Xây dựng mô hình xác định tải trọng động lên vỏ cầu chủ động xe tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

ĐỒN THANH SƠN

XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG
ĐỘNG LÊN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

ĐỒN THANH SƠN

XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG
ĐỘNG LÊN VỎ CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH MINH HOÀNG

Hà Nội - 2017

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Đồn Thanh Sơn
Đề tài luận văn: Xây dựng mơ hình xác định tải trọng động lên vỏ cầu chủ
động xe tải
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số SV: CB150192
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
21/10/2017 với các nội dung sau:
Khơng phải sửa chữa gì theo biên bản của hội đồng.

Ngày 21 tháng 10 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Trịnh Minh Hoàng

Đoàn Thanh Sơn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những nội dung được

trình bày trong luận văn do chính tơi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của thầy
giáo TS. Trịnh Minh Hoàng, cùng các thầy giáo Bộ mơn Ơ tơ và Xe chun dụng Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Toàn bộ nội dung
trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của
Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trong luận văn
là trung thực.

Hà Nội, ngày 27 tháng 09 năm 2017
Tác giả

Đoàn Thanh Sơn


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................ i
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... v
LỜI NĨI ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 4
1.1. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển trong lĩnh vực sản
xuất ô tô tải ..................................................................................................4
1.1.1. Thực trạng .............................................................................................. 4
1.1.2. Định hướng phát triển ............................................................................ 4
1.1.3. Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển ................. 5
1.1.4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm và sản xuất các bộ
phận của hệ thống truyền lực ô tô tải ...................................................... 6
1.2. Tổng quan về vỏ cầu chủ động xe tải ...........................................................6
1.2.1. Cấu tạo chung của cầu chủ động ........................................................... 6
1.2.2. Chức năng nhiệm vụ của cầu chủ động ................................................. 7
1.2.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo ................................................................ 8
1.2.4. Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng ............................................... 8

1.3. Phương pháp đánh giá độ bền vỏ cầu chủ động xe tải .................................9
1.3.1. Phương pháp truyền thống: .................................................................... 9
1.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn .............................................................. 9
1.3.3. Phương pháp thực nghiệm ................................................................... 10
1.4. Các hướng nghiên cứu đánh giá về độ bền vỏ cầu theo chế độ tải trọng ...10
1.4.1. Đánh giá độ bền theo tải trọng cực đại ................................................ 10
1.4.2. Đánh giá độ bền trong điều kiện tải trọng động .................................. 11
1.5. Các chế độ tải trọng tác động lên vỏ cầu chủ động ....................................11
1.5.1. Chế độ tải trọng tĩnh ............................................................................ 13


1.5.2. Chế độ tải trọng động........................................................................... 14
1.6. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................15
1.7 Nội dung của Luận văn................................................................................15
1.7.1 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................. 16
1.7.2 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 16
1.7.3 Phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 16
1.7.4 Nội dung nghiên cứu............................................................................. 16
1.8. Kết luận chương 1 ......................................................................................17
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG
ĐỘNG LÊN VỎ CẦU ....................................................................... 18
2.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................18
2.2. Phân tích cấu trúc ơ tơ và các giả thiết .......................................................18
2.3. Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động xe tải .........................21
2.3.1. Khối lượng được treo (thân xe) ........................................................... 22
2.3.2. Các khối lượng không được treo (cầu xe) .......................................... 23
2.3.3. Nội lực hệ thống treo ........................................................................... 24
2.3.4. Xác định phản lực thẳng đứng từ đường tác động lên bánh xe .......... 25
2.3.5. Hệ phương trình vi phân tổng qt ..................................................... 27
2.4. Mơ phỏng hàm kích động mặt đường ........................................................28

2.5. Kết luận chương 2 ......................................................................................30
CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MATLAB SIMULINK MƠ PHỎNG GIẢI HỆ
PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XE TẢI ............................. 31
3.1. Khái quát chung về Matlab và Simulink ....................................................31
3.1.1. Matlab .................................................................................................. 31
3.1.2. Simulink ............................................................................................... 31
3.2. Mô phỏng động lực học xe tải 3.25 tấn bằng Matlab Simulink .................36
3.2.1. Sơ đồ thuật toán của chương trình mơ phỏng Simulink ...................... 36
3.2.2. Sơ đồ tổng thể mơ hình động lực học ơ tơ tải ...................................... 37


