ĐỒ án THIẾT kế lựa CHỌN và sử DỤNG vật LIỆU CHUYÊN NGÀNH kết cấu hoặc chi tiết được giao lò xo giảm xóc xe máy

Trường ĐKBK ĐHBK Hà
Nội
Viện KH & KT Vật Liệu

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-------------oOo-----------

--------------------------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LỰA CHỌN VÀ
SỬ DỤNG VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH
(Design - Selection and Application of Materials)

Kết cấu hoặc chi tiết được giao: Lị xo giảm xóc xe máy.

Giảng viên hướng dẫn: ..............................................
Họ và tên sinh viên:....................................................
Mã số: ........................................................................
Chuyên ngành: ..........................................................

Commented [t1]: Điền thông tin


Mã số: MFS1

1. Phân tích điều kiện làm việc của chỉ tiết:
• Giới thiệu: Lị xo xe máy:
-Hệ thống giảm xóc xe máy ( phuộc) được thiết kế và đóng
vai trò hết sức quan trọng trong việc giảm tác động rung chấn
khi di chuyển hoặc va chạm với các địa hình mấp mơ, đảm bảo

an tồn cho xe, người điều khiển hay hàng hóa.

-Hệ thống giảm xóc bao gồm xy lanh giảm chấn, lò xo và
các chi tiết phụ tùng khác đi kèm. Trong đó lị xo giảm xóc - là
loại lò xo xoắn chịu nén dưới dạng vòng dây hình trịn, . Đây
một chi tiết rất quan trọng, với sức cần khả năng đàn hồi, lị xo
chuyển hóa dao động va đập ở bánh xe thành dao động điều
hòa cho khung xe.

-Với việc lựa chọn mác thép chế tạo hợp lý, cùng với chế
độ chế tạo, nhiệt luyện đúng kỹ thuật, một chiếc lị xo có thể
có một tuổi thọ làm việc khá cao, đảm bảo được độ khả năng
làm việc bền bỉ của xe và kết cấu trong cả các điều kiện làm
việc khắc nhiệt nhất.

Formatted: No underline
Formatted: Indent: Hanging: 2.54 cm


• Điều kiện làm việc và các yêu cầu:
Cơ tính:
- Chịu tải trọng tĩnh và va đập cao mà không được biến
dạng dẻo. Cần giới hạn đàn hồi cao, với tỉ lệ giới hạn đàn hồi
và giới hạn bền gần tới 1, khoảng 0.85-0.95.
-Lò xo chịu trọng lực của xe và người điều khiển. Để
chống biến dạng dẻo, cần độ cứng khá cao, tuy nhiên khơng
được cao q vì lị xo sẽ khó bị nén.
-Chịu va đập khi. Độ dẻo, độ dai đủ để không xảy ra biến
dạng dư trong q trình làm việc, tuy nhiên khơng được thấp
q vì gây phá hủy giịn.

-Chịu tải trọng thay đổi có chu kỳ. Cần giới hạn bền mỏi
cao hơn ứng suất làm việc, đảm bảo tuổi thọ sản phẩm lâu dài.

Khác:
-Có độ chống ăn mòn nhất định do phải tiếp xúc với bùn
đất, nước mưa, độ ẩm khơng khí.. Có thể cải thiện bằng biện
pháp phun, phủ.


-Chi tiết càng nặng càng tốn nhiêu liệu, yêu cầu nhẹ.
-Giá thành rẻ, phù hợp với một chiếc xe máy dân dụng.

2. Lập bảng yêu cầu cơ tính cho chi tiết.

Commented [t3]: Các thơng số này tính tốn thế nào hoặc tham
khảo ở đâu phải nêu rõ
Formatted: No underline

Cơ tính

Chỉ tiêu

Giới hạn đàn hồi

≥ 950 [MPa]

Giới hạn bền nén

≥ 1000 [MPa]

Độ cứng

~45 [HRC]

Mô đun đàn hồi

~213 [GPa]

Giới hạn mỏi

> 320[MPa]

Độ dai va đập

30-40 [MpaMPa.√𝑚]


3. Hàm chỉ tiêu hiệu năng chi tiết lò xo.
“ Vật liệu tốt nhất để làm lò xo (cùng năng lượng tích trữ mà thể
tích nhỏ nhất) phải có chỉ tiêu đàn hồi lớn nhất, xác định theo cơng
thức:
𝜎𝑒2
𝐻𝑒 =
𝐸

”
• Vật liệu kỹ thuật
(GS.TS Nguyễn Khắc Xương chủ biên), page 583.
𝜎𝑒 : Giới hạn đàn hồi.
𝐸: Mô đun đàn hồi.

