nghiên cứu phát triên đõn treo trên (upper arm) băng vật liệu composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐINH HỮU HẠNH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIÊN ĐÕN TREO
TRÊN (UPPER ARM) BĂNG VẬT LIỆU COMPOSITE
S

K

C

0

0

3

9
7

5

9

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 60 52 04

S KC 0 0 3 7 6 6

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
--------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐINH HỮU HẠNH

̉ ĐÕN TREO TRÊN (UPPER
NGHIÊN CỨU PHÁ T TRIÊN
̀
ARM) BĂNG
VÂT
̣ LIÊU
̣ COMPOSITE

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 60 52 04
Hƣớng dẫn khoa học
TS. ĐỖ THÀNH TRUNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ & tên: Đinh Hữu Hạnh

Ngày, tháng, năm sinh: 26 – 12 – 1983
Quê quán: Tiền Giang
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Chợ Gạo, Tiền Giang
Điện thoại nhà riêng:
E-mail:

Giới tính: Nam
Nơi sinh: Tiền Giang
Dân tộc: Kinh
Điện thoại cơ quan:
Fax:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 09/ 2005 đến 09/ 2007
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ứng dụng công nghệ CAD/ CAM
trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/ 2007, Trƣờng Đại
Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Ngƣời hƣớng dẫn: Thầy ThS. Nguyễn Hoài Nam
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC

Thời gian
10/ 2007 – 05/ 2008
05/ 2008 –

nay

Nơi công tác
Công ty Royals Foods
Tiền Giang
Trƣờng Đại Học Tiền Giang
Tỉnh Tiền Giang

iv

Công việc đảm nhiệm
Giám sát
Giảng viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày __ tháng
Học viên
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Đinh Hữu Hạnh

v

năm


LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, em kính gửi lời cảm
ơn chân thành và sâu sắc đến:
Thầy TS. Đỗ Thành Trung - thầy hƣớng dẫn thực hiện luận văn đã tận tình
chỉ dạy, tạo điều kiện và động viên em trong suốt quá trình thực hiện.
Quý thầy, cô giáo đã tham gia công tác giảng dạy, hƣớng dẫn em và các
thành viên trong lớp Cao học chuyên ngành Cơ Khí Máy khóa 2010 – 2012
trong toàn bộ khoá học.
Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Cơ khí Chế tạo máy, phòng Đào tạo – bộ
phận sau đại học – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã
giúp đỡ ngƣời thực hiện trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng.
Kính gửi lời cảm tạ tới BGH trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí
Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trƣờng đƣợc học
tập và nghiên cứu.
Kính chúc Quý thầy, cô dồi dào sức khỏe.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày __ tháng
Học viên

Đinh Hữu Hạnh

vi

năm


TÓM TẮT

Thiết kế và chế tạo ra một sản phẩm cơ khí vừa đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật,
vừa nhỏ gọn, vừa có cơ tính tốt thực sự là xu hƣớng thiết kế và chế tạo mới trong
ngành cơ khí hiện nay. Vì vậy, một trong những nhiệm vụ cơ bản của nhà chế tạo là
phải không ngừng nghiên cứu và tạo ra vật liệu mới để ứng dụng vào sản phẩm cơ
khí nhằm nâng cao chất lƣợng của chúng. Với cách nhìn nhận nhƣ vậy thì việc
nghiên cứu và phát triển đòn treo trên (Upper arm) bằng vật liệu composite vừa
giảm đƣợc khối lƣợng của chi tiết, vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và nâng cao cơ
tính là cần thiết. Cụ thể trong luận văn học viên đã nghiên cứu giải quyết các vấn đề
nhƣ: nghiên cứu cấu tạo và điều kiện làm việc của chi tiết đòn treo trên, nghiên cứu
về vật liệu composite, ứng dụng phần mềm Ansys để thiết kế tối ƣu chi tiết đòn treo
trên bằ ng vâ ̣t liê ̣u composite. Sau đó học viên chế ta ̣o, kiểm nghiê ̣m, đánh giá và so
sánh giữa sản phẩm mới và sản phẩm truyền thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy
chi tiết đòn treo bằng vật liệu composite có độ bền cao hơn và khối lƣợng giảm 61%
so với chi tiết đòn treo trên bằng vật liệu thép.
Công trình là sự kết hợp và ứng dụng của nhiều lĩnh vực khác nhau, kết quả đạt
đƣợc của công trình đã đánh giá đƣợc những ƣu điểm mới của chi tiết đòn treo trên
bằng vật liệu composite.
Học viên

Đinh Hữu Hạnh

vii


ABSTRACT
Design and manuafacturing of mechanical products required to meet technical
requirements, both compact and good mechanical properties are the new trend in
design and manufacturing of mechanical industry. So, one of the basic tasks of the
manufacturer is to continuously research and create new materials for applications
in mechanical products to enhance their qualities. With this view, the research and

development of the upper arm with composite materials that have reduced the
weight, ensure the technical requirements and improve the mechanical properties
are necessary. In this research, the author has studied to solve problems such as: the
study of the upper arm structure, its working conditions, the study of composite
materials, and the optimal design of the composite upper arm based on Ansys
software. Then, the manufacturing of composite upper arm is done. Also, the
mechanical properties are examined and compared between the existing steel upper
arm and the composite upper arm. The experimental results showed that the
composite upper arm has the high strength and the weight reduction of 61%
compared to the existing steel upper arm.
The research is a combination and application of many different areas, the
results were to assess the advantages of the composite upper arm.

