Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, sau hơn 20 năm phát triển, lĩnh vực sản xuất ô tô tải vẫn chủ yếu dựa vào lắp ráp linh kiện nhập khẩu với tỷ lệ nội địa hóa chưa đến 10%. Điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm còn thấp và hạn chế khả năng cạnh tranh trên thị trường trong nước và khu vực ASEAN. Trục các đăng là bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền lực (HTTL) của ô tô tải, chịu tải trọng động lớn và ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền lâu của xe. Theo báo cáo ngành, tải trọng động do dao động mô men xoắn của động cơ đốt trong là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mỏi trên trục các đăng, ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ an toàn của xe.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng phương pháp tính toán đánh giá ảnh hưởng của dao động mô men động cơ đến độ bền lâu của trục các đăng ô tô tải, từ đó góp phần nâng cao tỷ lệ nội địa hóa linh kiện ô tô và cải thiện chất lượng sản phẩm trong nước. Đối tượng nghiên cứu là xe tải VEAM 533603, một dòng xe tải phổ biến tại Việt Nam với tải trọng chuyên chở 8300 kg và khối lượng toàn bộ 16500 kg. Nghiên cứu tập trung vào trục các đăng chính làm từ thép ống C20 có đường kính ngoài 102 mm và độ dày 4 mm.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích tải trọng động tác dụng lên trục các đăng trong các chế độ vận hành khác nhau của động cơ, mô phỏng hệ thống truyền lực bằng phần mềm Matlab-Simulink, và tính toán độ bền mỏi dựa trên các tiêu chuẩn bền mỏi hiện đại. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nội địa hóa linh kiện ô tô, nâng cao độ bền và tuổi thọ của trục các đăng, đồng thời hỗ trợ các doanh nghiệp sản xuất ô tô tải trong việc thiết kế và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết độ bền mỏi: Phân tích quá trình phá hủy mỏi của vật liệu dưới tác động của tải trọng biến thiên theo chu kỳ, đặc biệt là ứng suất xoắn trên trục các đăng. Đường cong mỏi (S-N) và giới hạn mỏi được sử dụng để đánh giá tuổi thọ mỏi của chi tiết. Đường cong mỏi được xây dựng dựa trên công thức kinh nghiệm và các hệ số hiệu chỉnh như hệ số ảnh hưởng của dạng tải trọng (CL=0,58), kích thước (CG=0,8), độ nhám bề mặt (CS=0,7), nhiệt độ (CT=1), và hệ số tin cậy (CR=0,753).

  • Tiêu chuẩn bền mỏi Goodman: Sử dụng để xác định vùng an toàn và vùng nguy hiểm của ứng suất trung bình (σm) và biên độ ứng suất (σa) trên trục các đăng. Tiêu chuẩn này giúp xác định số chu kỳ gây hỏng do mỏi dựa trên mối quan hệ tuyến tính giữa σa và σm.

  • Mô hình dao động xoắn hệ thống truyền lực: Mô phỏng hệ thống truyền lực ô tô tải bao gồm các khối lượng quán tính, khớp ma sát, và các khâu đàn hồi, được mô tả bằng hệ phương trình động lực học. Mô men động cơ được phân tích thành các hàm điều hòa theo phân tích Fourier, với mô men trung bình M0=882 Nm và mô men cực đại lên đến 2564 Nm.

  • Quy tắc cộng dồn tác động Palmgren-Miner: Áp dụng để tổng hợp tổn hại mỏi từ các mức ứng suất khác nhau trong quá trình vận hành xe ở các tay số khác nhau, từ đó xác định tổng hư hỏng và tuổi thọ mỏi của trục các đăng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu kỹ thuật của xe tải VEAM 533603, thông số vật liệu thép C20 theo tiêu chuẩn GOST 1050-88, và các đặc tính động lực học của hệ thống truyền lực. Dữ liệu mô men động cơ được mô phỏng dựa trên công thức Fourier và đặc tính ngoài của động cơ Diesel 6 xi lanh.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực bằng Matlab-Simulink để tính toán mô men và ứng suất xoắn trên trục các đăng ở các chế độ vận hành khác nhau. Từ kết quả mô phỏng, áp dụng các tiêu chuẩn bền mỏi và đường cong mỏi để tính toán số chu kỳ gây hỏng và tuổi thọ mỏi của trục.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào trục các đăng chính của xe VEAM 533603, đại diện cho dòng xe tải phổ biến tại Việt Nam. Việc lựa chọn xe và vật liệu cụ thể nhằm đảm bảo tính thực tiễn và khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến thiên mô men và ứng suất trên trục các đăng: Ở chế độ mô men cực đại (Memax = 882 Nm), mô men xoắn trên trục các đăng dao động quanh giá trị trung bình 6443 Nm, với giá trị cực đại 6683 Nm và cực tiểu 6197 Nm. Ứng suất xoắn tương ứng dao động quanh 110,9 MPa, cực đại 115,1 MPa và cực tiểu 106,7 MPa. (Hình 3.1, 3.2)

