tính toán và thiết kế chi tiết ô tô theo phương pháp xác suất

Đồ án tốt nghiệp - 1 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
MỤC LỤC Trang
LỜI NÓI ĐẦU 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Một số nội dung ,khái niệm cơ bản 4
1.2. các phương pháp tính toán máy và chi tiết máy 6
1.3.Bản chất của phương pháp tình toán theo xác suất …………………. .…… 11
1.4.Lịch sử phát triển và thực trạng nghiên cứu……………………………………14
1.5.Nội dung nghiên cứu ………………………………………………………… 15
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT
16
2.1 Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế 16
2.2. Hàm phân phối các đại lượng ngẫu nhiên 18
2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy 20
2.4. Thiết kế và phân tích theo độ tin cậy bằng phương pháp xấp xỉ 29
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO ĐỘ TIN CẬY42
3.1. Thiết kế và phân tích trên cơ sở độ tin cậy theo độ bền 42
3.2. Thiết kế và phân tích kết cấu theo hệ số an toàn trung bình 45
3.3. Ứng dụng phần mềm matlab trong tính toán thiết kế 50
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO LI HỢP Ô TÔ
Phần 1. Giới thiệu li hợp ô tô 59
Phần 2. Tính toán thiết kế cho li hợp 63
Kết luận 71
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………………72
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 2 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
LỜI NÓI ĐẦU
Trên thế giới hiện nay ô tô đã trở thành một phương tiện hết sức thông dụng và
gần gũi với con người. Cùng với sự phát triển của kinh tế thì ô tô cũng không ngừng
được cải tiến và hoàn thiện hơn. Ở nước ta ngành công nghiệp ô tô cũng đang được

chú trọng đầu tư phát triển và cũng đã đạt được những thành tựu nhất định. Tuy nhiên
ô tô ở trong nước chủ yếu là nhập khẩu nguyên chiếc hoặc được lắp rắp từ các linh
kiện nhập khẩu từ nước ngoài. Để đưa nước ta trở thành một nước công nghiệp phát
triển trong những năm tới thì đảng và chính phủ đã nhận định trước hết chúng ta phải
làm chủ công nghệ và hướng tới tương lai phải cho ra mắt loại xe do chính Việt Nam
sản xuất chế tạo. Với nhận định đó thủ tướng chính phủ đã kí quyết định về việc
“thực hiện chiến lược quy hoạch ngành công nghiệp ô tô việt nam đến năm 2010 và
tầm nhìn 2020”và đặt ra mục tiêu là: các loại xe phổ thông và chuyên dùng đến năm
2010 đạt tỉ lệ nội địa hóa là 60%. Về tổ chức sản xuất: sản xuất ô tô và phụ tùng ô tô
theo quy mô công nghiệp, theo hướng chuyên môn hóa hợp tác hóa, khuyến khích các
thành phần kinh tế tham gia phát triển sản xuất phụ tùng ô tô. Theo đó hiện nay ở
nước ta đã có một số nhà máy sản xuất và lắp ráp và chế tạo phụ tùng ô tô như:
TRƯỜNG HẢI ÔTÔ, VINAXUKI… Mặc dù vậy khả năng cạnh tranh của các sản
phẩm sản xuất trong nước là không cao. Có nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân
chủ yếu là giá thành sản phẩm cao trong khi độ tin cậy cũng như tính thẩm mỹ chưa
cao. Để giải quyết vấn đề này thì trước hết ta cần cải tiến từ khâu thiết kế nhằm nâng
cao độ tin cậy sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Xuất phát từ vấn đề này cùng với
sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bang em đã lựa chọn đề tài “tính
toán và thiết kế chi tiết ô tô theo phương pháp xác suất ’’ cho đồ án tốt nghiệp của
mình.
Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Bang và sự giúp
đỡ của các thầy giáo trong bộ môn CƠ KHÍ Ô TÔ cộng với những cố gắng nỗ lực của
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 3 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
bản thân em đã hoàn thành đồ án của mình đúng tiến độ và mục tiêu đề ra. Mặc dù
vậy do thời gian có hạn và trình độ của bản thân còn hạn chế nên chắc chắn không thể
tránh khỏi những sai sót em rất mong nhận được những ý kiến góp ý của các thầy cô
giáo và các bạn sinh viên để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành
cảm ơn Thầy giáo PGS. TS Nguyễn Văn Bang cùng các thầy cô trong Bộ môn cơ khí

