Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN PHÚC HÒA

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG Ô TÔ
TẢI NHỎ SẢN XUẤT, LẮP RÁP TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2017

1


Công trình đƣợc hoàn thành tại:
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Dƣ Quốc Thịnh
2. PGS.TS. Lê Hồng Quân

Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Hải Triều

Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Tần

Phản biện 3: TS. Nguyễn Tuấn Anh

Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trƣờng, họp tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội
vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện:
1. Thƣ viện Tạ Quang Bửu - Trƣờng ĐHBK Hà Nội
2. Thƣ viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm chi tiết trên ô tô tại Việt Nam, cần phải có
đầu tƣ đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu thiết kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệ thống
truyền lực, nhằm phát triển sản phẩm có chất lƣợng cao.
Cầu chủ động là một trong những cụm chi tiết quan trọng của hệ thống truyền lực trên ô tô, có
nhiệm vụ chứ tất cả các ộ phận truyền lực n n cần có độ bền và độ cứng vững c o. Trong
điều kiện c n nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, tr ng thiết ị thí nghiệm nhƣ hiện n y thì
phƣơng pháp đánh giá ph hợp nhất cho các nhà kho học Việt N m là đánh giá độ bền ằng
l thuyết.
Chính vì vậy, đề tài "Nghiên cứu độ bền vỏ cầu chủ động ô tô tải nhỏ sản xuất, lắp ráp tại
Việt Nam" là một công trình khoa học cần thiết nhằm góp phần tạo dựng cơ sở lý thuyết phục
vụ cho việc đánh giá chất lƣợng của sản phẩm và hoàn thiện qui trình thiết kế hệ thống.
Mục đích của luận án:
y ựng phƣơng pháp đánh giá độ ền v cầu ô tô tải ằng tính toán l thuyết; khảo sát độ
bền và đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu v cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp
tại Việt Nam.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tƣợng nghi n cứu củ luận án đƣợc lựa chọn là v cầu chủ động ô tô tải DongFeng DV
2.5, tải trọng 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
Đánh giá độ ền tĩnh và ền m i v cầu ô tô tải nh tải trọng 2,45 tấn sản xuất, lắp ráp tại

Việt N m trong các điều kiện sử dụng cụ thể, bao gồm chuyển động đặc trƣng tr n đƣờng với
4 trƣờng hợp nặng nhọc nhất và chuyển động tr n đƣờng thực với mấp mô ngẫu nhi n th o
tiêu chuẩn ISO).
Nội dung và bố cục của luận án:
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 phần chính: phần 1: Tổng quan; phần 2: Xây dựng
mô hình tính toán và đánh giá độ ền v cầu chủ động ô tô tải; phần 3: Khảo sát đánh giá độ
ền v cầu; phần 4: Thí nghiệm xác định tải trọng tác động l n v cầu. Ngoài r c n có phần
kết luận và tài liệu tham khảo. Toàn bộ nội ung đƣợc trình ày trong 136 tr ng, trong đó có
23 bảng, 134 hình và đồ thị, 78 tài liệu tham khảo. Phần lớn kết quả của luận án đã đƣợc công
bố với 5 ài áo đăng trong các tạp chí trong nƣớc và hội nghị quốc tế.
Những kết quả mới của luận án:
- Mô hình xác định tải trọng tĩnh và động tác động lên v cầu để đánh giá độ bền của v cầu
ở các chế độ làm việc đặc trƣng.
-

ô hình đánh giá độ bền của v cầu chủ động xe tải nh

1

độ bền phá hủy và độ bền m i).


- Qui trình đánh giá độ bền và đề xuất cải tiến kết cấu của v cầu th o hƣớng giảm khối lƣợng
vật liệu gia công và giảm tập trung ứng suất trên v cầu.
- Phƣơng pháp và thí nghiệm hợp l để đo tải trọng trọng động lên v cầu khi xe chuyển động
tr n đƣờng thực. Kết quả so sánh giữa thí nghiệm và mô ph ng với sai số chấp nhận đƣợc.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Luận án đã sử dụng bộ thông số và kết cấu thực của sản phẩm xe tải sản xuất, lắp ráp trong
nƣớc, thí nghiệm kiểm chứng đƣợc thực hiện trong điều kiện thực với các thiết bị hiện có tại
Việt Nam.

- Các đề xuất về cải tiến đƣợc áp dụng trên mô hình v cầu có tham khảo các công nghệ chế
tạo hiện đ ng áp ụng tại Việt Nam, cho phép thử nghiệm để tiến tới chế tạo thử nhằm giảm
chi phí sản xuất thực tế.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Xây dựng phƣơng pháp xác định tải trọng động tác động lên v cầu bằng mô hình, làm cơ sở
cho việc lựa chọn hợp lý các thông số kết cấu khi tính toán cầu chủ động trong hệ thống
truyền lực tại Việt Nam.
- Xây dựng đƣợc phƣơng pháp đánh giá độ bền và đề xuất cải thiện kết cấu nhằm n ng c o độ
bền của chi tiết, làm cơ sở khoa học để xây dựng các mô hình đánh giá độ bền của các sản
phẩm thiết kế, chế tạo trong nƣớc, góp phần hoàn thiện qui trình thiết kế các chi tiết, cụm chi
tiết trong cầu chủ động nói riêng và hệ thống truyền lực nói chung.
- Luận án có thể đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất ô tô tải tại Việt
Nam trong quá trình nghiên cứu phát triển thiết kế mới cũng nhƣ đánh giá độ bền của các chi
tiết của ô tô tải cùng loại.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô tải
Trong bối cảnh chung của ngành công nghiệp ô tô Việt N m s u hơn 20 năm x y ựng và
phát triển vẫn đ ng sở hữu một ngành công nghiệp ô tô quy mô nh với công nghệ lạc hậu.
Để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các hệ thống cho ô tô, thì cần phải có đầu
tƣ chiều s u, đặc biệt là đầu tƣ cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lƣợng
cao.
1. Vỏ cầ chủ động

t tải

i ộ phận củ cầu chủ động thực hiện một chức năng ri ng, trong đó v cầu chủ động là
hộp chứ toàn ộ các chi tiết trong cụm cầu chủ động. V cầu c n thực hiện chức năng củ
ầm đ toàn ộ phần trọng lƣợng phí s u củ ô tô và chịu các tải trọng t tƣơng tác ánh x
với đƣờng. Vì vậy, kết cấu củ v cầu phải đảm ảo độ ền và đặc iệt là độ cứng vững để

không ảnh hƣởng đến điều kiện làm việc củ các ộ phận n trong.

2


Đối với các loại ô tô tải nh , loại v cầu kiểu ầm liền r ng giữ đƣợc sử ụng phổ iến o có
kết cấu đơn giản và thuận tiện cho quá trình ảo ƣ ng sử chữ . Hiện n y, đối với v cầu ô
tô tải g ng cầu vẫn là loại vật liệu đƣợc sử ụng phổ iến hơn cả. G ng cầu có nhiều chủng
loại khác nh u với ứng suất giới hạn nằm trong khoảng 460 - 920 P và giới hạn chảy 310 670 P . Giới hạn ền m i củ g ng cầu thƣờng lớn hơn 200 P và số chu k g y m i nằm
trong khoảng 106 – 108.
V cầu phải chịu tác ụng củ các lực và mô m n t các ánh x chủ động truyền l n c ng
với các lực tƣơng tác với hệ thống tr o. Do ô tô tải thƣờng xuy n phải hoạt động tr n đƣờng
xấu n n ầm cầu phải chịu tải trọng động iến thi n li n tục với i n độ lớn.
1. Độ ền vỏ cầ v c c phư ng ph p đ nh gi
Để đánh giá độ ền v cầu th o phƣơng pháp truyền thống, ngƣời t thƣờng tính toán cho
trƣờng hợp đặc trƣng với các tải trọng cực đại. C ng với sự phát triển củ các phần mềm tính
toán chuy n ụng, phƣơng pháp tính toán v cầu ằng PTHH đã trở thành công cụ đắc lực
cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá độ ền v cầu.
Trong nghi n cứu phát triển, ngƣời t thƣờng đánh giá độ ền v cầu ằng phƣơng pháp thực
nghiệm. Phƣơng pháp này đ i h i chi phí lớn cho thiết ị đo và mẫu v cầu để thí nghiệm
cũng nhƣ thời gi n thực hiện ài và chi phí lớn.
1. C c hướng nghi n cứ về độ ền vỏ cầ chủ động
1. .1 Đ nh gi độ ền th o tải t ọng cực đại
Đ y là phƣơng pháp đánh giá đƣợc coi là truyền thống, độ ền củ v cầu đƣợc đánh giá th o
các giá trị tải trọng cực đại đạt đƣợc trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng.
1. . Đ nh gi độ ền t ong điề kiện tải t ọng động
Phƣơng pháp tính ền tĩnh tr n đ y chỉ ph hợp với ô tô chuyển động ở vận tốc thấp và khối
lƣợng không lớn. Khi ô tô chuyển động với vận tốc lớn thì quán tính củ các ộ phận có khối
lƣợng lớn sẽ sinh r các tải trọng động có ảnh hƣởng đáng kể đến độ ền phá hủy và độ bền
lâu củ v cầu..

