Xây dựng mô hình xác định độ bền cầu chủ động xe bán tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỒN DUY GIANG

ĐỒN DUY GIANG

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN
CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI

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

2015A
Hà Nội – Năm 2017


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

ĐỒN DUY GIANG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN
CẦU CHỦ ĐỘNG XE TẢI

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. TRỊNH MINH HOÀNG

Hà Nội – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Đồn Duy Giang
Sinh ngày 22 tháng 07 năm 1986
Học viên cao học khoá 2015A, lớp 15AKTOTO-Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội
Tôi xin cam đoan luận văn “ Xây dựng mơ hình xác định độ bền cầu chủ động xe tải ”
do thầy giáo TS. Trịnh Minh Hồng hướng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của
luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày

tháng

Học viên

năm 2017


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ............................................................................................................1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................4
1.1.

Ngành cơng nghiệp ô tô Việt Nam, thực trạng và định hƣớng phát triển. ....4

1.1.1.

Thực trạng ...............................................................................................4

1.1.2.

Định hƣớng phát triển .............................................................................5

1.2.

Vỏ cầu chủ động xe tải ..................................................................................6

1.2.1.

Cấu tạo chung của vỏ cầu chủ động .......................................................6

1.2.2.

Yêu cầu, kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ cầu chủ động ............................7

1.2.3.

Điều kiện làm việc và các dạng tải trọng ..............................................10

1.3.

Các phƣơng pháp xác định độ bền cầu chủ động xe tải ..............................12

1.3.1.

Phƣơng pháp truyền thống ....................................................................12

1.3.2.

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ................................................13

1.3.3.

Phƣơng pháp thực nghiệm ....................................................................14

1.4.

Các hƣớng đánh giá độ bền vỏ cầu chủ động ..............................................15

1.4.1.

Đánh giá độ bền tĩnh .............................................................................15

1.4.2.

Đánh giá độ bền trong điều kiện tải trọng động. ..................................15

1.5.

Đối tƣợng, mục tiêu, phƣơng pháp nghiên cứu và nội dung đề tài .............16

1.5.1.

Đối tƣợng, mục tiêu, phƣơng pháp, phạm vi nghiên cứu .....................16

1.5.2.

Nội dung đề tài nghiên cứu. ..................................................................16

Kết luận chƣơng I ..................................................................................................17
CHƢƠNG II: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN ĐỘ BỀN VỎ CẦU CHỦ
ĐỘNG XE TẢI .........................................................................................................18
2.1. Chế độ tải trọng và phƣơng pháp đánh giá độ bền cầu chủ động ..................18
2.1.1. Giới thiệu về mơ hình bán trục trên cầu chủ động ...................................18
2.1.2. Chế độ tải trọng tĩnh .................................................................................21
2.1.3. Các trƣờng hợp tải động ...........................................................................23

1


2.2. Xây dựng mơ hình 3D ....................................................................................25
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Solidworks .............................................................26
2.2.2. Xây dựng mơ hình 3D vỏ cầu ..................................................................28
2.3. Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn ...............................................................35
2.3.1. Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp PTHH (FEM) ............................................35
2.3.2. Giới thiệu phần mềm Ansys .....................................................................37
2.3.3. Xây dựng mơ hình PTHH ........................................................................43
Kết luận chƣơng II .................................................................................................52
CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VỎ CẦU.......................................................53
3.1. Thông số tải trọng của xe khảo sát .................................................................53
3.2. Các chế độ tải trọng ........................................................................................56
3.2.1. Các chế độ tải trọng tải trọng tĩnh ............................................................56
3.2.2. Tính tốn xác định tải trọng động ............................................................57

3.3. Đánh giá độ bền vỏ cầu ..................................................................................60
3.2.1. Đánh giá độ bền tĩnh ................................................................................60
3.3.2. Đánh giá độ bền động. ..............................................................................69
Kết luận chƣơng III ................................................................................................76
KẾT LUẬN ...............................................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80

2


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị
m/s2

g

Gia tốc trọng trƣờng

mc

Hệ số phân bố lại trọng lƣợng trên cầu chủ động

-

υx

Hệ số bám dọc cực đại

-

υy

Hệ số bám ngang cực đại

-

hg

Chiều cao trọng tâm

m

r2

Bán kính động bánh xe sau

m

Khối lƣợng tồn bộ phân cho cầu sau

kg

Mc2
kd

Hệ số phân bố tải trọng

-

b2

Một nửa khoảng cách vết bánh xe sau

m

σmax

Ứng suất cực đại

MPa

[σ]

Ứng suất giới hạn bền của vật liệu

MPa

3


Danh mục các chữ viết tắt
Giải nghĩa

Chữ viết
tắt

CKD

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

TLC
PTHH
ISO

Truyền lực chính của Ô tô
Phần tử hữu hạn
Viết tắt của cụm từ tiếng Anh: International Organization for
Standardization. Nghĩa là Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

3D
CAD

Viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Three dimension. Nghĩa là 3 chiều.
Viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Computer Aided Sesign. Nghĩa là trợ
giúp của máy tính trong thiết kế.

