Nghiên cứu đánh giá độ bền lâu của dầm cầu trước của ô tô tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ VĂN NHÂN

VŨ VĂN NHÂN

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU
CỦA DẦM CẦU TRƯỚC CỦA Ô TÔ TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHOÁ 2015B

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ VĂN NHÂN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN LÂU
CỦA DẦM CẦU TRƯỚC CỦA Ô TÔ TẢI

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG HOAN

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng rôi, được sự hướng dẫn khoa
học của PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong
luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kì học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được đồng ý, tự
nguyện. Các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày……tháng……năm 2017
Người hướng dẫn

Tác giả luận văn

PGS.TS Nguyễn Trọng Hoan

Vũ Văn Nhân


MỤC LỤC
ĐỀ MỤC

Trang

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

8

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN

10

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản
10

xuất ô tô tải.
1.1.1 Thực trạng

10

1.1.2 Định hướng phát triển

11

1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển

11

1.2 Dầm cầu trước ô tô tải

12

1.2.1 Cấu tạo chung của dầm cầu trước ô tô tải

12

1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của dầm cầu ô tô tải

13

1.2.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của dầm cầu trước ô tô tải

13

1.2.3.1 Đặc điểm cấu tạo

13

1.2.3.2 Vật liệu và công nghệ chế tạo

14

1.2.3.3 Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng

14

1.3 Độ bền dầm cầu và các phương pháp đánh giá

15

1.3.1 Phương pháp truyền thống

15

1.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

16

1.4 Hướng nghiên cứu về độ bền dầm cầu
1.4.1 Đánh giá độ bền mỏi

18
18

1.4.1.1 Tải trọng mấp mô từ mặt đường

18

1.4.1.2 Đánh giá độ bền mỏi dầm cầu trước

20

1.5 Các công trình nghiên cứu trong nước và vấn đề nghiên cứu của
luận văn

26

1.6 Đối tượng nghiên cứu

26

1


1.7 Nội dung của luận văn

27

1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu

28

1.7.2 Phương pháp nghiên cứu

28

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP TÍNH BỀN DẦM CẦU

29

2.1 Các chế độ tải trọng và phương pháp đánh giá bộ bền dầm cầu

29

2.1.1 Các tải trọng tác dụng lên dầm câu trước của ô tô tải

29

2.1.2 Xác định tải trọng theo phương pháp truyền thống

30

2.1.3 Tính toán dầm cầu bằng phần mềm chuyên dụng

31

2.1.3.1 Phương pháp tính toán dầm cầu 3D

31

2.1.3.2 Xác định các tải trọng tác dụng lên dầm cầu

32

2.1.3.3 Lựa chọn các hàm kích thích từ mặt đường

32

2.1.3.4 Đánh giá độ bền bằng ứng suất tương đương Von Mises

35

2.1.4 Tính toán bền mỏi dầm cầu

37

2.1.4.1 Tải trọng biến thiên và giới hạn mỏi

37

2.1.4.2 Phương pháp đánh giá bền mỏi

39

2.2 Xây dựng mô hình tính toán tải trọng động tác dụng lên dầm cầu

43

2.2.1 Phương pháp xây dựng mô hình

43

2.2.2 Phân tích cấu trúc ô tô và các giả thiết

44

2.2.3 Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động lực học của xe

48

CHƯƠNG 3 – TÍNH TOÁN BỀN MỎI DẦM CẦU TRƯỚC Ô TÔ TẢI

49

3.1 Thông số kĩ thuật của xe tham khảo Dongfeng 2,45 tấn

49

3.2 Chế độ tính toán

52

3.3 Tính toán xác định tải trọng

52

3.3.1 Mấp mô đường theo ISO 8608-1995

52

3.3.2 Tính toán tải trọng thẳng đứng F z .

56

3.3.3 Tính ứng suất trên dầm cầu

58
61

3.4 Tính bền mỏi dầm cầu
3.4.1 Xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất

2

61


3.4.2 Xây dựng đường cong mỏi

63

3.4.3 Tính bền mỏi dầm cầu

66

KẾT LUẬN

68

TÀI LIỆU THAM KHẢO

69

Tài liệu tham khảo tiếng Việt

69

Tài liệu tham khảo nước ngoài

69

3


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên gọi

g

Gia tốc trọng trường

f

Hệ số cản lăn

v

Vận tốc chuyển động của xe

rt

Bán kính tĩnh bánh xe

Đơn vị
m/s2