ô tô – Khoa Cơ Khí - Trường ĐHGTV Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội ngày……tháng……năm……
Sinh viên thực hiện
ĐOÀN VĂN HIẾU
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 4 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Một số nội dung, khái niệm cơ bản
1.1.1 Máy và chi tiết máy
Bất kỳ một máy nào dù đơn giản hay phức tạp cũng được cấu tạo từ nhiều bộ phận
máy, thí dụ máy tiện gồm:bàn máy, ụ máy, ụ động, hộp tốc độ, bàn giao, cơ cấu truyền
dẫn từ động cơ đến hộp tốc độ.
Mỗi máy lại gồm nhiều chi tiết máy, chẳng hạn như ụ đứng của máy tiện gồm có:
trục chính, ổ trục, bánh răng…
Vậy chi tiết máy là phần tử cấu tạo đầu tiên, hoàn thiện của máy và là bộ phận
không thể tháo rời nhỏ hơn được nữa, mặc dù chi tiết máy gồm rất nhiều loại, kiểu,
khác nhau về hình dạng và kích thước, về nguyên lý làm việc, về tính năng…Nhưng
trên quan điểm thiết kế có thể xếp chúng vào hai nhóm: nhóm chi tiết máy có công
dụng chung và chi tiết máy có công dụng riêng.
Chi tiết máy có công dụng chung như bulông, bánh răng, trục, ổ trục…là các chi
tiết máy được dùng phổ biến trong các loại máy khác nhau
Chi tiết máy có công dụng riêng như trục khuỷu, van, trục cam, bánh tua bin…chỉ
được dùng trong một số loại máy nhất định.
1.1.2 Ô tô và chi tiết ô tô
Ô tô là loại xe tự hành bằng bánh xe chủ yếu dùng để chuyên chở hàng hoá hoặc
hành khách trên các loại đường bộ. Ngoài ra, trên đó có thể được trang bị các loại máy
công tác để thực hiện các công việc đặc biệt như máy cứu hoả, nâng hàng. Phạm vi sử
dụng ô tô rất rộng, có thể trong mọi lĩnh vực kinh tế, quốc phòng. Để có thể thực hiện
được các công việc đó ô tô được cấu tạo từ rất nhiều chi tiết ( khoảng 15000 chi tiết).

Chi tiết ô tô gồm rất nhiều loại khác nhau, chi tiết ô tô chính là chi tiết máy. Trong
lĩnh vực công nghiệp ô tô, chi tiết ô tô được chia làm 6 nhóm:
• Chi tiết dạng vỏ: Thân máy, nắp máy, vỏ, hộp số, vỏ hộp cầu…
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 5 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
• Chi tiết dạng trục: Trục khuỷu, trục cam, trục hộp số, bán trục… có nghĩa là
gồm các trục trơn và các trục then, then hoa, trục răng.
• Chi tiết dạng ống (thanh rộng) : đặc trưng là tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính
lớn nhất không nhỏ hơn 0.5 như xilanh động cơ, moay ơ bánh xe, vỏ vi sai.
• Chi tiết nhóm đĩa: Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính nhỏ hơn 0.5 như trống
phanh, đĩa phanh, bánh đà, li hợp…
• Nhóm thanh tròn: Thanh truyền, cầu trước, cò mổ xupap…
• Các chi tiết nối ghép: Bulông, đai ốc, vòng đệm…
1.1.3 Các yêu cầu đối với máy và chi tiết máy, chi tiết ô tô
 Yêu cầu về thiết kế chế tạo
- Đảm bảo khả năng làm việc: đây là yêu cầu cơ bản đối với máy và chi tiết máy. Ta
tính toán thiết kế máy và chi tiết máy theo các chỉ tiêu về khả năng làm việc. Các chỉ
tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của máy và chi tiết máy bao gồm: độ bền, độ cứng
độ ổn định độ bền mòn độ ổn định dao động, khả năng chịu nhiệt, độ chính xác.
- Tính công nghệ cao: tính công nghệ ảnh hưởng lớn đến giá thành máy. Kết cấu có
tính công nghệ khi trong điều kiện sản xuất sẵn có phải dễ chế tạo, tốn ít thời gian và
chi phí. Máy và chi tiết máy thiết kế phải dễ lắp ráp, thay thế bảo dưỡng, vận hành
- Mức độ quy cách hóa và tiêu chuẩn hóa cao:quy cách hóa đối với máy mới thiết kế
chế tạo các chi tiết của máy hoặc cụm chi tiết của máy đang sử dụng. Tiêu chuẩn hóa
là việc sử dụng trong máy mới các chi tiết hoặc cụm chi tiết được tiêu chuẩn hóa.
- Mức độ tiêu hao nguyên vật liệu: thiết kế kết cấu hợp lí, tối ưu và lựa chọn vật liệu
và phương pháp gia công hợp lí để khối lượng vật liệu sử dụng trong máy và chi tiết
máy chế tạo thấp nhưng vẫn đảm bảo khả năng làm việc.Vật liệu chiếm khoảng 40-
70% giá thành sản phẩm, nên giảm mức độ tiêu hao vật liệu mang lại hiệu quả kinh tế

to lớn
 Yêu cầu về vận hành
- Độ tin cậy cao: yêu cầu này trong thời gian gần đây được quan tâm đặc biệt khi
máy càng phức tạp mức độ tự động hóa của máy cao hơn, giá thành cao hơn kết cấu
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 6 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
làm việc trong điều kiện có cường độ cao hơn. Do đó khi thiết kế nhà thiết kế cần phải
đánh giá đầy đủ xác suất làm việc không hỏng, tính dễ sửa chữa và tuổi thọ của máy.
- Giá thành gia công: giá thành gia công sản phẩm phụ thuộc không những vào năng
suất và giá thành máy mà còn phụ thuộc vào chất lượng gia công và độ tin cậy của
máy
 Những yêu cầu về xã hội của máy thiết kế
- An toàn: đối với máy và chi tiết máy khi xảy ra sự cố gây thiệt hại lớn về người và
của như máy bay,ôtô thì khi làm việc phải có độ an toàn cao.
- Thuận tiện: máy thiết kế được gọi là thuận tiện sử dụng nếu chúng có các đặc tính
xác định sự thuận tiện, đơn giản và dễ dàng hiệu chỉnh, chăm sóc và điều khiển
- Môi trường: máy thiết kế không làm ảnh hưởng đến môi trường chung quanh không
ồn không gây ô nhiễm môi trường
1.2 Các phương pháp tính toán máy và chi tiết máy
Máy và chi tiết máy thường được tính toán theo phương pháp độ bền. Phương
pháp tính độ bền thông dụng nhất hiện nay được tiến hành theo các so sánh ứng suất
sinh ra khi chi tiết chịu tải được kí hiệu là đối với ứng suất pháp và là đối với ứng
suất tiếp, với ứng suất cho phép lần lượt là ; điều kiện bền được viết như sau:
hoặc