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 :Cấu tạo cầu chủ động .................................................................................7
Hình 1. 2: Cấu tạo vỏ cầu dầm liền, rỗng giữa - Banjo type.......................................8
Hình 1. 3: Cấu tạo vỏ cầu kiểu hai nửa - Split type ....................................................9
Hình 1. 4: Cấu tạo vỏ cầu kiểu liền khối - Carrier type ..............................................9
Hình 1. 5: Các chế độ tải trọng đặc trƣng tác động lên vỏ cầu chủ động của ô tô tải

...................................................................................................................................11
Hình 1. 6: Mơ hình 3D vỏ cầu sử dụng trong tính tốn bằng phƣơng pháp PTHH ..14
Hình 1. 7: Mơ hình thí nghiệm độ bền vỏ cầu ..........................................................14
Hình 2. 1: Sơ đồ bán trục giảm tải 1/ 2 .....................................................................19
Hình 2. 2: Sơ đồ bán trục giảm tải 3/ 4 .....................................................................19
Hình 2. 3: Sơ đồ bán trục giảm tải hồn tồn............................................................20
Hình 2. 4: Sơ đồ các lực tác dụng lên vỏ cầu chủ động ............................................21
Hình 2. 5: Mấp mơ mặt đƣờng theo tiêu chuẩn ISO 8608:1995 ...............................24
Hình 2. 6: Giao diện khởi động của SOLIDWORKS ...............................................31
Hình 2. 7: Module Part trong SOLIDWORKS .........................................................32
Hình 2. 8: Mơi trƣờng Part của SOLIDWORKS ......................................................32
Hình 2. 9: Biên dạng cong của vỏ cầu ......................................................................33
Hình 2. 10: Biên dạng của ổ bi và vị trí vai ổ đỡ ......................................................34
Hình 2. 11: Hồn tất vỏ cầu chủ động của xe tải 3.25 tấn ........................................34
Hình 2. 12: Vỏ cầu sau khi hồn thiện ......................................................................35
Hình 2. 13: Sơ đồ thiết kế sản phẩm cơ khí sử dụng phần mềm...............................36
Hình 2. 14: Sơ đồ thuật tốn xác định độ bền vỏ cầu ...............................................44
Hình 2. 15: Mơ hình 3D vỏ cầu chủ động .................................................................45
Hình 2. 16: Mơ hình phần tử SOLID187 ..................................................................46
Hình 2. 17: Mơ hình chia lƣới vỏ cầu .......................................................................47
Hình 2. 18: Sơ đồ và bố trí kết cấu bán trục giảm tải hồn tồn ...............................49
Hình 2. 19: Ngàm tại vị trí 2 ổ bi ..............................................................................50

5


Hình 2. 20: Ngàm tại tâm hạn chế góc xoay theo phƣơng X ....................................50
Hình 2. 21: Lực theo phƣơng X và phƣơng Z ...........................................................51
Hình 3. 1: Xe tải ben Chiến Thắng ...........................................................................53
Hình 3. 2: Mấp mơ mặt đƣờng D-E (v= 40 km/h) ....................................................58

Hình 3. 3: Tải trọng động theo phƣơng thẳng đứng Fzn2i (v = 40 km/h, đƣờng D-E)
...................................................................................................................................58
Hình 3. 4: Mấp mô mặt đƣờng E-F (v = 40 km/h) ....................................................59
Hình 3. 5: Tải trọng động theo phƣơng thẳng đứng lên cầu sau Fz21 (v = 40 km/h,
đƣờng E-F) ................................................................................................................60
Hình 3. 6: Điều kiện ràng buộc trƣờng hợp lực kéo cực đại .....................................62
Hình 3. 7: Phổ chuyển vị tổng trƣờng hợp lực kéo cực đại ......................................62
Hình 3. 8: Phổ ứng suất Von- Mises .........................................................................63
Hình 3. 9: Ứng suất theo phƣơng X ..........................................................................63
Hình 3. 10: Ứng suất theo phƣơng Y ........................................................................63
Hình 3. 11: Ứng suất theo phƣơng Z ........................................................................64
Hình 3. 12: Sơ đồ ràng buộc khi quay vòng với lực ngang cực đại ..........................64
Hình 3. 13: Phổ chuyển vị trên vỏ cầu ......................................................................65
Hình 3. 14: Phổ ứng suất Von- Mises .......................................................................65
Hình 3. 15: Ứng suất theo phƣơng X ........................................................................66
Hình 3. 16: Ứng suất theo phƣơng Y ........................................................................66
Hình 3. 17: Ứng suất theo phƣơng Z ........................................................................66
Hình 3. 18: Sơ đồ đặt lực tác dụng lên vỏ cầu khi xe đi trên đƣờng xấu ..................67
Hình 3. 19: Biểu đồ chuyển vị trên vỏ cầu ...............................................................67
Hình 3. 20: Biểu đồ ứng suất trên vỏ cầu ..................................................................68
Hình 3. 21: Ứng suất theo phƣơng X ........................................................................68
Hình 3. 22: Ứng suất theo phƣơng Y ........................................................................68
Hình 3. 23: Ứng suất theo phƣơng Z ........................................................................69
Hình 3. 24: Giá trị chuyển vị lớn nhất khi xe chạy trên đƣờng D-E .........................70
Hình 3. 25: Chuyển vị lớn nhất tại 1.85 s .................................................................71