1. . Đ nh gi độ ền mỏi
1431
Kích thích t mặt đƣờng g y n n tải trọng động iến thi n li n tục th o thời gi n tác ụng l n
v cầu. Hiện n y phƣơng pháp mô tả mấp mô mặt đƣờng ằng hàm ngẫu nhi n đã đƣợc chuẩn
hoá th o ti u chuẩn ISO 8608:1995.
1432
Để đánh giá độ ền l u củ chi tiết chịu tải trọng lặp có chu k , ngƣời t thƣờng sử ụng
đƣờng cong m i đo ằng thực nghiệm c n gọi là đƣờng cong S – N . Các kết quả nghi n cứu
thực nghiệm đã cho thấy, số chu k tải tác động tƣơng ứng với giới hạn m i đối với th p và
g ng thƣờng nằm trong khoảng t 106 đến 108.
3


1. C c c ng t nh nghi n cứ t ong nước v vấn đề nghi n cứ của l ận n
Các công trình nghiên cứu chung về hệ thống truyền lực ô tô cũng c n khá khi m tốn và các
công trình nghi n cứu về độ ền m i cũng không nhiều. Việc đánh giá độ ền củ v cầu là
rất phức tạp. Trong điều kiện thiếu thốn về cơ sở vật chất, tr ng thiết ị thí nghiệm nhƣ hiện
n y thì phƣơng pháp đánh giá ph hợp nhất cho các nhà kho học Việt N m là đánh giá ằng
l thuyết.
1.6 Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nghi n cứu củ luận án là v cầu chủ động ô tô tải DongF ng DV 2.5, tải trọng
2.45 tấn. V cầu củ ô tô này thuộc loại ầm liền r ng giữ , đ c ằng g ng cầu.
1.7 Nội dung của Luận án
1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu
y ựng phƣơng pháp đánh giá độ ền v cầu ô tô tải ằng tính toán l thuyết; khảo sát độ
bền và đề xuất giải pháp cải thiện kết cấu v cầu chủ động xe tải nhẹ 2.45 tấn sản xuất, lắp ráp
tại Việt Nam.
1.7. Phư ng ph p nghi n cứu
Luận án sử dụng phƣơng pháp nghi n cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình 3D v cầu ô tô tải và khảo sát đánh giá độ ền

ằng phần mềm ph n tích kết cấu chuy n ụng;
y ựng mô hình động lực học củ ô tô
phục vụ cho việc xác định tải trọng động tác ụng l n cầu chủ động trong các điều kiện
chuyển động đặc trƣng; Khảo sát đánh giá độ ền v cầu ằng phần mềm chuy n ụng và đề
xuất một số giải pháp cải thiện kết cấu v cầu.
- Nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng mô hình động lực học ô tô ằng cách đo
các lực tác động l n v cầu chủ động khi chuyển động qu mấp mô với các thông số hình học
định trƣớc.
1.7.3 Phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu, đánh giá độ ền tĩnh và ền m i v cầu ô tô tải nhẹ tải trọng 2,45 tấn
trong các điều kiện chuyển động đặc trƣng s u: Chuyển động tr n đƣờng với các trƣờng hợp:
lực k o, lực ph nh và lực th ng đứng cực đại; Chuyển động qu mấp mô đơn ạng sin;
Chuyển động tr n đƣờng với mấp mô ngẫu nhi n.
1.7.4 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm:
Chƣơng 1. Tổng quan
Chƣơng 2.

y ựng mô hình tính toán và đánh giá độ ền v cầu chủ động ô tô tải

Chƣơng 3. Khảo sát đánh giá độ ền v cầu
Chƣơng 4. Thí nghiệm xác định tải trọng tác động l n v cầu

4


CHƯƠNG . X Y
NG
H NH T NH T
N V Đ NH

GI ĐỘ ỀN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG X TẢI
.1 C c chế độ tải t ọng v phư ng ph p đ nh gi độ ền vỏ cầ
2.1.1 C c tải t ọng t c ụng l n vỏ cầ chủ động của

t tải

2b2
a

a
FZn21

FZ21

FZn22

Fyn21

Myi

FZ22

Fyn22

r2

Fy21

Fy22

Fxi

a)

c)

Fx21

Fx22
A

Fy21

C

Fy22

Fyn22
Fyn21
Fxn21

Fxn22

b)
Hì

21S

ồ

ụ

Trong mặt ph ng ng ng hình 2.1 , v cầu chịu tác ụng củ các phản lực t mặt đƣờng FZ21,
FZ22 và các lực t nhíp FZn21 và FZn22. Trong mặt ph ng song song với mặt đƣờng hình 2.1 ,
v cầu chịu tác ụng củ các lực ọc Fx21 và Fx22 lực k o hoặc ph nh và lực t nhíp truyền
qu các gối đ Fxn21 và Fxn22. Trong chuyển động qu y v ng có th m các lực ng ng Fy21, Fy22
đặt tại vết tiếp x c ánh x với mặt đƣờng. Đồng thời tại vị trí lắp nhíp sẽ có các lực Fyn21 và
Fyn22. Ngoài các lực tr n, v cầu chủ động c n phải chịu mô m n xoắn o tác ụng t mô m n
truyền tới cầu chủ động và củ các lực Fx2i tr n án kính ánh x r2 (hình 2.1c).
.1. X c đ nh tải t ọng th o phư ng ph p t

ền thống

kéo
b

.

phanh

.

.
.
.1. Tính to n vỏ cầ trên mô hình
2131

ng phần mềm ch
trên mô hình 3D
5

n ụng


Các phần mềm ph n tích kết cấu hiện n y sử ụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán
xác định ứng suất tại các phần tử tr n v cầu. Ƣu điểm củ phƣơng pháp tính ền tr n mô
hình 3D là cho ph p đặt các tải trọng th o đ ng điều kiện thực tế và xuất r kết quả tại t ng
phần tử tr n chi tiết.
2132

ụ

Các lực và mô m n tác động l n v cầu iến thi n li n tục trong quá trình chuyển động củ ô
tô. Để xác định lực và mô m n này cần phải x y ựng mô hình chuyển động tổng quát củ ô
tô và tính toán cho các điều kiện vận hành thực tế. Việc x y ựng mô hình chuyển động tổng
quát củ ô tô đƣợc mô tả chi tiết trong mục 2.2.
2133
Để mô tả hàm kích thích t mặt đƣờng tác động l n các ánh x củ cầu chủ động, ngƣời t
thƣờng sử ụng các loại mấp mô khác nh u. uận án sẽ sử ụng h i ạng mấp mô: mấp mô
đơn ạng sin và mấp mô th o i n ạng đƣờng ngẫu nhi n đƣợc xác định th o ti u chuẩn ISO
8608:1995.
.1. Tính to n ền mỏi vỏ cầ
2141
Giới hạn ền m i cũng có thể đƣợc tính th o ứng suất giới hạn củ vật liệu Su (ultimate tensile
strength) [66]:
Se'  0,5Su , với Su ≤ 1400

P ;

(2.34)

Se'  700 , với Su > 1400 Mpa.

Đối với vật liệu ằng g ng :

Se'  0, 4Su ([55])

Các kết quả nghi n cứu thực nghiệm 55, 56, 59, 61, 66 cho thấy, đối với g ng và th p, số
chu k tải tƣơng ứng với giá trị S’e tr n đồ thị S-N thƣờng nằm trong khoảng 106 – 108.
2142
Tuổi thọ củ chi tiết phụ thuộc chủ yếu vào 2 thông số củ tải trọng tác động, đó là a và m.
Vì vậy, để đánh giá độ ền m i củ chi tiết, ngƣời t thƣờng sử ụng mối qu n hệ giữ h i
thông số tr n để đánh giá độ ền m i thông qu các đƣờng đồng tuổi thọ ở giới hạn ền m i
(hình 2.6 .