3.2.3. Sơ đồ các khối chức năng mô phỏng động lực học dao động ô
tô tải ....................................................................................................... 39
3.3. Kết luận chương 3 ......................................................................................44
CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
ĐẾN TẢI TRỌNG ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN VỎ CẦU CHỦ
ĐỘNG XE TẢI .................................................................................. 45
4.1. Chỉ tiêu đánh giá tải trọng động .................................................................45
4.2. Thông số kỹ thuật của xe tham khảo CT3.25D2 3.25 tấn ..........................46
4.3. Đánh giá tải trọng động tác động lên vỏ cầu của xe tải..............................49
4.4. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến tải trọng động tác
dụng lên vỏ cầu xe tải ................................................................................56
4.4.1. Ảnh hưởng của độ cứng treo sau C2 .................................................... 57
4.4.2. Ảnh hưởng của hệ số cản K2 ................................................................ 60
4.4.3. Ảnh hưởng của độ cứng lốp sau CL2 .................................................... 64
4.5. Kết luận chương 4 ......................................................................................67
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 69

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

g

Gia tốc trọng trường

f

Hệ số cản lăn

v

Vận tốc chuyển động của xe

rt

Bán kính tĩnh bánh xe

C11, C12

Độ cứng hệ thống treo trước

N/m

C21, C22

Độ cứng hệ thống treo sau

N/m

K11, K12

Hệ số cản giảm chấn trước

N.s/m

K21, K22

Hệ số cản giảm chấn sau

N.s/m

CL11, CL12

Độ cứng hướng kính lốp trước

N/m

CL21, CL22

Độ cứng hướng kính lốp sau

N/m

mA1

Khối lượng không được treo trước

Kg

mA2

Khối lượng không được treo sau

Kg

M

Khối lượng toàn bộ xe đầy tải

Kg

Mc1

Khối lượng toàn bộ phân cho cầu trước

Kg

Mc2

Khối lượng toàn bộ phân cho cầu sau

Kg

LW

Chiều dài toàn bộ của xe

M

BW

Chiều rộng toàn bộ của xe

M

HW

Chiều cao 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

m/s2

km/h
M

i


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

Jx

Mơ men qn tính khối lượng của thân xe quanh trục dọc

kg.m2

x
Jy

Mơ men quán tính khối lượng của thân xe quanh trục

kg.m2

ngang y
Jz

Mơ men qn tính khối lượng của thân xe quanh trục

kg.m2

thẳng đứng z
JAx1

Mơ men qn tính khối lượng của cầu trước quanh trục
dọc x

kg.m2

JAx2

Mơ men qn tính khối lượng của cầu sau quanh trục dọc
x

kg.m2

JAy21, JAy22

Mơ men qn tính khối lượng của các bánh xe sau quanh
trục ngang y

kg.m2

ϕx

Hệ số bám dọc cực đại

ϕxA1, ϕxA2

Góc lắc ngang của cầu thứ 1, 2

Rad

ϕx

Góc lắc ngang của thân xe quanh trục x

Rad

ϕy

Góc lắc dọc của thân xe quanh trục y

Rad

z

Chuyển vị theo phương thẳng đứng của khối lượng được
treo

M

ξA1, ξA2

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

M

Fzij

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

N

FGij, Fz,stij

Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij

N

FCij

Lực đàn hồi hệ thống treo gần bánh xe thứ ij

N

ii


FKij

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

N

FCLij

Lực đàn hồi lốp bánh xe thứ ij

N

Gd

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

-

mặt đường

Ω

Tần số góc

n

Tần số khơng gian

chu kỳ/m

n0

Giá trị tham chiếu của tần số không gian

chu kỳ/m

h

Chiều cao mấp mô

M

t

Thời gian

S

Fzd

Tải trọng động thẳng đứng xác định tại bánh xe

N

kd

Hệ số tải trọng động

rad/m

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Sources của Matlab
Simulink ......................................................................................................... 33
Bảng 3.2. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Sinks của Matlab
Simulink ......................................................................................................... 33
Bảng 3.3. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Continuous của Matlab

Simulink ......................................................................................................... 33
Bảng 3.4. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Signal & System của
Matlab Simulink ............................................................................................. 34
Bảng 3.5. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Math của Matlab
Simulink ......................................................................................................... 34
Bảng 3.6. Một số khối chức năng trong thư viện nhóm Funtion & Tables của
Matlab Simulink ............................................................................................. 34
Bảng 4.1 Thơng số kỹ thuật xe tải CT3.25D2 .......................................................... 47
Bảng 4.2 Thông số sử dụng trong tính tốn mơ phỏng dao động ............................. 47

