Đồ án Toán: tốt nghiệp tính toán kiểm tra khung xe cầu trước cầu sau khi

Đồ án tốt nghiệp phân tích tính toán và kiểm tra khung xe, cầu trước, cầu sau khi vận hành với tải trọng vượt mức cho phép theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Phan Ngọc Châu
• Người hướng dẫn: MSc. Đặng Quý
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Tính Toán Kiểm Tra Khung Xe, Cầu Trước, Cầu Sau Khi Xe Chở Quá Tải
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Tính Toán Kiểm Tra Khung Xe

Đồ án tốt nghiệp tính toán kiểm tra khung xe là một dự án nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, đặc biệt tập trung vào kiểm tra khung xe, cầu trước và cầu sau khi xe chở quá tải. Đây là bài toán thực tiễn có ý nghĩa lớn trong ngành vận tải và sản xuất ô tô. Mục tiêu chính của đề tài là xác định độ bền của khung xe dưới điều kiện hoạt động cực đại, đặc biệt khi xe vận chuyển hàng hóa vượt quá tải trọng thiết kế 80%. Thông qua tính toán nội lực, ứng suất và kiểm tra bền, các kỹ sư có thể đánh giá khả năng chịu lực của các thành phần chính của xe. Đề tài này đòi hỏi kết hợp các kiến thức về cơ học vật rắn, thiết kế kỹ thuật và phân tích kết cấu để đưa ra kết luận chính xác và an toàn.

1.1. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài Tính Toán Kiểm Tra Khung Xe

Tính cấp thiết của tính toán kiểm tra khung xe nằm ở tầm quan trọng của việc đảm bảo an toàn giao thông. Trong thực tế vận tải, nhiều xe bị quá tải, gây áp lực lên khung xe, cầu trước và cầu sau. Việc kiểm tra bền qua tính toán giúp phát hiện các điểm yếu trong thiết kế, từ đó cải thiện độ an toàn. Đề tài này cung cấp phương pháp khoa học để tính toán tải trọng tác dụng lên các bộ phận, xác định ứng suất uốn và momen xoắn, qua đó đưa ra hệ số an toàn phù hợp.

1.2. Giới Hạn Vấn Đề Trong Tính Toán Kiểm Tra Khung Xe

Đề tài tính toán kiểm tra khung xe tập trung vào trường hợp xe chở quá tải 80%, trong ba trạng thái: tĩnh, phanh cực đại và truyền lực kéo cực đại. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tính toán khung xe, cầu trước và cầu sau, xác định phản lực, nội lực, và kiểm tra bền bằng so sánh ứng suất thực tế với ứng suất cho phép. Các hệ số an toàn được tính toán để đánh giá mức độ an toàn của kết cấu trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

II. Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Cầu Khi Xe Chở Quá Tải

Bước đầu tiên trong tính toán kiểm tra khung xe là xác định tải trọng tác dụng lên cầu trước và cầu sau. Công việc này đòi hỏi phải xác định chính xác tọa độ trọng tâm xe khi không tải, sau đó tính toán sự phân bố tải trọng khi xe chở quá tải 80%. Quá trình này rất quan trọng vì các giá trị tải trọng sẽ được sử dụng để tính toán nội lực trong dầm dọc và các bộ phận khác. Tải trọng phân bố phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của xe: tĩnh, phanh hay truyền lực kéo, mỗi trường hợp sẽ tạo ra các lực tác động khác nhau lên cầu.

2.1. Xác Định Trọng Tâm Xe Và Phân Bố Tải Trọng

Trọng tâm xe được xác định dựa trên tọa độ trọng tâm theo chiều dài và chiều cao. Khi xe chở quá tải 80%, hàng hóa được phân bố lên dầm dọc tạo thành tải trọng phân bố đều (N/m). Sự phân bố này chia thành hai phần: phần đầu xe và phần còn lại. Tải trọng lên cầu trước (GT) và cầu sau (GS) được tính toán dựa trên vị trí trọng tâm và chiều dài cơ sở xe.