km/h
m

C 11 ,C 12

Độ cứng hệ thống treo trước

N/m

C 21 ,C 22

Độ cứng hệ thống treo sau

N/m

K 21 ,K 22

Hệ số cản giảm chấn trước

N.s/m

C L11 ,C L12

Hệ số cản giảm chấn sau

N.s/m

C L21 ,C L22

Độ cứng hướng kinh lốp trước

N/m

m A1

Độ cứng hướng kinh lốp sau

N/m

m A2

Khối lượng không được treo trước

kg

M

Khối lượng không được treo sau

kg

M cl

Khối lượng toàn bộ xe đầy tải

kg

M c2

Khối lượng toàn bộ phân cho cầu trước

kg

LW

Khối lượng toàn bộ phân cho cầu sau

kg

BW

Chiều dài toàn bộ của xe

m

HW

Chiều rộng toàn bộ của xe

m

L

Chiều dài cơ sở

m

b1

Một nửa khoảng cách vết bánh xe trước

m

b2

Một nửa khoảng cách vết bánh xe sau

m

w1

Một nửa khoảng cách nhíp trước

m

w2

Một nửa khoảng cách nhíp sau

m

hg

Chiều cao trọng tâm

m

r1

Bán kính động bánh xe trước

m

r2

Bán kính động bánh xe sau

m

4

Jx
Jy

Jz

J Ax1
J Ax2
J Ay11, J Ay12

J Ay21, J Ay22
φx
β A1, β A2

Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục dọc x
Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục ngang
y
Mô men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục thẳng
đứng z
Mô men quán tính khối lượng của cầu trước quanh trục dọc
x
Mô men quán tính khối lượng của cầu sau quanh trục dọc x
Mô men quán tính khối lượng của các bánh xe trước quanh
trục ngang y
Mô men quán tính khối lượng của các bánh xe sau quanh
trục ngang y

kgm2
kgm2

kgm2
kgm2
kgm2
kgm2
kgm2

Hệ số bám dọc cực đại
Góc lắc ngang của cầu thứ 1,2

rad

β

Góc lắc ngang của thân xe

rad

φ

Góc lắc dọc của thân xe

rad

Ψ

Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng

rad

x

Chuyển vị theo phương dọc của khối lượng được treo

m

y

Chuyển vị theo phương ngang của khối lượng được treo

m

z
Φ ij

Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng được
treo

m

Góc quay bánh xe thứ ij

rad

ξ A1, ξ A2

Chuyển vị của khối lượng không được treo cầu 1,2

m

δ 11, δ 12

Góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải

Độ

ʄt dij

Độ võng (Hành trình trả) của nhíp gần với bánh xe ij

m

ʄn dij

Độ võng (Hành trình nén) của nhíp gần với bánh xe ij

m

M Aij

Mô men cấp cho bánh xe thứ ij

Nm

M Bij

Mô men bánh bánh xe thứ ij

Nm

5

M ij

Mô men quay bánh xe thứ ij quanh trục y

F xij

Lực tác dụng lên bánh xe theo phương dọc bánh xe thứ ij

N

F yij

Lực tác dụng lên bánh xe theo phương ngang bánh xe thứ ij

N

F ziy

Lực tác dụng lên bánh xe thứ ị theo phương thẳng đứng

N

F Gij

Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij

N

F Cij

Lực đàn hồi hệ thống treo gần bánh xe thứ ij

N

F Kij

Lực cản giảm chấn hệ thống treo gần bánh xe thứ ij

N

F Clij

Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij

N

mc

Hệ số phân bố lại trọng lượng trên cầu chủ động

-

Gd

Hàm mật độ phổ năng lượng của chiều cao mấp mô của mặt
đường

Nm

-

Ω

Tần số góc

n

Tần số không gian

no

Giá trị tham chiếu của tần số không gian

h

Chiều cao mấp mô

m

Hm

Chiều cao mấp mô dạng sin

m

Lm

Chiều dài mấp mô dạng sin

m

Thời gian

s

t
σ max

rad/m
Chu
kỳ/m
Chu
kỳ/m

Ứng suất cực đại

MPa

Ứng suất giới hạn bền của vật liệu chế tạo

MPa

Ứng suất cắt lớn nhât

MPa

σy

Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu

MPa

σv

Ứng suất tương đương Von Mises

MPa

S’ e

Ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu

MPa

σm

Ứng suất trung bình

MPa

σr

Vùng biến thiên ứng suất

MPa

[σ],S u
τ max

6


σa

Biên độ ứng suất

R

Hệ số ứng suất

-

A

Hệ số biên độ

-

MPa

Danh mục các chữ viết tắt:
CKD

Viết tắt của cụm từ tiếng anh: Completely Knocked Down. Ngĩa là xe
lắp ráp với 100% linh kiện nhập khẩu.

VAMA

Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Việt Nam

VEAM

Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam

PTHH

Phần tử hữu hạn

ISO

Viết tắt của cụm từ tiếng anh: Internationnal Organization for
Standardization. Nghĩa là tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế.