Như vậy, để có hàm chỉ tiêu theo khối lượng nhỏ nhất, ta lấy
𝐻𝑒 chia cho khối lượng riêng của từng loại vật liệu, 𝜌 càng nhỏ, hàm
hiệu năng càng cao:
𝐻𝑒 𝜎𝑒2
𝐻1 =
=
𝜌
𝐸𝜌
𝜌: Khối lượng riêng [kg/𝑚3 ].
“ Trong phương trình xác định khối lượng, ta chỉ việc thay khối
lượng riêng 𝜌 bằng tích số 𝐶𝑚 . 𝜌 là được phương trình về giá mua vật
liệu.”
• Vật liệu kỹ thuật
(GS.TS Nguyễn Khắc Xương chủ biên), page 581.
Vậy hàm hiệu năng cực tiểu về giá:


𝐻2 =

𝜎𝑒2
𝐸. 𝐶𝑚 . 𝜌
𝐶𝑚 : Đơn giá vật liệu [USD/kg].

4. Sử dụng CES lựa chọn vật liệu phù hợp.
• Vật liệu làm lò xo với khối lượng cực tiểu.
Hàm hiệu năng sử dụng:
𝜎𝑒2
𝐻1 =
𝐸𝜌

-Có 112 vật liệu đạt
được hàm hiệu năng cao
để làm lị xo với tiêu chí:
nhẹ.
-Trong đó có các loại:
thép cacbon, thép hợp
kim thấp, thép không gỉ,
các loại hợp kim nhôm,
titan, nickel..

• Vật liệu làm lị xo với giá thành rẻ.
Hàm hiệu năng sử dụng:
𝜎𝑒2
𝐻2 =
𝐸. 𝐶𝑚 . 𝜌


-Có 36 loại vật liệu thỏa
mãn tiêu chí giá thành rẻ
nhất.
-Phần lớn trong đó là
thép hợp kim thấp và chỉ có
duy nhất 1 mác thép cacbon
thấp là AISI 1340.

• Vật liệu làm lị xo đảm bảo về mặt cơ tính.
Chọn bước Limit Stage với thông số như sau:

-Chọn độ cứng lớn nhất của lò xo vào 4400 Mpa, tương
đương 45-46 HRC vì nếu lớn hơn có thể sẽ khiến lị xo khó
biến dạng đàn hồi.
-Mơ đun đàn hồi chọn 213 GPa đem lại cho kết cấu lò xo
khả năng cứng vững lớn, chống lại biến dạng dư.

Kết quả:


-Có 86 loại vật liệu thỏa mãn tiêu chí cơ học đề ra.
-Gồm các loại thép cacbon thấp, hợp kim thấp, hợp kim
đúc...
5. Lựa chọn 3-5 loại vật liệu thích hợp nhất.


Tổng hợp 3 bước chọn lọc ở trên, ta được:

Kết quả:

-5 mác thép phù hợp nhất: AISI 4340, AISI 5130, AISI
5140, AISI 8650, AISI 9255.

6. Lựa chọn 1 loại vật liệu thích hợp nhất.


• SoAISI
sánh:
4340
Thành
phần

Giới hạn
đàn hồi
Giới hạn
bền nén
Độ cứng
Mô đun
đàn hồi
Giới hạn
mỏi
Độ dai va
đập

AISI 5130
Tôi dầu, Ram
205 độ C
C: 0.280.33%
Cr: 0.8-1.1%
Mn: 0.7-0.9%
Si: 0.15-0.3%
<0.35%P
<0.4%S

AISI 5140
Tôi dầu, Ram
205 độ C
C: 0.38-0.43%
Cr: 0.7-0.9%
Mn: 0.7-0.9%
Si: 0.15-0.35%

<0.35%P
<0.4%S

AISI 8650
Tôi dầu, Ram
315 độ C
C: 0.48-0.53%
Cr: 0.4-0.6%
Ni: 0.4 0.7%
Mn: 0.75-1%
Si: 0.15-0.3%
Mo: 0.15-0.25%
<0.35%P
<0.4%S

AISI 9255
Tôi dầu, Ram 425
độ C
C: 0.51 -0.59%
Mn: 0.7 -0.95%
Si: 1.8 – 2.2%
<0.35%P
<0.4%S

1365 -1670

1475 -1805

1395 -1705

1340 -1640

1425 -1750

1365 -1670

1475 -1805

1395 -1705

1340 -1640

45 - 52
205 -213

44 - 52
201 -217

45 - 52
209 -217

45 - 52
206 - 216

44 - 52
206 - 216

581 – 693

556 - 641

597-690

581 - 671

553 - 640

25 -52

27 - 50

24 - 48

27 - 52

27 - 52

Tôi dầu, Ram
315 độ C
C: 0.380.43%
Cr: 0.7-0.9%
Mn: 0.6-0.8%
Si: 0.150.35%
Mo: 0.2-0.3%
<0.35%P
<0.4%S
1425 -1750

- Từ bảng so sánh trên,mác thép phù hợp nhất để làm vật
liệu lò xo là: AISI 9255, vì:

• AISI 9255 vẫn đảm bảo được các cơ tính tương đương
so với các mác thép trên, trong khi sử dụng các nguyên
tố hợp kim rẻ hơn cũng như tổng hàm lượng hợp kim
cũng thấp hơn, mang tính kinh tế cao nhất trong 5 loại.

