Khảo sát ứng suất nhíp giảm xóc (leaf spring) bằ ng vật liệu composite

Nội dung text: Khảo sát ứng suất nhíp giảm xóc (leaf spring) bằ ng vật liệu composite

1. KHẢO SÁT ỨNG SUẤT NHÍP GIẢM XÓC (LEAF SPRING) BẰ NG VÂṬ LIÊỤ COMPOSITE Châu Thị Thân1 và Đỗ Thành Trung2 1Học viên Cao học khóa 2010-2012, Ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 2Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM TÓM TẮT: Hiêṇ nay, ngành công nghiệp chế tạo ô tô đang phát triển nhíp giảm xóc bằng vâṭ liêụ composite để tăng đô ̣bền và giảm troṇ g lươṇ g của nhíp. Thiết kế tối ưu nhíp giảm xóc bằng vâṭ liêụ compo site, môṭ lá nhíp thay đổi bề dày và rôṇ g với tiết diêṇ măṭ cắt ngang và thể tích của nhíp không đổi. Sử duṇ g phần mềm Ansys Wordkbench12 để phân tích ứng suất và chuyển vị. So sánh kết quả vớ i nhíp bằng thép , kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của nhíp bằng vật liệu composite tăng lên còn khối lượng giảm xuống 75%. ASTRAC: Nowadays, automobile manufacturer is developing leaf spring made by composite in order to increase the strength and reduce the weight of leaf spring. Optimizing the design of the composite leaf spring by varying thickness and width of the cross section without changing its volume. Using Ansys 12.0 software with Workbench module to analyse the stress and displacement. Therefore, compare this result with the stress and displacement of the steel leaf spring. The stress of the composite leaf spring is lower and its weight is about 75 % the weight of the other one. Từ khóa: leaf spring, nhíp giảm xóc, composite, ứng suất. 1. Giớ i thiêụ sản xuất xe hơi). Nhưng giảm khối lượng Trong xe ô tô có hê ̣thốn g treo loaị nhíp không phải là yêu cầu duy nhất của ngành như hình 1. Hệ thống treo của xe làm giảm công nghiệp xe hơi mà phải đồng thời: giảm rung xóc khi xe vận hành trên đường không chi phí trong khi vẫn đảm bảo độ bền. Giảm bằng phẳng, tạo điều kiện cho bánh xe dao chi phí có thể nhiều cách nhưng phải chọn động theo phương thẳng đứng, tránh dao được giải pháp tối ưu và sao cho càng ít chi động lắc ngang hay lắc dọc đồng thời đảm tiết và lắp ráp dễ dàng [2]. bảo truyền lực và mômen ổn định. Từ thực tiễn kỹ thuật, trong ngành công Trọng lượng của nhíp nặng hơn tất cả nghiêp̣ chế taọ ôtô đòi h ỏi phải thiết kế các cơ cấu đàn hồi khác. Nhíp kể cả giảm những chi tiết sản phẩm mới, có những tính chấn thì chi ếm từ 5,5 - 8% trọng lượng bản năng kỹ thuật tốt hơn, rẻ hơn, mới hơn và thân ô tô. Và thời gian phuc̣ vụ ngắn [1]. trọng lượng giảm. Ngày nay, trong ngành công nghiệp ô tô 2. Nhíp giảm xóc bằng thép người ta sử dụng vật liệu composite polyme 2.1. Vâṭ liêụ chế taọ để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo Vật liêụ chế taọ là loại thép đàn hồi có ôtô. thành phần cacbon nằm trong khoảng 0,5 – Việc giảm khối lượng là mục tiêu chính 0,7%, sau tôi và ram trung bình có giới hạn của ngành công nghiệp này (vì giảm tiêu thụ đàn hồi cao [3]. nhiên liệu là mục tiêu sống còn của các nhà