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu tạo vỏ cầu chủ động ơ tơ ...................................................................... 7
Hình 1.2: Sơ đồ các lực tác dụng lên cầu chủ động xe ô tô tải ................................. 12
Hình 1.3: Xe tải nhẹ CT3.25D2 ................................................................................ 15
Hình 2.1: Mơ hình khơng gian xe tải ........................................................................ 20
Hình 2.2: Mơ hình các lực tác động lên khối lượng được treo (thân xe).................. 22
Hình 2.3: Mơ hình các lực tác động lên cầu trước (nhìn từ phía trước) ................... 23
Hình 2.4: Mơ hình các lực tác động lên cầu sau (nhìn từ phía trước) ...................... 23
Hình 2.5: Nội lực hệ thống treo ................................................................................ 24
Hình 2.6: Mấp mơ mặt đường theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995................................ 30
Hình 3.1: Sơ đồ thuật tốn của chương trình ............................................................ 36
Hình 3.2: Sơ đồ tổng thể mơ hình dao động của xe tải. ............................................ 38
Hình 3.3: Sơ đồ mơ phỏng khối "THAN XE" .......................................................... 39
Hình 3.4: Sơ đồ mơ phỏng khối "CAU 1" ................................................................ 40
Hình 3.5: Sơ đồ mơ phỏng khối cầu sau ................................................................... 41
Hình 3.6: Sơ đồ mơ phỏng khối mặt đường.............................................................. 42
Hình 3.7: Sơ đồ mơ phỏng khối "CAC LUC 11" ..................................................... 42

Hình 3.8: Sơ đồ mơ phỏng khối "CAC LUC 11" ..................................................... 43
Hình 4.1: Mấp mô mặt đường D-E theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ........................ 50
Hình 4.2: Chuyển vị thẳng đứng(z) của trọng tâm thân xe (v = 40 km/h, đường
D-E) ................................................................................................................ 50
Hình 4.3: Góc lắc dọc thân xe (ϕy) (v = 40 km/h, đường D-E) ................................ 51
Hình 4.4: Chuyển vị thẳng đứng (ξA2) của trọng tâm cầu sau (v = 40 km/h,
đường D-E) ..................................................................................................... 51
Hình 4.5: Lực qn tính của cầu sau Fqt2 (v = 40 km/h, đường D-E) ...................... 52
Hình 4.6: Lực tác dụng (động) từ hệ thống treo đến cầu sau (FC2+FK2) (v = 40
km/h, đường D-E) .......................................................................................... 52
Hình 4.7: Lực tác dụng (động) từ bánh xe đến cầu sau (FCL2) (v = 40 km/h,
đường D-E) ..................................................................................................... 53
v


Hình 4.8: Phản lực thẳng đứng từ mặt đường lên bánh xe sau Fz21 (v = 40
km/h, đường D-E) .......................................................................................... 53
Hình 4.9: Hệ số tải trọng động thẳng đứng cực đại tác động lên cầu chủ động
khi ô tô đi trên các loại đường khác nhau (4 loại đường, v = 30 60km/h) .......................................................................................................... 54
Hình 4.10: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi ô tô đi trên các loại đường khác nhau (4 loại
đường, v = 30 - 60km/h) ................................................................................ 55
Hình 4.11: Hệ số tải trọng động cực tiểu của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi ô tô đi trên các loại đường khác nhau (4 loại
đường, v = 30 - 60km/h) ................................................................................ 56
Hình 4.12: Hệ số tải trọng động thẳng đứng cực đại tác động lên cầu chủ động
ô tô khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau (đường D-E, v = 30
- 60km/h) ........................................................................................................ 57
Hình 4.13: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau (đường

D-E, v = 30 - 60km/h) .................................................................................... 58
Hình 4.14: Hệ số tải trọng động cực tiểu của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi độ cứng C2 của hệ thống treo sau (đường
D-E, v = 30 - 60km/h) .................................................................................... 59
Hình 4.15: Hệ số tải trọng động thẳng đứng cực đại tác động lên cầu chủ động
khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ thống treo sau (đường DE, v = 30 - 60km/h) ........................................................................................ 61
Hình 4.16: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ thống treo sau
(đường D-E, v = 30 - 60km/h) ....................................................................... 62
Hình 4.17: Hệ số tải trọng động cực tiểu của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi hệ số cản giảm chấn K2 của hệ thống treo
sau (đường D-E, v = 30 - 60km/h) ............................................................... 63
vi


