Nghiên cứu tối ưu chi tiết đòn treo trên (Upper Arm) bằng vật liệu composite

Nội dung text: Nghiên cứu tối ưu chi tiết đòn treo trên (Upper Arm) bằng vật liệu composite

1. NGHIÊN CỨU TỐI ƯU CHI TIẾT ĐÒN TREO TRÊN (UPPER ARM) BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Đinh Hữu Hạnh[1], Đỗ Thành Trung[2] [1]Khoa Kỹ Thuật Công Nghiệp, Trường Đại Học Tiền Giang. [2]Khoa chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. TÓM TẮT: Thiết kế và chế tạo ra một sản phẩm cơ khí vừa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, vừa nhỏ gọn, vừa có cơ tính tốt thực sự là xu hướng thiết kế và chế tạo mới trong ngành cơ khí hiện nay. Vì vậy, một trong những nhiệm vụ cơ bản của nhà chế tạo là phải không ngừng nghiên cứu và tạo ra vật liệu mới để ứng dụng vào sản phẩm cơ khí nhằm nâng cao chất lượng của chúng. Với cách nhìn nhận như vậy thì việc phát triển đòn treo trên (upper arm) bằng vật liệu composite vừa giảm được khối lượng của chi tiết, vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và nâng cao cơ tính là cần thiết. Mặt khác, bằng việc sử dụng phần mềm CAD và Ansys tác giả đã thiết kế tối ưu chi tiết đòn treo trên được chế tạo bằng vật liệu composite đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và nâng cao cơ tính làm việc của chi tiết tốt hơn so với chi tiết truyền thống ABSTRACT: The design and manufacture of a mechanical product that is technically up-to- standard, compact, and good mechanical practically reflect the favorable trend in the world of mechanical engineering nowadays. The manufacturers, therefore, are basically required to effortfully do scienticfic research on making new materials and improving their technical properties. Instilling this viewpoint in mind, the development of the upper-arm, made of composite, the manufacturers will effectively reduce the weight of the part, ensure technical requirements, as well as enhance mechanical properties. On the other hand, with the support of CAD and ANSYS in the whole process of designing, the optimal composite upper-arm was effectively put in practice; and definitely prove to be much better than the existing steel upper- arm. Từ khóa: đòn treo trên, vật liệu mới ứng dụng, composite, ứng suất, I. GIỚI THIỆU CHI TIẾT đảm bảo mối liên hệ hình học chính xác Hệ thống treo bao gồm thanh ổn định, giữa thân và các bánh xe. lò xo và bộ giảm chấn được nối với thân xe thông qua bánh và thực hiện các chức năng khi xe chuyển động, nó cùng với lốp hấp thụ và cản lại các rung động, các dao động và các va đập tác dụng lên xe do mặt đường không bằng phẳng để bảo vệ hành khách, hành lý và cải thiện tính ổn định chuyển động. Mặt khác nó cũng làm nhiệm vụ truyền lực kéo và lực phanh sinh ra do ma sát giữa mặt đường và các bánh xe đến Hình 1. Bố trí thiết bị đòn treo trên gầm và thân xe, đỡ thân xe trên các cầu và Một trong những bộ phận của hệ thống
