11 11 dyn 11 11 dyn   (2.61) C  z  ftt khi  z  f     11 11dyn 11 11 dyn  F K z  K11 11 11 11  Mô hình lốp dạng phi tuyến theo hàm mẫu Ammonn [15-17, 19], các phản lực dọc Fx, ngang Fy đƣợc tính t mô hình tích hợp: 2 2 2 2 ssxx Fx(,)()() s x x,max F z t f ssx x,max x ,max (2.76) 2 2 2 2 ssxx Fy(s x , ) y,max F z ( t ) f ( )  x,max  y ,max Các phản lực Fzij đƣợc xác định theo các thông số động học tính đƣợc t mô hình o động bánh xe thứ ij:  t FCLij + F KLij + F Gij khi h ij - ξ Aij - f ij   0 F=zij  (2.78) 0 khi h - ξ - ft <0  ij Aij ij 10  t CLij h ij - ξ Aij khi h ij -  ξ Aij - f ij   0 F=CLij  (2.79) Ftt khi h - ξ - f <0  zij ij Aij ij CHƯƠNG . HẢ T Đ NH GI ĐỘ ỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI .1 Tính to n x c đ nh c c tải t ọng đặc t ưng t c động l n cầ chủ động t 3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Dongfeng 2.45 tấn Xe tải ben Dongfeng 2.45 tấn là dòng xe liên doanh giữa công ty Việt Trung và tập đoàn Dongfeng Trung Quốc. Trong luận án, các thông số về khối lƣợng, kích thƣớc đƣợc tham khảo t catalog của nhà sản xuất và đo trực tiếp tr n x . Các mô m n quán tính đƣợc tính gần đ ng th o phƣơng pháp khối hộp đồng chất. Các thông số của hệ thống treo, nhíp độ cứng, hệ số cản giảm chấn đƣợc tham khảo [4, 19]. .1. C c chế độ tính bền theo tải trọng cực đại Trong nghiên cứu khảo sát này, 4 chế độ tính bền tĩnh với tải trọng cực đại (xem mục 2.1.2) đƣợc sử dụng với mục ti u xác định độ bền của v cầu và so sánh với kết quả tính truyền thống. .1. Tính to n x c đ nh tải t ọng động Các trƣờng hợp khảo sát tải trọng động trong bao gồm: Xe chuyển động th ng trên đƣờng đi qua mấp mô có định dạng; Xe chuyển động th ng tr n đƣờng mấp mô (theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995). 3 1 3 1 ó ấp mô đơn ạng sin đƣợc sử ụng 0.04 trong khảo sát o có kết cấu đơn 0.03 giản cũng nhƣ ễ thực hiện thí 0.02 h h (m) nghiệm để kiểm chứng. Trong 0.01 0 nghiên cứu này, chiều c o củ mấp 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 x (m) mô hình sin đƣợc sử dụng với chiều Hình 3.1 M p mô m ng: mô t theo chi u dài cao mấp mô cực đại Hm = 0.04m; chiều dài mấp mô Lm = 0.5m. 3 trƣờng hợp khảo sát với mấp mô định dạng bao gồm: Mấp mô đơn đều 2 bên bánh xe; Mấp mô đơn đặt 1 bên bánh xe; Mấp mô đơn đặt lệch 2 bên bánh xe. Các kết quả khảo sát là các thành phần lực dọc (Fx2i, i = 1, 2) và lực th ng đứng (Fz2i, i = 1, 2 đặt lên v cầu. Các kết quả này sẽ ng để so sánh với mô hình thí nghiệm kiểm chứng chƣơng 4 . Ngoài r , trong nghiên cứu này cũng đánh giá về giá trị cực đại của các tải trọng động (max(Fx2i), max(Fz2i)). Kết luận: Các khảo sát về ảnh hƣởng của vận tốc đến tải trọng động tác động lên v cầu trong trƣờng hợp x đi qu mấp mô có định dạng nhằm mục ti u xác định tính đ ng đắn của mô 11 hình. Khi vận tốc tăng, giá trị của các tải động tăng ph hợp đ ng qui luật. Khi mấp mô 2 bên mặt đƣờng đều nhau, chỉ xuất hiện thành phần lực dọc và lực th ng đứng. Khi chỉ có mấp mô một bên vết