viii


MỤC LỤC
LUẬN VĂN THẠC SĨ ......................................................................................... i
LÝ LỊCH KHOA HỌC ...................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... v
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... vi
TÓM TẮT ......................................................................................................... vii
ABSTRACT.....................................................................................................viii
MỤC LỤC ......................................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH .................................................... xiii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................. xv
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite ..................................................... 2
1.1.1. Vâ ̣t liê ̣u composite .............................................................................. 2
1.1.2. Khả năng ứng dụng composite trong một số ngành công nghiệp ......... 2

1.1.3. Ứng dụng composite trong lĩnh vực cơ khí ......................................... 3
1.2. Giới thiệu chung về hệ thống treo ............................................................ 4
1.2.1. Phân loại ............................................................................................ 5
1.2.2. Yêu cầu .............................................................................................. 5
1.2.3. Các kiểu hệ thống treo và đặc điểm .................................................... 5
1.2.3.1. Hệ thống treo phụ thuộc ............................................................... 6
1.2.3.2. Hệ thống treo độc lập ................................................................... 6
1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố ........................... 8
1.4. Mục đích của đề tài ................................................................................. 10
1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .............................................................. 11
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................... 12
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 13
2.1. Vật liệu composite .................................................................................. 13
2.1.1. Khái niệm chung .............................................................................. 13
2.1.2. Các vật liệu thành phần của composite ............................................. 13

ix


2.1.2.1. Cốt ............................................................................................. 13
2.1.2.2. Nền ............................................................................................ 13
2.1.2.3. Tƣơng tác giữa nền và cốt ......................................................... 14
2.1.3. Đặc điểm vật liệu composite ............................................................. 14
2.1.4. Tính chất .......................................................................................... 15
2.1.5. Phân loại .......................................................................................... 15
2.1.5.1. Theo bản chất của nền ................................................................ 15
2.1.5.2. Theo hình học ............................................................................ 15
2.1.6. Ƣu điểm của vật liệu composite ........................................................ 15
2.1.7. Nhƣợc điểm của vật liệu composite .................................................. 16
2.1.8. Các phƣơng pháp chế tạo composite ................................................. 17

2.1.9. Công dụng vật liệu composite dùng trong một số ngành ................... 17
2.2. Các loại vật liệu nhựa.............................................................................. 17
2.2.1. Tổ ng quan về nhựa ........................................................................... 17
2.2.2. Phân loại .......................................................................................... 18
2.2.2.1 Phân loại theo hiệu ứng của polyme với nhiệt độ ........................ 18
2.2.2.2. Phân loại theo ứng dụng ............................................................. 18
2.2.3. Tính chất của một số loại nhựa ......................................................... 18
2.2.3.1 Các loại nhựa gia dụng................................................................ 18
a) PC (Poly cacbonat) ......................................................................... 18
b) PE (Poly etylen) ............................................................................. 19
c) PP (Poly propylen) ......................................................................... 19
d) PS (Poly styren) ............................................................................. 19
2.2.3.2. Các loại nhựa kỹ thuật ............................................................... 20
a) PA (Polyamid) ................................................................................ 20
b) ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) .......................................... 20
2.2.4. Thông số của một số vật liệu nhựa .................................................... 21
2.2.5. Vật liệu sử dụng ............................................................................... 22
2.3. Ứng dụng phần mềm Ansys Workbench 12 ............................................ 23

x


2.3.1. Tổng quan về phần mềm Ansys ........................................................ 23
2.3.2. Ứng dụng Ansys Workbench để khảo sát chi tiết đòn treo trên ......... 24
2.4. Các số liệu đƣợc chuyển giao .................................................................. 25
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU TỐI ƢU ĐÒN TREO TRÊN BẰNG VẬT LIỆU
COMPOSITE ........................................................................................................ 26
3.1. Hệ thống treo và vật mẫu thực tế sử dụng ............................................... 26
3.2. Mô phỏng chi tiết đòn treo trên với hình dạng thực tế ............................. 27
3.3. Phân tích ứng suất và chuyển vị .............................................................. 27

3.4. Tối ƣu chi tiết đòn treo trên bằng vật liệu composite ............................... 40
CHƢƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........... 49
4.1. Chế tạo chi tiết đòn treo trên ................................................................... 49
4.1.1. Công nghệ chế tạo ............................................................................ 49
4.1.2. Cấu tạo chung của máy ép phun ....................................................... 50
4.1.3. Máy ép phun JSW ............................................................................ 51
4.1.3.1. Thông số công nghệ ................................................................... 51
4.1.3.2. Nguyên tắc hoạt động máy ép phun JSW ................................... 52
4.1.4. Vật liệu composite Nylon 66 + C/F 22% .......................................... 53
4.1.4.1. Vật liệu nền Nylon 66 ................................................................ 53
4.1.4.2. Vật liệu cốt sợi Cacbon ...................................................................... 55
4.1.4.3.Vật liệu sử dụng chế tạo đòn treo trên ......................................... 57
4.2. Tiến hành chế tạo chi tiết ........................................................................ 58
4.3. Thí nghiệm kiểm tra chi tiết .................................................................... 59
4.3.1. Máy Shimazu ................................................................................... 59
4.3.2. Máy Instron ...................................................................................... 60
4.4. Kiểm tra chuyển vị và phá hủy ................................................................ 60
4.5. Kiểm tra bền mỏi .................................................................................... 62
4.6. So sánh ................................................................................................... 63
4.6.1. Kiểm tra phá hủy khi tác dụng lực theo phƣơng Fy+ ........................ 63
4.6.2. Kiểm tra phá hủy khi tác dụng lực theo phƣơng Fx+ ........................ 64

