nghiên cứu cơ sở tính bền mỏi khung ô tô

Mở đầu
Trong quá trình phát triển và hiện đại hóa Quân đội, việc vận chuyển trang
thiết bị, khí tài quân sự, bộ binh và các nhiệm vụ quân sự khác đóng vai trò quan
trọng. So với các loại phơng tiện vận tải quân sự khác thì vận chuyển bằng ôtô có
nhiều u thế hơn do có khả năng thích nghi cao với điều kiện sửa chữa dã ngoại và
có khả năng cơ động cao. Ôtô có thể đến đợc nhiều vùng mà các phơng tiện vận tải
khác không đến đợc hoặc khó có thể đến đợc. Điều này đã thể hiện rất rõ trong các
cuộc chiến tranh giữ nớc của dân tộc ta nhất là cuộc chiến tranh chống Mỹ, các
đoàn xe vận tải đã vận chuyển hàng triệu tấn hàng hoá, đạn dợc, vũ khí phục vụ
chiến trờng góp phần không nhỏ vào thắng lợi của cả dân tộc.
Ngày nay, do đặc điểm của hoạt động quân sự là chiến đấu trong điều kiện
chiến tranh hiện đại với nhiều loại vũ khí thông minh của đối phơng, nhu cầu vận
chuyển con ngời và vũ khí trang bị kỹ thuật là rất lớn.Mặt khác đặc điểm hoạt động
quân sự ở nớc ta lại rất phức tạp về cả địa hình, thời tiết và khí hậu, trong khi đó ph-
ơng tiện vận chuyển bằng ô tô của Quân đội ta chủ yếu do Liên Xô trớc đây chế tạo
với nhiều chủng loại khác nhau. Các phơng tiện ô tô này phần lớn đã qua chiến
tranh, một số loại mới trang bị sau này song chủ yếu cũng là các phơng tiên thể hệ
cũ. Do giữa Liên Xô và Việt nam điều kiện địa hình, thời tiết và khí hậu khác nhau
nên các loại xe ôtô quân sự hiện có kể cả xe đang sử dụng và xe niêm cất trong
Quân đội xẩy ra nhiều h hỏng đòi hỏi tổn nhiều công sức, thời gian và tiền của mới
có thể duy trì và khôi phục đợc khả năng sẵn sàng chiến đấu của chúng. Từ thực tế
này mà việc nghiên cứu sử dụng, cải tiến và tiến tới có thể chế tạo đợc các loại ph-
ơng tiện ôtô quân sự cho phù hợp với điều kiện địa hình, thời tiết và khí hậu Việt
Nam đã trở thành một vấn đề cấp thiết có ý nghĩa cả trớc mắt và lâu dài đối với
Quân đội ta.
1
Trong chơng trình nội địa hoá và ngay cả trong các công nghệ lắp ráp ôtô,
một số cụm chi tiết sẽ đợc chế tạo tại Việt Nam, trong đó có khung xe đã dần trở
thành hiện thực đối với nền công nghiệp sản xuất ôtô Việt Nam. Việc nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo khung xe có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nhằm đáp ứng các yêu cầu
thực tế nói chung và trang bị ôtô cho Quân đội nói riêng. Vấn đề đánh giá độ bền

của khung xe cải tạo và sản xuất trong nớc đòi hỏi phải có các đầu t có chiều sâu,
việc đánh giá theo hai phơng pháp là phơng pháp thực nghiệm và phơng pháp tính
toán. Đối với các bài toán tính toán lý thuyết thì phơng pháp tính toán là hợp lý hơn
cả còn phơng pháp thực nghiệm đòi hỏi nhiều công sức, thời gian và tiền của. Ph-
ơng pháp tính toán lý thuyết đợc chia ra thành phơng pháp cổ điển và phơng pháp
hiện đại (có sự trợ giúp của máy tính). Việc đánh giá chất lợng khung xe theo các
phơng pháp cổ điển đã đợc nghiên cứu nhiều song do tính toán thủ công nên kết quả
cha đảm bảo độ tin cậy.
Hiện nay, khi các công cụ tính toán đợc sự trợ giúp của máy tính, đặc biệt là
có nhiều phần mềm chuyên dụng nh : Ansys Workbench, Sap, phục vụ cho việc
phân tích kết cấu với nhiều phơng pháp tiên tiến. Các phần mềm phân tích kết cấu
này có tính tơng thích cao với các phần mềm đồ họa nh : Solidwords, Inventor,
.Trong đó ph ơng pháp phân tích phần tử hữu hạn đợc áp dụng phổ biến, nhất là
đối với các bài toán phân tích kết cấu bởi vì đây là phơng pháp mới và có thể giải
nhiều bài toán kết cấu phức tạp. Đối với bài toán đánh chất lợng khung xe áp dụng
phơng pháp phân tích phần tử hữu hạn có nhiều thuận lợi và cho kết quả đủ độ tin
cậy. Mặt khác bài toán đánh giá chất lợng kết cấu nói chung và khung xe ôtô nói
riêng theo độ bền mỏi ở Việt Nam là một bài toán khó và khá mới mẻ do đó việc
nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tiến hành tính toán cho bài toán tính bền mỏi khung
xe có ý nghĩa rất quan trọng trong khai thác, thiết kế và chế tạo.
2
Với mục đích và phơng pháp đó, em nhận (đợc giao) đề tài đồ án tốt nghiệp
là:
" Nghiên cứu cơ sở tính bền mỏi khung xe ôtô ".
Nội dung đồ án gồm các phần chính sau:
Mở đầu.
Chơng 1. Tổng quan.
Chơng 2. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung xe ôtô .
Chơng 3. Tính bền mỏi khung xe CH-551 bằng phần mềm
AnsysWorkbench

Kết luận.
Qua đây em xin chân thành cám ơn TS. Trần Minh Sơn và các thầy trong
Bộ môn ôtô Quân sự đã tận tình hớng dẫn, định hớng về phơng pháp nghiên
cứu để đồ án này đợc hoàn thành.