2.2. Tải Trọng Trong Các Trạng Thái Hoạt Động Khác Nhau

Trong tính toán kiểm tra khung xe, phải xét ba trạng thái: trạng thái tĩnh có tải trọng cơ bản, trạng thái phanh với lực phanh cực đại làm tăng tải lên cầu trước, và trạng thái truyền lực kéo với lực kéo cực đại làm tăng tải lên cầu sau. Mỗi trường hợp sử dụng hệ số thay đổi tải trọng khác nhau để tính tải trọng phân bố (GTp, GS p hoặc GTk, GSk).

III. Tính Toán Và Kiểm Tra Khung Xe Chính Khi Quá Tải

Tính toán khung xe là phần trung tâm của đề tài, bao gồm việc xác định nội lực trong dầm dọc và kiểm tra bền của nó. Dầm dọc là thành phần chịu lực chính của khung xe, do đó phải được thiết kế để chịu được momen uốn và lực cắt phát sinh từ tải trọng phân bố. Quá trình kiểm tra bền bao gồm việc tính môđun chống uốn (Wx) của mặt cắt ngang, xác định ứng suất uốn thực tế, và so sánh với ứng suất cho phép của vật liệu. Biểu đồ nội lực được vẽ để trực quan hóa sự phân bố của momen uốn và lực cắt dọc theo dầm.

3.1. Tính Toán Nội Lực Trong Dầm Dọc Khung Xe

Phản lực của các điểm đặt nhíp lên dầm dọc được tính toán dựa trên cân bằng lực và cân bằng momen. Sau khi có phản lực, nội lực (momen uốn M và lực cắt Qy) được xác định bằng cách cắt dầm tại các vị trí khác nhau. Momen uốn cực đại thường xảy ra ở giữa nhịp dầm hoặc tại vị trí tải trọng tập trung. Biểu đồ nội lực giúp nhận diện các vị trí nguy hiểm nhất trên dầm.

3.2. Kiểm Tra Bền Dầm Dọc Khung Xe

Kiểm tra bền dầm dọc thực hiện bằng cách tính ứng suất uốn thực tế (σ = M/Wx) và so sánh với ứng suất cho phép của vật liệu. Nếu σ ≤ [σ] thì dầm đủ bền, nếu không phải tăng mặt cắt ngang hoặc thay đổi vật liệu. Hệ số an toàn (n) được tính toán để đánh giá mức độ an toàn của thiết kế, thường n ≥ 1.5 là chấp nhận được.

IV. Phân Tích Kiểm Tra Bền Cầu Trước Và Cầu Sau Khi Quá Tải

Cầu trước và cầu sau là những bộ phận chịu lực quay của xe, do đó phải chịu đựng cả momen uốn và momen xoắn. Tính toán bền cầu đòi hỏi phải xác định các lực tác động từ bánh xe đến trục cầu, sau đó tính momen uốn và momen xoắn tương ứng. Ứng suất uốn được tính bằng công thức σ = M/W, trong khi ứng suất xoắn tính bằng τ = T/Wρ. Cuối cùng, phải so sánh các ứng suất thực tế với ứng suất cho phép của vật liệu trục cầu. Hệ số an toàn của cầu phải đủ lớn để đảm bảo an toàn trong các tình huống quá tải.

4.1. Tính Toán Momen Uốn Cầu Trước Và Cầu Sau

Momen uốn trên cầu trước được tính dựa trên tải trọng phân bố từ các bánh trước. Cầu sau chịu tải trọng từ bánh sau, thường lớn hơn cầu trước khi xe quá tải 80%. Sơ đồ lực tác động lên cầu phải rõ ràng để xác định chính xác vị trí momen cực đại. Tính toán momen sử dụng phương pháp cắt mặt cắt hoặc phương trình cân bằng momen tại các vị trí khác nhau.