ối qu n hệ giữ a và m tạo thành ti u chuẩn đánh giá độ ền m i. 4 ti u chuẩn

về bền m i thƣờng đƣợc sử dụng 56 : Ti u chuẩn So r rg, ti u chuẩn Goo m n, ti u
chuẩn th o giới hạn chảy và ti u chuẩn G r r. uận án sử ụng phần mềm Hyp r orks để
tính toán, ứng suất g y m i e đƣợc xác định th o ti u chuẩn Goodman:

a m 1


 e Su n
Các giá trị ứng suất a, m đƣợc lấy t kết quả tính toán th o tải trọng động. Giới hạn ền củ
Su đƣợc chọn th o vật liệu và hệ số n toàn n đƣợc chọn th o y u cầu thiết kế 61 .
6

2.2

h nh tính to n ền vỏ cầ chủ động

ng phần mềm H p Wo k

HyperWorks 13.0 là phiên bản mới trong bộ phần mềm CAE của công ty Altair (Mỹ). Trong
luận án sử dụng 3 mo ul ƣu việt của HyperWorks 13.0 trong việc tính toán ph n tích độ bền
của v cầu: Hyp r sh chi lƣới cấu trúc), OptiStruct (các giải pháp tối ƣu, các ài toán tĩnh
và động) và SolidThinking (tối ƣu hó kết cấu). Các ƣớc xác lập mô hình tính toán bền một
chi tiết trong HyperWorks về cơ ản cũng nhƣ các phần mềm CAE khác.
2.2.1 Mô hình 3D vỏ cầu chủ động xe tải
Trong nghiên cứu này, mô hình 3D của
v cầu chủ động ô tô tải đƣợc xây dựng
bằng phần mềm Catia (hình 2.7), s u đó
đƣợc đƣ vào Hyp r orks
2.2.2 Gán vật liệu
HyperWorks cung cấp kho vật liệu lớn
đã đƣợc kiểm chứng thực tế. Với v cầu
chủ động ô tô tải, vật liệu thƣờng đƣợc
sử dụng là gang cầu.

Hình 2.7 Mô hình v c u ch

ng xe t i

. . Chia lưới
Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp
chi lƣới đƣợc chọn là kiểu tự động kết
hợp với điều chỉnh lƣới bằng tay. Phần

tử đƣợc chọn là phần tử tiêu chuẩn tetras
có kích thƣớc là 5mm. Mô hình bao gồm
451976 phần tử và 110946 nút.
Việc kiểm chứng mô hình chi lƣới đã
đƣợc kiểm soát theo các tiêu chuẩn đƣợc
đề ra bởi các nhà nghiên cứu phát triển
và ứng dụng phần mềm chuyên dụng.
Các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng lƣới
đƣợc dựa trên kết quả đánh giá độ lệch
của phần tử so với phần tử tiêu chuẩn.

Hình 2.9 M ì
i v c u trong HyperMesh v i
ph n tử tiêu chuẩ ó
c là 5 mm

. . Đặt ràng buộc
Với kết cấu cầu chủ động có bán trục giảm tải hoàn toàn, vị trí gối đ chặn tại 2 đầu v cầu
đƣợc mô ph ng bằng ràng buộc dịch chuyển th o 3 phƣơng (vị trí lắp ổ bi).
Tại tâm cầu chủ động, mô men xoắn sinh ra t động cơ truyền xuống trong trƣờng hợp xe
chuyển động th ng sẽ tác động lên v cầu. Trong trƣờng hợp này, mô men xoắn tác động lên
v cầu trong khoảng giữa 2 vị trí đặt nhíp. Do đó trong mô hình mô ph ng, ràng buộc mô men
xoắn đƣợc đặt tại tâm cầu.
7


. . Đặt lực
Ngoại lực tác dụng lên v cầu là các thành phần phản lực đặt tại vị trí bắt nhíp lên v cầu.
Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp tổng quát, tại m i vị trí liên kết giữa v cầu và hệ thống treo (2
bên trái - phải) có 6 thành phần lực và mô men. Đối với ài toán tĩnh lực tĩnh xác định độ

bền phá hủy của v cầu, các thành phần lực đƣ vào ƣới các giá trị là hằng số và đƣợc nhập
trực tiếp vào mô hình lực. Đối với ài toán động nhƣ trƣờng hợp xe chuyển động tr n đƣờng
có mấp mô ngẫu nhiên), các giá trị lực động là các v ctơ th o thời gian thực, ch ng đƣợc
nhập vào t các file dữ liệu (ví dụ t xt, xc l,… .
2.2.6 Xuất kết quả
Sau khi thực hiện quá trình tính toán phân tích bằng phần mềm, kết quả thu đƣợc về chuyển
vị và ứng suất tƣơng đƣơng Von is s đƣợc thể hiện ƣới dạng phổ màu. Ngoài ra, kết quả
phân tích có thể thu đƣợc thông qua giá trị ứng suất, biến dạng lớn nhất th y đổi theo thời
gian ài toán động).

2.3 Xây dựng mô hình tính toán tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu
2.3.1 Phư ng ph p xâ

ựng mô hình

ô hình xác định các tải trọng động tác dụng lên v cầu trong trƣờng hợp xe chuyển động
tr n đƣờng đƣợc xác định t mô hình động lực học của xe tải 2 cầu. Sử dụng mô hình động
lực học có thể xác định đƣợc tải trọng động lên v cầu trong nhiều trƣờng hợp chuyển động
củ x khi đi tr n đƣờng. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phƣơng pháp tách cấu trúc hệ
nhiều vật để thiết lập mô hình động lực học.
2.3.2. Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết
Luận án sử dụng các giả thiết sau trong quá trình mô tả động lực học của xe tải 2 cầu:
1.

ô hình động lực học không gian tổng quát;

2. Mô hình ô tô tải nhẹ 2.45 tấn có 2 trục (cầu sau chủ động là đối xứng theo trục dọc
của xe;
3. Th n x đƣợc coi nhƣ một tấm ph ng có khối lƣợng M đặt tại trọng t m. Trong trƣờng
hợp tổng quát, thân xe có 6 chuyển động (6 bậc tự do) bao gồm: 3 chuyển động tịnh

tiến theo các trục x (trục dọc), y (trục ngang), z (trục th ng đứng và 3 góc xo y tƣơng
ứng:  (góc lắc dọc - quay quanh trục y),  (góc lệch bên - quay quanh trục z),  (góc
lắc ngang - quay quanh trục x);
4. Các cầu xe (cầu trƣớc - 1, cầu sau - 2) là các khối lƣợng không đƣợc tr o đƣợc coi nhƣ
các thanh ph ng, có khối lƣợng mA1, mA2 đặt tại trọng tâm của chúng. M i cầu xe có 3
chuyển động tịnh tiến: theo trục dọc (x1, x2), theo trục ngang (y1, y2), theo trục th ng
đứng (A1, A2) và 1 chuyển vị góc lắc ngang quanh trục dọc (A1, A2). B qua góc
xoay của cầu xe theo trục th ng đứng và trục ngang;
5. Th n x đƣợc nối với các cầu xe thông qua hệ thống tr o đặc trƣng ởi các độ cứng
8


Cij và hệ số cản giảm chấn Kij). (chỉ số i: 1 – trƣớc; 2-sau; chỉ số j: 1-trái; 2-phải);
6. Cầu xe liên kết với mặt đƣờng bằng ánh x đàn hồi, đặc trƣng ởi độ cứng CLij;
7. B qua thành phần cản trên lốp;
8. B qu tác động củ gió đến chuyển động của xe.
Với các giả thiết cấu tr c nhƣ vậy thì mô hình động lực học xe tải có thể đƣợc mô tả theo các
thể hiện nhƣ tr n hình 2.14.