Hình 4.18: Hệ số tải trọng động thẳng đứng cực đại tác động lên cầu chủ động
ô tô khi thay đổi độ cứng lốp sau CL2 (đường D-E, v = 30 - 60km/h) ........... 64
Hình 4.19: Hệ số tải trọng động cực đại của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi độ cứng lốp sau CL2 (đường D-E, v = 30 60km/h) .......................................................................................................... 65
Hình 4.20: Hệ số tải trọng động cực tiểu của phản lực thẳng đứng từ mặt
đường ở cầu sau khi thay đổi độ cứng lốp sau CL2 (đường D-E, v = 30 60km/h) .......................................................................................................... 66

vii


LỜI NĨI ĐẦU
Ngành cơng nghiệp ơ tơ Việt Nam, sau hơn 20 năm xây dựng, mặc dù đã phát
triển mạnh nhưng vẫn chỉ ở mức quy mô nhỏ với công nghệ lạc hậu. Đại đa phần
các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước chú trọng vào lắp ráp với đa phần linh
kiện nhập khẩu từ nước ngoài. Tỷ lệ nội địa hóa trong sản phẩm ơ tơ trong nước cịn

rất thấp. Hiện nay, mặc dù đã có nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ nhưng lĩnh
vực sản xuất ơ tơ tải vẫn cịn đang trong một tình trạng khơng mấy khả quan. Ngồi
một số ít sản phẩm của khung vỏ, thùng bệ, ca bin có một vài cơ sở tự sản xuất
được, còn hầu hết các bộ phận chủ yếu trên xe như động cơ, hệ thống truyền lực đến
các hệ thống điều khiển…đều nhập ngoại, trong đó phần lớn các linh kiện là từ
Trung Quốc với chất lượng rất hạn chế. Chúng ta còn rất nhiều việc phải làm để có
thể sản xuất ra những sản phẩm ô tô tải mang thương hiệu Việt Nam có chất lượng
và giá thành đáp ứng nhu cầu trong nước cũng như hướng tới xuất khẩu và hội nhập
với khu vực.
Theo quy hoạch của Chính phủ trong Quyết định số 229 QĐ-TTg ngày
04/02/2016 về cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển
ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong đó thể hiện sự quan tâm lớn đến công
nghiệp phụ trợ. Theo bản Quy hoạch này, mục tiêu cho đến năm 2020, chúng ta có
thể chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong hệ thống truyền lực, nhất là với
các dịng xe thơng dụng như xe khách và xe tải nhẹ .
Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hồn chỉnh các cụm chi tiết
trên ơ tơ, thì cần phải có đầu tư đặc biệt cho lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu phục
vụ cho việc thiết kế chế tạo, trong đó có các cụm của hệ thống truyền lực, nhằm
phát triển sản phẩm có chất lượng cao.
Cầu chủ động là một trong những cụm chi tiết quan trọng của hệ thống truyền
lực trên ô tô, là bộ phận cuối cùng trên đường truyền công suất từ động cơ đến các
bánh xe chủ động. Trong đó, vỏ cầu là bộ phận chứa tất cả các bộ phận truyền lực
truyền lực chính, vi sai, bán trục…, đồng thời nó làm việc như một dầm đỡ trọng
1


lượng của thân xe và phải chịu tác động của các tải trọng từ tương tác giữa bánh xe
với đường. Cho tới nay đã có một vài đề tài đề cập đến việc thiết kế vỏ cầu, tuy
nhiên các hướng nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào công nghệ chế tạo chứ chưa
đầu tư nghiên cứu sâu về cơ sở lý thuyết của một trong những khâu quan trọng

trong quy trình thiết kế chế tạo các chi tiết là đánh giá chất lượng sản phẩm, trong
đó có độ bền. Ở Việt Nam, độ bền của vỏ cầu mới được đánh giá bằng lý thuyết với
các chế độ tải trọng tĩnh nên kết quả chưa hoàn toàn sát thực trong các điều kiện
chịu tải khi xe chạy trên đường.
Xuất phát từ những nhu cầu ở trên, tác giả luận văn đã chọn hướng nghiên cứu
là xây dựng mơ hình xác định tải trọng động lên vỏ cầu chủ động xe tải nhằm góp
phần tạo dựng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc đánh giá độ bền của vỏ cầu trong
điều kiện làm việc thực tế.
Mục tiêu của luận văn:
Xây dựng mơ hình xác định tải trọng động lên vỏ cầu chủ động xe tải bằng
tính tốn lý thuyết; khảo sát ảnh hưởng một số thông số sử dụng đến tải trọng đến
vỏ cầu chủ động ô tô làm cơ sở đầu vào cho bài tốn tính tốn xác định độ bền vỏ
cầu chủ động xe tải.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận văn được lựa chọn là vỏ cầu chủ động ơ tơ tải
hạng nhẹ CT3.25D2 có tải trọng 3.25 tấn được sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
Xây dựng mơ hình mơ phỏng xác định tải trọng động theo phương thẳng đứng
lên vỏ cầu chủ động xe tải có tải trọng 3.25 tấn.
Nội dung và bố cục của luận văn:
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm các phần chính sau:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2. Xây dựng mơ hình xác định tải trọng động lên vỏ cầu
- Chương 3. Sử dụng Matlab Simulink mơ phỏng giải hệ phương trình động
lực học xe tải
2


