Chương 1: Tổng quan § Chương 2: Cơ sở lý thuyết § Chương 3: Xây dựng mô hình của vỏ cầu. § Chương 4: Tính toán và đánh giá bền của vỏ cầu sau xe KIA K2700 § Chương 5: Tối ưu hoá thiết kế vỏ cầu xe sau § Chương 6: Kết luận và kiến nghị 2 CHƯƠNG 2 : BÀI TOÁN TỔNG QUÁT 2.1 Vỏ cầu chủ động 2.1 Cấu tạo chung của vỏ cầu chủ động Cầu chủ động gồm các bộ phận 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 (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 lượng thân xe và chịu các tác động từ tải trọng từ bánh xe – đường cũng như tải trọng từ trên xuống.
Cấu tạo cầu chủ động ô tô được mô tả như hình 2. Đối với các loại ô tô tải có động cơ đặt trước, cầu sau chủ động đều có cấu tạo tương tự như hình, trừ trường hợp cầu chủ động của ô tô con có hệ thống treo độc lập.1 Cấu tạo cầu xe chủ động 2.2 Yêu cầu, kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ cầu chủ động Vỏ cầu xe là bộ phận chứa bộ truyền lực chính (TLC), bộ vi sai và các bán trục của xe, ngoài việc chứa các chi tiết quan trọng, vỏ cầu còn có nhiệm vụ làm thành nột 3 giá đỡ chịu toàn bộ tải trọng của xe và tổng các lực tác dụng từ mặt đường lên bánh xe. Có nhiệm vụ quan trọng nên kết cấu của vỏ cầu cần đảm bảo độ bền và đặc biệt là độ cứng, để không làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các bộ phận bên trong. Kết cấu vỏ cầu chủ động trên xe ô tô có nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào vị trí lắp đặt trên xe, tuỳ thuộc vào từng loại phương tiện mà kết cấu vỏ cầu sẽ riêng biệt, chia thành nhiều nhóm khách nhau như xe ô tô cỡ nhỏ, xe du lịch chở khách, xe tải nhỏ và các loại xe tải chở hàng chuyên dụng.
Về phần kết cấu của vỏ cầu chủ động, thông thường được kết cấu bằng thép đúc liền, hoặc từ các tấm thép dày hàn cố định lại với nhau, phần giữa nơi chứa bộ vi sai được làm bằng thép đúc liền khối. Tùy theo kết cấu vỏ cầu chủ động có thể phân làm ba loại cơ bản: loại liền thành một khối, loại hai nửa gắn lại với nhau và loại dầm liền có rỗng giữa.2 Cấu tạo vỏ cầu dầm liền, rỗng giữa Vỏ cầu Banjo type được sử dụng khá phổ biến, vỏ cầu kiểu này được chế tạo liền khối với vùng giữa rỗng cả hai phía (hình 2. Phía trước dùng để lắp các bộ phận của TLC và vi sai. Các bộ phận này được lắp trên một vỏ riêng và được ghép lên vỏ cầu bằng các bu lông.
Mặt sau của vùng rỗng được che kín bằng một nắp làm từ thép mỏng, không chịu lực. Loại vỏ cầu này được dùng nhiều trên các loại xe tải trọng nhỏ và trung bình. Nó có khả năng chịu lực theo phướng thẳng từ mặt đường rất tốt, nhưng khả năng chịu các lực dọc như lực kéo từ động cơ và lực hãm phanh lại kém.3 Cấu tạo vỏ cầu kiểu hai nửa - Split type Ưu điểm của loại này đó là việc bố trí cum TLC tách biệt giúp quá trình bảo dưỡng và sửa chữa rất dễ dàng. Loại vỏ cầu Split type là loại vỏ cầu được chế tạo thành hai chi tiết riêng biệt, chúng không đối xứng, một nửa được thiết kế chứa bánh tăng chủ động của TLC cùng các ổ đỡ của nó, nửa còn lại có kết cấu đơn giản hơn.
Hai nửa vỏ cầu được liên kết bằng một dãy bu lông tạo thành dầm cầu có kết cấu vững chắc với độ cứng vững cao. Vỏ cầu liền khối Carrier type có đặc điểm phần giữa của nó được 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 được đậy bằng nắp thép dập mỏng.4 Cấu tạo vỏ cầu kiểu liền khối - Carrier type 5 Tùy theo các dạng kết cấu và nhu cầu sử dụng mà vỏ cầu chủ động trên xe được chế tạo theo nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến và được sử dụng nhiều nhất là loại vật liệu gang đúc, gang cầu hoặc thép hàn. Các loại vật liệu này giúp cho xe luôn trong tình trạng hoạt động hiệu quả và ổn định 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.2 Giới thiệu về mô hình bán trục trên vỏ cầu Bán trục là chi tiết nằm bên trong vỏ cầu, có nhiệm vụ nhận và truyền mô men xoắn từ các bộ vi sai đến các bánh xe chủ động, ngoài ra ở một số xe bán trục còn đóng vai trò như các giá đỡ tiếp nhận các phản lực từ mặt đường.
Yêu cầu chung đối với các bán trục: - Độ chính xác: Bán trục trên xe ô tô phải được gia công một cách chính xác để đảm bảo tính ổn định và an toàn của xe. Đối với bán trục của cầu dẫn hướng chủ động phải đảm bảo tính đồng tâm cho các đoạn trục của bán trục. - Độ cứng: bán trục phải được chết tạo từ vật liệu tốt, đạt độ cứng nhất định để chịu được các dạng tải trọng, mô men xoắn lớn và lực va đập khi xe di chuyển liên tục. - Bán trục phải được chế tạo đồng bộ với hệ thống treo trên ô tô giúp tăng khả năng vận hành và ổn định của xe.