  2. Ảnh hưởng của dao động mô men đến độ bền mỏi: Dao động mô men xoắn tạo ra tải trọng biến thiên liên tục trên trục các đăng, gây ra hiện tượng mỏi vật liệu. Sử dụng tiêu chuẩn bền mỏi Goodman và đường cong mỏi, số chu kỳ gây hỏng được xác định trong khoảng từ 10^6 đến 10^8 chu kỳ, tương ứng với tuổi thọ mỏi tính bằng quãng đường vận hành xe.

  3. Phân bố thời gian làm việc ở các tay số: Tỷ lệ thời gian làm việc ở các tay số khác nhau ảnh hưởng đến tổng hư hỏng mỏi. Ví dụ, tay số 1 với tỷ số truyền 7,30 chịu tải trọng lớn nhất, đóng góp nhiều nhất vào tổn hại mỏi tổng thể. (Bảng 2.1)

  4. Tổng hư hỏng mỏi và tuổi thọ trục các đăng: Áp dụng quy tắc cộng dồn Palmgren-Miner cho thấy tổng hư hỏng mỏi đạt giá trị gần 1 sau một quãng đường vận hành khoảng X km (theo ước tính), cho thấy trục các đăng có thể bị phá hủy do mỏi nếu không được thiết kế và bảo dưỡng phù hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng mỏi trên trục các đăng là do dao động mô men động cơ với biên độ lớn, đặc biệt trong các chế độ vận hành có mô men cực đại. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất xoắn biến thiên liên tục, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển vết nứt mỏi trên bề mặt trục. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của dao động mô men đến độ bền mỏi chi tiết truyền lực.

Việc sử dụng tiêu chuẩn bền mỏi Goodman và các hệ số hiệu chỉnh giúp đánh giá chính xác hơn độ bền mỏi thực tế của trục các đăng trong điều kiện vận hành đa dạng. Phân tích phân bố thời gian làm việc ở các tay số cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát chế độ vận hành và bảo dưỡng để kéo dài tuổi thọ chi tiết.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên mô men và ứng suất theo thời gian, bảng phân bố thời gian làm việc ở các tay số, và biểu đồ đường cong mỏi kết hợp với đường đồng tuổi thọ để minh họa vùng an toàn và vùng nguy hiểm của ứng suất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế trục các đăng: Áp dụng các vật liệu có giới hạn bền và độ bền mỏi cao hơn, đồng thời cải tiến kết cấu để giảm ứng suất tập trung và tăng khả năng chịu tải động. Mục tiêu giảm ứng suất cực đại trên trục xuống dưới 90% giới hạn bền mỏi trong vòng 1-2 năm, do các nhà sản xuất linh kiện ô tô thực hiện.

  2. Giảm dao động mô men động cơ: Nghiên cứu và áp dụng các biện pháp giảm thiểu dao động mô men như cải tiến hệ thống cân bằng động, sử dụng bộ giảm chấn mô men, hoặc điều chỉnh chế độ vận hành động cơ. Mục tiêu giảm biên độ dao động mô men ít nhất 15% trong vòng 1 năm, do các nhà thiết kế động cơ và kỹ sư bảo trì thực hiện.

  3. Kiểm soát chế độ vận hành và bảo dưỡng: Đào tạo lái xe vận hành xe tải theo các chế độ vận hành tối ưu, hạn chế đóng ly hợp đột ngột và sang số không đúng cách để giảm tải trọng động lên trục các đăng. Thiết lập lịch bảo dưỡng định kỳ kiểm tra và thay thế trục khi phát hiện dấu hiệu mỏi. Mục tiêu giảm tỷ lệ hư hỏng trục do mỏi xuống dưới 5% trong vòng 3 năm, do các doanh nghiệp vận tải và trung tâm bảo dưỡng thực hiện.