- Chương 4. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số sử dụng đến tải trọng
động tác động lên vỏ cầu chủ động.

- Kết luận
Những kết quả đạt được của luận văn:
- Xây dựng mơ hình động lực học để xác định tải trọng động tác dụng lên vỏ
cầu chủ động ô tô tải nhẹ.
- Đánh giá và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và sử dụng đến
tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu chủ động của ô tô tải nhẹ.
Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:
Khảo sát và đánh giá tải trọng động tác dụng lên vỏ cầu chủ động của xe tải
nhẹ được lắp ráp và sử dụng tại Việt Nam, đây chính là thơng số đầu vào cho các
bài tốn xác định độ bền vỏ cầu. Đây là một trong những khâu quan trọng để từ đó
nâng cao chất lượng cho những sản phẩm thiết kế, chế tạo trong nước.
Luận văn được thực hiện tại Bộ mơn Ơ tơ và Xe chuyên dụng, Viện Cơ khí
động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo
Tiến sĩ Trịnh Minh Hoàng. Tác giả chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn cùng các
thầy trong Bộ môn đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện luận văn
cũng như học tập tại trường.
Mặc dù đã có nhiều nỗ lực, nhưng do trình độ, thời gian nghiên cứu cịn hạn
chế nên các vấn đề được trình bày trong luận văn chưa thể đáp ứng được mọi yêu
cầu đề ra. Tác giả sẽ rất cảm ơn về mọi sự đóng góp, bổ xung để luận văn hồn
thiện hơn.
Hà Nội, tháng 9/2017
Học viên

Đoàn Thanh Sơn

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển trong lĩnh vực sản

xuất ô tô tải
1.1.1. Thực trạng
Theo thống kê của bộ Công Thương, tính đến 01/2015 Việt Nam có khoảng
gần 400 doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô. Tổng năng lực sản xuất - lắp ráp ô tô
khoảng 46 ngàn xe năm, gồm hầu hết các chủng loại xe con (khoảng 2 ngàn xe
năm, xe tải và xe khách (khoảng 215 ngàn xe năm). Ngành cơng nghiệp ơ tơ đã có
đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước và giải quyết công ăn việc làm cho một
lượng không nhỏ lao động trực tiếp [1].
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 ngành công nghiệp ô tô quy mô nhỏ, công nghệ lạc
hậu. Đa số các doanh nghiệp sản xuất ơ tơ trong nước có quy mô vừa và nhỏ với
công việc chủ yếu là lắp ráp với dạng 100% linh kiện nhập khẩu trên cơ sở linh kiện
nhập khẩu từ nước ngoài, tỷ lệ nội địa hóa trong các sản phẩm ơ tơ cịn rất thấp.
Trong bối cảnh chung của ngành 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 khơng mấy khả quan. Hầu hết các doanh nghiệp ô tô Việt Nam
mới chỉ sản xuất được một số sản phẩm của khung vỏ, thùng bệ, ca bin và một số
chi tiết khác. Toàn bộ phần máy móc từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ
thống điều khiển…đều được nhập khẩu từ nước ngồi, trong đó phần lớn là từ
Trung Quốc với linh kiện chất lượng thấp. Chúng ta thực tế còn rất nhiều việc phải
làm để có thể sản xuất ra những chiếc ơ tơ 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 07/2014 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
4