4.2. Kiểm Tra Bền Và Momen Xoắn Cầu

Kiểm tra bền cầu bao gồm kiểm tra ứng suất uốn (σ = M/W) và ứng suất xoắn (τ = T/Wρ). Momen xoắn (T) phát sinh từ lực kéo hoặc phanh tại bánh xe. Hệ số an toàn được tính bằng tỷ lệ ứng suất cho phép trên ứng suất thực tế. Trong tính toán quá tải 80%, hệ số an toàn có thể nhỏ hơn trường hợp bình thường nhưng vẫn phải ≥ 1.2.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, hội nhập kinh tế quốc tế thì vai trò, vị trí của ngành giao thông vận tải ngày càng quan trọng. Nhu cầu vận chuyển và lượng hàng hóa ngày càng tăng khiến cho các doanh nghiệp chỉ vì mục đích lợi nhuận mà có thể bất chấp các quy định, cố tình cho xe quá tải trọng cho phép dẫn đến tình trạng hạ tầng giao thông, cầu đường bộ nhanh chóng xuống cấp, an toàn giao thông thì không bảo đảm được, dư luận xã hội ngày càng bức xúc… Là một kỹ sư ô tô, chúng em có thể nhận thấy được những hệ quả khôn lường của tình trạng quá tải ảnh hưởng đến xe là vô cùng nặng nề, đó là vấn đề về khả năng chịu tải trọng của các chi tiết trên xe, hiệu quả phanh, vấn đề về công suất động cơ, tính năng động học… vốn dĩ chỉ được thiết kế cho một giới hạn tải trọng nhất định, nay phải gồng mình gánh chịu tình trạng quá sức chịu đựng từ gấp rưỡi cho đến gấp 2, 3 lần khả năng mà chúng được thiết kế. Chính vì những vấn đề vô cùng nhức nhối và cấp thiết ấy, nhóm chúng em đã lựa chọn thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp liên quan đến việc tính toán kiểm tra các chi tiết trên xe khi xe chở quá tải. Qua đó có một cái nhìn chi tiết và chính xác hơn, là cơ sở để đưa ra quyết định nên hay không trong việc quá tải đến giới hạn bao nhiêu, hay là cơ sở cho phương án cải tiến, nâng cấp xe… 1.2 Tóm tắt Đối tượng nghiên cứu là xe Hyunhdai HD120S được giả thiết chở quá tải 80%.

Dựa trên các số liệu của nhà sản xuất và đo đạc thực tế, khung xe - cụ thể là xà dọc, cầu trước và cầu sau sẽ được phân tích và tính toán để xác định độ bền, từ đó đánh giá khả năng hoạt động của các chi tiết trong các trường hợp khi xe chở quá tải. 14 Dựa trên các kiến thức, phương pháp luận đã học về sức bền vật liệu và thiết kế ô tô cũng như sử dụng phần mềm MD SOLIDS 4.0 để kiểm chứng lại, chúng em đã phân tích ảnh hưởng của các tải trọng (tải phân bố, tải tập trung), các phản lực tác dụng lên các chi tiết được xét trong các trường hợp để tính toán momen uốn, xoắn. Kết hợp với giá trị momen chống uốn, chống xoắn xác định trên cơ sở tiết diện cho sẵn mà từ đó xác định được ứng suất uốn, xoắn trong các tiết diện nguy hiểm của chi tiết. Sau đó, các giá trị này được so sánh với giới hạn bền của vật liệu chế tạo (thép) để kiểm tra độ bền.

Trong tính toán, chúng em có sử dụng nhiều giả thiết nhằm đơn giản hóa bài toán đặt ra nhưng không ảnh hưởng nhiều đến kết quả, sẽ được trình bài chi tiết trong phần tính toán. Kết quả đạt được: dầm dọc, cầu trước và cầu sau đều đủ khả năng chịu tải trọng khi xe chở quá tải 80%.3 Giới hạn vấn đề Trong giới hạn về thời gian cũng như quy mô của đề tài, nhóm chúng em xin được giới hạn phạm đề tài nghiên cứu cho xe tải HD120S của Hyunhdai khi xe quá tải 80%, nội dung phân tích bao gồm: + Xác định tải trọng tác dụng lên các cầu xe. + Tính toán kiểm tra khung xe khi xe chở quá tải (chỉ giới hạn tính toán và kiểm tra 2 dầm dọc). + Tính toán kiểm tra cầu trước khi xe chở quá tải.