xi


4.6.3. Nhận xét ........................................................................................... 65
4.6.3.1. Khi tác dụng lực lên theo phƣơng Fy+ ....................................... 65
4.6.3.2. Khi tác dụng lực lên theo phƣơng Fx+ ....................................... 66
CHƢƠNG 5. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU ĐẾN
CHUYỂN VỊ CỦA ĐÒN TREO TRÊN ................................................................ 67

5.1. Điều kiện khảo sát................................................................................... 67
5.1.1 Với 4 loại vật liệu composite ............................................................. 67
5.1.2. Với vật liệu Glass/Epoxy không đẳng hƣớng .................................... 69
5.2. Theo các phƣơng tác dụng lực Fx và Fy khác nhau ................................. 70
5.3. Nhận xét ................................................................................................. 72
CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN ................................................................................. 73
6.1. Tổ ng kế t nô ̣i dung đã thực hiê ̣n trong luâ ̣n văn ........................................ 73
6.2. Đánh giá kết quả ..................................................................................... 74
6.3. Tính khả thi của đề tài ............................................................................. 74
6.4. Những vấ n đề tồ n ta ̣i của đề tài và hƣớng phát triể n ................................ 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 76
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 77

xii


DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Vị trí hệ thống treo trong ôtô ................................................................ 4
Hình 1.2. Hệ thống treo trong xe ôtô ................................................................... 5
Hình 1.3. Cơ cấu hệ thống treo phụ thuộc ............................................................ 6
Hình 1.4. Hệ thống treo độc lập ........................................................................... 7
Hình 1.5. Một số hình ảnh về chi tiết đòn treo trên .............................................. 8
Hình 1.6. Chi tiết đòn treo trên Arm – Pect 117.14 .............................................. 9
Hình 1.7. Chi tiết đòn treo trên nhãn hiệu Arm 372.131 – XII ............................. 9
Hình 3.1. Hệ thống treo và chi tiết đòn treo trên ................................................ 26
Hình 3.2. Ràng buộc về hình học đảm bảo yêu cầu làm việc ............................. 26

Hình 3.3. Mô hình mô phỏng chi tiết đòn treo trên với hình dạng thực tế .......... 27
Hình 3.4. Sơ đồ lực tác dụng ............................................................................. 27
Hình 3.5. Mô đun Static Structural .................................................................... 28
Hình 3.6. Hộp thoại Outline Filter ..................................................................... 28
Hình 3.7. Hộp thoại Outline .............................................................................. 29
Hình 3.8. Tạo vật liệu mới ................................................................................. 29
Hình 3.9. Hiệu chỉnh Properties......................................................................... 30
Hình 3.10. Hiệu chỉnh Isotropic Elasticity ......................................................... 30
Hình 3.11. Hiệu chỉnh hệ số Young và Poison ................................................... 31
Hình 3.12. Môi trƣờng chính Worbench ............................................................ 32
Hình 3.13. Xác định dạng phần tử ..................................................................... 32
Hình 3.14. Môi trƣờng AutoCAD ...................................................................... 33
Hình 3.15. Chi tiết đòn treo trên trong môi trƣờng AutoCAD ............................ 34
Hình 3.16. Xuất file sang Ansys ........................................................................ 34
Hình 3.17. Import chi tiết vào môi trƣờng Ansys ............................................... 35
Hình 3.18. Chi tiết đòn treo trên trong môi trƣờng Ansys .................................. 35
Hình 3.19. Gán vật liệu cho chi tiết đòn treo trên............................................... 36

xiii


Hình 3.20. Chia lƣới phần tử cho chi tiết đòn treo trên. ..................................... 37
Hình 3.21. Định nghĩa vị trí ngàm cố định chi tiết đòn treo trên. ....................... 37
Hình 3.22. Định nghĩa vị trí đặt tải cho chi tiết đòn treo trên. ............................ 38
Hình 3.23. Hoàn thành vị trí đặt tải cho chi tiết đòn treo trên............................. 39
Hình 3.24. Chuyển vị của mô hình thực tế ......................................................... 40
Hình 3.25. Ứng suất của mô hình thực tế ........................................................... 40
Hình 4.1. Máy ép phun ...................................................................................... 50
Hình 4.2. Cấu tạo chung của máy ép phun. ........................................................ 51
Hình 4.3. Máy ép phun JSW.............................................................................. 52