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”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô

tô tải nhận được sự quan tâm đặc biệt [3, 4]. Gần đây nhất, ngày 04/02/2016 Thủ
tướng Chính phủ đã ký 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 văn bản này, chúng ta cần chú trọng phát triển dịng xe tải nhỏ phục vụ cho
sản xuất nơng nghiệp nhằm đạt được sản lượng xấp xỉ 100.000 xe và vào năm 2020,
đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa. Ngoài ra, trong bản Quy hoạch này đã thể
hiện sự quan tâm đặc biệt đến công nghiệp phụ trợ nhằm hỗ trợ cho sản xuất ô tô,
phấn đấu đáp ứng 30 - 40% nhu cầu linh kiện, phụ tùng của sản xuất, lắp ráp xe ô tô
trong nước, cũng như chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong bộ phận truyền
động, nhất là cho xe khách và xe tải nhẹ.
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 ôtô tải, chủ
yếu là loại nhỏ và trung bình. 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 tỷ lệ nội
địa hóa khơng cao. Phần sản xuất trong nước chỉ có ca bin, thùng và khung xe. 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, với ưu thế
về giá thành, đây vẫn là nguồn cung cấp ôtô chủ yếu cho thị trường trong nước hiện
nay.
Một trong những nguyên nhân chính kìm hãm sự phát triển của ngành cơng
nghiệp ô tô Việt Nam là sự yếu kém của công nghiệp phụ trợ. Do đó, tỷ lệ nội địa
hố của các loại ô tô lắp ráp trong nước là rất thấp. 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 có những sản phẩm ơ tơ thực sự chất lượng mang
thương hiệu Việt Nam, tiến tới xuất khẩu và hội nhập với thế giới.

5


Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các

hệ thống cho ơ tơ, thì cần phải có đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực
nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao. Trong đó, ưu tiên hàng đầu cần
được dành cho các nghiên cứu chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các bộ
phận, trong đó có các bộ phận của hệ thống truyền lực.
1.1.4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm và sản xuất các bộ phận của hệ
thống truyền lực ô tô tải
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, trong những
năm gần đây, đã xuất hiện một số đề tài nghiên cứu thiết kế các cụm trong hệ thống
truyền lực như đề tài “Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo cụm hộp số cho các
loại xe ô tô thông dụng” (2006) và “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm cầu sau sử
dụng cho các loại ô tô tải nhỏ tải trọng đến 3 tấn” (2010) thuộc chương trình trọng
điểm cấp Nhà nước KC.05 đã được thực hiện tại Tổng công ty máy động lực và
máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) trong đó đã đề xuất được quy trình thiết kế,
chế tạo các bộ phận chính của vỏ cầu chủ động [2]. Tuy nhiên, những thành tựu
chính của các đề tài trên chủ yếu thuộc về lĩnh vực vật liệu và công nghệ chế tạo mà
chưa đầu tư nghiên cứu sâu về cơ sở lý thuyết.
1.2. Tổng quan về vỏ cầu chủ động xe tải
1.2.1. Cấu tạo chung của cầu chủ động
Cấu tạo chung của cầu chủ động ô tô được mô tả trên hình 1.1.
Cầu chủ động bao gồm các bộ phận cuối cùng trên đường truyền công suất từ
động cơ đến các bánh xe chủ động. Cầu chủ động có ba bộ phận chính: truyền lực
chính, vi sai và các bán trục được lắp trong một vỏ. Trong đó, vỏ cầu là bộ phận
chứa tất cả các bộ phận truyền lực nêu trên, đồng thời nó làm việc như một dầm đỡ
trọng lượng của thân xe và phải chịu tác động của các tải trọng từ tương tác bánh xe
- đường. Các loại ơ tơ có động cơ đặt trước, cầu sau chủ động đều có cầu chủ động

6


với cấu tạo tương tự như trên, trừ trường hợp cầu sau chủ động của ơ tơ con có hệ

thống treo độc lập.

Hình 1.1: Cấu tạo vỏ cầu chủ động ô tô
1.2.2. Chức năng nhiệm vụ của cầu chủ động
Mỗi bộ phận của cầu chủ động thực hiện một chức năng riêng. Bộ truyền lực
chính, thường là cặp bánh răng hypoit hoặc bánh răng cơn, có nhiệm vụ tạo tỷ số
truyền nhằm tăng mô men truyền tới các bánh xe chủ động. Ngồi ra, đối với ơ tơ
tải, truyền lực chính cịn thực hiện thêm chức năng đổi hướng chuyển động đi một
góc 90o. Bộ vi sai tạo điều kiện cho các bánh xe quay với vận tốc khác nhau khi ơ tơ
quay vịng. Các bán trục thực hiện chức năng truyền mô men tới các bánh xe chủ
động.
Vỏ cầu chủ động là hộp chứa truyền lực chính, vi sai và các bán trục. Ngồi
ra, vỏ cầu cịn thực hiện chức năng của dầm đỡ toàn bộ phần trọng lượng phía sau
của ơ tơ và chịu các tải trọng từ tương tác bánh xe với đường. Vì vậy, kết cấu của

7


vỏ cầu phải đảm bảo độ bền và đặc biệt là độ cứng vững để không ảnh hưởng đến
điều kiện làm việc của các bộ phận bên trong.