2. Vật liệu thép với hệ số vật liệu: modun 5 2 đàn hồi E = 2,1.10 (MN/m ) và hệ số poisson ν = 0,26, khối lươṇ g riêng ρ = 7850 kg/m3 [4]. 2.2. Kích thước của nhíp Kích thước thiết kế của một nhíp bằng thép có 7 lá: độ dài nhíp: 1100mm; độ võng: 170mm; có hai lá nhíp chính; chiều rộng: 34mm; độ dày của nhíp: 5,5mm; tải trọng tác dụng là: 2465N; khối lượng của nhíp không Hình 3: Kết quả mô phỏng chuyển vi ̣của tính tai và các quang nhíp: 9,2 kg. nhíp. Vâỵ kết quả p hân tích bằng Ansys Wordbench12 vớ i lưc̣ tác duṇ g 2465N là: Ứng suất lớn nhất: 566,87 MPa Chuyển vi ̣lớ n nhất: 98,133 mm Nhíp có nhiều lá nên có lực ma sát giữa các lá nhíp . Ma sát giữa các lá nhíp sinh ra ứng suất tiếp xúc cao và trong điều kiện dao đôṇ g sinh ra vết nưt trên bề măṭ la nhip . Và Hình 1: Cấu tạo nhíp giảm xóc bằng thép. ́ ́ ́ 2.3. Mô phỏng nhíp giảm xóc bằng thép lưc̣ ma sát ảnh hưở ng đến đô ̣êm diụ của xe Nhíp là một vật đối xứng qua trục nên (khi xe ít xóc thì lực truyền qua nhíp bé hơn chỉ mô phỏng nửa lá nhíp. lực ma sát nên nhíp như bị hãm chặt thành Lưc̣ tác duṇ g lên nhíp ở trạng thái tải một khối, lúc này ô tô chỉ dao động trên bánh tĩnh. Cố điṇ h taị giữa lá nhíp và lưc̣ tác duṇ g xe và độ êm dịu chuyển động sẽ kém đi. đăṭ ơ mắt nhip. ̉ ́ Nhưng khi ô tô dao động với biên độ lớn thì Vớ i lưc̣ tác duṇ g lên nhíp giảm xóc là lực ma sát không đủ lớn để tắt nhanh dao 2465 N thì mô phỏng theo Ansys động). Wordbench12 ta đươc̣ kết quả ứ ng suất và chuyển vi ̣như hình 2 và 3. Để giảm ma sát, giảm giờ công chế tạo và mục tiêu chính là giảm trọng lượng của lá nhíp bằng thép. Như vậy có thể thiết kế, chế tạo nhíp chỉ còn một lá nhíp và thay đổi vật liệu chế tạo mà vẫn đảm bảo những yêu cầu của nhíp bằng thép. 3. Thiết kế nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite 3.1. Chọn vật liệu Vâṭ liêụ chế taọ nhíp ở đây là vâṭ liêụ composite sơị la cacbon va cốt sơị đồng Hình 2: Kết quả mô phỏng ứ ng suất của ̀ ̀ nhíp. phương trên cơ sở nhưạ epoxy.
3. Đặc trưng vật liệu của composite sơị Workbench12 và thu được ứng suất và cacbon tẩm sẵn nhưạ epoxy theo bảng 1 [5]. chuyển vị như hình 5 và hình 6. Bảng 1: Đặc trưng vật liệu của composite sơị cacbon tẩm sẵn nhưạ epoxy Modun đàn hồi doc̣ chiều sơị E1 131.000 (MPa) 6.200 Modun đàn hồi ngang E2 (MPa) Modun trươṭ G (MPa) 4.830 Hê ̣số Poisson 0,25 Hình 5: Ứng suất lớ n nhất của mô hình I Chiều dày (mm) 0,1 3.2. Thiết kế mô hình nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite Thiết kế mô hình nhíp giảm xóc vớ i thể tích và ti ết diện mặt cắt ngang của lá nhíp không thay đổi , chỉ thay đổi hình dáng c ủa nhíp. Kích thước thiết kế của nhíp giảm xóc Hình 6: Chuyển vị lớ n nhất của mô hình I bằng vật liệu composite là