3D

Viết tắt của cụm từ tiếng anh: Three dimenson. Nghĩa là 3 chiều

CAE

Viết tắt của cụm từ tiếng anh: Computer Aided Engineering. Nghĩa là
phân tích công nghệ với sự trợ giúp của máy tính.

CAD

Viết tắt của cụm từ tiếng anh: Computer Aided Design. Nghĩa là phân
tích công nghệ với sự trợ giúp của máy tính.

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ISO 8608:1995 phân loại đường

20

Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật xe tải Dongfeng DVM 2.5

49

Bảng 3.2 Thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng động lực học

50

Bảng 3.3 Thành phần hợp chất trong thép AISI 1020

62

Bảng 3.4: Cơ tính của vật liệu

63

Bảng 3.5: Tính tuổi thọ trên đường D-E

66

Bảng 3.6: Tính tuổi thọ trên đường E-F

67

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo dầm cầu trước ô tô tải

13

Hình 1.2 Dầm cầu trước ô tô tải và các chi tiết hệ thống treo

14

Hình 1.3 Thanh dầm cầu trước ô tô tải

14

Hình 1.4 Mô hình dầm cầu sử dụng trong tính toán bằng phương pháp PTHH

16

Hình 1.5 So sánh các phương pháp đánh giá độ bền bằng ứng suất tương

17

đương
Hình 1.6 Đường cong mỏi thực nghiệm đo được từ các mẫu thép A517 [6]

21

Hinh 1.7 kết quả thí nghiệm trên thiết bị tiêu chuẩn [6]

22

Hình 1.8: Kết quả thí nghiệm với các tải trọng khác (Kéo nén đúng tâm, Tải

23

trọng xoắn)
Hình 1.10 Các tiêu chuẩn bền mỏi [6]

25

Hình 1.11: Phân bố ứng suất trên dầm cầu theo kết quả tính toán bằng ANSYS

26

[21]
Hình 1.12: xe DongFeng DVM 2.5 tải trọng 2.45 tấn

27

Hình 2.1 Sơ đồ các lực tác dụng lên dầm cầu ô tô tải

28

Hình 2.2. Mấp mô dạng sin

33

Hình 2.3: ứng suất trong các chi tiết chịu kéo đơn thuần

35

Hình 2.4: Đồ thị biến thiên ứng suất trên chi tiết chịu tải

37

Hình 2.5 Biểu đồ giới hạn mỏi [6]

40

Hình 2.6: Biểu đồ các đường giới hạn mỏi [6]

41

Hình 2.7: Mô hình không gian xe tải

46

Hình 2.8: Tiết diện dầm cầu

53

Hình 3.1: Tính toán bằng Matlab thu được kết quả bề mặt 3 loại đường

54

Hình 3.1a Mấp mô mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995

54

Hình 3.1b: Mấp mô mặt đường C-D

55

Hình 3.1c: Mấp mô mặt đường D-E

55

Hình 3.1d: Mấp mô mặt đường E-F

55

8


Hình 3.2: Đưa h(x) và bài toán mô hình động lực học để tính các F z1j

56

Hình 3.2a: Tải trọng theo phương thẳng đứng F z (v=40km/h, đường C-D)

57

Hình 3.2b: Tải trọng theo phương thẳng đứng F z (v=40km/h, đường D-E)

57

Hình 3.2c: Tải trọng theo phương thẳng đứng F z (v=40km/h, đường E-F)

57

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán dầm cầu

59

Hình 3.4: Tiết diện dầm cầu

59

Hình 3.5: Thực hiện tính toán ứng suất theo sự thay đổi của lực F z

59

Hình 3.5a: Đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian trên đường C-D

60

Hình 3.5b: Đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian trên đường D-E

60

Hình 3.5c: Đồ thị ứng suất thay đổi theo thời gian trên đường E-F

60

Hình 3.6a: Biểu đồ phân bố ứng suất trên đường C-D

61

Hình 3.6b: Biểu đồ phân bố ứng suất trên đường D-E

61

Hình 3.6c: Biểu đồ phân bố ứng suất trên đường E-F

62

Hın
̀ h 3.7 Đường cong mỏi trên hệ trục logarit

63

9


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.
1.1.1 Thực trạng
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam bắt đầu hình thành từ những năm đầu thập niên
90 của thế kỉ trước và phát triển mạnh sau những năm 2000. Theo thống kê của bộ
công thương, tính đến 12/2015 Việt Nam có khoảng gần 400 doanh nghiệp sản xuất,
lắp ráp ô tô. Tổng năng lực sản xuất lắp ráp ô tô khoảng 460 ngàn xe/năm, gồm hầu
hết các chủng loại xe con (công suất khoảng 200 ngàn xe/năm). Nghành công
nghiệp ô tô đã có đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước (bình quân khoảng 1 tỷ
USD/năm – chỉ tính riêng các khoản thuế) và giải quyết công ăn việc làm cho
khoảng 80 nghìn lao động trực tiếp.
Mặc dù đã đạt được một số thành tựu, sau hơn 20 năm xây dựng và phát triển, Việt
Nam vẫn đang sở hữu một nền công nghiệp ô tô quy mô nhỏ, công nghệ lạc hậu. Đa
số các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa và nhỏ với công việc
chủ yếu là lắp ráp dạng CKD trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài. Doanh