1.2.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo
Tuỳ theo các dạng kết cấu, vỏ cầu hiện nay có thể được chế tạo từ gang đúc
hoặc thép dập. Để đảm bảo độ bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt với tải
trọng biến thiên trong phạm vi rộng, người ta thường sử dụng gang cầu để đúc vỏ
cầu ô tô tải. Đây vẫn là loại vật liệu được sử dụng phổ biến hơn cả nhờ nó có độ bền
cao và có những tính chất đặc biệt phù hợp với công nghệ đúc, độ chảy lỗng cao,
điền khn tốt, độ co ngót thấp khi đơng cứng…. Gang cầu có nhiều chủng loại
khác nhau với ứng suất giới hạn phá hủy nằm trong khoảng 460 - 920 MPa, giới hạn
bền mỏi của gang cầu thường lớn hơn 2 MPa và số chu kỳ gây mỏi nằm trong

khoảng 106–108 [7]
1.2.4. Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng
Vỏ cầu phải chịu tác dụng của các lực và mô men từ các bánh xe chủ động
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 và lực phanh), lực ngang và lực thẳng đứng. Các lực này tạo thành các tải
trọng tác động lên vỏ cầu dưới dạng lực hoặc mơ men. Ngồi ra, mơ men xoắn
truyền qua các bộ phận trong cầu chủ động cũng có tác động lên vỏ cầu. Trong q
trình chuyển động của ơ tơ, vỏ cầu còn phải chịu tác dụng của các lực từ khối lượng
được treo truyền qua các vị trí lắp nhíp và giảm chấn.
Do ơ tơ tải thường xun phải hoạt động trên đường xấu nên vỏ 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 vào điều kiện đường xá và thường có quy
luật ngẫu nhiên. Sự biến thiên của tải trọng thẳng đứng do mấp mô mặt đường
thường gây nên hiện tượng hư hỏng do mỏi làm giảm tuổi thọ của vỏ cầu.
8


Những phân tích trên đây cho thấy, vỏ cầu chủ động ô tô tải phải chịu tác dụng
của các lực động theo cả ba phương cùng với các mô men uốn và xoắn. Do vỏ cầu
là nơi lắp truyền lực chính, vi sai và các bán trục, nên ngồi việc phải đảm bảo độ
bền, nó cịn phải có đủ độ cứng vững với độ biến dạng theo các phương là tối thiểu
để không ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc của các bộ phận trên.

1.3. Phương pháp đánh giá độ bền vỏ cầu chủ động xe tải
1.3.1. Phương pháp truyền thống:
Để đánh giá độ bền vỏ cầu theo phương pháp này, người ta thường tính tốn
cho bốn trường hợp đặc trưng sau:
- Chuyển động thẳng với lực kéo cực đại;

- Chuyển động thẳng với lực phanh cực đại;
- Chuyển động quay vòng tới giới hạn trượt ngang;
- Chuyển động qua đường xấu với lực thẳng đứng cực đại.
Bốn trường hợp trên được tính tốn độc lập với mục đích xác định giá trị ứng
suất cực đại σmax trên vỏ cầu. Vỏ cầu được coi là đủ bền nếu ứng suất cực đại không
vượt quá giới hạn cho phép đối với vật liệu chế tạo:
σmax ≤ [σ]
Với [σ] là giới hạn cho phép của vật liệu chế tạo.
Phương pháp này thường cho kết quả là vỏ cầu thừa bền, kết cấu khơng hợp
và có khối lượng lớn.
1.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
Nhờ sự phát triển của các phần mềm tính tốn chun dụng, hiện nay phương
pháp hữu hạn đã trở thành công cụ đắc lực cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá
độ bền vỏ cầu. Để tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, người ta xây dựng
mơ hình 3D vỏ cầu. 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
9


trên tồn bộ vỏ cầu. Sau đó, từ các kết quả này, người thiết kế có thể đưa ra các giải
pháp gia cố cho những vùng có ứng suất cao hoặc 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 tức là tăng tính kinh tế cho sản phẩm
thiết kế.
1.3.3. Phương pháp thực nghiệm
Trong nghiên cứu phát triển, người ta thường đánh giá độ bền vỏ cầu bằng
phương pháp thực nghiệm. Phương pháp này đòi hỏi chi phí lớn cho thiết bị đo và
mẫu vỏ cầu để thí nghiệm. Bởi vì, đối với dạng thí nghiệm phá huỷ thì mỗi lần thí
nghiệm làm hỏng một mẫu vỏ cầu. Phương pháp này cho phép xác định giá trị tải
trọng cực đại mà vỏ cầu có thể chịu được.