Ngày 14 tháng 06 năm 2007
Học viên thực hiện

Đặng Đình Danh
3
Chơng 1
Tổng quan
1.1. Giới thiệu chung về khung vỏ xe ô tô.
Khung vỏ chịu tải dùng để đỡ và bắt chặt động cơ, các cụm của hệ thống
truyền lực, đồng thời nó là nơi chịu toàn bộ tải trọng của xe, những tác động thay
đổi từ mặt đờng lên xe khi xe chuyển động, tác động của lực cản khí động, lực quán
tính, lực phanh và các lực do va chạm. Đồng thời, do phải đáp ứng các yêu cầu hết
sức đa dạng về độ bền, độ cứng vững, độ bền lâu, cũng nh các yêu cầu về khí động
học và thẩm mỹ và công thái học nên trong thực tế kết cấu khung vỏ ô tô rất đa
dạng.
- Theo loại hệ thống chịu lực trong ô tô chia ra ba loại chính (Hình 1.1):
+ Khung chịu lực (Hình 1.1a) : khi vỏ đặt trên khung qua các mối nối
đàn hồi, trờng hợp này khung cứng hơn vỏ nhiều nên chịu đợc tác
động của ngoại lực và có thể bị biến dạng nhng không truyền đến vỏ.
Đây là loại đợc dùng phổ biến ở các xe vận tải.
4
Hình 1.1: Các dạng khung vỏ điển hình của ô tô
a. Khung chịu lực
b. Vỏ chịu lực

c. Khung vỏ chịu lực hỗn hợp
+ Vỏ chịu lực (Hình 1.1b): loại vỏ này đồng thời là khung (không có
khung) nên nhận toàn bộ ngoại lực tác động lên xe. Đây là loại đợc
dùng phổ biến cho các xe chở khách.
+ Hỗn hợp (Hình 1.1c): khung nối cứng với vỏ bằng các mối hàn hoặc
bulông hay đinh tán nên cả khung và vỏ cùng chịu tác động của
ngoại lực.
Đa phần hiện nay là dạng khung chịu lực, khung ô tô rất đa dạng về kết cấu,
kiểu dáng và mục đích sử dụng. Tuỳ theo tiêu chỉ mà khung xe đợc phân thành
nhiều loại khác nhau.
- Theo kết cấu của khung chia ra:
+ Khung có dầm dọc ở hai bên (Hình 1.2a)
+ Khung có dầm dọc ở giữa (Hình 1.2b)
+ Khung hỗn hợp hay loại khung hình chữ X (Hình 1.2c)
5
Hình 1.2: Các dạng khung chịu lực trên ô tô
- Theo dạng dầm dọc và sự bố trí dầm dọc trong mặt phẳng khung chia ra:
+ Khung có tiết diện hình vuông và dầm dọc bố trí song song
+ Khung có tiết diện hình thang và dầm thẳng
+ Khung có phần đầu thu hẹp
Do mục đích, công dụng khác nhau, chế độ khai thác và tải trọng đa dạng và
phức tạp nên các yêu cầu cơ bản đối với khung chịu lực là: độ cứng vững cao, độ
bền cao, độ bền lâu cao (độ bền mỏi). Mặt khác khung xe chịu lực phải có kết cấu
hợp lý, hình dạng thích hợp để có thể bố trí lắp đặt các cụm, hệ thống, thiết bị khác
trên xe.
Khung ô tô là một bộ phận rất quan trọng của ô tô do đó khi thiết kế nó phải
thoả mãn các yêu cầu:
- Tiết diện ngang của dầm dọc phải chọn theo các phép tính uốn và xoắn
khung. Mômen thay đổi theo suốt chiều dài của dầm từ giá trị không đến giá trị cực
đại nên để tiết kiệm nguyên vật liệu và đảm bảo độ cứng của dầm đều nhau, dầm

dọc đợc chế tạo với tiết diện thay đổi. Để thoả mãn yêu cầu này dầm dọc đợc chế
tạo theo phơng pháp dập.
- Để hạ thấp trọng tâm ô tô và chiều cao sàn xe các dầm dọc trong ô tô du
lịch trên cầu trớc và cầu sau thờng đợc uốn cong, nh vậy phần giữa của khung sẽ
nằm thấp hơn.
- Khung phải đảm bảo đủ cứng để các cụm gắn trên khung hoặc hoàn toàn
cố định hoặc chỉ thay đổi vị trí rất ít. Dầm ngang phải đảm bảo giữ không cho dầm
dọc dịch chuyển dọc khi ô tô gặp chớng ngại vật va đập vào đầu trớc của dầm dọc.
1.2. Đặc điểm kết cấu khung xe ô tô quân sự.
6
Khung ô tô thờng có kết cấu là các dầm dọc và dầm ngang liên kết cứng với
nhau. Các dầm này thờng chế tạo bằng các vật liệu có tính chất đàn hồi cao nh: thép
ít cácbon, thép hợp kim. Các dầm dọc và dầm ngang có tiết diện khác nhau tuỳ
theo kết cấu và tải trọng tác dụng lên khung. Các dầm ngang liên kết với dầm ngang
nhờ đinh tán, hàn, chúng đợc tăng cứng nhờ các tấm táp. Trên dầm dọc có nhiều vị
trí đợc khoan lỗ để tránh các vết nứt gây phá huỷ do mỏi. Dầm dọc có tiết diện hở
(chữ U) đợc dùng phổ biến hơn dầm dọc có tiết diện kín (hình hộp), tiết diện kín th-
ờng đợc dùng trên các xe tải trên 25 tấn.
Các dầm ngang làm nhiệm vụ tăng cứng cho dầm dọc tại các vị trí chịu lực,
đồng thời nó đợc sử dụng để đỡ các cụm động cơ, ly hợp, hộp số nên nó th ờng
làm theo dạng thích hợp để thuận lợi cho việc bố trí và lắp đặt các cụm đó. Các dầm
ngang thờng đợc cấu thành từ các dầm có tiết diện dạng chữ K và chữ X đảm bảo
độ cứng vững khung lớn nhất theo chiều dọc và đờng chéo.
Dầm ngang đợc gắn ở đáy dầm dọc hoặc ở thành của dầm dọc, hoặc một đầu
gắn vào đáy dầm dọc một đầu vào thành dầm dọc. Dầm ngang gắn vào dầm dọc
bằng đinh tán và tấm phụ nghiêng hoặc chỉ bằng đinh tán và đôi khi bằng các mối
hàn.
Theo yêu cầu chống xoắn của khung mà khung có các đặc điểm kết cấu khác
nhau. Khung xe ô tô du lịch có vỏ kín cần phải có độ cứng theo góc cao để giữ vỏ
và các cụm khác gắn trên khung khỏi chịu các biến dạng lớn quá khi vỏ cầu và dầm