Với
[ ]
s

lim
σ
σ
=
hoặc
[ ]
s
lim
τ
τ
=
Trong đó s: hệ số an toàn
limlim
;
τσ

là ứng suất pháp và ứng suất tiếp giới hạn, khi đại đến trị số
này vật liệu chi tiết bị phá hỏng.
1.2.1 Tính toán máy và chi tiết máy theo độ bền tĩnh
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 7 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Phương pháp này áp dụng các lý thuyết bền, lí thuyết đàn hồi và là phương pháp
đầu tiên được áp dụng tính toán cho chi tiết máy. Theo phương pháp này thì độ bền
của chi tiết được kiểm nghiệm tại các tiết diện nguy hiểm (nơi có sự tập trung ứng suất
là lớn nhất ).Và tải trọng tác dụng lên chi tiết máy coi như là không đổi (tức là tải
trọng không thay đổi theo thời gian). Ta giả thiết tải trọng tác dụng lên chi tiết là P và
được minh hoạ bằng hình vẽ dưới đây:
Hình1.1. Biểu đồ mô men, lực cắt tác dụng lên chi tiết minh hoạ
Bằng phương pháp mặt cắt để tính toán nội lực người ta vẽ được biểu đồ mô men và

lực cắt tác dụng lên chi tiết M, Q từ đó ta xác định được ứng suất tại mặt cắt nguy
hiểm ta có:

·m
σ
tại M
máx
và Q
max
;
mac
τ
tại M
mac
và Q
tmac
Thông qua vật liệu chế tạo người ta xác định được trạng thái ứng suất giới hạn của
vật liệu, giới hạn chảy đối với vật liệu dẻo và là giới hạn bền đối với vật liệu giòn, đối
với các chi tiết máy làm bằng các vật liệu thông thường ứng suất cho phép có thể tìm
được trong các bảng lập sẵn được đúc kết từ thực nghiệm. Phương pháp dùng bảng có
ưu điểm là đơn giản,nhưng mỗi loại bảng chỉ dùng được trong phạm vi hẹp, trong
nhiều trường hợp thiết kế phải lựa chọn hệ số an toàn để từ đó xác định ứng suất cho
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 8 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
phép. Đưa hệ số an toàn vào trong tính toán nhằm đảm bảo cho kết cấu có sự an toàn
nhất định về độ bền
Theo phương pháp các hệ số thành phần ta có: s = s
1
.s

2
.s
3
s
1:
Hệ số xét đến mức độ chính xác trong việc xác địng tải trọng và ứng suất (s
1
=
1,2 -1,5)
s
2
: Hệ số xét đến độ đồng nhất về cơ tính của vật liệu s
2
= 1,2 -2,5
s
3:
Hệ số xét đến những yêu cầu đặc biệt về an toàn, như mức độ quan trọng của
chi tiết máy với máy, an toàn lao động
Từ đó điều kiện bền phải thoả mãn là:
[ ]
σσ
≤
mac
hoặc
[ ]
ττ
≤
mac

Nếu tồn tại cả

σ
và
τ
người ta tiến hành tính theo
tb
σ
và được tính:
Theo lý thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng: =
Theo lý thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất: =
1.2.2 Tính toán máy và chi tiết máy theo độ bền mỏi
 Hiện tượng phá hủy mỏi: Đa số các chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi
theo thời gian. Thực tế chứng minh rằng các chi tiết máy có thể bị hỏng khi chịu ứng
suất có trị số thấp hơn nhiều so với trường hợp ứng suất không thay đổi. Quan sát sự
phá hủy khi chịu ứng suất thay đổi người ta thấy quá trình hỏng vì mỏi bắt đầu từ
những vết nứt rất nhỏ sinh ra tại vùng chi tiết máy chịu ứng suất tương đối lớn, khi số
chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết
máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra hỏng hóc chi tiết máy đó là sự phá hủy mỏi
hiện tượng phá huỷ mỏi được phát hiện vào giữa thế kỉ 19. Thực tiễn cho thấy khoảng
90% các tổn thất của chi tiết máy có liên quan tới sự phát sinh và phát triển các vết nứt
mỏi.
Sự phá hủy mỏi khác với sự phá hủy tĩnh (do chịu ứng suất tĩnh) về bản chất cũng
như hiện tượng bên ngoài. Phá hủy của ứng suất tĩnh là do tác động của ứng suất có trị
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
k
σ
r
σ
k
N

0
N
N
σ
Đồ án tốt nghiệp - 9 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
số khá cao, đối với vật liệu dẻo ứng suất này lớn hơn giới hạn chảy, với vật liệu giòn
ứng suất này cao hơn giới hạn bền. Sự phá hủy tĩnh bao giờ cũng kèm theo sự xuất
hiện biến dạng dẻo rõ rệt trong khi phá hủy mỏi có tính chất cục bộ, chỉ xảy ra trong
một vùng nhỏ của chi tiết.
Chi tiết máy khi làm việc chịu ứng suất thay đổi ổn định. Chu kì không thay đổi theo
thời gian.
Chi tiết máy sẽ bị hỏng sau một chu kì làm việc khá lớn N, giới hạn ở đây là giới
hạn mỏi . Trên cơ sở kết quả thí nghiệm mỏi người ta lập được đồ thị có dạng đường
cong biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và số chu kì thay đổi ứng suất N. Đường
cong này gọi là đường cong mỏi vele-nhà khoa học đầu tiên làm thí nghiệm xác định
đường cong này. Số chu kì N được gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất .

Hình1.2 Đồ thị đường cong mỏi
Qua đồ thị đường cong mỏi ta thấy:
- Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm.
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 10 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
- Nếu giảm ứng suất đến một giới hạn nào đó đối với một loại vật liệu, tuổi thọ N có
thể tăng lên khá lớn mà mẫu thử không bị gãy hỏng. Trị số chính là giới hạn bền mỏi
của vật liệu
- Hoành độ điểm chuyển tiếp giữa đoạn đường cong và đoạn nằm ngang được gọi là
số chu kì cơ sở N
0
của vật liệu (thông thường trong khoảng 10

6
-10
7
)
Quan hệ giữa và N theo phương trình của đường cong mỏi như sau:
N = const
Khi ứng suất thay đổi thì quá trình hỏng hóc bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra
tại vùng chi tiết máy có ứng suất lớn hoặc những nơi có khuyết tật của vật liệu.
Giá trị N được xác định theo công thức:
N = 60L
h
n =N
LE
Với: L
h
– thời gian làm việc tính bằng giờ
n- số vòng quay trong một phút của chi tiết vg/ph
Theo đồ thị ta có:
- Nếu N > N
0
thì giới hạn mỏi = , tương ứng với giới hạn mỏi dài hạn.
- Nếu N = N
k
< N
0
thì giới hạn mỏi > tương ứng với giới hạn mỏi ngắn hạn
( = ) :
= , suy ra =
Theo phương pháp tính toán thiết kế theo độ bền sau khi biết các giá trị hoặc
chúng ta xác định giá trị ứng suất cho phép và tính toán bền theo các điều kiện cho

phép này.
1.2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp tính toán máy và chi tiết máy theo độ bền
tĩnh và mỏi
Đây là hai phương pháp tính toán máy và chi tiết máy truyền thống, bằng cách thiết
kế máy và chi tiết máy thoả mãn điều kiện:
[ ]
σσ
≤
mac
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 11 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Để đảm bảo độ an toàn của máy và chi tiết máy người ta đã đưa vào hệ số an toàn
s= s
1
.s
2
.s
3
. Để tăng độ bền và khả năng làm việc thì tăng hệ số s lên điều đó dẫn đến
độ tin cậy của máy và chi tiết máy cao hơn nhưng nhược điểm là chi tiết máy to nặng
cồng kềnh không đảm bảo được tính kinh tế.
Phương pháp tính tĩnh chưa kể đến tác động của tải trọng động hay là chưa xét đến
ảnh hưởng của tải trọng động (lúc chi tiết làm việc cùng với máy) , hơn nữa việc xác
định chính xác hệ số an toàn để đảm bảo tính kinh tế là rất khó khăn. Với phương
pháp tính mỏi việc xây dựng được chính xác đường cong mỏi với từng chi tiết cũng
gặp rất nhiều khó khăn và phạm vi ứng dụng của nó cũng chỉ sử dụng được với các chi
tiết chịu tải trọng tác dụng có chu kì. Trong 2 phương pháp tính toán máy và chi tiết
máy theo độ bền tĩnh và độ bền mỏi thì phương pháp tính theo độ bền mỏi có nhiều ưu
điểm hơn và phức tạp hơn như: khi tính toán có tính đến yếu tố góc lượn, độ bóng bề

mặt. Tuy nhiên cả hai phương pháp này vẫn chưa tính đến các đại lượng ngẫu nhiên là
các yếu tố đầu vào để tính toán. Để máy chi tiết máy khi thiết kế ra đảm bảo được
những yêu cầu đề ra một cách tối ưu nhất độ tin cậy cao nhất, tính kinh tế cao nhất
người ta đã đưa ra phương pháp tính toán máy và chi tiết máy theo phương pháp xác
suất.
1.3. Bản chất của phương pháp tính toán, thiết kế máy và chi tiết máy theo
phương pháp xác suất.
Trong thiết kế các công trình và máy móc, thông thường người ta đưa thêm hệ số an
toàn thể hiện tỷ số giữa độ bền và khả năng tải, nhưng trong thực tế cả 2 thông số này
đều phân tán chúng gồm các phần tử độc lập và giao thoa với nhau, chính phần này
gây ra những sự cố hỏng hóc ngẫu nhiên của cơ cấu, hệ thống. Để chứng tỏ các
phương pháp thiết kế truyền thống chỉ dựa vào hệ số an toàn là chưa hợp lý vì ngay cả
khi hệ số an toàn giống nhau vẫn xảy ra hiện tượng độ tin cậy khác nhau. Để minh hoạ
điều đó ta xét thử một mối ghép bằng bulông.
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 12 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Các kết quả thí nghiệm về độ bền và tải trọng cho ta kết quả như sau:
Hình 1.3 Phân phối tải trọng tác dụng lên mối ghép bulông
Hình 1.4 Phân phối độ bền mối ghép bu lông
Giá trị trung bình hoặc kỳ vọng của độ bền S và tải trọng L là:
L
tb
= 75KG/mm
2
và S
tb
= 135KG/mm
2
Theo lý thuyết thiết kế thông thường ta có hệ số an toàn:

8.1
75
135
===
tb
tb
L
S
n
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 13 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Từ đó có thể kết luận rằng bulông hoàn toàn không bị hỏng khi làm việc
Tuy nhiên nếu ta biểu diễn 2 phân phối S và L trên cùng một hệ trục toạ độ thì
chúng có phần giao thoa với nhau, chính tại nơi đó xẩy ra khả năng tải cao hơn độ bền
và đó là nguyên nhân dẫn đến hỏng ngẫu nhiên tuy hệ số an toàn là rất cao.
Hình 1.5 Phân phối độ bền S và tải trọng trên một hệ toạ độ
Trong trường hợp cùng nâng S và L lên một lượng c ta có hệ số an toàn không
thay đổi, nhưng miền giao thoa của chúng nhỏ đi, điều đó chứng tỏ cường độ hỏng
ngẫu nhiên cũng nhỏ đi. Trong trường hợp S và L tuân theo các quy luật ngẫu nhiên
thì S
tb
và L
tb
vẫn giữ nguyên.
Ta cũng nhận thấy rằng, tuy hệ số an toàn không đổi nhưng vùng giao thoa thay
đổi, điều đó chứng tỏ cường độ hỏng ngẫu nhiên thay đổi. Như vậy độ tin cậy của chi
tiết máy, máy là một đặc tính bắt buộc vốn có của nó và cần được quan tâm ở từng
giai đoạn thiết kế, chế tạo, sử dụng, bảo dưỡng…ở giai đoạn thiết kế nó liên quan đến
vật liệu, kết cấu, công nghệ và dung sai

________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 14 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Bản chất của phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy theo phương pháp xác
suất là xác định độ tin cậy của chi tiết với kích thước đặt ra trước hay thiết kế chi tiết
máy, máy với độ tin cậy cho trước.
1.4. Lịch sử phát triển và thực trạng về vấn đề nghiên cứu.
Lý thuyết về tính toán chi tiết máy được phát triển theo lịch sử phát triển và
hoàn thiện các kết cấu máy. Những tính toán đơn giản như xác định tỷ số truyền và lực
tác dụng ra đời từ thời cổ Hy Lạp, theo tài liệu người đầu tiên nghiên cứu về vấn đề
chi tiết máy là LeônaĐờvangxi. Về sau đã xuất hiện nhiều nhà khoa học có những
công trình nghiên cứu về chi tiết máy như Ơle, Petơrốp, Râynôn…
Hướng nghiên cứu kết cấu theo độ an toàn được nghiên cứu từ năm 1929.
Tương tự nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của vật liệu và vấn đề liên quan về lý thuyết giá
trị cực trị ứng dụng đối với sức bền vật liệu và tải trọng bắt đầu vào giữa các năm
1930 đã bắt đầu đóng góp vào việc giải quyết độ tin cậy của máy và chi tiết máy.
Hiện nay, ở nước ta các tài liệu viết về phương pháp thiết kế máy và chi tiết
máy theo xác suất độ tin cậy không nhiều. Một số cuốn có viết nhưng chưa đi sâu vào
phương pháp cụ thể. Hầu như các tài liệu đều của nước ngoài chủ yếu viết bằng tiếng
Nga và tiếng Anh. Sinh viên chuyên ngành cơ khí đang được học cuốn giáo trình chi
tiết máy của NXB Giáo dục và trung học chuyên nghiệp nhưng giáo trình cũng chỉ
mới đưa ra phương pháp thiết kế máy và chi tiết máy theo phương pháp truyền thống.
Vì vậy trong quá trình thiết kế chưa khắc phục được nhược điểm của phương pháp cổ
điển để lại đó là thời gian thiết kế kéo dài, sản phẩm to, cồng kềnh, không có sức cạnh
tranh, hiệu quả kinh tế thấp. Trong khi đó ngày nay các kỹ sư thiết kế phải đối mặt với
những thử thách mới, yêu cầu sử dụng mô phỏng tính toán, rút ngắn thời gian thiết kế.
Từ ý tưởng đến thị trường, độ tin cậy và chất lượng cao ít ảnh hưởng đến môi trường
đòi hỏi người kỹ sư cần phải có kiến thức cần thiết để áp dụng xác suất thống kê toán
học vào phân tích thiết kế kỹ thuật
________________________________________________________________________

SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 15 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
1.5 Nội dung Nghiên cứu
Từ những phân tích và đánh giá trên thì đề tài “Tính toán thiết kế chi tiết ôtô theo
phương pháp xác suất “ đi vào nghiên cứu phương pháp tính toán chi tiết máy nói
chung bằng phương pháp xác suất độ tin cậy. Chỉ ra các phương pháp và trình tự tiến
hành cho việc tính toán máy và chi tiết máy theo phương pháp xác suất. Xây dựng
phần mền áp dụng cho công việc tính toán. Và cuối cùng là áp dụng tính toán cho li
hợp của xe ôtô zil130. Đề tài tốt nghiệp “ Tính toán chi tiết ôtô theo phương pháp xác
suất (li hợp ôtô) ” gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Lý thuyết của phương pháp tính theo xác suất
Chương 3: Phân tích và thiết kế kết cấu theo độ tin cậy
Chương4: Tính toán thiết kế cho li hợp ôtô
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 16 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO XÁC SUẤT
2.1. Các đại lượng ngẫu nhiên trong thiết kế
a ) Tải trọng tác dụng
Việc phân tích và thiết kế các chi tiết máy cần phải kể đến tải trọng.Vì nó là
đại lượng tác động trực tiếp và thường xuyên lên các chi tiết máy. Tùy theo tính
chất thay đổi của tải trọng theo thời gian mà người ta chia tải trọng ra làm hai
loại: tải trọng tĩnh và tải trọng thay đổi.
• Tải trọng tĩnh:là tải trọng không đổi và nó chính là trọng lượng của máy
hay chi tiết máy.
• Tải trọng thay đổi:là loại có phương chiều hay cường độ thay đổi theo thời
gian.Nó là một đại lượng thay đổi một cách ngẫu nhiên.
b) Các đặc tính cơ và vật liệu của chi tiết
Tất cả các kim loại và các loại vật liệu khác đều có các tính chất cơ lí khác

nhau do sự khác nhau ngẫu nhiên về thành phần hoá học,nhiệt luyện và quá trình
gia công chi tiết.
Các đặc tính thống kê của cơ tính vật liệu được quan sát theo thực nghiệm và
được ghi lại dưới bảng sau.
Bảng 2.1 thống kê của cơ tính vật liệu
Các hệ số Giá trị hệ số
biến
phân
Số mẫu
thử
nghiệm
E (kéo) 2,075.10
5
Mpa 0,01 67
E (nén) 2,079.10
5
Mpa 0,01 67
μ (xoắn) 0,269 0.026 57
μ (n én) 0,298 0,021 41
G 8,44312.10
4
Mpa 0.042 81
E: mô đun đàn hồi của vật liệu
Người thiết kế chọn loại vật liệu sử dụng trong thiết kế theo giá trị giới hạn
chảy mà giới hạn chảy của thép phụ thuộc vào thành phần hoá học của các hợp
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 17 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
kim và phương pháp chế tạo. Nên giới hạn chảy và giới hạn bền của vật liệu là
các đại lượng ngẫu nhiên.

Bảng2.2 giới hạn chảy và giới hạn bền của các loại vật liệu sử dụng phổ biến
trong thiết kế.
Loại thép
Giới hạn chảy 10
3
(Mpa) Giới hạn bền 10
3
(Mpa)
Giá trị
trung bình
Sai lệch
bình
phương
trung bình
Giá trị
trung bình
Sai lệch
bình
phương
trung bình
Hợp kim nhôm 443,27 15,69 492,51 13,3
Hợp kim titan 918,8 50,66 953,38 47,16
Thép các bon 251,185 5,63 339,84 3,66
Thép kết cấu
có độ bền cao
306,77 25,54 541,07 14,82
Thép gió 117,6 65,93 1345,28 40,95
c) Dung sai kích thước trong quá trình chế tạo.
Do kích thước các chi tiết phụ thuộc vào độ chính xác của máy công cụ phụ
thuộc vào tay nghề của công nhân nên nó luôn có sai số. Mặt khác trong quá

trình thiết kế các thông số hình học như đường kính trục, đường kính mũi khoan
biên dạng bánh răng và cam, khoảng cách giữa các trục có vai trò rất quan trọng
Trong quá trình gia công các chi tiết thì các kích thước này luôn thay đổi chung
quanh một giá trị gọi là giá trị danh nghĩa. Khi đó ta đo kích thước thực của chi
tiết và giá trị này luôn nằm trong một khoảng giá trị nào đó và có sai lệch nhất
định với giá trị giới hạn.
bảng 2.3 đánh giá sai lệch kích thước do phương pháp gia công
Phương pháp phay khoan Mài bóng
Sai lệch 0.025 51
2.2 Hàm phân phối các đại lượng ngẫu nhiên
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 18 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Trong tính toán độ tin cậy các tham số được khảo sát như là các đại lượng
ngẫu nhiên, giá trị của chúng có thể thay đổi trong một miền mà ta không thể
biết trước cụ thể được. Các đại lượng này có thể là rời rạc hoặc liên tục
a) Hàm phân phối xác suất:
Hàm phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên X, kí hiệu là F (x) được
xác định:
F (x) = P (X<x) , x
Hàm số F (x) là hàm số không giảm, tăng đơn điệu đối với quá trình liên tục và
tăng theo bậc đối với quá trình rời rạc. Trong giới hạn của đại lượng ngẫu nhiên
X nó thay đổi từ 0 đến 1
b) Hàm mật độ xác suất
Do hàm phân phối F (x) còn một hạn chế là không cho biết rõ phân phối xác
suất ở lân cận một điểm nào đó trên trục số.Vì vậy đối với biến ngẫu nhiên liên
tục có F (x) khả vi người ta đưa ra khái niệm hàm mật độ xác suất.
f (x) = (x) =;
Hàm phân phối đặc trưng cho tần số lặp lại của giá trị cho trước của đại lượng
ngẫu nhiên