-Tác dụng của từng nguyên tố hợp kim trong AISI 9255:
Thành phần:
C
Mn
Si
%
0.51 - 0.59
0.7 – 0.95
1.8 – 2.2
• C: Nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yêu đến tổ
chức và tính chất của thép. Với hàm lượng trên, thép đạt cơ
tính tổng hợp: độ cứng, độ dẻo và dai đều khá cao, giới hạn
đàn hồi đạt cao nhất.
• Mn: Cơng dụng chính làm tăng độ thấm tơi, khiến q trình
tơi có thể thực hiện trong môi trường làm nguội chậm hơn,
tránh biến dạng do làm nguội nhanh, mà vẫn đạt hiệu quả
hóa bền nhiệt luyện.
• Si: Tăng độ cứng, độ bền, đặc biệt tăng mạnh giới hạn đàn hồi
của thép. Nhưng cần lưu ý thoát cacbon khi nhiệt luyện.

7. Công nghệ chế tạo và quy trình nhiệt luyện.

Formatted: No underline

Formatted: Indent: Left: 0 cm


• Quy trình cơng nghệ:

Phơi cuộn
ở trạng
thái ủ

Nắn thẳng
và cắt phơi

Nén lị xo
(kiểm tra?)

Phun phủ

Nung nóng

Ram

Tơi trong
dầu

Quấn nóng
tạo hình
lị xo


• Quá trình nhiệt luyện sơ bộ:

Nhằm ổn định cơ tính để dễ dàng vận chuyển, gia cơng chế
tạo. Với mác AISI 9255 ta ủ hoàn toàn, để nguội cùng lị, mục
đích giảm độ cứng, tăng độ mềm dẻo để dễ dàng nắn thẳng,
cắt gọt.
-Ủ hồn tồn: Ac3 + (20÷30) oC = 796 + (20÷30) oC = 816 ÷ 826
o
Cđộ C.

Formatted: Subscript
Formatted: Superscript

• Q trình nhiệt luyện kết thúc:
Sau tạo hình, chi tiết sẽ được tiến hành nhiệt luyện tơi +
ram trung bình, khi đó tổ chức nhận được là troxtit ram. Độ
cứng khá, độ dẻo và dai tốt và đặc biệt có giới hạn đàn hồi
cao. Tơi dầu để tránh ứng suất nhiệt làm biến dạng kết cấu lị
xo.
-Tơi dầu: Ac3 + (30÷50) oC = 796 + (30÷50) oC = 826 ÷ 846 oCđộ
C.
-Ram trung bình : 425 oCđộ C.

Formatted: Subscript


8. So sánh cơ tính và chỉ tiêu hiệu năng sau khi
áp dụng các cơng nghệ nhiệt luyện.
• Về cơ tính:
Trạng thái ủ:

Sau nhiệt luyện kết thúc:

So sánh:

Cơ tính AISI 9255

Trạng thái ủ

Sau nhiệt luyện

Giới hạn đàn hồi
[MPa]

435-540

1340-1640

Giới hạn bền nén
[MPa]

435-540

1340-1640

Độ cứng
[HRC]

14-25

44-52

Mô đun đàn hồi
[GPa]

206-216

206-216

Giới hạn mỏi
[MPa]

331-384

553-640

Độ dai va đập
[MpaMPa.√𝑚]

73-118

27-52

Giới hạn bền nén và giới hạn chảy tăng lên khoảng 3 lần.


• Về chỉ tiêu hiệu năng:

Hàm hiệu năng sử dụng:
𝜎𝑒2
𝐻𝑒 =

𝐸
So sánh trước và sau nhiệt luyện:
𝐻𝑒2
𝐻𝑒1

2
𝜎𝑒2
13402
𝐸
= 22 = 216 000
≈ 9.5 [𝑙ầ𝑛]
4352
𝜎𝑒1
216000
𝐸1

 Sau nhiệt luyện chỉ tiêu hiệu năng tăng 9.5 lần


9. Kết luận.

Việc tính tốn và tối ưu hóa lựa chọn vật liệu phù hợp với
điều kiện thực tế hoàn tồn có thể thực hiện được nhờ sự trợ
giúp của một số phần mềm.
Sử dụng chương trình CES có khả năng giúp cho việc lựa
chọn, tính tốn giảm bớt thời gian cũng như tối ưu hóa các chỉ
tiêu về kinh tế thuận lợi nhất.
Trong trường hợp để chế tạo một chiếc lị xo xe máy,
phân tích điều kiện làm việc thực tế và sử dụng CES, giúp ta
lựa chọn được vật liệu lò xo phù hợp nhất là mác thép AISI

9255.
AiSI AISI 9255 với chế độ nhiệt luyện thích hợp: tơi dầu +
ram 425 oCđộ C có hệ số an toàn là 1.5, khá nhẹ và giá thành
hợp lý, là lựa chọn tốt nhất cho vật liệu lò xo giảm xóc xe máy.
Với các lớp phun phủ chống ăn mịn thích hợp, tuổi thọ của
chi tiết có thể lên tới 15 năm hoặc hơn.