Các dạng bán trục được phân loại theo sự chịu tải của nó cụ thể như sau: - Bán trục giảm tải 1/2: có thiết kế đầu ngoài được giữ bởi ổ bi trong vỏ cầu chủ động. Nếu thiếu moay ơ, tang trống có thể được gắn trực tiếp vào mặt bích đuôi của bán trục. Điều này khiến bán trục phải chịu đựng mô men uốn của lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường. Bán trục này thường được sử dụng trong ô tô con, nhờ cấu trúc đơn giản.5 Sơ đồ bán trục giảm tải 1/ 2 6 - Bán trục giảm tải 3/4: Khác với loại trục giảm tải khác, trục này chỉ có một ổ bi.
Vì vậy, trục phải chịu phần mô men uốn từ các lực tác động lên bánh xe. Thường thì loại trục này không được sử dụng nhiều.6 Sơ đồ bán trục giảm tải 3/ 4 - Bán trục giảm tải hoàn toàn: bán trục này thường dùng tải dùng cho ô tô tải, có bánh xe gắn trên ổ bi và lắp trên vỏ cầu. Loại bán trục này nhận mô men xoắn, không bị ảnh hưởng lớn bởi lực của bánh xe và mặt đường (X, Y, Z).7 Sơ đồ bán trục giảm tải hoàn toàn 7 Việc xác định đúng mô hình bán trục để tính toán rất quan trọng, vì các loại bán trục khác nhau sẽ có các thành phần phân tích lục khác nhau, vì vậy cần xác định đúng loại bán trục tính toán để bài toán tổng quát khi tính toán ra sẽ cho kết quả chính xác hơn.3 Các chế độ tải trọng và các phương pháp đánh giá độ bền vỏ cầu 2.1 Các chế độ tải trọng Tải trọng là áp lực hoặc lực ngẫu nhiên đối với một đối tượng. Với lớp vỏ cầu, tải trọng là trọng lượng của con người, hàng hóa và các bộ phận khác đặt trên vỏ cầu cũng như các lực đối lực từ bề mặt của đường.
Tải trọng tĩnh là khối lượng không thay đổi khi xe di chuyển. Tải trọng bao gồm hàng hóa và con người. Thay đổi tải trọng chủ yếu là do hàng hóa và con người. Hãng sản xuất thiết kế giới hạn tải trọng an toàn cho độ bền và an toàn của xe.
Khi xe vận hành, tải trọng và ứng suất phát sinh phụ thuộc vào giá trị tải trọng ở điều kiện sử dụng. Giá trị tải trọng động có thể biến đổi do điều kiện đường và trạng thái xe. Tính toán giá trị tải trọng động là rất khó khăn so với tải trọng tĩnh do có thể lớn hơn nhiều lần. Đối với hệ thống truyền lực của xe hơi, tải trọng tĩnh được tính từ mômen xoắn cực đại của động cơ, và tải trọng động thường được xác định theo công thức kinh nghiệm từ các thí nghiệm.
Thông thường tải trọng động được đặc trưng bằng hệ số động kđ. Hệ số này bằng với tỉ số của giá trị tải trọng động trên giá trị tải trọng tĩnh: giá trị tải trọng động k= 2.2 Các phương pháp xác định độ bền của cầu chủ động.1 Phương pháp truyền thống: Theo phương pháp truyền thống thì độ bền của vỏ cầu sẽ được kiểm nghiệm bằng cách xác định giá trị ứng suất cực đại σmax ở ba trường hợp tải đặc trưng: - Chuyển động thẳng với lực dọc cực đại (tăng tốc và phanh) - Chuyển động quay vòng tới giới hạn trượt ngang (quay vòng với lực ngang cực đại) Với phương pháp tính toán này, vỏ cầu sẽ được xem là đủ bền khi ứng suất cực đại nhỏ hơn ứng suất giới hạn cho phép của vật liệu: σ!"# ≤ [σ] Trong đó: [σ] là ứng suất giới hạn cho phép của vật liệu tạo nên vỏ cầu. Thông thường thì kết quả nhận được từ phương pháp này sẽ cho kết quả là kết cấu không hợp lý, ứng suất phân bố không đều và nhiều vị trí thừa bền.2 Phương pháp phần tử hữu hạn: Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bằng các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên tùy ý. Thông thường, phương trình này không thể được giải bằng phương pháp giải tích truyền thống để tìm ra nghiệm chính xác.
Để xác định độ bền của vỏ cầu, chúng ta sử dụng phương pháp PTHH bằng cách xây dựng mô hình 3D của vỏ cầu và đặt các lực tác động cùng với các điều kiện ràng buộc tương ứng. Sử dụng phần mềm hỗ trợ chuyên dụng và tính toán thông minh của máy tính, chúng ta có thể phân tích và đánh giá rõ về độ bền của vỏ cầu, bao gồm các vùng có độ bền thừa, ứng suất tập trung không đồng đều. Từ đó, chúng ta có thể đưa ra các giải pháp để gia cố và khắc phục vấn đề.3 Phương pháp thực nghiệm Khi nghiên cứu phát triển, đánh giá độ bền thực nghiệm là phương pháp thường được sử dụng.