Hình 2.1 Hàm phân phối tích lũy F (x) , hàm mật độ phân phối xác suất f (x) và
các đặc trưng của tâm nhóm đại lượng ngẫu nhiên:1-điểm trung vị ;2-mốt ;3-kỳ
vọng toán
c) Các số đặc trưng của đại lượng ngẫu nhiên
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 19 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
• Kỳ vọng toán: kỳ vọng toán của đại lượng ngẫu nhiên X kí hiệu m
X
được
xác định như sau
 Nếu X là biến rời rạc có hàm xác suất P (xi) = Pi, i=1,2…
m
X
=;
 Nếu X là biến liên tục có hàm mật độ f (x) , x thì:
mx =
• Phương sai của đại lượng ngẫu nhiên: là kỳ vọng toán của bình phương
các sai lệch đại lượng ngẫu nhiên so với kỳ vọng toán của nó:
Dx =*
2
;
Phương sai đặc trưng cho độ phân tán của biến ngẫu nhiên quanh trị trung
bình của biến đó. Phương sai càng lớn thì độ bất định của biến ngẫu nhiên đó
càng lớn.
• Sai lệch bình phương trung bình: Sx = có cùng thứ nguyên với x
 Hệ số biến phân: để đánh giá độ phân tán người ta sử dụng hệ số biến
phân bằng tỉ số giữa sai lệch bình phương trung bình và kỳ vọng toán.
Vx = ;
 Phương sai và sai lệch bình phương trung bình đặc trưng độ phân tán điển

hình hơn các đại lượng khác như giá trị trung bình các đại lượng ngẫu nhiên.
 Mốt:là giá trị của biến ngẫu nhiên X có khả năng xuất hiện lớn nhất trong một
lân cận nào đó của nó.Với biến rời rạc, mốt là giá trị của x ứng với xác suất
lớn nhất, còn đối với biến liên tục mốt là giá trị làm hàm phân phối đạt max.
 Điểm phân vị: được gọi là giá trị của đại lượng ngẫu nhiên tương ứng với xác
suất cho trước. Điểm phân vị ứng với xác suất 0.5 được gọi là điểm trung vị.
Điểm trung vị đặc trưng cho vị trị tâm nhóm của đại lượng ngẫu nhiên
2.3. Áp dụng phương pháp xác suất trong tính toán và thiết kế chi tiết máy
Thiết kế theo xác suất bao gồm:
 Thiết kế theo độ tin cậy
 Thiết kế bền vững
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 20 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
 Thiết kế 6 sigma
Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế cộng với tính tiên phong của đề tài dưới
đây em xin trình bày phương pháp thiết kế theo độ tin cậy.
Một số luận chứng về việc lựa chọn phương pháp thiết kế theo độ tin cậy
• Độ tin cậy là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của máy và chi tiết máy
• Độ tin cậy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong nền sản xuất cơ khí hóa và tự
động hóa. Một cơ cấu hoặc thiết bị nào đó bị hỏng có thể làm hỏng chế độ làm
việc hoặc làm đình trệ toàn bộ hoạt động của dây chuyền sản xuất
• Khi xem xét chất lượng của sản phẩm ta thấy rằng dù sản phẩm đó được chế tạo
bằng cùng một loại vật liệu, gia công với cùng chế độ như nhau, nhưng chất
lượng sản phẩm vẫn không hoàn toàn đồng nhất mà khác nhau một cách ngẫu
nhiên. Cho dù sản phẩm ban đầu có chất lượng như nhau nhưng sau một thời
gian nhất định, do tác động của môi trường làm việc điều kiện sử dụng chăm sóc
… các chỉ tiêu về chất lượng cũng thay đổi khác nhau.
Với những lí do trên đã đi đến việc sử dụng lí thuyết xác suất và thống kê toán
vào tính toán thiết kế máy, cụ thể hơn là độ tin cậy của sản phẩm.

Khi xem xét độ tin cậy người ta xuất phát từ vấn đề hư hỏng (mất khả năng
làm việc) nghĩa là sự dừng máy bắt buộc do các chỉ tiêu về sử dụng của máy
hoặc chi tiết máy bị tổn hại. Hỏng hóc có thể xảy ra ở thời kì chạy mòn của máy,
có thể xảy ra đột ngột hoặc do các nguyên nhân hỏng hóc ngẫu nhiên, có thể bị
mài mòn hoặc do mỏi khi máy hoặc chi tiết máy làm việc trong thời gian khá
lâu.
Mặt khác giá thành thiết kế và chế tạo tăng theo sự nâng cao độ tin cậy và
chi phí vận hành của thiết bị có độ tin cậy cao giảm xuống
Để đánh giá độ tin cậy người ta dùng các chỉ tiêu:
 Xác suất làm việc không hỏng R (t)
 Cường độ hỏng f (t)
 Thời gian làm việc cho đến lúc hỏng
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 21 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
2.3.1 Xác suất làm việc không hỏng
Ta khảo sát số lượng lớn N các chi tiết với thời gian vận hành t. Giả sử đến
cuối thời gian t thử nghiệm còn lại Ns (t) các chi tiết còn khả năng làm việc và
Nf (t) các chi tiết hỏng, xác suất làm việc không hỏng được đánh giá bằng số
lượng tương đối các chi tiết còn khả năng làm việc
R (t) == 1 - = 1- F (t)
F (t) số lượng hư hỏng tương đối: do đó ta có quan hệ
R (t) + F (t) = 1;