6


Hình 3. 26: Giá trị ứng suất lớn nhất khi xe chạy trên đƣờng D-E ...........................71

Hình 3. 27: Ứng suất lớn nhất tại 1.85s ....................................................................72
Hình 3. 28: Giá trị chuyển vị lớn nhất khi xe chạy trên đƣờng E-F .........................73
Hình 3. 29: Chuyển vị lớn nhất tại 0.05s ..................................................................73
Hình 3. 30: Giá trị ứng suất lớn nhất khi xe chạy trên đƣờng E-F ...........................74
Hình 3. 31: Giá trị ứng suất tại 1.6s ..........................................................................74
Hình 3. 32: Biểu đồ hệ số an toàn khi xe đi trên đƣờng E-F ....................................75

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Giá trị thông số vật liệu ...........................................................................45
Bảng 2. 2: Bảng thông số đánh giá lƣới ....................................................................49
Bảng 3. 1: Thông số tải trọng của xe tải CT 3.25 D2 ...............................................55
Bảng 3. 2: Giá trị tải trọng tĩnh .................................................................................61
Bảng 3. 3: Giá trị chuyển vị tổng, biến dạng và ứng suất trƣờng hợp lực kéo cực đại
...................................................................................................................................62
Bảng 3. 4: Bảng giá trị chuyển vị tổng, biến dạng, ứng suất Von- Mises ................65
Bảng 3. 5: Giá trị chuyển vị, biến dạng, ứng suất khi xe đi trên đƣờng xấu ............67

8


LỜI NĨI ĐẦU
Ngành cơng nghiệp ơ tơ Việt Nam sau hơn 20 năm xây dựng và phát triển,
hiện nay vẫn dừng ở mức quy mô nhỏ với công nghệ lạc hậu. Đại đa số các doanh
nghiệp kinh doanh sản xuất trong lĩnh vực này mới chỉ dừng lại ở mức lắp ráp
CKD, trên cơ sở là các linh kiện đƣợc nhập khẩu, khiến tỉ lệ nội địa hóa rất thấp.
Trong khi đó, Chính phủ nƣớc ta cũng đã có rất nhiều biện pháp và chính sách ƣu
đãi nhằm thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp ô tô trong nƣớc, đặc biệt là đối với

dịng xe tải nhỏ, trung bình, tuy nhiên lĩnh vực sản xuất ô tô tải vẫn trong tình trạng
khơng mấy khả quan. Chỉ một số ít sản phẩm, bộ phận của khung vỏ, thùng bệ,
cabin có thể tự sản xuất đƣợc, còn lại hầu hết các bộ phận chính từ động cơ, hệ
thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển… đều đƣợc nhập ngoại, chủ yếu là
nhập từ Trung Quốc với chất lƣợng thấp, một số ít nhập từ Hàn Quốc nhƣng có
điểm trung là quy mô sản xuất và mức đầu tƣ công nghệ thấp, chất lƣợng cịn hạn
chế.
Trƣớc tình hình trên, để có thể tự sản xuất ra các chi tiết và cụm chi tiết trên ơ
tơ, để tiến tới hồn thiện cho ra sản phẩm ơ tơ mang thƣơng hiệu Việt Nam có chất
lƣợng và giá thành phù hợp với nhu cầu trong nƣớc, chúng ta sẽ cần đầu tƣ rất nhiều
và tập trung cho lĩnh vực chuyên sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các các cụm
chi tiết quan trọng trên ơ tơ, để cho ra các sản phẩm có chất lƣợng đáp ứng đƣợc
nhu cầu cấp thiết đề ra. Điều này cũng phù hợp với Chiến lƣợc và Quy hoạch phát
triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, theo bản quy hoạch này thì đến năm 2020
chúng ta sẽ sản xuất đƣợc các chi tiết trong hệ thống truyền lực chú trọng cho xe
khách và xe tải nhẹ.
Trong hệ thống truyền lực, cầu chủ động là một trong những cụm chi tiết quan
trọng, là bộ phận cuối cùng trên đƣờng truyền công suất từ động cơ đến các bánh xe
chủ động. Trong đó, vỏ cầu là bộ phận chứa tất cả các chi tiết bộ phận truyền lực (vi
sai, bán trục…), đồng thời nó làm việc nhƣ một dầm đỡ trọng lƣợng thân xe và phải
chịu tác động của các tải trọng tƣơng tác giữa bánh xe với đƣờng. Hiện nay đã có
1