Hình 4.4. Nguyên lý của máy ép phun JSW ...................................................... 52
Hình 4.5. Sơ đồ sản xuất Nylon 66 .................................................................... 54
Hình 4.6. Sơ đồ chế tạo sợi Cacbon ................................................................... 56
Hình 4.7. Sợi Cacbon ........................................................................................ 56
Hình 4.8. Cấu trúc vật liệu composite Nylon 66 + C/F 22% .............................. 58
Hình 4.9. Gia công chi tiết trên máy ép phun JSW ............................................ 58
Hình 4.10. Chi tiết đòn treo trên khi vừa tách khuôn ......................................... 59
Hình 4.11. Chi tiết đòn treo trên hoàn chỉnh ...................................................... 59
Hình 4.12. Chi tiết bị kéo theo phƣơng Fx+ ....................................................... 61
Hình 4.13. Biểu đồ kết quả chi tiết bị kéo theo phƣơng Fx+ .............................. 61
Hình 4.14. Chi tiết bị kéo dao động theo phƣơng Fx+, Fx- ................................ 62
Hình 4.15. Chi tiết bị kéo dao động theo phƣơng Fx+ ....................................... 63
Hình 4.16. Chi tiết bị phá hủy khi kéo theo phƣơng Fy+ ................................... 64
Hình 4.17. Chi tiết bị phá hủy khi kéo theo phƣơng Fx+ ................................... 65
Hình 5.1. Biểu đồ so sánh chuyển vị.................................................................. 68
Hình 5.2. Biểu đồ so sánh chuyển vị.................................................................. 71

xiv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Độ dẫn nhiệt của một số loại nhựa ..................................................... 21
Bảng 2.2: Khối lƣợng riêng của một số loại nhựa .............................................. 22
Bảng 2.3: Thông số một số loại nhựa ................................................................ 22
Bảng 2.4: Cơ tính của vật liệu composite nylon 66 + 50% sợi thủy tinh. ........... 22
Bảng 4.1: Tính chất cơ học của vật liệu composite Nylon 66 + G/F 20% .......... 58

Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm phá hủy theo phƣơng Fy+ ................................... 64
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm phá hủy theo phƣơng Fx+ ................................... 65
Bảng 5.1: Thông số vâ ̣t liê ̣u composite .............................................................. 67
Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng ............................................................................. 68
Bảng 5.3. Thông số vật liệu ............................................................................... 69
Bảng 5.4: Kết quả mô phỏng ............................................................................. 70
Bảng 5.5: Kế t quả khảo sát ................................................................................ 71

xv


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thực tế sản xuất và đời sống, đối với cơ khí cũng nhƣ trong các lĩnh vực
trong kỹ thuật khác đều có những kết cấu chịu tải trọng khi làm việc. Việc tính toán
thiết kế để tạo ra các kết cấu làm việc trong những điều kiện cụ thể phù hợp với yêu
cầu công việc là việc tất yếu. Vấn đề đặt ra cho các kỹ sƣ thiết kế là tính toán nhƣ
thế nào để công việc thiết kế trở nên chính xác và chi phí là thấp nhất. Hay sau khi
thiết kế thì phải kiểm tra nhƣ thế nào, chế thử và kiểm nghiệm ra sao, nhƣ thế nào
thì mới có hiệu quả cao về cả tính kinh tế và tính kỹ thuật. Hay khi tiếp xúc với một
kết cấu, muốn gia cố để tăng độ bền với mục đích sử dụng lâu dài thì phải tăng nhƣ
thế nào, ở đâu tập trung ứng suất là nhiều nhất để gia cố …
Tất cả những vấn đề đó đã dẫn con ngƣời đến việc nghiên cứu và tạo ra một
công cụ để giải quyết hữu hiệu bài toán mà thiết kế và kiểm nghiệm đƣa ra.Vì thế
phần mềm Ansys đƣợc ra đời. Thay vì phải tính toán và chế thử để kiểm nghiệm
tốn nhiều thời gian, công sức và tiền bạc ta có thể dựa vào Ansys để giải quyết một
cách hiệu quả những vấn đề phức tạp đó với mục đích là thực hiện đƣợc mục tiêu
công việc với kết quả tốt nhất.
Với xu hƣớng thiết kế và chế tạo mới đó , việc thiết kế và chế tạo ra một sản
phẩm cơ khí vừa đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật, vừa nhỏ gọn, vừa có cơ tính tốt
thực sự là xu hƣớng thiết kế và chế tạo mới trong ngành cơ khí hiện nay. Vì thế,

một trong những nhiệm vụ cơ bản của nhà chế tạo là phải không ngừng nghiên cứu
và tạo ra vật liệu mới để áp dụng vào sản phẩm cơ khí của mình để nâng cao chất
lƣợng của chúng. Với cách nhìn nhận nhƣ vậy thì việc thiết kế đòn treo trên một
mặt phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, nâng cao cơ tính làm việc của chi tiết làm việc
cũng rất cần thiết vì đây là một chi tiết chịu lực cũng rất quan trọng trong xe ô tô.
Mặt khác, bằng việc kết hợp vật liệu composite trong việc chế tạo chi tiết trên thì
khi nghiên cứu ứng suất chi tiết cũng đã có một số kết quả nghiên cứu nhất định,
mà khi áp dụng nó trong thực tế nghiên cứu cũng nhƣ sản xuất cũng sẽ đem lại hiệu
quả kinh tế cũng nhƣ khả năng hoạt động của chi tiết sẽ cao hơn.