loại nhíp giảm xóc Vâỵ kết quả mô phỏng của mô hình I: môṭ la nhip vơi độ dài giưa hai mắt nhíp là l ́ ́ ́ ̃ Ứng suất lớn nhất: 502,63 MPa =1100 mm, độ võng la f =170 mm. ̀ t Chuyển vi ̣lớ n nhất: 116,29 mm Mô hinh I ̀ Mô hiǹ h II Mô hinh I: nhíp giảm xóc có bề dày và ̀ Mô hình II: nhíp giảm xóc có bề dày và bề rộng không đổi như hinh 4. ̀ bề rộng thay đổi như hình 7. Kích thước b ề dày t = 13 mm, bề rôṇ g Bề dày hai đầu của lá nhíp là t1= 13 mm, của nhíp b = 100 mm, độ dài của nhíp là l = bề dày chính giữa của lá nhíp là t = 10 mm, 1100 mm, độ võng là ft = 170 mm. bề rộng hai đầu lá nhíp là b1 = 100 mm, bề rộng chính giữa lá nhíp là b = 130 mm độ dài của nhíp là l = 1100 mm, độ võng là ft = 170 mm. Hình 4: Mô hình I Điều kiêṇ biên và vi ̣trí đăṭ tải tác duṇ g tương tư ̣ như mô hình nhíp gi ảm xóc bằng thép. Hình 7: Mô hình II Với vật liệu composite cacbon tẩm sẵn Mô phỏng mô hình II : Điều kiêṇ biên và nền epoxy và đặc trưng của vật liệu theo vị trí đặt tải tác dụng tương tự như mô hình bảng 1 và lực tác dụng lên nhíp là 2465N thì nhíp giảm xóc bằng thép. ta mô phỏng trên phần mềm Ansys
4. Với vật liệu composite cacbon tẩm sẵn Bề dày ở giữa của lá nhíp là t =13 mm nền epoxy và đặc trưng của vật liệu theo và ở hai đầu là t1 = 9,5 mm, bề rộng ở hai đầu bảng 1 và lực tác dụng lên nhíp là 2465N thì của của lá nhíp là b1 =136mm, ở giữa nhíp là ta mô phỏng trên phần mềm Ansys b =100 mm, độ dài của nhíp là l =1100 mm, Workbench12 và thu được ứng suất và độ võng là ft =170 mm. chuyển vị như hình 8 và 9. Mô phỏng mô hình III: điều kiêṇ biên và vị trí đặt tải tác dụng tương tự như mô hình nhíp giảm xóc bằng thép. Với vật liệu composite cacbon tẩm sẵn nền epoxy và đặc trưng của vật liệu theo bảng 1 và lực tác dụng lên nhíp là 2465N thì ta mô phỏng trên phần mềm Ansys và thu được ứng suất và chuyển vị như hình 11 và 12. Hình 8: Ứng suất lớn nhất của mô hình II Hình 11: Ứng suất lớn nhất của mô hình III Hình 9: Chuyển vị lớn nhất của mô hình II Vâỵ kết quả mô phỏng của mô hình II: Ứng suất lớn nhất: 640,75 MPa Chuyển vi ̣lớ n nhất: 175,74mm Mô hiǹ h III Mô hình III: nhíp giảm xóc có bề dày và bề rộng thay đổi như hinh 10. ̀ Hình 12: Chuyển vị lớn nhất của mô hình III Vâỵ kết quả mô phỏng của mô hình III: Ứng suất lớn nhất: 486,38 MPa Chuyển vi ̣lớ n nhất: 127,38 mm 4. So sánh kết quả mô phỏng và chọn mô hình Vơi thiết kế mô hinh nhip giam xoc vơi ́ ̀ ́ ̉ ́ ́ thể tích và ti ết diện mặt ngang của lá nhíp Hình 10: Mô hình III