rất nhiều đề tài nghiên cứu đến việc thiết kế vỏ cầu nhƣng chỉ dừng ở mức tập trung
vào công nghệ chế tạo chứ chƣa đầu tƣ chuyên sâu cho nghiên cứu đánh giá độ bền
chất lƣợng sản phẩm.
Xuất phát từ nhu cầu đó, hƣớng nghiên cứu của đề tài là xác định độ bền của
vỏ cầu xe tải nhỏ theo phƣơng pháp lý thuyết (phƣơng pháp này phù hợp với điều
kiện còn nhiều thiếu thốn về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm nhƣ hiện nay

của Việt Nam), tạo cơ sở lý thuyết phục vụ đánh giá chất lƣợng sản phẩm nói riêng
và hồn thiện qui trình thiết kế nói nói chung.
Mục đích của luận văn:
Xây dựng phƣơng pháp đánh giá độ bền phục vụ cho việc thiết kế các cụm chi
tiết trên ô tô.
Đối tƣợng nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn đƣợc lựa chọn là vỏ cầu xe tải hạng nhẹ
CT 3.25 D2 tải trọng 3,25 tấn sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
Đánh giá độ bền tĩnh của vỏ cầu chủ động trên ô tô tải nhẹ đƣợc sản xuất và
lắp ráp tại Việt Nam trong các điều kiện cụ thể, bao gồm các trƣờng hợp đặc trƣng
nhƣ: lực dọc, lực ngang, lực thẳng đứng cực đại và khảo sát khi xe chuyển trên
đƣờng với một số loại đƣờng tiêu chuẩn.
Nội dung và bố cục của luận văn:
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm các phần chính sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Xây dựng mơ hình tính toán
Chƣơng 3: Khảo sát độ bền vỏ cầu chủ động
Chƣơng 4: Kết luận
2


Những kết quả của luận văn:
-

Xây dựng mơ hình xác định tải trọng tĩnh tác dụng lên vỏ cầu, làm thông số
đánh giá cho việc xác định độ bền vỏ cầu ở trƣờng hợp tải trọng đặc trƣng.

-

Xây dựng quy trình xác định độ bền vỏ cầu, mơ hình phần tử hữu hạn và
đánh giá mơ hình phần tử hữu hạn của vỏ cầu.

-

Đánh giá độ bền của vỏ cầu chủ động trên một số loại đƣờng tiêu chuẩn.

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:
Khảo sát và đánh giá độ bền của vỏ cầu chủ động trên xe tải nhẹ đƣợc lắp ráp
và sử dụng tại Việt Nam, qua đó tạo cơ sở để xây dựng quy trình đánh giá độ bền
của các chi tiết và cụm chi tiết trên ơ tơ.
Do trình độ và thời gian có hạn, bản luận văn của em khơng tránh đƣợc các
sai sót, vì vậy em kính mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của các thầy để bản luận
văn của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Trịnh Minh Hoàng cùng
các thầy giáo trong Bộ mơn Ơ tơ và Xe chun dụng, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã tận tình hƣớng dẫn giúp em hoàn thành tốt luận văn.
Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2017
Học viên thực hiện

Đoàn Duy Giang

3


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1.

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, thực trạng và định hƣớng phát triển