  4. Phát triển nội địa hóa linh kiện: Đẩy mạnh nghiên cứu và sản xuất các linh kiện truyền lực trong nước, nâng cao tỷ lệ nội địa hóa trên 30% trong vòng 5 năm, góp phần giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm ô tô tải nội địa. Các nhà sản xuất linh kiện và cơ quan quản lý ngành chịu trách nhiệm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất ô tô tải và linh kiện truyền lực: Nghiên cứu giúp cải tiến thiết kế, lựa chọn vật liệu và quy trình sản xuất nhằm nâng cao độ bền và tuổi thọ trục các đăng, giảm chi phí bảo trì và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.

  2. Các kỹ sư thiết kế và bảo trì hệ thống truyền lực: Áp dụng phương pháp mô phỏng và tính toán độ bền mỏi để đánh giá và tối ưu hóa hệ thống truyền lực, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của xe tải.

  3. Các cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp ô tô: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho các chính sách hỗ trợ phát triển nội địa hóa linh kiện ô tô, nâng cao chất lượng sản phẩm và thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô trong nước.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Tham khảo phương pháp luận, mô hình mô phỏng và kết quả phân tích để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về độ bền mỏi và động lực học hệ thống truyền lực ô tô.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dao động mô men động cơ ảnh hưởng như thế nào đến độ bền trục các đăng?
    Dao động mô men động cơ tạo ra tải trọng biến thiên liên tục trên trục các đăng, gây ra hiện tượng mỏi vật liệu. Biên độ dao động lớn làm tăng ứng suất xoắn cực đại, dẫn đến phát triển vết nứt mỏi và giảm tuổi thọ trục.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá độ bền mỏi trong nghiên cứu này?
    Nghiên cứu sử dụng tiêu chuẩn bền mỏi Goodman kết hợp với đường cong mỏi và quy tắc cộng dồn tác động Palmgren-Miner để xác định số chu kỳ gây hỏng và tuổi thọ mỏi của trục các đăng.

  3. Tại sao lại chọn xe VEAM 533603 làm đối tượng nghiên cứu?
    Xe VEAM 533603 là dòng xe tải phổ biến tại Việt Nam, có đặc điểm kỹ thuật và vật liệu trục các đăng điển hình, phù hợp để nghiên cứu ảnh hưởng của dao động mô men động cơ đến độ bền mỏi trong điều kiện thực tế.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của dao động mô men đến trục các đăng?
    Có thể giảm thiểu bằng cách tối ưu thiết kế trục, sử dụng vật liệu có độ bền mỏi cao, cải tiến hệ thống giảm chấn mô men động cơ, và kiểm soát chế độ vận hành, bảo dưỡng xe đúng cách.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại xe tải khác không?
    Phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại xe tải khác có đặc điểm tương tự về hệ thống truyền lực và vật liệu trục các đăng, giúp đánh giá và cải thiện độ bền mỏi chi tiết truyền lực.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công phương pháp tính toán đánh giá ảnh hưởng của dao động mô men động cơ đến độ bền lâu của trục các đăng ô tô tải dựa trên mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực và tiêu chuẩn bền mỏi Goodman.
  • Mô men động cơ dao động với biên độ lớn, gây ra ứng suất xoắn biến thiên trên trục các đăng, là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng mỏi và giảm tuổi thọ chi tiết.
  • Phân tích phân bố thời gian làm việc ở các tay số và áp dụng quy tắc cộng dồn tác động Palmgren-Miner giúp xác định tổng hư hỏng mỏi và tuổi thọ thực tế của trục.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về độ bền mỏi trong hệ thống truyền lực ô tô tải, hỗ trợ phát triển nội địa hóa linh kiện và cải tiến thiết kế sản phẩm.
  • Đề xuất các giải pháp thiết thực nhằm giảm thiểu ảnh hưởng dao động mô men, tối ưu thiết kế và vận hành, bảo dưỡng nhằm kéo dài tuổi thọ trục các đăng.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế trên xe tải, mở rộng nghiên cứu cho các loại xe và vật liệu khác, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán độ bền mỏi cho ngành công nghiệp ô tô.

Call-to-action: Các nhà sản xuất và kỹ sư trong ngành ô tô tải nên áp dụng phương pháp nghiên cứu này để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng cường nội địa hóa linh kiện truyền lực.