1


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite [2]
1.1.1. Vâ ̣t liêụ composite
Vật liệu là một lĩnh vực quan trọng đối với đời sống và sản xuất công nghiệp.
Mỗi một loại vật liệu đều có những ƣu, nhƣợc điểm riêng (ví nhƣ vật liệu hữu cơ
nhẹ , bền, rẻ, dễ gia công nhƣng không sử dụng đƣợc ở nhiệt độ cao còn vật liệu vô
cơ thì chịu lực tốt, rẻ, có thể sử dụng đƣợc đƣợc ở khoảng nhiệt độ rộng nhƣng kém
bền, kết cấu nặng nề , khó gia công…). Sự phát triên mạnh mẽ của công nghệ hiện
đại dẫn tới nhu cầu to lớn về những vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết
mà các vật liệu truyến thông khi đứng riêng rẽ không thể có đƣợc và vật liệu kết
hợp hay composite ra đời vừa đáp ứng nhu cầu cấp bách đó, vừa là sản phẩm của
những công trình nghiên cứu trong nửa sau thế kỷ XX. Ngày nay, vật liệu
composite đã và đang thay thế dần các vật liệu truyền thống nhƣ: vật liệu vô cơ,

hữu cơ, kim loại,…để chế tạo ra các chi tiết máy và kết cấu kể cả các kết cấu chịu
tải trọng lớn cũng nhƣ các sản phẩm dân dụng khác.
1.1.2. Khả năng ứng dụng composite trong một số ngành công nghiệp
1.1.2.1. Ứng dụng của composite trong hàng không
Trong những năm gần đây, composite đƣợc sử dụng chế tạo các bộ phận trên
máy bay nhƣ kết cấu khung xƣơng, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hƣớng,... Theo
thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50%
composite trên toàn bộ trọng lƣợng.
Một trong những lý do quan trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu
này trong ngành hàng không là độ bền và độ cứng tƣơng đối trên trọng lƣợng riêng
của composite lớn. Điều này làm giảm tự trọng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu,
giảm ô nhiễm môi trƣờng và tăng hiệu quả kinh doanh. composite còn đƣợc sử dụng
để chế tạo các chi tiết hình dáng phức tạp, góp phần làm giảm số lƣợng chi tiết trên
máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi phí lắp đặt sản phẩm.
Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt đối với sóng rada, đặc

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó còn đƣợc sử dụng nhiều
trong công nghệ vũ trụ.
1.1.2.2. Vật liệu composite trong ngành vận tải
Ứng dụng của composite trong ngành vận tải là rất lớn. Loại vật liệu mới này
cho phép chế tạo các phƣơng tiện vận tải nhẹ hơn. Điều đó đồng nghĩa với việc tiết
kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở và giảm ô nhiễm môi trƣờng. Composite
đƣợc sử dụng chế tạo thân và các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao trong các
xe đua cũng nhƣ xe ô tô thƣơng mại.
Ngày nay các toa xe tàu hỏa cũng đƣợc chế tạo bằng vật liệu composite. Hiệu

quả của nó làm giảm thiểu tự trọng của các toa xe và đoàn tàu, tăng lƣợng hàng
chuyên chở, tăng hiệu suất vận tải đƣờng sắt.
Đặc biệt hơn, với yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trƣờng, các dòng
động cơ mới nhƣ động cơ điện, fuel cell đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thị trƣờng xe
cơ giới. Hạn chế của các loại động cơ mới này là dung tích acquy sử dụng cho xe
không cao, hạn chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lƣợng xe là rất cấp
thiết cho các phƣơng tiện sử dụng công nghệ xanh. Do đó, vật liệu composite đƣợc
sử dụng tối đa trong chế tạo thân vỏ và các chi tiết trong thế hệ xe sạch này.
1.1.2.3. Vật liệu composite trong ngành đóng tàu
Composite đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàu thuyền, xuồng
cỡ nhỏ, cano... do chi phí đầu tƣ chế tạo phƣơng tiện bằng vật liệu này thấp hơn sản
phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng gỗ, nhôm hoặc thép. Bên cạnh đó, yêu cầu
về tay nghề của công nhân cũng đơn giản hơn.
Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo dƣỡng rất ít,
không bị ăn mòn, han rỉ hay ảnh hƣởng của môi trƣờng nƣớc biển. Composite cũng
đƣợc sử dụng trong các tàu quân sự do tính trong suốt với rada của loại vật liệu này.
1.1.3. Ứng dụng composite trong lĩnh vực cơ khí
Khi thay thế thép bằng vật liệu composit thì sự thay thế thép bằng các vật liệu
mới có liên quan đến các tính chất đặc biệt và bản chất vật liệu của chúng.
Trong các vật rắn nhƣ thép và các kim loại khác luôn tồn tại những vết đứt gãy tế

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

vi trong mạng tinh thể. Số lƣợng của chúng có thể lên tới nhiều tỷ trong 1cm3, làm
yếu kim loại và không cho phép tăng độ bền của chúng lên một cách đáng kể. Nhờ
những tính chất ƣu việt, vật liệu polyme composite cho phép đạt đƣợc độ bền nén
lớn hơn nhiều so với thép.