Hình 2.14 Mô hình không gian xe t i

Nhƣ vậy, mô hình cấu trúc của xe tải sẽ có 14 tọ độ suy rộng (14 bậc tự do) bao gồm: 6 bậc
tự do mô tả chuyển động của thân xe - khối lƣợng đƣợc treo (x, y, z, , , ), 2 bậc tự do mô
tả cầu trƣớc (cầu thứ 1) - khối lƣợng đƣợc treo 1 (A1, A1), 2 bậc tự do mô tả cầu sau (cầu thứ
2) - khối lƣợng đƣợc treo 2 (A2, A2) và 4 bậc tự do mô tả góc quay của bánh xe (11, 12, 21,

22).
2.3.3 Thiết lập hệ phư ng trình vi phân mô tả động lực học của xe
Hệ phƣơng trình vi ph n mô tả động lực học của xe tải đƣợc xây dựng nhờ phƣơng pháp tách
vật và đặt các ngoại lực lên t ng vật là các phản lực liên kết giữa các vật, s u đó sử dụng

nguy n l D'Al m rt để thiết lập các phƣơng trình vi ph n mô tả chuyển động của t ng vật
theo các tọ độ suy rộng.
Hệ phƣơng trình vi ph n tổng quát mô tả động lực học của xe tải 2 cầu nhằm xác định các tải
trọng động lên v cầu đƣợc mô tả ở hệ (2.84) bao gồm 14 phƣơng trình vi ph n.

9


 Mz  FC11  FK 11  FC12  FK 12  FC 21  FK 21  FC 22  FK 22
 Mx  F cos   F cos   F sin   F sin   F  F  M y
x11
11
x12
12
y11
11
y12
12
x 21
x 22

 My  Fy11 cos 11  Fy12 cos 12  Fx11 sin 11  Fx12 sin 12  Fy 21  Fy 22  M x

 J Z  b1 ( Fx11 cos 11  Fy11 sin 11  Fx11 cos 11  Fy12 sin 12 )  b2 ( Fx 21  Fx 22 )

l2 ( Fy 21  Fy 22 )  l1 ( Fy11 cos 11  Fy12 cos 12  Fx11 sin 11  Fx12 cos 12 )

 J   l F  F  F  F  l F  F  F  F
1  C11
K 11

C 12
K 12 
2  C 21
K 21
C 22
K 22 
 y

  M 11  M 12  M 21  M 22   (hg  r1 )  Fx'11  Fx'12 )  (hg  r2 )( Fx'21  Fx'22 

(2.84)

J
β
=
(F
+
F
F
F
)w
+(F
+
F
F
F
)w
x
C11
K11

C12
K12
1
C21
K21
C22
K22
2

m  = (F + F  F + F )  (F + F + F + F )
CL11
CL12
KL11
KL12
C11
K11
C12
K12
 A1 A1
 J Ax1 β A1 = (FC12 + FK12 - FC11 - FK11 )w1 +(FCL11 + FKL11 - FCL12 - FKL12 )b2

+ ( Fy11 cos 11  Fy12 cos 12  Fx11 sin 11  Fx12 sin 12 )r1


mA 2 A 2 = (FCL21 + FCL22 + FKL21 + FKL22 )-(FC21 + FK21 - FC22 - FK22 )
 J β = (F + F - F - F )w +(F + F - F - F )b +(F ' + F ' )r
C22
K22
C21
K22

2
CL21
KL21
CL22
KL22
2
y21
y22 2
 Ax2 A2
 J φ = M -  F + fF  r
i  1, 2; j  1, 2
ij
xij
zij ij
 Ayij ij
Trong đó, các lực liên kết hệ thống tr o đƣợc xác định theo mô hình hệ thống tr o nhƣ s u:



n

C 11  z11  f dyn


FC11  
C11 11  z11 



t



C 11  z11  f dyn

F  K11 11  z11

 K 11







n
khi 11  z11  f dyn
t
n
khi f dyn
 11  z11  f dyn



t
khi 11  z11  f dyn

(2.61)



Mô hình lốp dạng phi tuyến theo hàm mẫu Ammonn [15-17, 19], các phản lực dọc Fx, ngang
Fy đƣợc tính t mô hình tích hợp:

Fx ( sx ,  )   x ,max
Fy (s x ,  )   y ,max

sx2   2
sx
sx2   2



Fz (t ) f (
Fz (t ) f (

sx2   2
sx ,max x ,max

)

sx2   2

 x,max y ,max

(2.76)

)

Các phản lực Fzij đƣợc xác định theo các thông số động học tính đƣợc t mô hình
bánh xe thứ ij:

Fzij

 FCLij + FKLij + FGij

=
0

khi

hij - ξ Aij - fijt   0

khi

hij - ξ Aij - fijt  < 0

10

o động

(2.78)


CLij  hij - ξ Aij  khi

FCLij = 
t
khi

 Fzij

CHƯƠNG .

HẢ

hij - ξ Aij - f ijt   0

(2.79)

hij - ξ Aij - fijt  < 0

T Đ NH GI ĐỘ ỀN VỎ CẦU CHỦ
ĐỘNG XE TẢI

.1 Tính to n x c đ nh c c tải t ọng đặc t ưng t c động l n cầ chủ động

t

3.1.1 Thông số kỹ thuật của xe tham khảo Dongfeng 2.45 tấn
Xe tải ben Dongfeng 2.45 tấn là dòng xe liên doanh giữa công ty Việt Trung và tập đoàn
Dongfeng Trung Quốc. Trong luận án, các thông số về khối lƣợng, kích thƣớc đƣợc tham
khảo t catalog của nhà sản xuất và đo trực tiếp tr n x . Các mô m n quán tính đƣợc tính gần
đ ng th o phƣơng pháp khối hộp đồng chất. Các thông số của hệ thống treo, nhíp độ cứng,
hệ số cản giảm chấn đƣợc tham khảo [4, 19].
.1. C c chế độ tính bền theo tải trọng cực đại
Trong nghiên cứu khảo sát này, 4 chế độ tính bền tĩnh với tải trọng cực đại (xem mục 2.1.2)
đƣợc sử dụng với mục ti u xác định độ bền của v cầu và so sánh với kết quả tính truyền
thống.
.1. Tính to n x c đ nh tải t ọng động
Các trƣờng hợp khảo sát tải trọng động trong bao gồm: Xe chuyển động th ng trên đƣờng đi

qua mấp mô có định dạng; Xe chuyển động th ng tr n đƣờng mấp mô (theo tiêu chuẩn ISO
8608:1995).
3131
0.04
0.03

h (m)

ấp mô đơn ạng sin đƣợc sử ụng
trong khảo sát o có kết cấu đơn
giản cũng nhƣ ễ thực hiện thí
nghiệm để kiểm chứng. Trong
nghiên cứu này, chiều c o củ mấp
mô hình sin đƣợc sử dụng với chiều
cao mấp mô cực đại Hm = 0.04m;
chiều dài mấp mô Lm = 0.5m.

ó

0.02
0.01
0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

x (m)

Hình 3.1 M p mô m

ng: mô t theo chi u dài

3 trƣờng hợp khảo sát với mấp mô định dạng bao gồm: Mấp mô đơn đều 2 bên bánh xe; Mấp
mô đơn đặt 1 bên bánh xe; Mấp mô đơn đặt lệch 2 bên bánh xe. Các kết quả khảo sát là các
thành phần lực dọc (Fx2i, i = 1, 2) và lực th ng đứng (Fz2i, i = 1, 2 đặt lên v cầu. Các kết quả
này sẽ ng để so sánh với mô hình thí nghiệm kiểm chứng chƣơng 4 . Ngoài r , trong
nghiên cứu này cũng đánh giá về giá trị cực đại của các tải trọng động (max(Fx2i), max(Fz2i)).
Kết luận: Các khảo sát về ảnh hƣởng của vận tốc đến tải trọng động tác động lên v cầu trong
trƣờng hợp x đi qu mấp mô có định dạng nhằm mục ti u xác định tính đ ng đắn của mô
11


hình. Khi vận tốc tăng, giá trị của các tải động tăng ph hợp đ ng qui luật. Khi mấp mô 2 bên
mặt đƣờng đều nhau, chỉ xuất hiện thành phần lực dọc và lực th ng đứng. Khi chỉ có mấp mô
một bên vết bánh xe, xuất hiện lực ngang và lực th ng đứng biến đổi nhiều ở bên vết có mấp
mô. Trƣờng hợp mấp mô 2 bên mặt đƣờng khác nhau cho thấy sự xuất hiện và lệch ph đ ng
qui luật của các thành phần lực dọc, lực ngang và lực th ng đứng.
3.5