cầu ô tô bị nghiêng. Các biến dạng của vỏ làm vỏ dịch chuyển các phần riêng, nên
cửa ra vào bị kêu và bị kẹt.
Đối với các ô tô vận tải ngời ta chỉ làm khung xe có độ cứng trung bình.
Khung xe có độ cứng không cao lắm để khi vỏ cầu và dầm cầu bị nghiêng đối với
khung thì bánh xe vẫn còn tiếp xúc đợc với đờng. Để giữ cho buồng lái và các cụm
7
khác khỏi biến dạng khi khung xe bị nghiêng, ngời ta đặt buồng lái và các cụm
khác trên đệm đàn hồi.
Hình 1.3: Khung xe chỉ huy CH-551
Loại khung có dầm dọc ở giữa có độ cứng góc lớn nhất. Nhng khung xe có
độ cứng góc lớn quá cũng làm ảnh hởng đến sự tiếp xúc của bánh xe với đờng. Để
khắc phục nhợc điểm này ngời ta làm hệ thống treo độc lập cho tất cả cac bánh xe.
Trong kết cấu một số ô tô riêng ngời ta làm các hệ thống treo có tính chất thăng
bằng để giữ khung xe ít bị nghiêng khi ô tô chuyển động trên đờng nhiều ổ gà.
Khung xe ô tô loại hỗn hợp có độ cứng cao nên ngời ta thờng dùng cho ô tô
du lịch nhiều chỗ ngồi.
Kích thớc khung ô tô đợc xác định bởi kích thớc của ô tô. Muốn tăng độ cứng
của khung xe có dầm dọc khi độ dài đã xác định cần làm chiều rộng của khung xe
lớn lên nhng kích thớc chiều rộng của ô tô bị hạn chế bởi bố trí chung của ô tô.
Bố trí độ cao của dầm dọc (tính từ mặt đất lên) phụ thuộc chủ yếu bởi kích
thớc lốp, bởi kết cấu của dầm cầu sau, bởi độ võng động của hệ tống treo có kể cả
sự phân bố của các vú cao su. Để hạ thấp sàn xe dầm dọc có thể uốn trong mặt
8
phẳng dọc. Cần nhớ rằng uốn khung trong mặt phẳng ngang và dọc làm tăng mô
men uốn phụ và dễ sinh ra h hỏng ở chỗ uốn nên độ bền trong khung xe kém đi.
Vật liệu làm khung phải đảm bảo các yêu cầu: Giới hạn chảy dẻo cao, ít nhạy
cảm với hiện tợng tập trung ứng suất, có thể sử dụng để gia công bằng các phơng
pháp dập nguội, hàn. Do vậy khi chế tạo khung xe thờng sử dụng thép hợp kim có
hàm lợng cacbon thấp và trung bình.
Khung xe du lịch đợc chế tạo bằng thép kết cấu 20T dầy 3,0-4,0 mm. Khung

xe tải sử dụng thép 25T, 30T, có chiều dày 5,0-9,0mm tuỳ theo trọng tải xe.
1.3. Tải trọng tác dụng lên khung xe ô tô.
Khung xe ô tô là tổng thành có kiểu dáng, kết cấu và tải trọng tác dụng rất đa
dạng và phức tạp. Tuỳ theo quan điểm phân loại tải trọng tác dụng mà ngời ta phân
ra: tải trọng tĩnh, tải trọng động; tải trọng gây ồn rung, tải trọng gây mỏi
Tải trọng tác dụng lên khung xe ô tô thờng chia ra hai loại sau:
- Tải trọng tĩnh (do tự trọng của khung xe, trọng lợng của các cụm hệ thống
lắp đặt lên nó và phản lực tĩnh từ mặt đờng )
- Tải trọng động (chủ yếu là tải trọng thẳng đứng khi xe chuyển động qua ổ
gà và tải trọng nằm ngang khi xe tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng). Các tải trọng
này gây ra trong kết cấu khung vỏ xe các ứng suất thay đổi theo thời gian làm
chúng xuất hiện những h hỏng nh: khung vỏ bị gãy, vỡ, nứt
Đặc điểm của ô tô là làm việc ở tốc độ cao với các chế độ tải trọng khác
nhau. ứng suất sinh ra trong khung cũng nh trong các chi tiết của ô tô phụ thuộc bởi
chế độ tải trọng tác dụng lên chúng trong điều kiện sử dụng. Trong khi sử dụng, các
chi tiết của ô tô sẽ chịu tải trọng động. Tải trọng động có thể gấp nhiều lần tải trọng
tĩnh.
9
Để đảm bảo cho khung xe và các chi tiết của ô tô làm việc đợc an toàn,
ngoài tải trọng tĩnh cần phải xác định tải trọng động tác dụng lên khung xe và các
chi tiết khi ô tô đang ở trạng thái làm việc. Thông qua sự tổng hợp giữa tải trọng
tĩnh, hệ số an toàn, thống kê xác suất tải trọng động, chúng ta có một chế độ tải
trọng dùng trong tính toán thiết kế. Xác định chính xác trị số tải trọng động tác
dụng lên khung xe là một vấn đề rất phức tạp, vì tải trọng động có thể sinh ra
trong những điều kiện làm việc khác nhau.
Hệ số tải trọng động thờng đợc xác định theo công thức kinh nghiệm nhận đ-
ợc từ hàng loạt các thí nghiệm. Thông thờng tải trọng động đợc đặc trng bằng hệ
số tải trọng động. Hệ số này bằng tỉ số của trị số tải trọng động trên tải trọng tĩnh.
(1.1)
Tải trọng động tác động lên khung và các cụm chi tiết không đợc treo phụ