bánh xe, xuất hiện lực ngang và lực th ng đứng biến đổi nhiều ở bên vết có mấp mô. Trƣờng hợp mấp mô 2 bên mặt đƣờng khác nhau cho thấy sự xuất hiện và lệch ph đ ng qui luật của các thành phần lực dọc, lực ngang và lực th ng đứng. 4 x 10 5000 3.5 4000 3.4 3000 3.3 2000 3.2 max(Fx22) (N) max(Fx22) max(Fz22) (N) max(Fz22) 1000 3.1 0 3 30 40 50 60 30 35 40 45 50 55 60 v (km/h) v (km/h) Hình 3.2b T i tr ng c i Hình 3.3b T i tr ng c i d c (m u 2 bên bánh xe) th ng (m u 2 bên bánh xe) 3.1.3.2 Xe chuy ng th ng m p mô theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 0.2 5000 E-F Fx2i 0.1 0 0 h h (m) -0.1 (N) Fx2i -0.2 -0.3 -5000 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 t (s) t (s) Hình 3.11b M p mô m ng E-F Hình 3.12b T i tr c (v = 40 km/h) Fx2i ( = 40 / , ng E-F) 4 4 x 10 x 10 4 5.5 Fz2i 5 3 Duong B-C 4.5 Duong C-D 4 Duong D-E 2 Duong E-F 3.5 Fz2i (N) Fz2i max(Fz2i) (N) max(Fz2i) 3 1 2.5 0 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t (s) v (km/h) Hình 3.13b T i tr th ng Hình 3.14b T i tr ng c i theo ng Fz2i (v = 40 km/h, ng E-F) th ng 12 ấp mô mặt đƣờng đƣợc mô tả theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 (phần 2.1 đƣợc sử ụng trong khảo sát tiếp theo nhằm xác định ảnh hƣởng của tải trọng động tr n mô hình đƣờng thực. Trong nghiên cứu này, 4 loại đƣờng theo ISO 8608:1995 đã đƣợc khảo sát (B-C đƣờng tốt), đƣờng C-D đƣờng trung ình , đƣờng D-E đƣờng xấu và đƣờng E-F đƣờng rất xấu)). Mấp mô mặt đƣờng đƣợc đặt đều trên 2 vết bánh xe, xe chuyển động th ng. Hình 3.11b mô tả mấp mô mặt đƣờng E-F theo hàm thời gian. Kết quả lực dọc tại một bên nhíp khi xe chạy với vận tốc v = 40 km/h tr n đƣờng tiêu chuẩn E-F đƣợc thể hiện trên hình 3.12b. Lực th ng đứng tác động tại vị trí đặt 1 bên nhíp trên v cầu (xe chạy với vận tốc v = 40 km/h tr n đƣờng tr n đƣờng E-F thể hiện trên hình 3.13b. Hình 3.14b mô tả sự th y đổi của giá trị cực đại của lực th ng đứng theo vận tốc trên các loại đƣờng khảo sát. Các kết quả trên hình 3.14b cho thấy: với cùng 1 loại đƣờng, khi vận tốc chuyển động củ x tăng l n, giá trị lực dọc tăng và lực th ng đứng động cũng tăng. Kết quả này mô tả đ ng hiện tƣợng vật lý củ ô tô khi tăng tốc. Với cùng 1 giá trị vận tốc, khi chất lƣợng mặt đƣờng xấu đi, mấp mô bề mặt tăng l n, các giá trị tải trọng động cũng tăng. Kết luận chung: Các khảo sát về tải trọng động tác động lên v cầu chủ động xe tải nh trong nhiều trƣờng hợp cho ph p đánh giá mô hình xác định tải trọng động tác động lên v cầu. Các giá trị và quy luật biến đổi của các thành phần lực động (lực dọc, lực th ng đứng, lực ngang) đã phản ánh đ ng các quy luật thực tế khi xe chạy tr n đƣờng. Mặt khác, các khảo sát về tải trọng động cho thấy giá trị giới hạn củ nó chƣ vƣợt quá giá trị củ ch ng trong các trƣờng hợp tiêu cực 4 trƣờng hợp tính toán độ bền của v cầu khi chịu các tải trọng tĩnh cực đại). Tuy nhiên, chế độ tải trọng động chính là thông số đầu vào cho ài toán xác định độ bền m i của v cầu khi chạy tr n đƣờng. 