4000

3.4

max(Fz22) (N)

max(Fx22) (N)

4

5000

3000
2000
1000

x 10

3.3
3.2
3.1

0
30

40

50

3
30

60

35

40

45
v (km/h)

v (km/h)

Hình 3.2b T i tr
d c (m

3.1.3.2 Xe chuy

ng c
i
u 2 bên bánh xe)

ng th

Hình 3.3b T i tr
th
ng (m

50

55

60

ng c
i
u 2 bên bánh xe)

ng m p mô theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995

0.2

5000
E-F

Fx2i

0

Fx2i (N)

h (m)

0.1

-0.1

0

-0.2
-0.3
0

5

10

15

20

-5000
0

25

t (s)

10

15

20

25

t (s)

Hình 3.11b M p mô m

ng E-F

Hình 3.12b T i tr

Fx2i ( = 40

(v = 40 km/h)
4

4

5

c
/ ,

ng E-F)

4

x 10

5.5

x 10

Fz2i

5

max(Fz2i) (N)

Fz2i (N)

3

2

1

Duong B-C
Duong C-D
Duong D-E
Duong E-F

4.5
4
3.5
3
2.5

0
0

5

10

15

20

2
30

25

35

40

t (s)

Hình 3.13b T i tr
ng Fz2i (v = 40 km/h,

th ng
ng E-F)

45
v (km/h)

Hình 3.14b T i tr
th

12

50

ng c
ng

55

60

i theo


ấp mô mặt đƣờng đƣợc mô tả theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 (phần 2.1 đƣợc sử ụng
trong khảo sát tiếp theo nhằm xác định ảnh hƣởng của tải trọng động tr n mô hình đƣờng
thực. Trong nghiên cứu này, 4 loại đƣờng theo ISO 8608:1995 đã đƣợc khảo sát (B-C đƣờng
tốt), đƣờng C-D đƣờng trung ình , đƣờng D-E đƣờng xấu và đƣờng E-F đƣờng rất xấu)).
Mấp mô mặt đƣờng đƣợc đặt đều trên 2 vết bánh xe, xe chuyển động th ng.
Hình 3.11b mô tả mấp mô mặt đƣờng E-F theo hàm thời gian. Kết quả lực dọc tại một bên
nhíp khi xe chạy với vận tốc v = 40 km/h tr n đƣờng tiêu chuẩn E-F đƣợc thể hiện trên hình
3.12b. Lực th ng đứng tác động tại vị trí đặt 1 bên nhíp trên v cầu (xe chạy với vận tốc v =
40 km/h tr n đƣờng tr n đƣờng E-F thể hiện trên hình 3.13b. Hình 3.14b mô tả sự th y đổi
của giá trị cực đại của lực th ng đứng theo vận tốc trên các loại đƣờng khảo sát. Các kết quả
trên hình 3.14b cho thấy: với cùng 1 loại đƣờng, khi vận tốc chuyển động củ x tăng l n, giá
trị lực dọc tăng và lực th ng đứng động cũng tăng. Kết quả này mô tả đ ng hiện tƣợng vật lý
củ ô tô khi tăng tốc. Với cùng 1 giá trị vận tốc, khi chất lƣợng mặt đƣờng xấu đi, mấp mô bề
mặt tăng l n, các giá trị tải trọng động cũng tăng.
Kết luận chung: Các khảo sát về tải trọng động tác động lên v cầu chủ động xe tải nh trong
nhiều trƣờng hợp cho ph p đánh giá mô hình xác định tải trọng động tác động lên v cầu. Các
giá trị và quy luật biến đổi của các thành phần lực động (lực dọc, lực th ng đứng, lực ngang)
đã phản ánh đ ng các quy luật thực tế khi xe chạy tr n đƣờng. Mặt khác, các khảo sát về tải
trọng động cho thấy giá trị giới hạn củ nó chƣ vƣợt quá giá trị củ ch ng trong các trƣờng
hợp tiêu cực 4 trƣờng hợp tính toán độ bền của v cầu khi chịu các tải trọng tĩnh cực đại).
Tuy nhiên, chế độ tải trọng động chính là thông số đầu vào cho ài toán xác định độ bền m i
của v cầu khi chạy tr n đƣờng.

3.2 Phân tích kết cấ v đ nh gi độ bền của vỏ cầu chủ động
. .1 Đ nh gi độ bền phá hủy của vỏ cầu ở c c t ường hợp ch u tải trọng tĩnh lớn nhất

Dựa trên các kết quả tính toán khảo sát đã trình ày ở phần 3.1, có thể thấy rằng tải trọng đặt
lên v cầu đạt các giá trị lớn nhất trong 4 trƣờng hợp "cực đo n". Chính vì vậy, trong nội
ung ph n tích đánh giá độ bền v cầu chủ động, các chế độ tải trọng trong các trƣờng hợp
nêu trên là cần thiết. Kết quả của việc ph n tích này cho ph p đánh giá độ bền (thông qua giá
trị ứng suất) trên toàn bộ kết cấu v cầu cũng nhƣ là cơ sở để cải thiện kết cấu của v cầu. Các
trƣờng hợp khảo sát bao gồm: chuyển động th ng với lực k o cực đại (TH1); chuyển động
th ng với lực ph nh cực đại (TH2); Qu y v ng với lực ng ng cực đại (TH3);
chuyển động
tr n đƣờng xấu với phản lực th ng đứng cực đại (TH4).
Kết luận: S u khi ph n tích các trƣờng hợp đặt lực tr n mô hình ài toán tĩnh, có thể nhận
thấy ứng suất chủ yếu tập trung tại các khu vực có gờ hoặc các góc cạnh của v cầu, tuy nhiên
ứng suất lớn nhất trên v cẩu xảy r trong trƣờng hợp 4 (chuyển động tr n đƣờng xấu với lực
th ng đứng cực đại , đạt giá trị gần 207 MPa. Giá trị ứng suất này vẫn nh hơn so với ứng
suất cho phép của vật liệu gang cầu là 490 MPa nên v cầu chƣ ị phá hủy. Tuy nhiên, nhiều
13


vùng trên v cầu th a bền nhiều, o đó phƣơng án đƣợc đề xuất là thiết kế cải tiến mô hình v
cầu tr n cơ sở giảm bề dầy v cầu, tăng có góc lƣợn tại các bề mặt có tập trung ứng suất.

Hình 3.34 K t qu chuy n v v c u và v trí có giá tr l n nh t (TH4)

Hình 3.35 Ứng su t tổng h p Von Misses trên v c

m có giá tr l n nh t (TH4)

. . Đề xuất cải tiến kết cấu vỏ cầ th o hướng giảm khối lượng và tập trung ứng suất
Mục tiêu của cải tiến thiết kế v cầu là giảm khối lƣợng v cầu và giảm các vùng tập trung
ứng suất bằng cách tạo khoét rộng hoặc đắp thêm, tạo các góc lƣợn, tăng g n chịu lực… nhằm
phân bố lại ứng suất đều trên toàn bộ v cầu nhƣng vẫn đảm bảo điều kiện bền tĩnh và các

tính năng làm việc của v cầu chịu tải hoàn toàn.