Hiện nay vật liệu composite đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí, từ
những bộ phận phụ kiện trang trí bên ngoài của máy móc cho tới áp dụng chế tạo
cho những linh kiện hoạt động chịu tải cao và liên tục nhƣ bánh răng, cánh quạt tàu
thủy, các chi tiết buồng phản lực của máy bay,…và trong tƣơng lai không xa có lẽ
vật liệu composite sẽ dần thay thế các vật liệu đơn chất truyền thống để đáp ứng
nhu cầu phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao.
1.2. Giới thiệu chung về hệ thống treo
Hệ thống treo (hình 1.1) bao gồm thanh ổn định, lò xo và bộ giảm chấn đƣợc
nối với thân xe thông qua bánh và thực hiện các chức năng khi xe chuyển động, nó
cùng với lốp hấp thụ và cản lại các rung động, các dao động và các va đập tác dụng
lên xe do mặt đƣờng không bằng phẳng để bảo vệ hành khách, hành lý và cải thiện
tính ổn định chuyển động. Mặt khác nó cũng làm nhiệm vụ truyền lực kéo và lực
phanh sinh ra do ma sát giữa mặt đƣờng và các bánh xe đến gầm và thân xe, đỡ thân
xe trên các cầu và đảm bảo mối liên hệ hình học chính xác giữa thân và các bánh xe
[1].

Hình 1.1. Vị trí hệ thống treo trong ôtô

4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

Nhƣ đã tìm hiểu trong các chƣơng trƣớc, đòn treo trên là một chi tiết trong hệ
thống treo (hình 1.2) (bao gồm lò xo, bộ giảm chấn, đòn treo và thanh ổn định) của
ô tô tải nhẹ. Trong đó, lò xo có nhiệm vụ làm êm dịu các va đập từ mặt đƣờng (chịu
lực theo phƣơng thẳng đứng). Bộ giảm chấn cải thiện tính êm dịu chuyển động
bằng cách hạn chế sự dao động tự do của các lò xo. Đòn treo trên ngăn cản sự lắc
ngang của xe (chịu lực theo phƣơng dọc và phƣơng ngang) và thanh ổn định (thanh
nối) giữ những cụm trên đúng vị trí và điều khiển sự di chuyển ổn định của xe.

1.Ống giảm chấn; 2. Khớp nối trên;3. Mặt bích; 4. Lò xo trụ; 5. Đòn treo trên; 6. Khớp
cầu; 7. Đòn nối; 8. Đòn treo dưới; 9. Khớp nối tay đòn dưới; 10.Thanh liên kết
Hình 1.2. Hệ thống treo trong xe ôtô
1.2.1. Phân loại
- Về cơ bản hệ thống treo có thể chia ra các loại:
+ Hệ thống treo phụ thuộc
+ Hệ thống treo độc lập
1.2.2. Yêu cầu
Hệ thống treo phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau:
- Có tần số dao động riêng thích hợp
- Có độ dập tắt dao động của vỏ và bánh xe thích hợp
- Khi quay vòng hoặc thắng thì vỏ ôtô không bị nghiêng
1.2.3. Các kiểu hệ thống treo và đặc điểm [1]

5


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.2.3.1. Hệ thống treo phụ thuộc
Hệ thống treo phụ thuộc (hình 1.3) gồ m các bánh xe đƣợc nối trên 1 dầm cầu
liền, các chi tiết hệ thống treo sẽ nối dầm cầu với thân xe.

Hình 1.3. Cơ cấu hệ thống treo phụ thuộc
So với hệ thống treo độc lập (hình 1.4) thì các chi tiết ít và đơn giản hơn, độ bền
cao và phù hợp với các loại ôtô tải. Do khối lƣợng phần không đƣợc treo lớn nên
kém êm dịu và ổn định, xe dễ bị rung động,…Bộ phận đàn hồi có thể là lò xo,
nhíp,…
Hệ thống treo phụ thuộc có các đặc điểm sau:

- Số lƣợng các chi tiết ít, cấu tạo đơn giản, dễ bảo dƣỡng.
- Đủ độ bền cho tải nặng
- Khi quay vòng, thân xe chỉ nghiêng một ít.
- Chỉ có một chút thay đổi về góc đặt bánh xe, khi bánh xe di chuyển lên xuống
nên bánh xe ít bị mòn.
- Vì khối lƣợng không đƣợc treo (các bánh xe và các cầu xe…) lớn, nên tính êm
dịu chuyển động kém.
- Sự chuyển động của các bánh xe bên trái và bên phải ảnh hƣởng lẫn nhau nên
sự rung động và sự dao động dễ xảy ra hơn.
1.2.3.2. Hệ thống treo độc lập
Hệ thống treo độc lập (hình 1.4) gồ m có các bánh xe đƣợc gắn với thân xe một

6


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

cách độc lập nên chúng có thể dịch chuyển độc lập với nhau.