1.1.1. Thực trạng
Theo thống kế của Bộ Cơng Thƣơng, tính đến năm 2015, ngành sản xuất ơ tơ
có trên 400 doanh nghiệp, tập trung chủ yếu ở khu vực Đông Nam Bộ và vùng
Đồng bằng Sơng Hồng. Đa số doanh nghiệp có quy mơ vừa và nhỏ. Tổng công suất
lắp ráp thiết kế khoảng 460.000 xe/năm, trong đó khu vực có vốn đầu tƣ nƣớc ngoài
chiếm khoảng 47%, doanh nghiệp trong nƣớc khoảng 53%. Giai đoạn 2001-2014,
tốc độ tăng trƣởng bình quân của sản xuất lắp ráp ô tô khoảng 17%/năm. Biến động
của nền kinh tế và sự thay đổi của chính sách, đặc biệt các chính sách về thuế, phí là
các nhân tố chủ yếu ảnh hƣởng đến sản xuất cũng nhƣ tiêu thụ xe ô tô. Tổng số
lƣợng xe tiêu thụ năm 2010 là 184.813 xe, năm 2011 là 181.545 xe, năm 2012 là
124.815 xe và năm 2013 là 153.199 xe, năm 2014 là 241.178 xe, năm 2015 là trên
350.000 xe. Ngành cơng nghiệp ơ tơ đã đóng góp đáng kể vào nguồn thu ngân sách
nhà nƣớc (bình quân khoảng 01 tỷ USD/năm – chỉ tính riêng các khoản thuế), đồng
thời cũng giải quyết một lƣợng lớn công ăn việc làm cho khoảng 80 ngàn lao động
trực tiếp.
Về công nghiệp hỗ trợ: Theo Báo cáo tháng 6/2006 của VDF, các nhà sản xuất
Nhật Bản cho rằng CNPT Việt Nam còn chậm phát triển. Tỷ lệ nội địa hoá của các
nhà sản xuất Nhật Bản tại Việt Nam mới chỉ đạt 22,6% vào năm 2003, trong khi ở
Malaixia và Thái Lan tỷ lệ này là 45% hoặc cao hơn. Còn theo nghiên cứu của Viện
Nghiên cứu Quản lý Kinh tế Trung ƣơng (CIEM), khi thực hiện cuộc khảo sát hơn
80 doanh nghiệp FDI tại Việt Nam, có tới 32 doanh nghiệp cho rằng việc cung ứng
nguyên vật liệu và các hoạt động kinh tế phụ trợ của Việt Nam rất kém. Hiện Việt
Nam có tới 50 doanh nghiệp lắp ráp ơtơ, nhƣng chỉ có trên 60 doanh nghiệp cung
cấp linh kiện, quá thấp so với con số 385 doanh nghiệp ở Malaixia và 2.500 doanh
nghiệp ở Thái Lan. Theo tính tốn, một doanh nghiệp ôtô phải cần tối thiểu 20 nhà
cung cấp các loại linh kiện khác nhau. Nhƣng cho đến nay chƣa doanh nghiệp lắp

4

ráp ơtơ nào tại Việt Nam có đƣợc 20 nhà cung cấp linh kiện trong nƣớc. Ngay cả
những liên doanh ôtô tên tuổi nhƣ Toyota, Ford, Thaco... có hệ thống các nhà cung
cấp linh kiện lớn cũng chƣa lôi kéo đƣợc nhiều doanh nghiệp đầu tƣ vào Việt Nam.
Trên thực tế, thời gian qua, các doanh nghiệp lắp ráp ôtô chỉ có 2-3 nhà cung cấp
linh kiện trong nƣớc.
1.1.2. Định hƣớng phát triển
Định hƣớng giai đoạn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035, Việt Nam phát
triển cơng nghiệp ơ tô trở thành ngành quan trọng phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp
hóa - hiện đại hóa, góp phần phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo an ninh, quốc
phịng của đất nƣớc.
Theo đó ngành sẽ tập trung vào các dịng sản phẩm sau:
- Hình thành doanh nghiệp qui mô lớn (dẫn dắt thị trƣờng): Thu hút và tập
trung các chính sách ƣu đãi, hỗ trợ các doanh nghiệp có Dự án đầu tƣ sản xuất các
dịng xe ƣu tiên có quy mơ cơng suất trên 50.000 xe/năm và dự án sản xuất các bộ
phận động cơ, hộp số, cụm truyền động.
- Đối với xe chở ngƣời đến 9 chỗ ngồi: định hƣớng cho giai đoạn đến năm
2025, tầm nhìn đến năm 2035 là tập trung vào phát triển các sản phẩm xe con phù
hợp với ngƣời Việt Nam và xu hƣớng phát triển xe con của thế giới (xe thân thiện
môi trƣờng: ecocar, hybrid…) gồm: xe cá nhân, kích thƣớc nhỏ, tiêu thụ ít năng
lƣợng, thân thiện với môi trƣờng và giá cả phù hợp với ngƣời tiêu dùng Việt Nam.
- Đối với xe tải và xe khách: tập trung vào phát triển các chủng loại sản
phẩm sản xuất trong nƣớc có lợi thế và các sản phẩm phục vụ nông nghiệp, nông
thôn; các loại xe chuyên dùng, gồm có: xe tải nhỏ đa dụng phục vụ cho nông
nghiệp, nông thôn; xe khách tầm trung và tầm ngắn; xe chở bê tông, xi téc và đặc
chủng an ninh - quốc phịng; xe nơng dụng đa chức năng.
- Về công nghiệp hỗ trợ: định hƣớng cho thời gian tới là tăng cƣờng hợp tác
giữa các doanh nghiệp trong nƣớc và các doanh nghiệp lớn nƣớc ngoài trong việc