Hình 3.40 Phân bố l i ng su t trên toàn b v c u v i hệ số an toàn bằng 3

Với mục tiêu tối ƣu khối lƣợng v cầu với các điều kiện ràng buộc về độ cứng vững lớn nhất
và hệ số an toàn nh nhất là 3, quá trình tối ƣu v cầu đã đƣợc mô ph ng bằng phần mềm
HyperWorks với mô đun Soli Thinking, kết quả tối ƣu nhƣ hình 3.40. Một số vị trí có hệ số
an toàn lớn đƣợc đề xuất giải pháp cắt b khối lƣợng tại các vị trí đó: phần tâm v cầu, phần
mo y ơ ph nh, đầu các ổ i và mo y ơ,…
14


Hình 3.41 Các vùng vật liệu th a b
ã
ã
c cắt g t d a trên phân tích mô hình ng su t
tổng h p và hệ số an toàn trên v c u

Mô hình v cầu sau tối ƣu hoàn toàn ph hợp với kết quả khảo sát ứng suất tổng hợp trên v
cầu. Tuy nhi n, để đảm bảo giữ nguyên kết cấu n ngoài cũng nhƣ tính năng hoạt động của
v cầu, NCS đã thiết kế lại chi tiết v cầu để đảm bảo hình áng cũng nhƣ chức năng của nó.
Các đề xuất cải tiến kết cấu v cầu trong t ng v ng nhƣ s u:
1) Phần v giữa, ứng suất tập trung chủ yếu ở vành tròn nên mô hình cải tiến thử nghiệm làm
m ng phần giữ đi t 10mm còn 5mm và vát phần góc để tăng cứng vững cho vùng tập trung
ứng suất.

a) Ứng suất tại vòng v giữa
trên mô hình v cầu nguyên bản

b) Kết cấu vùng v giữa

của v cầu nguyên bản

c) Kết cấu vùng v giữa
sau cải tiến

Hình 3.42 C i ti n vùng v giữa

2 V ng đặt bó quang nhíp, ứng suất tập trung rất thấp nên vật liệu có thể khoét b , thành dày
10mm, đƣợc vát ở các góc để tăng cứng vững
3) Vùng chuyển tiếp gần mo y ơ đƣợc làm trơn để giảm tập trung ứng suất, phần tiết diện
đƣợc làm nh đi, đảm bảo lƣợng vật liệu cần ng không đổi
4) Vùng ít tập trung ứng suất sát khu vực lắp ổ bi: Vùng này tập trung ứng suất ít nên có thể
làm nh tiết diện lại, đồng thời tạo vát ở vùng chuyển tiếp tránh tập trung ứng suất
5) Khoét b bớt vật liệu ở vùng tập trung ứng suất ít ở mặt đầu v cầu
6) Phần v chuyển tiếp giữa phần v cacte và phần chứa các bán trục đƣợc làm hẹp lại và tạo
15


vát để dồn vật liệu về nơi có ứng suất tập trung lớn. Phía bên trong v đã đƣợc vát nhƣ đã nói
ở tr n n n độ cứng vững vẫn đƣợc đảm bảo
7) Phần v sát với khu vực bắt nhíp đƣợc làm hẹp lại và tạo vát để dồn vật liệu về nơi có ứng
suất tập trung lớn. Phía bên trong v đã đƣợc vát nhƣ đã nói ở tr n n n độ cứng vững vẫn
đƣợc đảm bảo
S u khi đã cải tiến với các góc
cạnh sử đổi nhƣ tr n, v cầu sau
cải tiến đƣợc dựng lại ở mô hình
3D nhƣ hình 3.50. Khối lƣợng của
v cầu sau cải tiến là 65.59 kg, so
với khối lƣợng v cầu cũ 93.35 kg,
nhƣ vậy đã giảm gần 29.7% khối

lƣợng vật liệu v cầu.
Hình 3.50 Mô hình v c u sau khi c i ti n

. . Đ nh gi lại độ bền phá hủy của vỏ cầu sau khi cải tiến
Sau khi cải tiến mô hình, v cầu đã đƣợc tính toán kiểm tr độ bền trong các trƣờng hợp đặt
lực giống nhƣ mô hình nguy n ản. Có thể nhận thấy ứng suất tập trung tại các khu vực có gờ
hoặc các góc cạnh của v cầu đã giảm, các điểm tập trung ứng suất đã chuyển sang các vùng
có bề dầy m ng hơn.
. . Đ nh gi độ bền của vỏ cầ

ưới t c động của tải trọng động

Các chế độ tải trọng động là thƣờng xuyên xuất hiện khi xe chạy tr n đƣờng, chúng có thể
g y n n độ bền m i. Do đó việc xác định độ bền phá hủy vẫn cần tính toán khảo sát trong
trƣờng hợp này. Ở đ y, chế độ tải trọng động khi xe chạy th ng tr n đƣờng xấu (D-E) và rất
xấu (E-F) theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 đƣợc chọn để khảo sát. Việc đánh giá này đƣợc
thực hiện với cả mẫu v cầu nguyên bản và mẫu v cầu sau cải tiến.
B ng 3.9 So sánh các giá tr

m tập trung ng su
ng l n nh t trên mô hình v c u nghiên c u
trong 2 lo i m
ng ngẫu nhiên D-E và E-F

Mô hình

Nguyên bản

Cải tiến

93,359

65,596

Khối lƣợng (kg)
Loại đƣờng

Đƣờng D-E

Đƣờng E-F

Đƣờng D-E

Đƣờng E-F

Số hiệu phần tử

292317

292317

444690

4449690

ỨS max (MPa)

204

315

202

396

Trong nghiên cứu này, chế độ tải trọng động đƣợc chọn khi xe chạy với vận tốc v = 40 km/h,
đ y là vận tốc xe tải thƣờng sử dụng khi chuyển động tr n đƣờng. Kích động t mấp mô mặt
đƣờng đƣợc lựa chọn trên hai loại đƣờng xấu (D-E) và rất xấu (E-F) theo tiêu chuẩn ISO
8608:1995.
16


Kết luận: Việc ph n tích ái toán động trên hai mô hình v cầu trƣớc và sau khi cải tiến cho
thấy có sự cải thiện rõ rệt, đầu tiên là khối lƣợng của chi tiết đã giảm t 93,35 kg xuống còn
65,59 kg (giảm 29,7%), mặt khác, ứng suất đƣợc phân bố đều trên toàn bộ chi tiết và ứng suất
lớn nhất tập trung lớn nhất trên v cầu cải thiện đã giảm so với trƣớc. Vị trí các điểm tập
trung ứng suất o đó đã ịch chuyển sang vị trí khác. Tuy vẫn nh hơn ứng suất cho phép,
nhƣng kết quả 396 MPa vẫn là một giá trị ứng suất khá cao, do đó cần thiết phải tiếp tục cải
tiến kết cấu v cầu th o hƣớng cải thiện độ bền m i.
. . Đ nh gi độ bền mỏi của vỏ cầu và cải thiện kết cấu
3.2.5.1 Phân tích bài toán m i c a v c u trong ph n m m chuyên dụng HyperWorks
Phân tích bài toán m i trong phần mềm Hyp r orks cũng ựa trên lý thuyết m i đƣ r ở
phần 2.1.
3.2.5.2 K t qu phân tích bài toán m i c a v c u
Việc đánh giá độ bền m i của cả v cầu nguyên bản và v cầu sau cải tiến kết cấu đƣợc thực
hiện trong trƣờng hợp tải trọng động lớn với chế độ thƣờng xuyên hoạt động củ x trƣờng
hợp x đi tr n đƣờng rất xấu). Các chế độ mấp mô mặt đƣờng khảo sát là loại đƣờng D-E và
E-F theo tiêu chuẩn ISO 8606:1995. Các tải trọng động tác động lên v cầu khi xe chạy trên
đƣờng đƣợc xác định t mô hình động lực học.

Hình 3.70 Số chu kỳ m i trên mô hình nguyên b n , v i lo

ng E-F

Hình 3.71 Số chu kỳ m i trên mô hình c i ti n l n 1, v i lo

ng E-F

Kết quả tổng hợp về nghiên cứu độ bền m i đối với mô hình v cầu đƣợc thể hiện trong bảng
3.13. Khi xe chạy tr n đƣờng D-E, đối với cả 2 mẫu v cầu trƣớc và sau khi cải tiến, số chu
k m i tại mọi điểm trên v cầu đều lớn hơn 106. Khi xe chạy tr n đƣờng E-F, với mẫu
nguyên bản, số chu k m i tại mọi điểm trên v cầu đều lớn hơn 106, nên có thể coi là v cầu
17


đủ độ bền m i (hình 3.70). Với mô hình cải tiến lần 1, điểm m i đồng thời cũng là điểm tập
trung ứng suất lớn nhất ở phần tử số 444690 (hình 3.71), có số chu k m i là 5.468.105, nhƣ
vậy theo lý thuyết là không đủ độ bền m i.
B ng 3.13 So sánh số chu kì b n m i trên mô hình v c u nguyên b n, c i ti n l n 1 và c i ti n l n 2
v i 2 lo i m
ng ngẫu nhiên D-E và E-F
Mô hình