thuộc chủ yếu bởi sự tác động giữa bánh xe và mặt đờng. Hệ số tải trọng động trong
trờng hợp này bằng tỷ số giữa lực động và lực tĩnh tác dụng thẳng góc lên bánh xe.
Khi đánh giá độ cứng và độ bền của khung vỏ xe phụ thuộc vào giá trị và
chiều tác dụng của các phản lực thẳng đứng từ mặt đờng, có hai chế độ tải trọng
tính toán là chế độ tính uốn tĩnh và chế độ tính xoắn tĩnh.
- Tải trọng khi tính theo uốn :
P P m g
a
L
tr ph tr1 1
2
1
2
= =
(1.2)
P P m g
a
L
tr ph tr2 2
1
1
2
= =
(1.3)
Trong đó:
P
i
- Khối lợng phần đợc treo phân bố lên cầu i, N
10
K

d
=
Tải trọng động
Tải trọng tĩnh
m
tr
- Khối lợng phần đợc treo của xe, N
g - Gia tốc trọng trờng, m/s
2
a
i
- Khoảng cách từ trọng tâm phần đợc treo của xe đến cầu i, mm
L- Chiều dài cơ sở xe, mm
- Tải trọng khi tính theo xoắn (xét trờng hợp xe có tải trọng phân lên cầu trớc
nhỏ hơn cầu sau):
M m
a
L
btr=
1
2
2
1
(1.4)
Trong đó:
b
i
- Vết bánh xe cầu i, mm
M- Mô men xoắn, Nmm
Khi một bên bánh xe tách khỏi nền đờng thì mô men xoắn lớn nhất xác định theo

công thức:
M mg
a
L
b
'
'
=
1
2
2
1
(1.5)
Trong đó:
M'- Mô men xoắn khung lớn nhất, Nmm
a
'
i
- Khoảng cách từ trọng tâm xe đến cầu i, mm
m- Khối lợng toàn bộ của xe, N
Ngời ta quan sát thấy ứng suất thay đổi theo thời gian này có trị số nhỏ hơn
rất nhiều giới hạn bền thậm chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu. Tuy
nhiên tích lũy dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dới tác động của ứng suất
thay đổi theo thời gian, ứng suất này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó vết nứt
ấy phát triển và dẫn tới phả huỷ của vật liệu. Sự phá hủy ấy đợc gọi là sự phá huỷ vì
mỏi. Các chi tiết của khung cũng bị tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian.
11
Do đó nội dung nghiên cứu cơ sở tính bền mỏi của khung xe là một bài toán mới.
Để có thể tính toán độ bền mỏi của khung xe ta phải xây dựng mô hình tính toán đủ
hợp lý và có khả năng áp dụng các công cụ hiện có để đánh giá độ bền mỏi.

1.4. Tầm quan trọng khi nghiên cứu độ bền mỏi.
Hiện tợng phá huỷ của chi tiết máy và cấu kiện do ứng suất thay đổi theo thời
gian gây ra đã đợc phát hiện cách đây hơn 100 năm. Ngời ta quan sát thấy rằng ứng
suất thay đổi theo thời gian này có trị số nhỏ hơn rất nhiều giới hạn đàn hồi của vật
liệu làm ra chi tiết máy và cấu kiện. Vì thế tính toán thiết kết chi tiết máy theo ứng
suất cho phép tỏ ra cha đủ độ tin cậy. Từ đó xuất hiện một lĩnh vực mới trong
nghiên cứu và thiết kế chi tiết máy là Lý thuyết mỏi.
Trên ô tô khi thiết kế mặc dù chi tiết có kết cấu đủ bền nhng ngời ta vẫn thấy
xuất hiện các vết nứt đặc biệt là khung vỏ ô tô, từ đó gây phá huỷ. Vì vậy khi
nghiên cứu độ bền nói chung và độ bền mỏi nói riêng là một nội dung rất phức tạp.
Nó có ý nghĩa hết sức quan trọng để đánh giá độ bền của chi tiết, đồng thời dự báo
h hỏng có thể xẩy ra. Khung vỏ xe là cấu trúc lớn và phức tạp, là hệ siêu tĩnh bậc
cao nên việc nghiên cứu nó thật không đơn giản.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm có thể dùng để xây dựng mô hình khung vỏ
xe, phục vụ cho các bài toán liên quan đến đánh giá chất lợng khung vỏ xe nh:
Solidwords, Inventor, . Bên cạnh các phần mềm xây dựng mô hình tính có các
phần mềm dùng để đánh giá độ bền mỏi kết cấu nói chung và khung vỏ xe nói riêng
nh: Ansys, Sap2000, Mechanical Destop, .Với nhiều công cụ trợ giúp bằng máy
tính nh vậy bài toán đánh giá chất lợng khung xe sẽ có nhiều thuận lợi hơn.
Chơng 2
Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung xe ô tô
1.5. Tổng quan về bài toán mỏi.
12
2.1.1 Lý thuyết mỏi chi tiết máy.
Lý thuyết mỏi là một nhánh của khoa học độ bền chuyên nghiên cứu về sự ứng xử
của vật liệu và chi tiết máy dới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh
hởng của hàng loạt các yếu tố, đồng thời nêu ra phơng pháp tính toán và những giải pháp
kỹ thuật nhằm nâng cao độ bền mỏi.
2.1.2 Khái niệm tổn thơng mỏi.
- Hiện tợng mỏi: Hiện tợng mỏi là quá trình tích luỹ dần dần sự phá hỏng