nghiệp ô tô lớn nhất Việt Nam hiện nay là Trường Hải cũng vẫn chỉ là cơ sở lắp ráp
với tỉ lệ nội địa hóa thấp.
Trong bối cảnh chung của nghành công nghiệp ô tô như vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô
tải, mặc dù được hưởng nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ cũng đang ở trong
một tình trạng không mấy khả quan. Hầu hêt các doanh nghiệp ô tô Việt Nam mới
chỉ sản xuất được một số sản phẩm khung vỏ, thùng bệ, ca bin và một số chi tiết
khác. Toàn bộ phần máy từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều
khiển…đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong đó phần lớn là từ Trung Quốc.
Với linh kiện nhập khẩu từ Trung Quốc chất lượng thấp, quy mô sản xuất không lớn
và mức đầu tư cho công nghệ thấp, ô tô tải nội thường có chất lượng không cao.

10


Trước tình hình trên, nghành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm
để có thể sản xuất ra những chiếc ô tô tải có chất lượng và giá thành đáp ứng nhu
cầu trong nước và hướng tới xuất khẩu, hội nhập với khu vực và thế giới.
1.1.2 Định hướng phát triển
Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng chính phủ đã ban hành 2 văn
bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm
2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô
Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035” [2,3], trong đó lĩnh vực sản xuất
ô tô tải nhận được sự quan tâm đặc biệt. Gần đây nhất, ngày 04/02/2016 Thủ tướng
chính phủ đã kí ban hành Quyết định số 229/QĐ-TTg về Cơ chế, chính sách thực
hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam [4].
Theo quy hoạch của Chính phủ, cần “Chú trọng phát triển dòng xe tải nhỏ phục vụ
cho sản xuất nông nghiệp…” nhằm đạt được sản lượng xấp xỉ 100.000 xe và vào
năm 2020, đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa.
Bản quy hoạch lần này đã thể hiện sự quan tâm đắc biệt đến công nghiệp phụ trợ:
“Giai đoạn đến năm 2020, cơ bản hình thành công nghiệp hỗ trợ cho sản xuất ô tô.

Phấn đấu đáp ứng 30-40% (về giá trị) nhu cầu linh kiện, phụ tùng của sản xuất, lắp
ráp xe ô tô trong nước, chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong bộ phận truyền
động, hộp số, động cơ (nhất là cho xe khách và xe tải nhẹ)”
Sự quan tâm đặc biệt của Chính phủ tới công nghiệp hỗ trợ đã được khẳng định
bằng nghị định số 111/2015/NĐ-CP về phát triển công nghiệp hỗ trợ, ban hành
ngày 03/11/2015 trong đó định rõ những chính sách hỗ trợ phát triển đối với ngành
công nghiệp này, trong đó có lĩnh vực sản xuất phụ tùng ô tô [1].
1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển.
Hiện nay chúng ta có khá nhiều doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tải, chủ yếu là
loại nhỏ và trung bình. Có thể kể đến những nhà sản xuất lớn như Trường Hải,
11


VAEM, TMT… Ngoài ra còn có các liên doanh cũng tham gia sản xuất một số loại
ô tô tải các cỡ.
Nhìn chung, các sản phẩm trong lĩnh vực này đều dựa trên các bộ linh kiện nhập
khẩu (chủ yếu từ Trung Quốc và Hàn Quốc) với tỉ lệ nội địa hóa không cao. Phần
sản xuất trong nước chỉ có ca bin, thùng xe và khung. Với mức đầu tư về chất xám
và trang thiết bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp ráp
trong nước còn ở mức độ hạn chế. Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chủ yếu
cho thị trường trong nước hiện nay nhờ có ưu thế về giá thành.
Một trong những nguyên nhân chính kìm hãm sự phát triển ngành công nghiệp ô tô
Việt Nam là sự yếu kém của công nghiệp phụ trợ. Theo thống kê, hiện nay ở Việt
Nam, chỉ có khoảng 40 nhà cung cấp linh kiện trên tổng số 50 nhà lắp ráp, trong khi
Thái Lan có tới trên 1.500 doanh nghiệp phụ trợ với tỉ lệ nội địa hóa đạt 70-80%.
Đài Loan cũng có khoảng trên 2.000 nhà đầu tư sản xuất linh kiện phụ tùng thay
thế.
Với thực trạng trên, tỉ lệ nội địa hóa của các loại ô tô lắp ráp trong nước là rất thấp.
Theo Bộ công thương (2016): “Tỉ lệ nội địa hóa đạt thấp…” đến nay chủ yếu mới
đạt bình quân 7-10%. Đối với xe con của Thaco 15-18%, của Toyota Việt Nam đạt