Khi t = 0 = 0 và R (t) = 1
Khi t = ) = 0 và F (t) = 1
Phần tử hỏng theo thời gian được đặc trưng bởi hàm mật độ phân phối hỏng f (t)
f (t) = =* = -
xác suất hỏng và không hỏng có thể xác định ngược lại theo hàm số mật độ phân
phối

F (t) =
Từ đây ta thấy để tìm ra được xác suất làm việc không hỏng của chi tiết máy
ta cần phải biết và xác định được hàm mật độ phân phối f (t) và biết được quy
luật phân phối của nó.
Đối với giai đoạn hỏng hóc dần dần cần thiết phải có các quy luật phân phối
thời gian làm việc không hỏng, theo quy luật này đầu tiên có mật độ phân phối
thấp sau đó đạt đến giá trị lớn nhất và tiếp tục là giảm dần các liên quan đến sự
giảm số các phần tử còn khả năng làm việc.
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 22 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Qua quá trình phân tích và thí nghiệm người ta đã đi đến kết luận thời gian
cho đến lúc hỏng của nhiều chi tiết tuân theo quy luật phân phối chuẩn. Để làm
rõ hơn vấn đề này người ta đã tiến hành làm một cuộc thí nghiệm sau.
Bảng 2.4 Thống kê tuổi thọ má phanh của một loại ôtô lấy làm mẫu
75900 55100 64900 60100 51350 74050 54700
70600 50200 34900 58150 45900 67200 83250
68300 42200 41300 51000 53800 57950 46250
56500 61000 84750 79250 37200 59300 48500
50050 50350 50500 66950 51450 45750
26100 33000 56850 47400 47650 59950
61200 86300 66450 35100 57550 64050
55450 71450 77450 55850 67850 53350
39950 74850 55700 50850 80000 57850
64550 66000 45450 62250 60750 67500
40050 72500 46950 57150 49600 60950
52800 63800 69600 73300 62800 59600
69100 45250 35050 74200 44700 55900
31050 47150 56050 69950 53050 38800
56350 61650 52200 57200 46700 45900

52650 43500 64750 44200 51700 63450
Sự phân bố tuổi thọ làm việc của má phanh được biểu diễn dưới dạng đồ thị
các số liệu được xử lí qua các bước sau:
 giá trị nhỏ nhất và cao nhất là 26100km và 86300km lấy tròn là 25000km và
90000km
 chia giải tuổi thọ thành 13 khoảng, ứng với mỗi khoảng là 5000km
 số lần hỏng hóc xảy ra nằm trong khoảng tương ứng với bảng cho dưới đây
Khoảng tuổi
thọ ( km hoạt
động )
Số lần hỏng
hóc được quan
sát trong
khoảng thời
gian
Khoảng tuổi
thọ ( km hoạt
động )
Số lần hỏng
hóc được quan
sát trong
khoảng thời
gian
25001-30000 1 60001-65000 14
30001-35000 3 65001-70000 10
35001-40000 5 70001-75000 7
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 23 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
40001-45000 8 75001-80000 4

45001-50000 11 80001-85000 2
50001-55000 16 85001-90000 1
55001-60000 18
 Mỗi cột trong hình 2.5 biểu thị tuổi thọ được quan trắc trong một khoảng thời
gian nhất định, biểu đồ có dạng hình chữ nhật
 Hình 2.6 biểu thị tỉ lệ phần trăm của tuổi thọ má phanh
 Hình 2.7 biểu thị xấp xỉ của tuổi thọ má phanh, thành một đường cong liên
tục
Giá trị trung bình của tuổi thọ má phanh là
=* ;
= (75900+76000 +…+48500) /100 = 5669,5km
Độ lệch bình phương trung bình là:
=* = 12393,64 (km)
Hình 2.5 Tuổi thọ của má phanh quan sát trong thời gian t
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 24 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
Hình 2.6 Tỷ lệ phần trăm của tuổi thọ má phanh
Hình 2.7 Biểu thị xấp xỉ tuổi thọ má phanh

So với sơ đồ hàm phân phối chuẩn trong xác xuất ta thấy chúng tương đồng
nhau.
Quy luật phân phối chuẩn là quy luật phổ biến được sử dụng nhiều nhất trong
tính toán.
• Hàm mật độ phân phối chuẩn:
f (t) =*2.4
trong đó m
t
,S kỳ vọng toán và sai lệch bình phương trung bình
m

t
= ; S =
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45
Đồ án tốt nghiệp - 25 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Bang
;
s: ước lượng kỳ vọng toán và sai lệch bình phương trung bình
do đó với chi tiết có quy luật phân phối chuẩn thì xác suất làm việc không hỏng
sẽ được xác định như sau:
 hàm tích phân của phân phối là hàm xác suất hỏng
F (t) =
Xác suất làm việc không hỏng được xác định tương ứng
R (t) = 1 - F (t)
Hình 2.7 Hàm mật độ phân phối và hàm độ tin cậy phân phối chuẩn.
Người ta thay thế việc tính tích phân bằng cách sử dụng bảng tra. Các bảng
tra đối với phân phối chuẩn của hàm số theo t
tb
- m
t
và S rất phức tạp vì có 2
________________________________________________________________________
SVTH: Đoàn Văn Hiếu Lớp cơ khí ô tô A - K45