trong bản thân vật liệu dới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian; ứng suất
thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và
dẫn tới sự phá huỷ của vật liệu; sự phá huỷ nh vậy đợc gọi là sự phá huỷ vì mỏi.
- Độ bền mỏi: Độ bền mỏi là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá
hỏng vì mỏi.
- Độ bền lâu: Độ bền lâu (tuổi thọ) của vật liệu hay chi tiết máy là khoảng
thời gian làm việc của chúng dới tác động của một chế độ tải trọng và các yếu tố
ảnh hởng khác mà không bị phá huỷ;
- Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu hay chi tiết ở một điều kiện nào đó
là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng
suất cơ sở mà chúng không bị phá huỷ.
- Đờng cong mỏi đặt tải: Đờng cong mỏi là đờng cong biểu diễn mối liên hệ
giữa ứng suất thay đổi với số chu kỳ ứng suất tơng ứng.
- Chu kỳ tải trọng: Về mặt thời gian, tải trọng biến đổi đợc đặc trng bởi
khoảng thời gian duy trì tải trọng và khoảng thời gian giữa các lần đặt tải. Khoảng
thời gian giữa các lần đặt tải gọi là chu kỳ tải trọng. Có thể xảy ra hai trờng hợp đặt
tải sau đây:
13
+ Tải trọng đợc đặt vào kết cấu ở những thời điểm đã biết trớc
1 2
, ,
n
t t t
; trong trờng hợp đó sự biến đổi có thể mang tính tuần hoàn;
chu kỳ tải trọng đợc biết chính xác, thêm nữa tải trọng có thể thay
đổi hoặc không đổi về độ lớn từ chu kỳ này sang chu kỳ khác; ta nói
chu kỳ tải trọng là đại lợng tiền định.
+ Tải trọng đợc đặt vào kết cấu ở những thời điểm ngẫu nhiên; trong
trờng hợp đó ta nói chu kỳ tải trọng là đại lợng ngẫu nhiên; còn độ
lớn của tải trọng đặt vào có thể là tiền định hay ngẫu nhiên.

Ngày nay, khi thiết kế mới cũng nh khi khai thác sử dụng, ứng dụng lý thuyết mỏi
trong tính toán kết cấu máy ngày càng phổ biến.
Các kết quả nghiên cứu về thí nghiệm mỏi của các tác giả đã xây dựng đợc phơng
trình đờng cong mỏi ở các dạng khác nhau.
- Các yếu tố ảnh hởng đến tuổi thọ mỏi gồm có: ảnh hởng của bản chất vật
liệu và xử lý nhiệt; ảnh hởng của chế độ tải trọng; ảnh hởng của môi trờng; ảnh h-
ởng của kích thớc; ảnh hởng của sự tập trung ứng suất; ảnh hởng của công nghệ cơ
khí; ảnh hởng của công nghệ nhiệt điện(xử lý bề mặt bằng công nghệ hoá-lý); ảnh
hởng tổng hợp của chất lợng bề mặt.
Khi đánh giá độ bền mỏi, có các phơng pháp tính toán hệ số an toàn mỏi, việc tính
toán hệ số an toàn mỏi phụ thuộc vào các kết cấu và tải trọng cụ thể.
2.1.3 Bài toán mỏi.
Khi tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ (đặc trng tin cậy) của chi tiết máy, cần
xây dựng mối liên hệ giữa ứng suất thay đổi tại vị trí tính toán và số chu trình tác động; cơ
sở khoa học của chúng xuất phát từ lý thuyết về sự lan truyền vết nứt mỏi, hiện nay có
khoảng hơn 20 phơng trình lan truyền vết nứt mỏi đợc thống kê.
14
Chi tiết trong quá trình vận hành, chịu tải trọng ngẫu nhiên, việc tính toán độ bền
mỏi đặc biệt phức tạp. Để đánh giá gần đúng thờng sử dụng lý thuyết cơ học phá huỷ hoặc
thuyết tích luỹ tổn thơng tuyến tính; tuy nhiên giữa chúng có sự tơng đồng, bằng giải tích
có thể đa đợc chúng về cùng một dạng phơng trình quen thuộc của đờng cong mỏi S - N.

III


II


lg N

Hình 2.1. So sánh hai đờng
da
K
dN




và (S - N)

da
dN
- tốc độ phát triển vết nứt;

K
- số gia cờng độ ứng suất;
C,m tham số phát triển vết nứt (xác định từ thực nghiệm);


- ứng suất;
I - cờng độ ứng suất.
Trên hình 2.1:
Vùng I: vùng dới ngỡng (không nứt) - dới giới hạn mỏi (tuổi thọ dài vô hạn);
Vùng II: vùng phát triển vết nứt - tuổi thọ dài hữu hạn;
Vùng III: vùng phá huỷ (phá huỷ nhanh hoặc chảy dẻo) vùng phá huỷ tĩnh hoặc
phá huỷ với chu trình thấp.
15
lg
da
dN