3.2 Phân tích kết cấ v đ nh gi độ bền của vỏ cầu chủ động . .1 Đ nh gi độ bền phá hủy của vỏ cầu ở c c t ường hợp ch u tải trọng tĩnh lớn nhất Dựa trên các kết quả tính toán khảo sát đã trình ày ở phần 3.1, có thể thấy rằng tải trọng đặt lên v cầu đạt các giá trị lớn nhất trong 4 trƣờng hợp "cực đo n". Chính vì vậy, trong nội ung ph n tích đánh giá độ bền v cầu chủ động, các chế độ tải trọng trong các trƣờng hợp nêu trên là cần thiết. Kết quả của việc ph n tích này cho ph p đánh giá độ bền (thông qua giá trị ứng suất) trên toàn bộ kết cấu v cầu cũng nhƣ là cơ sở để cải thiện kết cấu của v cầu. Các trƣờng hợp khảo sát bao gồm: chuyển động th ng với lực k o cực đại (TH1); chuyển động th ng với lực ph nh cực đại (TH2); Qu y v ng với lực ng ng cực đại (TH3); chuyển động tr n đƣờng xấu với phản lực th ng đứng cực đại (TH4). Kết luận: S u khi ph n tích các trƣờng hợp đặt lực tr n mô hình ài toán tĩnh, có thể nhận thấy ứng suất chủ yếu tập trung tại các khu vực có gờ hoặc các góc cạnh của v cầu, tuy nhiên ứng suất lớn nhất trên v cẩu xảy r trong trƣờng hợp 4 (chuyển động tr n đƣờng xấu với lực th ng đứng cực đại , đạt giá trị gần 207 MPa. Giá trị ứng suất này vẫn nh hơn so với ứng suất cho phép của vật liệu gang cầu là 490 MPa nên v cầu chƣ ị phá hủy. Tuy nhiên, nhiều 13 vùng trên v cầu th a bền nhiều, o đó phƣơng án đƣợc đề xuất là thiết kế cải tiến mô hình v cầu tr n cơ sở giảm bề dầy v cầu, tăng có góc lƣợn tại các bề mặt có tập trung ứng suất. Hình 3.34 K t qu chuy n v v c u và v trí có giá tr l n nh t (TH4) Hình 3.35 Ứng su t tổng h p Von Misses trên v c m có giá tr l n nh t (TH4) . . Đề xuất cải tiến kết cấu vỏ cầ th o hướng giảm khối lượng và tập trung ứng suất Mục tiêu của cải tiến thiết kế v cầu là giảm khối lƣợng v cầu và giảm các vùng tập trung ứng suất bằng cách tạo khoét rộng hoặc đắp thêm, tạo các góc lƣợn, tăng g n chịu lực nhằm phân bố lại ứng suất đều trên toàn bộ v cầu nhƣng vẫn đảm bảo điều kiện bền tĩnh và các tính năng làm việc của v cầu chịu tải hoàn toàn. Hình 3.40 Phân bố l i ng su t trên toàn b v c u v i hệ số an toàn bằng 3 Với mục tiêu tối ƣu khối lƣợng v cầu với các điều kiện ràng buộc về độ cứng vững lớn nhất và hệ số an toàn nh nhất là 3, quá trình tối ƣu v cầu đã đƣợc mô ph ng bằng phần mềm HyperWorks với mô đun Soli Thinking, kết quả tối ƣu nhƣ hình 3.40. Một số vị trí có hệ số an toàn lớn đƣợc đề xuất giải pháp cắt b khối lƣợng tại các vị trí đó: phần tâm v cầu, phần mo y ơ ph nh, đầu các ổ i và mo y ơ, 14 Hình 3.41 Các vùng vật liệu th a b ã ã c cắt g t d a trên phân tích mô hình ng su t tổng h p và hệ số an toàn trên v c u Mô hình v cầu sau tối ƣu hoàn toàn ph hợp với kết quả khảo sát ứng suất tổng hợp trên v cầu. Tuy nhi n, để đảm bảo giữ nguyên kết cấu n ngoài cũng nhƣ tính năng hoạt động của v cầu, NCS đã thiết kế lại chi tiết v cầu để đảm bảo hình áng cũng nhƣ chức năng của nó. Các đề xuất cải tiến kết cấu v cầu trong t ng v ng nhƣ s u: 1) Phần v giữa, ứng suất tập trung chủ yếu ở v