37% đối với dòng xe Inova. Đối với xe tải nhẹ: Thaco đạt khoảng 33%, Vinaxuki
đạt khoảng 50%.
Như vậy có thể thấy rằng các nhà sản xuất trong nước thực chất mới chỉ làm công
việc lắp ráp mà chưa quan tâm đến nghiên cứu phát triển để có thể tiến tới chế tạo
những chiếc xe mang thương hiệu việt nam và đưa các doanh nghiệp trong nước hội
nhập với thế giới. Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các
cụm và các hệ thống cho ô tô thì cần phải có đầu tư chiều sâu phục vụ cho việc thiết
kế chế tạo các bộ phận.
1.2 Dầm cầu trước ô tô tải
1.2.1 Cấu tạo chung của dầm cầu trước ô tô tải.
12


Hình 1.1 Cấu tạo dầm cầu trước ô tô tải
Cấu tạo chung của dầm cầu trước ô tô được mô tả như trên hình 1.1, thông thường
được làm bằng thép dập có dạng chữ I, hai đầu cuối uốn cong về phía trên. Hai đầu
cuối của trục dùng chốt khớp chuyển hướng lắp với khớp chuyển hướng. Chốt khớp
chuyển hướng dùng ốc bắt chặt vào tai trục. Khớp chuyển hướng có hai tai bắt cùng
với ống lót và có thể quay tự do trong chốt khớp chuyển hướng. Để chốt khớp
chuyển hướng quay được nhẹ nhàng nên giữa tai bắt và đầu trục có lắp vòng bi đỡ.
1.2.2 Chức năng, nhiệm vụ của dầm cầu ô tô tải
Mỗi một bộ phận của dầm cầu thực hiện chức năng riêng. Khớp chuyển hướng đóng
vai trò chuyển hướng bánh xe khi xoay vô lăng, ngoài ra chốt khớp chuyển hướng
có độ nghiêng theo chiều dọc và độ nghiêng vào trong giúp điều khiển xe được dễ
dàng, giảm lực cản lăn của ô tô.
Dầm cầu đóng vai trò chính trong hệ thống treo phụ thuộc, và thực hiện chức năng
của dầm đỡ toàn bộ phần trọng lượng phía trước của ô tô và chịu các tải trọng tương
tác bánh xe với đường. Vì vậy kết cấu của dầm cầu phải đảm bảo độ bền.
1.2.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của dầm cầu trước ô tô tải
1.2.3.1 Đặc điểm cấu tạo.

13


Cấu trúc của dầm cầu trước xe tải có cấu tạo đơn giản, không có nhiều chủng loại
và thông thường là giống nhau, có dạng thanh tiết diện chữ I, hai đầu được uốn lên
trên

Hình 1.2 Dầm cầu trước ô tô tải và các chi tiết hệ thống treo
Thanh dầm có tiết diện đều, đối xứng. Tại hai đầu có lỗ để bắt với khớp chuyển
hướng, thân dầm có 2 mặt bích để đỡ 2 bộ nhíp và bắt quang nhíp.

Hình 1.3 Thanh dầm cầu trước ô tô tải

1.2.3.2 Vật liệu và công nghệ chế tạo
Hiện nay đối với dầm cầu ô tô tải, thép dập là loại vật liệu được sử dụng phổ biến
hơn cả nhờ có độ bền cao và có những tính chất đặc biệt phù hợp với công nghệ.
1.2.3.3 Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng

14


Dầm cầu phải chịu tác dụng của các lực và mô men từ các bánh xe truyền lên cùng
với các lực tương tác với hệ thống treo.
Các phản lực tại bánh xe, thường được gọi theo phương tác động, gồm lực dọc (lực
kéo, lực phanh), lực ngang và lực thẳng đứng. Các lực này tạo thành các tải trọng
động lên dầm cầu dưới dạng lực hoặc mô men. Trong quá trình chuyển động của ô
tô, dầm cầu phải chịu tác dụng của các lực từ khối lượng được treo truyền qua các
vị trí lắp nhíp và giảm chấn.
Do ô tô tải thường xuyên phải hoạt động trên đường xấu, nên dầm cầu phải chịu tải
trọng động biến thiên liên tục với biên độ lớn. Trong đó, các lực dọc và ngang phụ