+ Tính toán kiểm tra cầu sau khi xe chở quá tải. Các đề tài tương tự cũng đã được thực hiện ở trong và ngoài nước, như phân đánh giá ảnh hưởng của tải trọng quá tải đến các chi tiết, hệ thống trên xe. Từ đó đưa ra phương pháp cải tiến, chế tạo. Hay những nghiên cứu sâu hơn khi phân tích ảnh hưởng của các thông số như Min Jang, Lijun Li (2015) đã phân tích ứng suất và độ bền mỏi của dầm cầu 15 trước bằng phương pháp thực nghiệm, đồng thời kiểm tra ảnh hưởng của các thông số như chiều dài và độ sâu của vết nứt đến độ bền mỏi.

Topac (2008) cũng dùng phương pháp đó nghiên cứu cho vỏ cầu sau của xe tải nặng, từ đó đưa ra đề xuất thiết kế bộ phận cơ khí chống đỡ. Ở cấp độ thuộc một đề tài đồ án tốt nghiệp, nhóm chúng em còn hạn chế trong vấn đề tìm kiếm các cơ sở dữ liệu và thời gian cần thiết cũng như phương pháp cho việc tính toán chính xác và thực tế hơn. Vì thế, trong các nhiệm vụ tính toán của đề tài được giao, nhóm chúng em chỉ cố gắng hoàn thành tốt nhất có thể phần nhiệm vụ được giao, phù hợp với kiến thức, chuyên môn theo chương trình đào tạo. Còn những vấn đề đòi hỏi thực tế và nghiên cứu sâu hơn, chúng em xin phép được phép giới hạn lại, dành phần cho những đề tài khác cũng như những cấp độ phù hợp hơn.

Chúng em xin trân trọng cảm ơn! 16 Bảng 1.1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT XE HD120S THÙNG MUI BẠT Thông số chung: Trọng lượng bản thân: 3425 kg Phân bố cầu trước: 1780 kg Phân bố cầu sau: 1645 kg Tải trọng cho phép chở: 8000 kg Số người cho phép chở: 3 người Trọng lượng toàn bộ: 11620 kg Khoảng sáng gầm xe: 235 mm Kích thước tổng thể DxRxC: 6910 x 2200 x 2970 mm Kích thước lòng thùng hàng 4880 x 2050 x 660/1850 mm DxRxC: Dung tích thùng nhiên liệu: 100 lít Khoảng cách trục: 4035 mm Vệt bánh xe trước / sau: 1650 / 1495 mm Số trục: 2 Trục Công thức bánh xe: 4x2 Loại nhiên liệu: Diesel Động cơ: Nhãn hiệu: D4DB Loại động cơ: 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, phun nhiên liệu trực tiếp, làm mát bằng nước, tăng áp Thể tích: 3907 cc Đường kính x hành trình: 104 x 105 mm Tỉ số nén: 18:1 Công suất cực đại/tốc độ 96/ 2900 kW/rpm quay: 17 Mômen xoắn cực đại: 373/1800 Nm/rpm Kiểu hộp số: M035S5, cơ khí, 5 số tiến + 1 số lùi Lốp xe: Số lượng lốp trên trục 02/04/__/__ I/II/III/IV: Lốp trước / sau: 8.25 - 16 Hệ thống phanh: Phanh chính Tang trống, thủy lực 2 dòng, trợ lục chân không Phanh đỗ Cơ khí, tác dụng lên trục thứ cấp của hộp số Phanh khí xả Có Các hệ thống khác: Ly hợp: Đĩa ma sát khô, dẫn động thủy lực, trợ lực chân không Hệ thống treo: Phụ thuộc, nhíp lá, giảm chấn thủy lực Kiểu hệ thống lái: Trục vít – ê cu bi/Cơ khí có trợ lực thủy lực Máy phát điện: 24V- 40A Ắc quy: 2 x 12V – 90Ah Tính năng động lực học: Khả năng vượt dốc lớn nhất: 22,7 % Tốc độ tối đa: 82 km/h Bán kính quay vòng nhỏ nhất: 7,3 m Độ cao trọng tâm xe hg: 1150 mm Chi tiết hộp số M035S5: Số tiến: i1 = 5.722 Số lùi il = 5.1: Thông số các kích thước cơ bản của xe HD120s. 20 HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA XE HD120S: Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của xe 21 PHẦN KHUNG XE: Hình 1.3: Hình ảnh thực tế của xe 22 CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÁC CẦU KHI XE CHỞ QUÁ TẢI 80% 2.1 Xác định tọa độ trọng tâm xe khi xe không tải Giả thiết xe chuyển động trên đường thẳng, mặt đường không nghiêng.1: Tọa độ trọng tâm xe. Trong đó: + Gxe là trọng lượng xe khi xe không tải. Gxe  3425 Kg  34250 N + ZT, ZS phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh trước và bánh sau.