Nguyên bản

Cải tiến lần 1

Cải tiến lần 2

93,35

65,59

67,15

Khối lƣợng (kg)
Loại đƣờng

D-E

E-F

D-E

E-F

D-E

E-F

Vị trí điểm m i
nh nhất

374998

374998

444690

444690

261082

261082

Số chu kì nh
nhất

2.428x108

3.431x106

2.78x108

5.468x105

8,318x108

6.318x106

Nhƣ vậy là v cầu sau cải tiến lần 1 đã cải thiện về độ bền m i (số chu k , nhƣng vẫn xuất
hiện điểm m i ở phần tử 444690. Do đó, cần tiếp tục cải tiến kết cấu. Để thực hiện mục tiêu
này, trong cải tiến lần 2, khu vực qu nh điểm m i 444690 (hình 3.72 đƣợc tăng ền bằng
cách tăng án kính củ góc lƣợn. Góc lƣợn tại vị trí tập trung ứng suất đƣợc điều chỉnh tăng
dần t 25mm đến 30mm, với mục đích tăng số chu kì m i củ mô hình vƣợt giới hạn chu kì
m i là 106 lần. Hình dáng tổng thể của mô hình sau cải tiến lần 1 và lần 2 thể hiện trên hình
3.72b và 3.72c.

a) V trí tập trung ng su t
Hình 3.72 C i ti

b) Mô hình c i ti n l n 1
ó

c) Mô hình c i ti n l n 2

n t i v trí tập trung ng su t

Sau cải tiến lần thứ 2, o tăng th m kích thƣớc tăng vật liệu) cho v cầu nên ko cần kiểm
nghiệm lại độ bền phá hủy với ài toán tĩnh và ài toán động, mà chỉ cần kiểm nghiệm lại với
bài toán m i. Kết quả tổng hợp thể hiện trong bảng 3.13 và hình 3.73.
Hình 3.73 thể hiện số chu k m i trên mô hình cải tiến lần 2 và bảng 3.13 thể hiện kết quả so
sánh về số chu k m i trên các mô hình nguyên bản, cải tiến lần 1 và cải tiến lần 2 khi xe
chạy với các loại đƣờng D-E và E-F theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995. Sau khi cải tiến lần 2, số
18


chu kì m i đã đạt đƣợc đến 6.318x106. Số chu kì m i này đã đạt yêu cầu đƣợc đặt r
n đầu
trƣớc khi cải tiến mô hình th o độ bền m i. So với mô hình v cầu nguyên bản (93, 35 kg) thì
khối lƣợng v cầu cũng đã giảm đáng kể (giảm 28%).

Hình 3.73 Số chu kỳ m i trên mô hình c i ti n l n 2, v i lo

ng E-F

3.3. Kết luận chư ng
Những kết quả điển hình đạt đƣợc đã trình ày ở chƣơng 3 bao gồm:
- Tính toán các tải trọng cực đại tác động lên v cầu trong các bài toán kiểm bền tĩnh.
- Tính và khảo sát ảnh hƣởng của các thông số sử dụng đến các tải trọng động tác dụng lên v

cầu. Các kết quả cho thấy các quy luật phù hợp với lý thuyết động lực học.
- Các kết quả khảo sát tải trọng động với các điều kiện sử dụng khác nhau cho thấy, về mặt
giá trị thì các tải trọng này không vƣợt quá 4 trƣờng hợp "cực đo n". Do đó, để an toàn khi
thiết kế thì có thể sử dụng mô hình kiểm bền tĩnh. Tuy nhi n, việc khảo sát tải trọng động t
mô hình động lực học khi xe chạy trong các trƣờng hợp cụ thể cho ph p đánh giá độ bền m i
của v cầu.
- Kết quả kiểm bền tĩnh cho thấy ứng suất trên v cầu xe tải còn nh hơn nhiều so với giới
hạn cho phép của vật liệu. Do đó có thể cải thiện kết cấu để giảm nhẹ khối lƣợng vật liệu và
phân tán vùng tập trung ứng suất. Trong nghiên cứu cải thiện kết cấu lần thứ nhất, 7 vùng tập
trung ứng đã đƣợc can thiệp cải tiến, t đó đã giảm đƣợc 29,7% khối lƣợng vật liệu chế tạo và
ph n đều giá trị ứng suất trên toàn miền của v cầu.
- Đánh giá độ bền m i của v cầu khi xe chạy trên 2 loại đƣờng xấu đƣờng D-E) và rất xấu
đƣờng E_F) theo tiêu chuẩn ISO. Kết quả cho thấy, sau cải tiến lần 1, v cầu chƣ đảm bảo
độ bền m i khi x đi tr n đƣờng E-F. Do đó, trong cải tiến kết cấu lần thứ 2, vùng kết cấu
xung qu nh điểm m i đã đƣợc tăng vật liệu tăng án kính góc lƣợn). Kết quả là số chu k
m i nh nhất trên v cầu đã đạt yêu cầu (lớn hơn 106 chu k ). Khối lƣợng vật liệu chế tạo v
cầu sau cải tiến lần 2 giảm đƣợc 28% so với mẫu v cầu nguyên bản.

CHƯƠNG . NGHIÊN CỨU TH C NGHIỆM
4.1 Mục đích, đối tượng và các thông số đo
4.1.1 Mục đích thí nghiệm

19


Mục đích của thí nghiệm là đo phản lực mặt đƣờng tác dụng lên v cầu chủ động trong quá
trình x đi qu mấp mô tiêu chuẩn, tr n cơ sở đó tính toán ứng suất tác dụng lên cầu xe. Kết
quả thí nghiệm đƣợc so sánh với kết quả tính toán lý thuyết để kiểm chứng mô hình mô ph ng
của luận án.
.1. Đối tượng thí nghiệm

Đối tƣợng của thí nghiệm là v cầu chủ động của ô tô tải Dongf ng DV
và lắp ráp tại Việt Nam.

2.5 đƣợc sản xuất

Các thông số đo
- Lực tác dụng t lốp xe lên v cầu sau chủ động theo phƣơng dọc Fx (N);
- Lực dụng t lốp xe lên v cầu sau chủ động theo phƣơng th ng đứng Fz (N);

4.2 Lựa chọn phư ng ph p v thiết b đo
Nguyên lý đo tải trọng tác động lên vỏ cầu chủ động
Thí nghiệm xác định tải trọng trên cầu xe có thể sử dụng phƣơng pháp đo các đại lƣợng
không điện bằng điện với việc ứng dụng chuyển đổi tenzo với tải trọng uốn trên một thanh
dầm bất k . Hệ thống đo o gồm cảm biến và các bộ phận tiếp nhận, khuếch đại, chuyển đổi,
xử lý, hiển thị và lƣu trữ kết quả đo.

4.3 Thiết b thí nghiệm
Để đo lực th ng đứng (Fz22) tác động lên v cầu sau chủ động, 4 lá điện trở t nzo điện trở nhƣ
nhau (120Ω đƣợc dán lên mặt trên và mặt ƣới của v cầu, mặt trên hai lá, mặt ƣới hai lá
song song nhau và đối xứng quanh mặt ph ng nằm ng ng đi qu trục cầu chủ động (hình
4.4c . Để đo lực dọc (Fx22) tác động lên v cầu sau chủ động, 4 lá điện trở t nzo điện trở nhƣ
nhau (120Ω đƣợc dán lên mặt trƣớc và mặt sau của v cầu tƣơng tự nhƣ cầu đo điện trở để
đo lực th ng đứng tác động lên v cầu.
Với cách án điện trở nhƣ tr n hình 4.4,
cả 4 điện trở trong cầu đo đều là tenzo
biến dạng. Cách án này làm tăng độ
khuếch đại của tín hiệu đo điện áp U1),
đồng thời loại tr đƣợc ảnh hƣởng của
nhiệt độ tới điện áp đo.