thuộc chủ yếu vào tác động điều khiển của người lái (tăng tốc, phanh, quay vòng),
còn lực thẳng đứng lại phụ thuộc điều kiện đường xá và thường có quy luật ngẫu
nhiên. Sự biến thiên của tải trọng thẳng đứng do mấp mô mặt đường gây nên hiện
tượng hư hỏng do mỏi làm giảm tuổi thọ của dầm cầu [6]
Những phân tích trên đây cho thấy, dầm cầu trước ô tô tải phải chịu tác dụng của
các lực động theo cả 3 phương cùng với mô men uốn nên dầm cẩu phải đảm bảo độ
bền để không ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của xe.
1.3 Độ bền dầm cầu và các phương pháp đánh giá
1.3.1 Phương pháp truyền thống
Để đánh giá độ bền dầm cầu theo phương pháp này, người ta thường tính toán cho
ba trường hợp đặc trưng sau [6]:
- Chuyển động thẳng với lực dọc cực đại (tăng tốc hoặc phanh);
- Chuyển động quay vòng tới giới hạn trượt ngang;
- Chuyển động qua đường xấu với lực thẳng đứng cực đại.
Ba trường hợp trên được tính toán độc lập với mục đích xác định giá trị ứng suất
cực đại σ max trên dầm cầu. Dầm cầu được coi là đủ bền nếu ứng suất cực đại không
vượt quá giới hạn cho phép đối với vật liệu chế tạo: σ max ≤ [σ], trong đó [σ] là giới
hạn cho phép của vật liệu chế tạo.
15


Phương pháp này thường cho kêt quả là vỏ cầu thừa bền, kết cấu không hợp lý (do
ứng suất phân bố không đều) và có khối lượng lớn.
1.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)
Cùng với sự phát triển của phần mềm tính toán chuyên dụng, phương pháp tính toán
độ bền dầm cầu bằng PTHH đã trở thành công cụ đắc lực cho các nhà thiết kế trong
việc đánh giá độ bền dầm cầu.
Để tính toán bằng phương pháp PTHH, người ta xây dựng mô hình 3D dầm cầu như
trên hình 1.4. Với các lực tác động và các điều kiện ràng buộc được đặt tại các vị trí
tương ứng, phần mềm chuyên dụng cho kết quả là giá trị ứng suất phân bố trên toàn

bộ dầm cầu. Dựa trên sự phân bố ứng suất này, người thiết kế có thể đưa ra các giải
pháp gia cố (tăng độ dầy vật liệu, tạo gân,..) cho những vùng có ứng suất cao
(“thiếu bền”) và giảm bớt vật liệu ở những vùng “thừa bền”. Với cách làm này, sản
phẩm thiết kế có kết cấu hợp lý hơn: ứng suất phân bố đều hơn và giảm được đáng
kể khối lượng, gọn về kết cấu.

Hình 1.4 Mô hình dầm cầu sử dụng trong tính toán bằng phương pháp PTHH
Do dầm cầu phải chịu tác động đồng thời của nhiều lực và mô men theo các
phương, nên để đánh giá độ bền của nó người ta phải sử dụng ứng suất tương
đương. Hiện nay, có khá nhiều phương pháp xác định ứng suất tương đương trong
trường hợp chi tiết phải chịu tải trọng phức tạp. Thông dụng hơn cả là hai phương
pháp Tresca và Von Mises [6].

16


Giả thuyết của Tresca cho rằng chi tiết bị phá hủy do sự trượt tương đối giữa các
lớp vật liệu. Theo giả thiết này, điều kiện để chi tiết không bị hỏng là ứng suất cắt
lớn nhất τ max không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu σ y :
τ max ≤ σ y

(1.1)

Phương pháp xác định ứng suất tương đương theo lý thuyết của Tresca còn được
gọi với tên khác là phương pháp ứng suất cắt cực đại (Maximum Shear Stress
theory).
Ứng suất Von Mises được xác định từ giả thiết cân bằng năng lượng biến dạng
trong trường hợp chi tiết chịu tải phức tạp với trường hợp chịu kéo đơn thuần. Khi
đó điều kiện để chi tiết không bị hỏng là:
σ v ≤ σ y (trong đó σ v là ứng suất tương đương Von Mises).

(1.2)

Nếu gọi ứng suất chính theo các phương là σ 1 , σ 2 , σ 3 , thì ứng suất Von Mises
được xác định như sau:
2 +(σ2−σ3)2 + (σ3−σ1)2

σ v = �(σ1−σ2)

(1.3)

2

Sự khác biệt giữa phương pháp Tresca và phương pháp Von Mises là không lớn.
Điều này có thể thấy rõ qua sự so sánh bằng đồ thị trên hình 1.5
𝛿𝛿2

Tresca

𝛿𝛿𝑦𝑦

VonMises
−𝛿𝛿𝑦𝑦

−𝛿𝛿𝑦𝑦

𝛿𝛿𝑦𝑦 𝛿𝛿1

Hình 1.5 So sánh các phương pháp đánh giá độ bền bằng ứng suất tương đương
Hiện nay ứng suất tương đương Von Mises được sử dụng phổ biến hơn cả trong các

phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng.