Ta giả thiết ZT, ZS bằng với trọng lượng phân bố lên cầu trước GT và cầu sau GS của xe. ZT  GT  1780 Kg  17800 N , Z S  GS  1645 Kg  16450 N .2 Sự phân bố tải trọng lên cầu trước và cầu sau khi xe quá tải 80% Hình 2.2: Sơ đồ phân bố tải trọng trên xe khi quá tải 80%. Trong đó: + Gxe là trọng lượng xe khi xe không tải. Gxe  3425 Kg  34250 N + Gn trọng lượng tối đa của người.

Gn  195 kg  1950 ( N ) + Ghh là trọng lượng hàng hóa khi quá tải 80%: Ghh  8000. + ZT, ZS phản lực thẳng đứng từ mặt đường tác dụng lên bánh trước và bánh sau. Ta giả thiết ZT  GT , Z S  GS (GT - trọng lượng phân bố lên cầu trước, GS - trọng lượng phân bố lên cầu sau của xe).1 Trường hợp xe ở trạng thái tĩnh mA  Gxe .144000 ⟹ ZS   4,035 4,035 ZS  GS  134576,579  N  ⟹ ZT  Gn  Ghh  Gxe  Z S ZT  1950  144000  34250  134576,579 ZT  GT  45623, 421  N  2.2 Trường hợp xe phanh với lực phanh cực đại - Tải trọng phân bố lên cầu sau: GSp  ZS .0,95  127847,750 ( N ) Trong đó: m2p là hệ số thay đổi trọng lượng tác dụng lên cầu sau khi phanh. Đối với xe tải: m2 p  0,9  0,95 , chọn m2 p  0,95.

- Vậy, tải trọng phân bố lên cầu trước là: GTp  Gxe  Ghh  Gn  ZTp GTp  34250  144000  1950  127847, 750 GTp  52352, 249 ( N ) 2.3 Trường hợp xe đang truyền lực kéo cực đại: - Tải trọng phân bố lên cầu sau: GSk  Z S .1, 2  161491,895 ( N ) 25 Trong đó: m2k hệ số thay đổi trọng lượng tác dụng lên cầu sau khi xe đang truyền lực kéo. Đối với xe tải, m2 k  1,1 1, 2 , chọn m2 k  1, 2. - Tải trọng phân bố lên cầu trước: GTk  Gxe  Ghh  Gn  GSk GTk  34250  144000  1950  161491,895 GTk  18708,105 ( N ) BẢNG 2.1: GIÁ TRỊ CỦA GT, GS KHI XE QUÁ TẢI 80% TRONG 3 TRƯỜNG HỢP: Cầu trước (N) Cầu sau (N) Trạng thái tĩnh GT  45623, 421 GS  134576,579 Phanh cực đại GTp  52352, 249 GSp  127847, 750 Truyền lực kéo GTk  18708,105 GSk  161491,895 26 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHUNG XE KHI XE QUÁ TẢI 80% - Trong các giá trị tải trọng GT, GS đã tính toán ở phần trước, ta cần chọn ra giá trị lớn nhất để tính sức bền cho dầm dọc vì tính an toàn.