Hình 1.4. Hệ thống treo độc lập
So với hệ thống treo phụ thuộc phần không đƣợc treo nhỏ nên khả năng bám
đƣờng của bánh xe cao, tính êm dịu chuyển động cao,...Do không có dầm cầu liền
nối than xe nên có thể bố trí trọng tâm xe thấp đi, nhƣng ngƣợc lại hệ thống treo
độc lập có cấu trúc phức tạp hơn,…
Hệ thống treo độc lập có các đặc điểm sau:
- Khối lƣợng không đƣợc treo nhỏ và đặc tính bám đƣờng của các bánh xe tốt. Vì
vậy, êm dịu chuyển động và tính ổn định tốt.
- Trong hệ thống treo độc lập, các lò xo chỉ đỡ thân xe, nó không có tác dụng định
vị các bánh xe (đó là chức năng của các thanh liên kết).
- Do không có sự nối cứng giữa bánh xe bên trái và bánh xe bên phải nên có thể hạ

thấp sàn xe và vị trí lắp động cơ. Có nhĩa là có thể hạ thấp trọng tâm xe và khoang
hành khách cũng nhƣ khoang hành lý có thể làm rộng hơn.
- Có cấu tạo phức tạp hơn.
- Khoảng cách bánh xe và các góc đặt bánh xe thay đổi cùng với sự dịch chuyển
lên, xuống của các bánh xe.
Một trong những bộ phận của hệ thống treo mà tác giả nghiên cứu là chi tiết đòn
treo trên. Nếu nhƣ hệ thống treo thƣờng gồm các cụm chính là các lò xo, làm êm
dịu các va đập từ mặt đƣờng chịu lực theo phƣơng thẳng đứng, các giảm chấn để

7


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

cải thiện tính êm dịu chuyển động bằng cách hạn chế sự dao động tự do của các lò
xo, thì chi tiết đòn treo trên ngăn cản sự lắc ngang của xe, nó chịu các lực theo
phƣơng dọc và phƣơng ngang, trong khi đó các thanh nối (thanh giằng) để giữ
những cụm trên đúng vị trí và điều khiển sự di chuyển ổn định của xe.
Các chi tiết đòn treo trên trƣớc đây (hình 1.5) đều đƣợc chế tạo bằng thép vừa
cồng kềnh vừa nặng nề và cơ tính làm việc không tốt. Nên tác giả muốn thay đổi vật
liệu chế tạo chi tiết đòn treo trên bằng vật liệu composite, để chế tạo cũng nhƣ so
sánh về độ bền và khả năng làm việc giữa chi tiết đòn treo trên làm bằng vật liệu
composite với vật liệu truyền thống.

Hình 1.5. Một số hình ảnh về chi tiết đòn treo trên
1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố
Hiện nay đòn treo trên đƣợc nhiều hãng xe hơi phát triển với nhiều kích cỡ và
chủng loại khác nhau tùy theo hãng. Tuy nhiên, các bài báo và các công nghiên cứu
công bố trong nƣớc về đòn treo trên làm từ vật liệu composite chƣa có. Một số công
trình nghiên cứu về chi tiết đòn treo trên ở ngoài nƣớc cũng đã nghiên cứu chế tạo

và chạy thử nghiệm nhƣng cũng chƣa đƣa vào sử dụng trên thực tế.
Một số sản phẩm của một số nhà sản xuất nƣớc ngoài đã công bố:

8


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.6. Chi tiết đòn treo trên Arm – Pect 117.14
Chi tiết đòn treo trên Arm – Pect 117.14 nhãn hiệu Arrowmax (hình 1.6) đƣợc
phát triển và quản lý bởi Công ty TNHH Sản phẩm vật liệu mới Freemax
Arrowmax. Hiện tại sản phẩm đã đƣợc công bố chế tạo xong, đang trong thời gian
kiểm tra, phát triển và sử dụng thử nghiệm.

Hình 1.7. Chi tiết đòn treo trên nhãn hiệu Arm 372.131 – XII
Hãng xe đua Acer Racing chuyên sản xuất các loại xe đua nổi tiếng, chuyên
phục vụ cho những đƣờng đua từ bằng phẳng đến khắc nghiệt. Với nhu cầu ngày
càng cao về chất lƣợng xe đua lẫn cấu trúc gọn nhẹ của xe đua trong quá trình thi
đấu, hãng Acer Racing đã phát triển và chế tạo thử nghiệm chi tiết đòn treo trên làm
bằng vật liệu composite (hình 1.7) nhằm tăng tính bền của cơ cấu cụm bánh xe và
làm giảm khối lƣợng của cơ cấu. Hiện tại sản phẩm cũng đã đƣợc công bố chế tạo
xong, đang trong thời gian kiểm tra, phát triển và sử dụng thử nghiệm.
Một số kết quả nghiên cứu về vật liệu composite khác trong nƣớc đã công bố:
+ Lê Minh Đức, Nghiên cứu chế tạo, ứng dụng của vật liệu nano composite