5

sản xuất linh kiện và phụ tùng, trong đó tập trung vào các bộ phận quan trọng, hàm
lƣợng công nghệ cao để phục vụ nhu cầu của thị trƣờng trong nƣớc, thay thế nhập
khẩu, tiến tới xuất khẩu. Cụ thể tỷ lệ giá trị sản xuất chế tạo trong nƣớc đối với sản
xuất ô tô: đến năm 2020, xe đến 9 chỗ đạt 30 - 40%, từ 10 chỗ trở lên đạt 35 - 45%,
xe tải đạt 30 - 40%, xe chuyên dụng đạt 25 - 35%; đến năm 2025, xe đến 9 chỗ đạt
40 - 45%, từ 10 chỗ trở lên đạt 50 - 60%, xe tải đạt 45 - 55%, xe chuyên dụng đạt
40 - 45%; đến năm 2035, xe đến 9 chỗ đạt 55 - 60%, từ 10 chỗ trở lên đạt 75 - 80%,
xe tải đạt 70 - 75%, xe chuyên dụng đạt 60 - 70%.
1.2.

Vỏ cầu chủ động xe tải

1.2.1. Cấu tạo chung của vỏ cầu chủ động
Cầu chủ động gồm các bộ phận trên đƣờng truyền công suất từ động cơ đến
các bánh xe chủ động. Cầu chủ động có ba bộ phận chính: truyền lực chính (TLC),
vi sai và các bán trục lắp trong một vỏ. Trong đó vỏ cầu là bộ phận chứa tất cả các
bộ phận truyền lực nêu trên, đồng thời cũng là một dầm đỡ trọng lƣợng thân xe và
chịu các tác động từ tải trọng từ bánh xe – đƣờng cũng nhƣ tải trọng từ trên xuống.
Cấu tạo cầu chủ động ơ tơ đƣợc mơ tả nhƣ hình 1.1. Đối với các loại ơ tơ tải
có động cơ đặt trƣớc, cầu sau chủ động đều có cấu tạo tƣơng tự nhƣ hình, trừ trƣờng
hợp cầu chủ động của ô tô con có hệ thống treo độc lập.

6


Hình 1. 1 :Cấu tạo cầu chủ động
1.2.2. Yêu cầu, kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ cầu chủ động
Vỏ cầu chủ động là hộp chứa TLC, vi sai và các bán trục, ngồi ra nó cịn làm
nhiệm vụ của dầm đỡ tồn bộ trọng lƣợng phía sau của ô tô và chịu các tải trọng

tƣơng tác từ bánh xe với đƣờng. Vì vậy, kết cấu của vỏ cầu phải đảm bảo độ bền và
đặc biệt là độ cứng vững để không làm ảnh hƣởng đến điều kiện làm việc của các
bộ phận bên trong.
Về kết cấu vỏ cầu chủ động trên xe ơ tơ có khá nhiều kết cấu khác nhau phụ
thuộc vào vị trí lắp đặt trên xe (cầu trƣớc hay cầu sau), phụ thuộc vào loại xe (lắp
cho xe con hay xe khách, xe tải nhỏ hay xe tải cỡ lớn hay xe cơng trình…). Tuy
nhiên giới hạn trong nghiên cứu đề tài này chỉ tập trung vào kết cấu của vỏ cầu chủ
động dùng cho xe tải cỡ nhỏ (dƣới 3,5 tấn). Đối với xe tải loại này cầu chủ động
thƣờng đƣợc bố trí ở phía sau.
Vỏ cầu chủ động là nơi làm giá đỡ, lắp đặt bộ vi sai, các bán trục và bánh xe
chủ động. Thu hút và truyền dẫn mô men xoắn cầu sau lên khung xe qua bộ phận
trung gian là nhíp, thanh giữ hoặc thanh xoắn. Là nơi gắn các vấu giá đỡ, để bắt
chặt nhíp, lị xo, giảm chấn, làm nơi lắp đặt các chi tiết hệ thống phanh sau. Do đó,
7


vỏ cầu chủ động phải đảm bảo yêu cầu về hình dáng tiết diện sao cho chịu đƣợc các
lực từ mô men xoắn cũng nhƣ các lực tác dụng thẳng đứng, phải đảm bảo yêu cầu
có độ cứng vững cao, trọng lƣợng nhẹ (vì đây là bộ phận khơng đƣợc treo lên trọng
lƣợng lớn sẽ làm tăng tải trọng động tác động lên lốp xe). Đồng thời cũng đòi hỏi
cần đƣợc chế tạo bằng vật liệu tốt, có độ kín khít tốt để đảm bảo che chắn bảo vệ
cho các bộ phận bên trong khỏi tác động của môi trƣờng bên ngoài (bụi bẩn,
nƣớc...) hay các va đập khi xe chuyển động.
Về kết cấu, thông thƣờng vỏ cầu chủ động đƣợc kết cấu bằng thép đúc liền,
hoặc từ các lá thép dày hàn dính với nhau, phần giữa là thép đúc là nơi chứa bộ vi
sai. Tùy theo kết cấu vỏ cầu chủ động có thể phân làm ba loại: loại liền khối (carrier
type), loại hai nửa (split type) và loại dầm liền rỗng giữa (banjo type).