17


1.4 Hướng nghiên cứu độ bền dầm cầu.
1.4.1 Đánh giá độ bền mỏi
1.4.1.1 Tải trọng mấp mô từ mặt đường
Kích thích từ mặt đường gây nên tải trọng động biến thiên liên tục theo thời gian tác
dụng lên dầm cầu và trở thành nguyên nhân tiềm tàng gây hiện tượng hư hỏng do
mỏi. Nhiều công trình đã công bố các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này, trong đó
có tác giả [8] đã sử dụng mô hình dao động của ô tô với kích thích từ mặt đường
làm hàm ngẫu nhiên để xác định tải trọng đặt lên dầm cầu. Các tải trọng này sau đó
được sử dụng làm điều kiện đầu vào để đánh giá độ bền mỏi của dầm cầu.
Nhiều công trình nghiên cứu khác, đã công bố kết quả đánh giá độ bền mỏi của dầm
cầu trước ô tô tải chịu tác động của tải trọng động do kích thích ngẫu nhiên từ mấp
mô mặt đường bằng nhiều phương pháp tương tự như trên.
Việc mô tả mấp mô mặt đường cũng được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm.
Nhiều công trình nghiên cứu [6] đã công bố các phương pháp mô tả mấp mô mặt
đường khác nhau. Nếu như trước đây, mấp mô mặt đường được sử dụng chủ yếu
trong nghiên cứu dao động ô tô thì gần đây lĩnh vực ứng dụng của nó đã được mở
rộng sang bài toán bền mỏi của các chi tiết liên quan trong đó có dầm cầu trước xe ô
tô tải.
Hiện nay phương pháp mô tả mấp mô mặt đường bằng hàm ngẫu nhiên đã được
chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ISO 8608-1995 [6]. Vì vậy, các nhà nghiên cứu thường
sử dụng tiêu chuẩn này để mô tả kích thích từ mặt đường trong các mô hình động
lực học của ô tô.
Theo tiêu chuẩn ISO 8608-1995, mấp mô mặt đường được mô tả thông qua 3 thông
số cơ bản là tần số không gian, biên dạng đường và hàm mật độ phổ năng lượng
(Power Spectral Density, viết tắt là PSD). Tần số không gian n được tính bằng số

chu kỳ trên 1 mét đường (chu kì/m). Biên dạng đường đươc hiểu là biến thiên chiều
cao mấp mô theo trục dọc của đường. PSD là hàm mật độ phổ năng lượng của chiều
cao mấp mô mặt đường tính theo tần số n hoặc tần số góc Ω:
18


n
Gd (n) = Gd (n0 )  
 n0 

−w

 Ω
) Gd (Ω0 ) 
Hoặc: Gd (Ω=

 Ω0 

(1.4)
−w

(1.5)

Trong công thức trên, n là tần số không gian (chu kỳ/m), n 0 là giá trị tham chiếu của
n (được lấy n 0 = 0,1 chu kỳ/m, G d (n 0 ) là mật độ phổ ở tần số n 0 (được lấy theo
bảng 1), Ω là tần số góc (rad/m), Ω 0 = 1rad/m. Khi tính toán các loại đường ô tô, chỉ
số w thường được chọn bằng 2. Mối quan hệ giữa tần số n và tần số góc được thể
hiện băng biểu thức: n = Ω/2π.
Tiêu chuẩn ISO 8608:1995 phân biệt các dạng đường (đường phố, cao tốc và địa
hình không đường xá) theo mật độ phổ năng lượng và chia chúng thành 8 loại với

ký hiệu quy ước từ A đến H. Trong đó A là loại đường chất lượng tốt nhất, các chữ
cái tiếp theo mô tả các loại đường có chất lượng kém dần và H là loại đường xấu
nhất. Mỗi loại đường được đặc trưng bởi mật độ phổ năng lượng G d (n 0 ) (xem bảng
1.1).
Từ tiêu chuẩn ISO 8608-1995 các nhà nghiên cứu sử dụng các phương pháp khác
nhau để mô tả mấp mô mặt đường dướng dạng [6]:
h = f(x) hoặc h = f’(t)
với h là chiều cao mấp mô, t là thời gian và x là dịch chuyển theo hướng chuyển
động.
Hàm mấp mô mặt đường trên đây được sử dụng làm kích thích đầu vào cho mô
hình động lực học ô tô nhằm xác định tải trọng từ mấp mô mặt đường tác dụng lên
dầm cầu trước.