( )
m
da
C K
dN
=
m
I
N
C

=
lg K
lg


I
I
II
III
So sánh 2 phơng pháp trên, thuyết tích luỹ tổn thơng tuyến tính đặc biệt thuận lợi
cho phơng pháp mô hình hoá.
1.6. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung xe ô tô.
2.2.1. Bằng kết quả thực nghiệm.
Đây là bài toán lớn đòi hỏi nhiều công sức, thời gian và tiền của nên nó thích
hợp với các thử nghiệm cuối cùng.
a. Thử nghiệm xác định đặc trng cơ học, đặc trng mỏi của vật liệu.
Việc đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi đòi hỏi phải có các thông số về đặc
trng cơ học và đặc trng mỏi của các loại vật liệu chế tạo nên các kết cấu đó.
Trong điều kiện thực tế hiện nay, để có đợc các thông số này cần phải tiến

hành chế tạo mẫu từ các kết cấu thực và thử nghiệm các mẫu vật liệu đó.
Việc thử nghiệm mẫu vật liệu tiến hành theo các nội dung chủ yếu sau đây:
- Thử nghiệm xác định thành phần hoá học
Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định thành phần hoá học và mác
thép đợc tiến hành trên máy quang phổ (ARL-3460 của hãng FISONS Thuỵ Sỹ).
Trong quá trình thử nghiệm mẫu vật liệu tiến hành xác định hàm lợng của 17
thành phần hoá học, bao gồm: cacbon, silic, lu huỳnh, phốt pho, mănggan, nitơ,
crôm, môlipđen, vônfram, đồng, titan, kẽm, côban, nhôm, chì, thiếc và sắt.
- Thử nghiệm kéo xác định giới hạn chảy, giới hạn bền và hệ số biến dạng:
Thử nghiệm kéo xác định giới hạn chảy, giới hạn bền và hệ số biến dạng của
các loại mẫu vật liệu. Việc thử nghiệm mẫu vật liệu để xác định các đặc trng cơ học
đợc tiến hành trên máy thử kéo nén.
Các mẫu thép đợc kiểm tra theo TCVN 1651-85
16
Mẫu vật liệu sau khi thử nghiệm kéo xác định đợc :
+ Giới hạn chảy : P
ch,
,(daN),

ch
,(daN/ cm
2
)
+ Giới hạn bền : P
b
, (daN),

b
,(daN/ cm
2

)
+ Biến dạng tơng đối

, (%)
- Thử nghiệm kéo xác định môđun đàn hồi :
Việc thử nghiệm mẫu vật liệu để xác định môđun đàn hồi đợc tiến hành trên
máy thử kéo nén (mã hiệu DLY-10, Trung Quốc),
Các mẫu thép đợc kiểm tra theo TCVN 1651-85.
Mẫu vật liệu sau thử nghiệm kéo xác định đợc :
+ Số đo đồng hồ chuyển vị kế trung bình (vạch)
+ Lực tác dụng đàn hồi P
tl
(daN)
+ Biến dạng trung bình

tb
(mm)
+ Mođun đàn hồi E (daN/cm
2
)
- Thử nghiệm độ dai va đập:
Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định độ dai va đập đợc tiến hành
trên máy thử va chạm, (mã hiệu JB-36 - TQ)
Kết quả thử nghiệm độ dai va đập của các loại mẫu vật liệu xác định đợc:
+ Công phá hỏng ( daN.cm)
+ Độ dai va đập a
k
(daN/cm)
- Thử nghiệm mỏi và xử lý số liệu thử nghiệm mỏi :
+ Thử nghiệm mỏi các loại mẫu vật liệu

17
Việc thử nghiệm các mẫu vật liệu để xác định giới hạn mỏi đợc tiến hành
trên máy chuyên dùng (PWC-6 - TQ) thử mỏi uốn đối xứng thuần tuý với bốn hoặc
năm mức tải trọng
Kết quả thử nghiệm mỏi các loại mẫu vật liệu xác định đợc số chu trình N t-
ơng ứng với bốn hoặc năm mức suất xác định.
+ Xử lý số liệu thử nghiệm mỏi các loại mẫu vật liệu
Việc xử lý số liệu thí nghiệm mỏi thực chất là thiết lập phơng trình các đờng
cong mỏi và xác định giới hạn mỏi, bao gồm ứng suất giới hạn và chu trình cơ sở.
Với tập số liệu thử nghiệm mỏi mẫu, việc xử lý thống kê xây dựng
đờng cong mỏi đợc tiến hành theo các bớc sau:
ứng với từng nhóm mức ứng suất có số lợng mẫu thử nghiệm xác định,
tiến hành thiết lập hàm mật độ phân bố chu trình ứng suất f(N), từ đó
xác định giá trị kỳ vọng toán, phơng sai, sai lệch bình phơng trung
bình của chu trình ứng suất cho từng nhóm. Việc thiết lập hàm mật độ
phân bố chu trình ứng suất và xác định các đặc trng bằng số của nó đ-
ợc tiến hành nhờ chơng trình xử lý chuyên dùng [3].
Thiết lập phơng trình đờng cong mỏi dới dạng [4]:
Công thức:
NaNaNaa
n
na

