CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN MỎI KHUNG XE Ô TÔ

Chơng 2
Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung xe ô tô
2.1. Tổng quan về bài toán mỏi.
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.
14
- 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:
+ 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 đ-
ợc 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 hởng 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.
15
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.
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.
16
lg
da
dN
( )
m
da
C K
dN
=
m
I
N
C

=
lg K
lg


I
I
II
III
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.
So sánh 2 phơng pháp trên, thuyết tích luỹ tổn thơng tuyến tính đặc biệt
thuận lợi cho phơng pháp mô hình hoá.
2.2. 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).
17
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
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
)
18
- 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
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
tơng 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 đ-
ờng 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 tr-
19
ng bằng số của nó đợc 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.
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.
20
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:
+ 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].
21