19


Thông số mô tả mấp mô theo tần số không gian,
n

Loại
đường

G d (n 0 )[10-6m3]
k

Trung
Min

Bình

Max

A- B

3

…..

24

25

B- C

4

25

26

27

C-D

5

27

28

29

D-E

6

29

210

211

E-F

7

211

212

213

F-G

8

213

214

215

G-H

9

215

216

217

H+

…..

217

…..

…..

n 0 = 0,1 chu kỳ/m
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn ISO 8608-1995 phân loại đường
1.4.1.2 Đánh giá độ bền mỏi dầm cầu trước
Để đánh giá độ bền lâu của chi tiết chịu tải trọng lặp có chu kì, người ta thường sử
dụng đường cong mỏi đo bằng thực nghiệm (còn gọi là đường cong S-N)
Trên hình 1.6 là một ví dụ của đường cong thực nghiệm đo được trên thiết bị thí
nghiệm bền mỏi kiểu R.R. Moore với mẫu thử là thép A517 [6]. Trên thiết bị này,
mẫu thử có kích thước tiêu chuẩn (đường kính nhỏ nhất 0,3 inch) chuyển động quay

với vận tốc 1750 v/phút và chịu uốn do một trọng khối treo trên nó. Thiết bị của
Moore được coi là thiết bị chuẩn trong lý thuyết bền mỏi (standard R.R. Moore
rotating-beam fatigue-testing machine).
Đồ thị hình 1.6 cho thấy, nếu chi tiết chịu ứng suất thấp hơn S’ e thì không xảy ra
hỏng do mỏi ngay cả khi N → ∞. Giá trị ứng suất S’ e được gọi là giới hạn mỏi
20


chuẩn của vật liệu, do được xác định bằng thiết bị và quy trình chuẩn. Số chu kì tải
tác động lên chi tiết tương ứng với giá trị S’ e theo kết quả trên hình 1.6 (thép A517)
nằm trong khoảng 106- 107 [6]

Hình 1.6 Đường cong mỏi thực nghiệm đo được từ các mẫu thép A517 [6]

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm khác [6] đã cho thấy, số chu kì tải tác động
tương ứng với giới hạn mỏi đối với thép và gang thường nằm trong khoảng từ 106 –
108. Vì vậy các nhà nghiên cứu cho rằng, có thể chấp nhận giả thiết là chi tiết sẽ
không hỏng do mỏi sau khi chịu được 106 chu kì (đường cong mỏi nằm ngang sau
khi đạt 106 chu kì như trên hình 1.7) [6].
Đối với thép và gang, đường cong mỏi có dạng giống nhau và giống như trên hình
1.6. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng, nếu đặt các giá trị đo lên hệ trục
Logarit thì người ra thu được các đoạn thẳng như trên hình 1.7.

21


Hinh 1.7 kết quả thí nghiệm trên thiết bị tiêu chuẩn [6]
Do việc tiến hành thí nghiệm xây dựng đường cong mỏi mất nhiều thời gian và chi
phí, nên người ta đã cố gắng dựa trên các kết quả thí nghiệm tìm ra một số quy luật
để từ đó có thể xây dựng đường cong mỏi bằng cách tính toán dựa trên các thuộc

tính của vật liệu. Chẳng hạn trên hình 1.7 giá trị giới hạn mỏi chuẩn có thể được
tính từ giới hạn bền của vật liệu:
S’ e = 0,5. S u
Ngoài ra, kết quả thí nghiệm trên hình 1.6 cũng cho thấy chi tiết có thể chịu được
103 chu kì tải với ứng suất bằng 90% giới hạn bền của vật liệu (ở điểm đầu tiên của
đường cong S-N ta có S = 0,9.S u ).
Như vậy, với 2 điểm được xác định như trên ta vẽ được đoạn thẳng trên hệ trục
logarit mô tả mối quan hệ S-N.
Với đường cong mỏi đã được xây dựng, nếu xác định được giá trị ứng suất mà chi
tiết phải chịu là S thì ta có thể dựa vào đường cong mỏi để suy ra số chu kì tải tác
động gây hỏng do mỏi N và từ đó tính toán được tuổi thọ của nó.
Tuy nhiên, các chi tiết máy trong điều kiện làm việc thực của nó không chịu tải
trọng giống như điều kiện thí nghiệm chuẩn trên đây. Vì vậy, giá trị giới hạn mỏi sẽ
không còn là S’ e như trên hình 1.6 mà thường thấp hơn. Chẳng hạn thí nghiệm mẫu
thử với tải trọng kéo – nén đúng tâm sẽ cho giá trị giới hạn mỏi thấp hơn so với S’ e
22