Hình 1. 2: Cấu tạo vỏ cầu dầm liền, rỗng giữa - Banjo type
Vỏ cầu Banjo type đƣợc sử dụng khá phổ biến, vỏ cầu kiểu này đƣợc chế tạo

liền khối với vùng giữa rỗng cả hai phía (hình 1.2). Phía trƣớc dùng để lắp các bộ
phận của TLC và vi sai. Các bộ phận này đƣợc lắp trên một vỏ riêng và đƣợc ghép
lên vỏ cầu bằng các bu lông. Mặt sau của vùng rỗng đƣợc che kín bằng một nắp làm
từ thép mỏng, không chịu lực. Loại vỏ cầu này thƣờng đƣợc dùng khá phổ biến trên
các loại xe tải trọng nhỏ và trung bình. Nó có khả năng chịu lực thẳng đứng tốt, tuy
nhiên khả năng chịu các lực dọc nhƣ lực kéo và lực phanh lại kém. Ƣu điểm nổi trội

8


của loại này đó là việc bố trí cum TLC tách biệt giúp việc tháo lắp bảo dƣỡng sửa
chữa rất thuận tiện giảm nhiều công sức.
Loại vỏ cầu Split type là loại vỏ cầu đƣợc chế tạo thành hai chi tiết riêng biệt,
chúng không đối xứng, một nửa đƣợc thiết kế chứa bánh tăng chủ động của TLC
cùng các ổ đỡ của nó, nửa cịn lại có kết cấu đơn giản hơn. Hai nửa vỏ cầu đƣợc liên
kết bằng một dãy bu lơng tạo thành dầm cầu có kết cấu vững chắc với độ cứng vững
cao. Loại này có kết cấu phức tạp, khó chế tạo và khơng thuận tiện cho sửa chữa.

Hình 1. 3: Cấu tạo vỏ cầu kiểu hai nửa - Split type
Vỏ cầu liền khối Carrier type có đặc điểm phần giữa của nó đƣợc đúc liền khối
tạo thành hộp vững chắc chứa các bộ phận của TLC và vi sai. Phía sau của cụm
TLC là khoảng không gian phụ vụ tháo lắp và đƣợc đậy bằng nắp thép dập mỏng.

Hình 1. 4: Cấu tạo vỏ cầu kiểu liền khối - Carrier type

9


Tùy theo các dạng kết cấu, vỏ cầu có thể đƣợc chế tạo từ gang đúc hoặc thép
dập hàn vào với nhau. Trong đó cơng nghệ sử dụng gang đúc đƣợc áp dụng phổ

biến nhất. Để đảm bảo độ bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt với tải trọng
biến thiên trong phạm vi rộng, ngƣời ta thƣờng sử dụng gang cầu để đúc vỏ cầu ô tô
tải.
Hiện nay, loại vỏ cầu ô tô dùng gang cầu vẫn là loại vật liệu đƣợc sửa dụng
phổ biến hơn cả nhờ có độ bền cao và có những tính chất đặc biệt phù hợp với cơng
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 nằm trong khoảng
460-920 Mpa và giới hạn chảy 310-670 Mpa.
1.2.3. 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 tác động từ hệ thống treo. Các lực tại bánh xe, thƣờng
đƣợc gọi theo phƣơng 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 dƣới dạng
lực hoặc mô 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
cịn phải chịu tác dụng của các lực từ khối lƣợng đƣợc treo truyền qua các vị trí lắp
nhíp và giảm chấn.
Sơ đồ các lực và mô men tác dụng lên vỏ cầu cho một số trƣờng hợp đặc trƣng
đƣợc mô tả nhƣ hình sau:

10


Hình 1. 5: Các chế độ tải trọng đặc trưng tác động lên vỏ cầu chủ động của ô tô tải
Trong đó:

Rzt, Rzp – phản lực thẳng đứng tại các bánh xe bên trái và bên phải;
Rzt, Rzp – phản lực phƣơng ngang tại các bánh xe trái và phải;
Tk, Pk – mô men chủ động và lực kéo tại bánh xe;
Tτ, Pτ – mô men phanh và lực phanh tại bánh xe;