2
210
++++=


Với n=1 và n=2, hoặc:
N

b
a
aa
+=


Các phơng trình đờng cong mỏi đợc thiết lập theo 2 phơng pháp:
Theo giá trị kỳ vọng toán của chu trình ứng suất ở các mức ứng suất.
18
Theo tất cả các giá trị chu trình ứng suất N
i
ở các mức ứng suất nhận
đợc sau quá trình thử nghiệm.
Các đờng cong mỏi cho phép xác định giới hạn mỏi, bao gồm ứng suất giới
hạn và chu trình cơ sở, mặt khác đờng cong mỏi còn là cơ sở để tính toán tuổi thọ
mỏi của kết cấu sau này.
b. Vấn đề kiểm nghiệm độ bền mỏi.
- Kiểm nghiệm độ bền mỏi theo lý thuyết cổ điển:
Do tính đơn giản và dễ hiểu, phơng pháp cổ điển kiểm nghiệm độ bền mỏi
vẫn còn đợc ứng dụng rộng rãi trong các qui trình thiết kế, tính toán của một số nớc,
trong đó có Liên bang Nga, Việt Nam và một số nớc khác.
Tuy nhiên, nhợc điểm cơ bản của phơng pháp này không cho phép tính đến
một cách đầy đủ và mềm dẻo các yếu tố có liên quan đến sự thay đổi ngẫu nhiên
của tải trọng khai thác, các đặc trng làm việc của vật liệu và sự ổn định chất lợng
của chúng. Ngoài ra, phơng pháp này còn hoàn toàn bất lực trong việc đánh giá và
dự báo tuổi thọ cũng nh độ tin cậy khai thác hoặc vận dụng của kết cấu.
- Kiểm nghiệm độ bền mỏi theo giả thuyết tích luỹ tổn thơng mỏi tuyến tính:
Trình tự xác định các thông số và dữ liệu đánh giá tuổi thọ mỏi
Để xác định đợc tuổi thọ mỏi theo giả thuyết tích luỹ tổn thơng mỏi tuyến tính, tiến
hành những bớc sau đây:

19
+ Xử lý số liệu đo ứng suất động và xây dựng biểu đồ ứng suất động
cho các điểm đo ở tất cả các dải tốc độ đã khảo sát (0ữ80km/h).
Đây là biểu đồ ghi quá trình biến đổi của ứng suất động theo thời
gian, đồng thời đó là một quá trình ngẫu nhiên [1].
Khi tính toán tổn thơng mỏi cần xử lý biểu đồ này để xác định các tập hợp
ứng suất gồm nhiều bậc, với các cặp giá trị (

, n
i
), và biểu diễn chúng thành một
biểu đồ tập hợp ứng suất hay còn gọi là phổ ứng suất.
+ Thiết lập giá trị các mức ứng suất động và xác định số chu trình ứng
suất động của các điểm đo bằng cách đếm chu trình số đỉnh ứng suất
trong khoảng thời gian đo ghi ở tất cả các dải tốc độ đã khảo sát.
Việc xác định số chu trình ứng suất động có thể tiến hành bằng cách đếm số
lần cắt các mức ứng suất khác nhau, đếm số đỉnh, đếm số cực trị nằm trong một
khoảng hoặc đếm số chu trình theo phơng pháp dòng ma [6].
Nếu quá trình là dải hẹp hoặc dải rộng vừa phải thì kết quả đếm theo các ph-
ơng pháp khác nhau sai lệch nhau không đáng kể. Chỉ đối với trờng hợp dải rất rộng
thì việc chọn phơng pháp đếm mới trở nên quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra
rằng phơng pháp dòng ma là phơng pháp cho kết quả tốt hơn cả.
+ Tổng hợp kết quả xác định tổng số chu trình ứng suất và tổng thời l-
ợng đo-ghi, xác định giá trị kỳ vọng toán chu kỳ ứng suất và phổ xác
suất tổng hợp của các mức ứng suất động.
+ Căn cứ vào các dữ liệu về thời gian làm việc trong quá khứ của kết
cấu, xác định tổng số chu trình ứng suất động đã tích luỹ với các điều
kiện biên và các ràng buộc khác nhau thông qua các phơng án tính
toán cụ thể.
20

+ Căn cứ phổ xác suất tổng hợp của các mức ứng suất động, xác định
số lợng chu trình ứng suất động tích luỹ tơng ứng với các mức ứng
suất, hay còn gọi là phổ chu trình ứng suất tích luỹ theo các phơng án
khác nhau.
+ Căn cứ vào các giá trị mức ứng suất động, xác định phổ chu trình
giới hạn tơng ứng theo đờng cong mỏi đã thiết lập.
+ Căn cứ vào phổ chu trình giới hạn và phổ chu trình ứng suất động
tích luỹ, tiến hành tính toán mức độ tích luỹ tổn thơng mỏi theo lý
thuyết của Palmgren-Miner với các phơng án khác nhau.
+ Kiểm nghiệm mức độ tổn thơng mỏi còn lại theo các tiêu chuẩn kiểm
nghiệm hiện hành thông qua các chỉ tiêu tổn thơng cho phép.
+ Xác định tuổi thọ mỏi hoặc dự báo tuổi thọ mỏi còn lại theo một số
phơng án với các điều kiện biên và các ràng buộc khác nhau.
Tuổi thọ mỏi có thể đợc xác định bằng số lợng chu trình ứng suất, bằng tổng
thời lợng làm việc (giây, giờ), bằng tổng quãng đờng chạy của đầu máy (km) hoặc
bằng tổng thời gian làm việc (năm). Trong đó các chỉ tiêu tuổi thọ cho dới dạng số
chu trình ứng suất hoặc tổng thời lợng làm việc (tính bằng giây hoặc bằng giờ) là
các chỉ tiêu chính xác; còn các chỉ tiêu tuổi thọ thể hiện dới dạng tổng quãng đờng
chạy (km) hoặc tổng thời gian làm việc (năm) chỉ là các chỉ tiêu tơng đối.
- Kiểm nghiệm độ bền mỏi trên cơ sở phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi:
+ Tính chỉ tiêu đồng dạng
Kết quả tính toán chỉ tiêu theo các công thức 2.20 và 2.21 đợc cho trong
bảng .
+ Tính hệ số ảnh hởng của kích thớc
Từ phơng trình đồng dạng (2.19) theo [4] có thể tính đợc:
21
10
.
'
,