Tenzo đo lực
th ng đứng

Tenzo đo lực
dọc

Các cầu đo đƣợc hàn với dây bọc chống
nhiễu 6 lõi rồi hàn với jắc cắm 15 chân
để có thể cắm vào các mô đun khuếch
đại của thiết bị thu khuếch đại và chuyển
đổi A/D DMC Plus.

c) Tenzo dán trên v c u thí nghiệm
Hình 4.4 C u

20

ện trở tenzo trên trục v c u
thí nghiệm


Hiệu chuẩn giá trị đo lực
Hiệu chuẩn giá trị đo lực tác động lên v cầu nhằm xác định quan hệ giữa tín hiệu điện áp đo
đƣợc ở cầu điện trở và lực tác dụng lên v cầu, t đó xác định đƣợc đ ng giá trị lực tác dụng
l n th o đơn vị đo N. Các cầu đo t nzo đƣợc hiệu chuẩn trên giá lắp cầu sau chuyên dùng do
NCS tự thiết kế chế tạo (hình 4.7) cùng với thiết bị DMC Plus và cảm biến lực Z4 của CHLB
Đức hình 4.8 . Để tạo lực th ng đứng và lực dọc t khung xe tác dụng lên cầu NCS dùng
kích thủy lực kết hợp với cảm biến lực tiêu chuẩn Z4 tác dụng lên cầu th o phƣơng th ng
đứng và phƣơng ọc.
Cảm iến Z4

Khung
giá lắp
cầu

Khung
truyền lực

Kích
thủy lực
Điểm
dán
tenzo

Cầu thí
nghiệm

Hình 4.7 S

ồ hiệu chuẩn thi t b

Sơ đồ gá lắp cầu xe cùng với thiết bị
đo đƣợc mô tả trên hình 4.7. V cầu
đƣợc kẹp tại 2 đầu mo y ơ tr n một
giá đ chuyên dụng. Lực th ng đứng
t kích thủy lực sẽ đƣợc chi đều cho
2 bên tại vị trí bắt nhíp của cầu xe
bằng một khung truyền. Lực tác dụng
do kích thủy lực sinh r đƣợc đo ằng
cảm biến lực Z4. Nhƣ vậy lực th ng

đứng tác động lên 2 bề mặt mo y ơ
cầu bằng 1/2 lực do kích thủy lực sinh
ra.

l c th

ng và l c d c c u xe

50
40
30
20
10
0
0

20

40

60

Giá trị lực p th ng đứng kN
Hình 4.9 ồ th chuẩn t
nh quan hệ giữa tín
hiệ
ệ
cởc
ện trở và l c th ng ng
trên v c u

Để hiệu chuẩn thiết bị đo lực, tiến hành tăng ần tải trọng do kích thủy lực, so sánh kết quả đo
lực của cảm biến Z4 với điện áp ra của cầu điển trở tenzo. Kết quả đo đƣợc thể hiện trong đồ
thị hiệu chuẩn thiết bị đo nhƣ tr n hình 4.9.
21


b. Thiết bị thu thập, khuếch đại, xử lý, hiển thị thông tin đo lường DMC Plus
Để tiếp nhận và khuếch đại tín hiệu thu đƣợc t thiết bị đo lực trên v cầu, NCS đã sử dụng
thiết bị DMC Plus của Phòng thí nghiệm Đo lƣờng kỹ thuật Trƣờng Đại học Lâm nghiệp. Đ y
là thiết bị khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi A/D kết nối với máy tính do hãng HBM (CHLB
Đức) sản xuất.

4.4. Các phư ng n thí nghiệm
4.4.1 Mô tả thí nghiệm
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện tr n đƣờng nhựa tốt, bằng ph ng, khô ráo tại khuôn viên
Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - Cơ sở 3. Các mấp mô đƣợc lựa chọn là các gờ giảm
tốc có độ cao 0,04m, chiều dài 0,5 m. Vị trí đặt các mấp mô th o 03 phƣơng án: Mấp mô 1
bên bánh xe; Mấp mô đều 2 bên; Mấp mô 2 bên lệch nhau bằng chiều ài cơ sở của xe.
4.4.2 C c phư ng n thí nghiệm
B ng 4.5 C

thí nghiệm
Tên thí nghiệm

TT

Thông số

1

Mấp mô

2

Vận tốc (km/h)

Thí nghiệm 1

Thí nghiệm 2

Thí nghiệm 3

Mấp mô đơn

2 mấp mô đều

2 mấp mô lệch

30

40

50

30

40

50

30

40

50

4.5 Kết quả thí nghiệm
4.5.1 Kết quả đo
Kết quả thí nghiệm đo đƣợc là giá trị lực tác động l n mo y ơ tr n v cầu th o phƣơng ọc và
phƣơng th ng đứng.
4.5.2 So sánh với kết quả mô phỏng
Để đánh giá độ chính xác mô hình, kết quả thí nghiệm đƣợc so sánh với các kết quả mô ph ng
trong c ng điều kiện (mấp mô định dạng đã đƣợc thực hiện ở chƣơng 3, phần 3.1.3.1. Do
điều kiện mô ph ng và thí nghiệm là giống nhau, NCS sử dụng phƣơng pháp chồng đồ thị để
đánh giá sự tƣơng đồng về quy luật và tần số giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
Ngoài r , để đánh giá s i số, NCS so sánh các giá trị lực cực đại tại các đỉnh củ đồ thị (nhằm
so sánh i n độ lớn nhất của tải trọng động). Các kết quả so sánh trong t ng trƣờng hợp đƣợc
thể hiện qu các đồ thị và bảng dữ liệu.
So sánh các kết quả trong 3 trƣờng hợp thí nghiệm, có thể thấy rằng quy luật biến thiên lực
dọc và lực th ng đứng theo tính toán lý thuyết và đo đƣợc bằng thực nghiệm là giống nhau.
Sai lệch lớn nhất giữa kết quả tính toán mô ph ng và kết quả thí nghiệm là 10,08% (bảng 4.6).
Với những giả thiết đã chấp nhận khi xây dựng mô hình mô ph ng thì sai lệch này là có thể
chấp nhận đƣợc. Do vậy mô hình này có thể sử dụng để xác định lực kích động trong tính bền
v cầu.
22


2000
Thi nghiem

Mo phong

Fx [N]

1000
0
-1000
-2000
0
3.5

x 10

0.5

1

1.5

2

4

Thi nghiem
Mo phong

3
Fz [N]

2.5

2.5
2
1.5
0

0.5

1

1.5

2

2.5

time [s]

Hình 4.20 L c d c và th ng

ng khi va vào m p mô

u 2 bên bánh xe ở vận tốc 40km/h

B ng 4.6 So sánh các k t qu l c d c và l c ngang c c

(

ng h p 2)

V=30Km/h
V=40Km/h
V=50Km/h
Thí
Sai
Mô
Thí
Sai số Mô
Thí
Sai số
nghiệm số
ph ng nghiệm [%]
ph ng nghiệm [%]
[%]
0,98
0,92
7,15
1,51
1,52
0,24
2,70
3,00
10,08
-0,65
-0,69
5,50
-1,44
-1,49
3,38
-2,54

-2,53
0,20
30,11
29,82
0,99
30,53
30,64
0,34
31,67
32,20
1,65
14,95
14,10
6,04
17,01
16,49
3,14
15,27
13,98
9,24

Mô
ph ng
MaxFx [kN]
MinFx [kN]
MaxFz [kN]
MinFz [kN]

KẾT LUẬN
1. Luận án đã x y ựng đƣợc phƣơng pháp đánh giá độ bền của v cầu chủ động ô tô tải dựa

trên phần mềm phân tích kết cấu 3D HyperWorks. V cầu đƣợc kiểm bền ở các chế độ tĩnh và
động để đánh giá độ bền phá hủy và độ bền m i của nó. Trong đó, tải trọng tác động lên v
cầu đƣợc xác định bằng cách tính toán mô ph ng dự tr n mô hình động lực học tổng quát
của ô tô với các điều kiện chuyển động đặc trƣng.
2. Kết quả kiểm bền tĩnh đƣợc thực hiện với bốn trƣờng hợp tải trọng cực đại (lực kéo, lực
phanh, lực ngang và lực th ng đứng cực đại) cho thấy v cầu th a bền và phân bố ứng suất
không đều. Trong bốn trƣờng hợp trên, ứng suất lớn nhất đạt đƣợc khi v cầu chịu lực th ng
đứng cực đại có giá trị là 207 MPa, nh hơn rất nhiều so với giới hạn chảy của vật liệu (490
MPa). Hơn nữ độ chênh lệch ứng suất giữa các vùng trên v cầu là rất lớn (t 1 đến 207
P , điều này chứng t v cầu đƣợc thiết kế chƣ hợp lý.
3. Để đánh giá độ bền m i của v cầu luận án đã x y ựng mô hình động lực học tổng quát
của ô tô với kích động t mấp mô mặt đƣờng là ngẫu nhi n đƣợc xác định theo tiêu chuẩn
ISO 8608:1995. Các phƣơng trình vi ph n chuyển động củ ô tô đƣợc giải bằng công cụ
23