9


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

trên cơ sở polymer dẫn điện Polypyrrole, Polyaniline.
+ Đoàn Thị Thu Loan, Nghiên cứu vật liệu Diatomite - Vật liệu composite từ
sợi đay - Vật liệu Silicagel từ nguồn nguyên liệu trong nƣớc và biến tính bằng
Nanocacbon.
+ Đoàn Thị Thu Loan, Nguyễn Đình Lâm, Nghiên cứu Vật liệu Diatomite –
Vật liệu composite từ sợi đay – Vật liệu Silicagel biến tính từ nguồn nguyên liệu
trong nƣớc và biến tính bằng Nanocacbon
+ TS. Đoàn Thị Thu Loan, Nghiên cứu vật liệu Diatomite – Vật liệu
composite từ sợi đay – Vật liệu Silicagel biến tính từ nguồn nguyên liệu trong nƣớc
và biến tính bằng Nanocacbon
+ Đoàn Thị Thu Loan, Phạm Cẩm Nam, Nguyễn Thị Diệu Hằng, Nguyễn
Đình Lâm Nghiên cứu vật liệu Diatomite - Vật liệu composite từ sợi đay - Vật liệu
silicagel từ nguồn nguyên liệu trong nƣớc và biến tính bằng nanocacbon.
+ Đoàn Thị Thu Loan, Nghiên cứu tăng cƣờng tính năng cơ học của vật liệu
composite trên cơ sở sợi tự nhiên bằng phƣơng pháp biến tính bề mặt sợi.
+ Phạm Ngọc Anh, Nghiên cứu vật liệu composite trên cơ sở chất kết dính
polymer và các phụ gia vô cơ, kim loại.
+ Lê Minh Đức, Ths. Dƣơng Thế Hy, Nguyễn Thị Hƣờng, Lâm Đại Tú,
Nghiên cứu biến tính lớp phủ hữu cơ „„thông minh‟‟ bằng vật liệu có kích thƣớc
nano và khả năng ứng dụng.
Các đề tài trong nƣớc nói chung đã và đang đi nghiên cứu sâu về vật liệu
composite song chƣa có đề tài nào trong nƣớc đi theo định hƣớng nghiên cứu và
phát triển đòn treo trên bằng vật liệu composite.
1.4. Mục đích của đề tài
Qua tìm hiểu ta thấy đòn treo trên là một chi tiết quan trọng trong hệ thống xe
hơi, nhƣng hiện nay tất cả đòn treo trên của các hãng xe đều đƣợc thiết kế và chế
tạo bằng kim loại, vừa cồng kềnh, khối lƣợng nặng lại vừa độ bền, độ dẻo dai của
cơ tính không tốt. Mặt khác ta thấy composite là một loại vật liệu rất đa dạng về cấu
trúc cũng nhƣ có thể khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của vật liệu đồng nhất. Do

10


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

đó, học viên muốn thực hiện đề tài nghiên cứu với mục đích nghiên cứu và phát
triển đòn treo trên bằng vật liệu composite nhằm tăng tính bền, độ dẻo dai của cơ
tính cũng nhƣ đƣợc gọn và nhẹ hơn chế tạo bằng vật liệu truyền thống.
Nghiên cƣ́u phát triể n chi tiết đòn treo trê n bằ ng vâ ̣t liê ̣u composite là một phần
trong dự án nghiên cứu phát triển hệ thống giảm xóc của ô tô tải nhẹ bằng vật liệu
composite của công ty Huyndai

- Hàn Quốc hơ ̣p tác với

phòng thí nghiê ̣m

Advanced Material - Đa ̣i Học Yeung Nam - Hàn Quốc và giáo viên hƣớng dẫn TS.
Đỗ Thành Trung.
Dựa trên những ƣu thế đặc biệt của vật liệu composite nhƣ: giảm trọng lƣợng,
tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn ,…Và xuất phát
từ thực tế đó, học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển đòn treo trên (Upper
arm) bằng vật liệu composite”.
Thời gian gần đây việc áp dụng vật liệu composite trong việc chế tạo cũng nhƣ
thiết kế chi tiết đã đem lại những thành công nhất định, học viên cũng hƣớng nghiên
cứu và phát triển chi tiết đòn treo trên theo định hƣớng trên trong quá trình nghiên
cứu của mình.
1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Nhiệm vụ của đề tài: Do đề tài đƣợc thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu và
phát triển sản phẩm, với phƣơng pháp chế tạo cũ dựa trên vật liệu truyền thống
(thép) thì chi tiết rất cồng kềnh, nặng nề, cơ tính kém,...Do đó, nhiệm vụ đề tài đặt

ra là nghiên cứu và phát triển sản phẩm chi tiết đòn treo trên sao cho giảm khối
lƣợng, kết cấu chi tiết đơn giản và đồng thời tăng đƣợc cơ tính của chi tiết.
Cụ thể đề tài sẽ đi vào giải quyết các vấn đề sau đây:
+ Nghiên cứu cấu tạo, điều kiện làm việc của chi tiết đòn treo trên.
+ Nghiên cứu vật liệu composite.
+ Dựa vào ƣu điểm của vật liệu composite và thực tế yêu cầu kỹ thuật của chi
tiết đòn treo trên mà tính toán, thiết kế tối ƣu chi tiết đòn treo trên với vâ ̣t
liê ̣u composite bằng phần mềm Ansys.
+ Chế ta ̣o và thí nghiê ̣m.

11