su
p
b
a





+=


10
.
'
,
su
p
b
a





+=

+ Xác định hệ số tập trung ứng suất thực tế
Hệ số k

và k

đợc xác định theo hình dạng kết cấu
+ Xác định hệ số ảnh hởng của vật liệu ( tra bảng)
+ Xác định hệ số an toàn mỏi
Xác định giá trị ứng suất trung bình, ứng suất biên độ [3] trên cơ sở từ các kết
quả tính toán hệ số động [1] thay vào các công thức 2.22, 2.23 và 2.24 tính đợc hệ
số an toàn mỏi thành phần và toàn phần của kết cấu.
2.2.2. Bằng tính toán lý thuyết.
a. Sơ sở đánh giá độ bền mỏi theo phơng pháp cổ điển.
Cơ sơ tính toán của phơng pháp này đợc dựa trên đồ thị biểu diễn mối quan
hệ giữa mức ứng suất lớn nhất của chu trình và thời lợng hoạt động tơng ứng, hay
nói cách khác là dựa vào đờng cong mỏi = f(N).
Biểu thức đánh giá của phơng pháp này có thể biểu diễn dới dạng :

max
k.
tt
=
gh
(2.1)
trong đó :

max
- giá trị ứng suất lớn nhất;

tt
- gái trị ứng suất tính toán đối với vật liệu kết cấu trong trờng hợp cha xét
tới mỏi;

k - hệ số tính tới việc giảm thấp khả năng chịu tải của vật liệu kết cấu khi
chịu tác động của tải trọng thay đổi.
Tích k.
tt
=
gh
thờng đợc gọi là cờng độ mỏi hay giới hạn mỏi của vật liệu
kết cấu.
22
Khi
gh
, mẫu kết cấu coi nh có tuổi thọ vô hạn, hay nói cách khác là đảm
bảo để trong suốt thời hạn phục vụ không xảy ra phá hoại mỏi.
ứng suất xuất hiện trong khung ô tô do tác động của tải trọng khai thác thay
đổi theo chu kỳ bất đối xứng với ứng suất trung bình bằng ứng suất tĩnh
t
, với biên
độ ngẫu nhiên
tt
=
gh
.
Khi đó ứng suất lớn nhất bằng:

max
=
a
+
t
( 2.2)

Để tiến hành đánh giá độ bền, các ứng suất khai thác bất đối xứngđợc quy đổi
thành các ứng suất đối xứng tơng ứng. Nh vậy, bất kỳ một chu trình bất đối xứng
nào với ứng suất trung bình
t
và biên độ
a
đều có thể quy đổi thành chu trình đối
xứng với ứng suất tơng đơng
td
.

td
=
tb
ba



.
(2.3)
trong đó :

a
- biên độ ứng suất động (lớn nhất);

b
- giới hạn bền;

t
- ứng suất tĩnh.

Khi đánh giá độ bền mỏicủa kết cấu, giá trị
td
cần đợc so sánhvới biên độ
lớn nhất cho phép [
-1k
] của các ứng suất động, tác động theo chu kỳ đối xứng.
Trong trờng hợp này:
[
-1k
] =
z
k
k
1

(2.4)
trong đó:
23

-1k
giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu kỳ đối xứng, có xét tới hệ số tập trung
ứng suất;
k
z
- hệ số dự trữ, có xét tới khả năng tản mạn của các giá trị
-1k
và các yếu
tố khác.
Theo I.L.Oding và nhiều tác giả, hệ số dự trữ thờng đợc chọn là k
z

=1,65.
Một cách tổng quát:
[
-1k
] =
z
k
k
1

=
zttus
kk .
1

(2.5)
Hệ số tập trung ứng suất k
ttus
phụ thuộc các yếu tố công nghệ và điều điện làm
việc. Theo các nghiên cứu về độ bền mỏi khung xe do A.N.Xavoxkin và các tác giả
đề xuất, thì hệ số tập trung ứng suất trên dầm dọc tại mặt cắt nguy hiểm nhất có trị
số tối đa là 3,96.
Trong quá trình kiêm nghiệm, nếu:

td
[
-1k
] (2.6)
thì có thể coi khung xe có thời hạn phục vụ không hạn chế.
Còn nếu:

td
> [
-1k
] (2.7)
thì thời hạn phục vụ của khung xe đợc coi là có giới hạn.
b. Cơ sở đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu theo giả thuyết tích luỹ
tuyến tính các tổn thơng mỏi.
Theo Miner, mỗi bậc ứng suất cao hơn giới hạn mỏi đều gây ra một phần tổn
thơng cho vật liệu. Số đo bậc tổn thơng do bậc ứng suất thứ i gây ra, i=1,2, ,m có
quan hệ tới số chu trình ứng suất, và đợc xác định bằng tỷ số:
24

i
i
i
N
n
D =
(2.8)
trong đó:
n
i
số lợng chu trình ứng suất mà phần tử phải chịu tơng ứng với biên độ
hay với mức ứng suất
i
không đổi;
N
i
- số lợng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tơng ứng với giới hạn mỏi hạn chế

i
, đợc xác định theo đờng cong mỏi.
Mặt khác, từ khái niệm xây dựng đờng cong mỏi thấy rằng, nếu tác động một
ứng suất là
i
thì sẽ xảy ra tổn thơng toàn phần, hay nói cách khác, sự phá huỷ mỏi
sẽ xảy ra sau N
i
. Trong quá trình khai thác, nếu có
i
chu trình tác động ở mức ứng
suất
i
, với n
i
< N
i
, thì sẽ xảy ra một tổn thơng mỏi riêng là D
i
, với:

i
i
i
N
n
D =
(2.9)
Nếu phần tử kết cấu chịu một tập hợp ứng suất gồm m bậc khác nhau, thì tổn

thơng mỏi tổng cộng sẽ là:


=
=
m
i
i
i
N
n
D
1
)(
(2.10)
và về mặt lý thuyết, phần tử kết cấu sẽ bị phá huỷ mỏi khi số đo tổn thơng:

1)(
1
=

=
m
i
i
i
N
n
D
(2.11)

hoặc điều kiện không phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu có dạng:

1)(
1
=

=
m
i
i
i
N
n
D
(2.12)
25