5. không thay đổi , chỉ thay đổi kích thướ c và Ta cũng giữ thể tích không thay đổi , tiết hình dáng của nhíp như bảng 2. diêṇ măṭ cắt ngang không đổi ta chỉ thay đổi Bảng 2: Khối lượng và diện tích mặt cắt kích thước b1. b ngang của nửa lá nhíp. Vớ i 1 thì mô hình tương tự như b1 Mô hình nhíp mô hinh II, không phai la mô hinh tối I II III ̀ ̉ ̀ ̀ ưu. Khối lượng (kg) b 100 2,3 2,3 2,3 Vớ i 1 thì mô hình tương tự b1 100 Diện tích mặt cắt như mô hình I. ngang (mm2) 1300 1300 1300 b b Vớ i 1, ta choṇ kích thướ c là: b b Bảng 3: Ứng suất và chuyển vị của nhíp. 1 1 100 100 100 100 100 ; ; ; ; vớ i lực 106 116 126 136 144 Mô hình nhíp I II III tác dụng không thay đổi (2465N) và ứng suất thay đổi theo hình 14. Lực tác dụng 2465 2465 2465 (N) Ứng suất lớn 502,63 640,75 486,38 nhất (MPa) Chuyển vi ̣lớ n 116,29 175,74 127,38 nhất (mm) Vớ i hình dáng khác nhau . Thể tich và ́ tiết diện mặt cắt ngang gần bằng nhau và cùng loại vật liệu. Ta có số liệu theo bảng 2. Hình 14: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Và theo số liệu bảng 3 thì mô hình III lưc̣ tác duṇ g và bề rôṇ g b1 ứng suất sinh ra nhỏ hơn mô hình I , II. Có nghĩa là mô hình III bền nhất trong ba mô Dưạ theo đồ thi ̣hình 14 cho thấy khi hình nên ta chọn mô hình III. tăng bề rôṇ g taị đầu nhíp (b1) thì ứng suất 5. Khảo sát sự ảnh hưởng của bề rộng giảm nhưng tăng đến b1 =136 mm thì ứng đến khả năng mang tải suất không giảm mà tăng lên. Nghĩa là đến b1 Với mô hình III ta thay đổi bề rộng (b1) =136 mm là mô hình nhíp bền nhất , chịu lực tại hai đầu của lá nhíp (hình 13). tác dụng lớn nhất . Nên ta choṇ mô hình nhíp giảm xóc có bề rộng tại điểm giữa lá nhíp b = 100mm và bề rôṇ g taị hai đầu nhíp b1 = 136 mm. 6. Khảo sát sự ảnh hưởng của bề dày đến khả năng mang tải Với mô hình III ta thay đổi chiều dày t và tác dụng lực (2465N) vào nhíp ta sẽ thấy Hình 13: Bề rôṇ g taị giữa và đầu lá nhíp được ứng suất thay đổi theo hình 15 giảm xóc bằng composite
6. 8. So sánh – Kết luận Vớ i mô hình nhíp giảm xóc bằng thép và nhíp giảm xóc bằng vật liệu composite qua mô phỏng bằng Ansys Worbench ta có đươc̣ kết quả theo bảng 4. Bảng 4: So sánh tải tác duṇ g, khối lươṇ g, ứng suất, chuyển vị của nhíp bằng thép và nhíp composite Hình 15: Đồ thị biểu diêñ mối quan hê ̣giữa Nhíp bằng Nhíp bằng lưc̣ tác duṇ g và chiều dày nhip ́ thép composite Theo đồ thị (hình 15) khi tăng t thì ứng Tải tác dụng 2465 2465 suất ứng suất giảm. Như vâỵ nếu ta tăng t > (N) Khối lươṇ g 13mm ứng suất giảm nhưng không giảm 9,2 2,3 mạnh như ở giai đoạn t 1,9.10 4 Năng lươṇ g biến daṇ g đàn hồi của nhíp ). Nên nhíp giảm xóc bằng vâṭ liêụ 4 bằng vâṭ liêụ composite: U2 12.10 composite se ̃ tốt hơn.
7. Tài liệu tham khảo [4]. Vinkel Arora1, Gian Bhushan, M.L. [1]. Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, Aggarwal, Eye design analysis of single Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo tập 1. leaf spring in automotive vehicles using [2]. www.gkchem.vn, Sợi Carbon - Vai trò cae tools, Vol. 1(1), October-December và Ứng dụng trong công nghệ 2011. Composite. [5]. web.mit.edu/3.082/www/team2_f01/bac [3]. www.loxo.vn/ Thép đàn hồi lò xo _ kground.htm. Đặc tính và ứng dụng của thép
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.