11


Py – lực ngang tác dụng lên thân;
Mut – mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng;
Mun – mô men uốn trong mặt phẳng ngang;
rk – bán kính bánh xe.
Do ô tô tải thƣờng xuyên phải hoạt động trên đƣờng 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 ngƣời lái (tăng tốc, phanh,
quay vòng), còn lực thẳng đứng lại phụ thuộc vào điều kiện đƣờng và thƣờng có
quy luật ngẫu nhiên. Sự biến thiên của tải trọng thẳng đứng do mấp mô của mặt
đƣờng thƣờng gây hiện tƣợng hƣ hỏng do mỏi làm giảm tuổi thọ của cầu.
Những phân tính trên cho thấy vỏ cầu chủ động ô tô tải phải chịu tác dụng của
các lực động theo cả ba phƣơng cùng với các mô men uốn và xoắn. Do vỏ cầu là
nơi lắp TLC, vi sai và các bán trục, nên ngoài việc đảm bảo độ bền, nó cịn phải có
đủ độ cứng vững với độ biến dạng theo các phƣơng là tối thiểu để không ảnh hƣởng
xấu đến điều kiện làm việc của các bộ phận trên.
1.3.

Các phƣơng pháp xác định độ bền cầu chủ động xe tải

1.3.1. Phƣơng pháp truyền thống
Theo phƣơng pháp truyền thống độ bền của vỏ cầu chủ động đƣợc kiểm
nghiệm bằng việc xác định ứng suất cực đại σmax trên vỏ cầu tại ba trƣờng hợp tải
đặc trƣng đó là:
- Chuyển động thẳng với lực dọc cực đại (tăng tốc hoặc phanh);
- Chuyển động quay vòng tới giới hạn trƣợt ngang (lực dọc cực đại);
- Chuyển động qua đƣờng xấu với lực thẳng đứng cực đại.
Các trƣờng hợp trên đƣợc tính tốn độc lập với nhau, vỏ cầu đƣợc xác định là

đủ bền nếu ứng suất cực đại không vƣợt quá giới hạn cho phép của vật liệu chế tạo:
σmax ≤ [σ], với [σ] là giới hạn bền của vật liệu chế tạo.
12


Với phƣơng pháp này, thông thƣờng cho kết quả là vỏ cầu thừa bền nhƣng
khơng đánh giá đƣợc chính xác vị trí thừa bền cũng nhƣ đƣa ra đƣợc giải pháp kết
cấu hợp lý để giảm khối lƣợng vỏ cầu nhƣng vẫn đảm bảo độ bền theo yêu cầu,
hoặc giải pháp để tăng độ bền, cứng vững đối với những vị trí chịu tải lớn dễ xảy ra
hƣ hỏng đối với vỏ cầu.
1.3.2. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH)
Cùng với sự phát triển của cơng nghệ máy tính và phần mềm hỗ trợ tính tốn
chun dụng, phƣơng pháp tính tốn vỏ cầu bằng PTHH đã trở thành cơng cụ đắc
lực cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá độ bền vỏ cầu.
Để tính tốn bằng phƣơng pháp PTHH, ngƣời ta xây dựng mơ hình 3D vỏ cầu.
Tiếp đó với các lực tác động và các điều kiện ràng buộc đƣợc đặt tại các vị trí tƣợng
ứng, phần mềm chun dụng sẽ tính tốn cho ra kết quả là giá trị ứng suất phân bố
trên toàn bộ vỏ cầu. Dựa trên sự phân bố ứng suất này, ngƣời thiết kế có thể đƣa ra
các giải pháp để gia cố (tăng độ dầy vật liệu, tạo gân…) cho những vùng có ứng
suất cao hay giảm bớt vật liệu ở những vùng “thừa bền” để giảm khối lƣợng treo.
Với cách làm này, khơng chỉ giúp cho sản phẩm thiết kế có kết cấu hợp lý hơn mà
cịn giảm chi phí, rút ngắn thời gian thiết kế tới sản phẩm, giảm bớt số mẫu cần phải
sản xuất thử.

13


Hình 1. 6: Mơ hình 3D vỏ cầu sử dụng trong tính tốn bằng phương pháp PTHH
1.3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm
Trong nghiên cứu phát triển, ngƣời ta cũng thƣờng dùng phƣơng pháp đánh

giá độ bện bằng thực nghiệm. Tuy nhiên phƣơng pháp này địi hỏi thời gian thí
nghiệm lâu, chi phí lớn cho thiết bị đo và mẫu vỏ cầu để thí nghiệm, vì với dạng thí
nghiệm phá hủy thì mỗi lần thí nghiệm sẽ làm hỏng một mẫu.

Hình 1. 7: Mơ hình thí nghiệm độ bền vỏ cầu
14