Ngồi ra, vỏ cầu cịn được thử nghiệm để đánh giá độ bền do mỏi với tải trọng
tác động theo chu kỳ. Tuy nhiên, thí nghiệm dạng này địi hỏi thời gian thực hiện
dài và chi phí lớn. Hơn nữa, do khơng thể làm thí nghiệm với tải trọng và thời gian
tương tự như điều kiện vận hành thực tế của ơ tơ, nên cần có phương pháp quy dẫn
kết quả để đánh giá độ bền vỏ cầu.
1.4. Các hướng nghiên cứu đánh giá về độ bền vỏ cầu theo chế độ tải trọng
1.4.1. Đánh giá độ bền theo tải trọng cực đại
Đây là phương pháp đánh giá được coi là truyền thống, độ bền của vỏ cầu
được đánh giá theo các giá trị tải trọng cực đại đạt được trong các điều kiện chuyển
động đặc trưng. Khi đó các lực dọc và lực ngang cực đại được lấy theo giới hạn
bám, còn giá trị lớn nhất của lực thẳng đứng được tính thơng qua hệ số tải trọng
động. Với các giá trị tải trọng đã được xác định, người ta tính bền để đánh giá khả
năng chịu tải của vỏ cầu.
Phương pháp tính bền trên thường được gọi là tính bền tĩnh do chỉ sử dụng
một giá trị tải trọng tính tốn cho phép đánh giá khả năng chịu đựng của vật liệu mà
không gây nên hiện tượng gãy, vỡ trực tiếp.
10


1.4.2. Đánh giá độ bền trong điều kiện tải trọng động
Theo một số nhà nghiên cứu, phương pháp tính bền tĩnh trên đây chỉ phù hợp
với ô tô chuyển động ở vận tốc thấp và khối lượng không lớn. Khi ơ tơ chuyển động
với vận tốc lớn thì qn tính của các bộ phận có khối lượng lớn sẽ sinh ra các tải
trọng động có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền vỏ cầu. Trên thực tế, các tải trọng
động này thường không đủ lớn để gây hư hỏng trực tiếp cho vỏ cầu, nhưng sẽ có
ảnh hưởng rất lớn đến độ bền lâu của nó. Trong những trường hợp như vậy, việc sử
dụng tải trọng động để đánh giá độ bền của vỏ cầu sẽ cho kết quả phù hợp hơn với
điều kiện vận hành thực tế. Hơn nữa, sự phát triển mạnh của các phần mềm phân
tích kết cấu trong những năm gần đây đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu công cụ
hữu hiệu để giải quyết bài tốn này. Vì những lý do trên, các cơng trình nghiên cứu

về độ bền vỏ cầu trong những năm gần đây đã ngả theo hướng sử dụng tải trọng
động thay cho tải trọng tĩnh trước đây.
Để đánh giá vỏ cầu trong điều kiện tải trọng động, Ji-xin Wang (2011) và các
nhà nghiên cứu đã sử dụng các dạng tải trọng biến thiên theo quy luật cho trước đặt
lên vỏ cầu 3D và tính tốn đánh giá độ bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn
trong phần mềm ANSYS [12].
Meng Qinghua cùng các đồng tác giả (2011) đã sử dụng mơ hình động lực học
chuyển động của ơ tơ với kích thích từ mặt đường dạng ngẫu nhiên để xác định tải
trọng động tác dụng lên vỏ cầu chủ động dạng dầm liền rỗng giữa (banjo type). Các
kết quả nghiên cứu đã cho phép đề xuất một số giải pháp cải thiện kết cấu vỏ cầu
nhằm tăng độ bền mà khối lượng tăng không đáng kể [13].
1.5. Các chế độ tải trọng tác động lên vỏ cầu chủ động
Vỏ cầu phải chịu tác dụng của các lực và mô men từ các bánh xe chủ động
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 và lực phanh), lực ngang và lực thẳng đứng. Các lực này tạo thành các tải
11