2. treo mà tác giả nghiên cứu là chi tiết đòn treo trên (upper arm). Nếu như hệ thống treo thường gồm các cụm chính là các lò xo, làm êm dịu các va đập từ mặt đường; các lò xo thì chịu lực theo phương thẳng đứng. Các giảm chấn để cải thiện tính êm dịu chuyển động bằng cách hạn chế sự dao động tự do của các lò xo; thì chi tiết đòn treo trên ngăn cản sự lắc ngang của Hình 3. Mô hình thực tế xe, nó chịu các lực theo phương dọc và Căn cứ vào hoạt động của chi tiết đòn phương ngang và các thanh nối (thanh treo trên ta giả sử chi tiết đòn treo trên có giằng) để giữ những cụm trên đúng vị trí điều kiện biên là chịu tác dụng lực theo 2 và điều khiển sự di chuyển ổn định của xe. phương Fx và Fy, đồng thời chi tiết đòn Các chi tiết đòn treo trên trước đây đều treo trên có thể xoay quanh quanh trục được chế tạo bằng thép vừa cồng kềnh AA’ như hình vẽ (hình 4). vừa nặng nề và cơ tính làm việc không tốt. Tiến hành mô phỏng trên phần mềm Nên tác giả muốn thay đổi vật liệu chế tạo Ansys và tìm hiểu các thông số về ứng chi tiết đòn treo trên bằng vật liệu suất và chuyển vị của mô hình này bằng Composite và nghiên cứu ứng suất xảy ra vật liệu thép có Mô đun đàn hồi E = 210 khi chi tiết đòn treo trên làm việc với vật GPa, hệ số Poison υ = 0.3 [2] và giả sử ta liệu mới. [5] khống chế chuyển vị theo phương Fx+ là 0.424 mm, ta sẽ tìm lực Fx+ này có giá trị bao nhiêu với điều kiện Fy = 0 N Fy Fx B A A’ Hình 2. Một số hình ảnh về chi tiết Hình 4. Điều kiện biên đòn treo trên Với điều kiện biên như trên, kết quả II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU – MÔ chuyển vị lớn nhất là 0.424 mm và ứng PHỎNG suất lớn nhất là 45.763 MPa đạt tại giá trị 1. Mô phỏng vật thể với hình dạng lực Fx = 1053.2 N và Fy = 0 N. Ta nhận thực tế thấy ứng suất nguy hiểm tập trung xung Đầu tiên ta tiến hành đo kiểm các thông quanh vị trí đặt lực, những nơi thành số kích thước kỹ thuật của chi tiết càng mỏng, của chi tiết đòn treo trên. thực tế [3]. Sau đó ta tiến hành mô phỏng 2. Mô phỏng tìm mô hình tối ưu của chi và tìm hiểu các thông số về ứng suất và tiết đòn treo trên. chuyển vị của mô hình này, trọng lượng Ta dưṇ g mô hình vâṭ thể vớ i các hình thực tế của chi tiết đòn treo trên là 970 g. dáng thay đổi nhưng vẫn đảm bảo về kích
3. thướ c làm vi ệc lắp ghép , tức là những vị trí cố định A, A’ và vị trí đặt tải B không thay đổi. Sau đó, ta thực hiện đặt điều kiện biên cho bài toán theo mô hình như hình 4. Cách thực hiện phân tích chọn lựa mô hình bằng cách ta dựng năm kiểu mô hình vớ i các hình dáng thay đổi , từ chi tiết đòn treo trên có hình dạng các cạnh vuông góc nhau (kiểu 1), sau đó từ kiểu 2 đến kiểu 5 các cạnh cong dần đến khi các cạnh chỉ còn là những đường cong (kiểu 5) nhưng vâñ đảm bảo về kích thướ c lắp ghép, trong đó mỗi mô hình đều có thể tích xấp xỉ là Hình 7. Mô hình kiểu 3 300 cm3 Năm kiểu mô hình đã được thiết kế như sau. Hình 8. Mô hình kiểu 4 Hình 5. Mô hình kiểu 1 Hình 9. Mô hình kiểu 5 Tiếp theo ta đặt điều kiện biên như hình 4 cho tất cả các mô hình từ loại 1 đến loại Hình 6. Mô hình kiểu 2 5. Mô phỏng trên cùng một loại vật liệu
4. composite với nền là nylon 66 và cốt sợi là 35.902 MPa cacbon chiếm thể tích 50% (nylon 66 + Do đó, mô hình kiểu 4 là tối ưu nhất C/F50%) có hệ số E = 37,5 GPa; hệ số trong 5 kiểu mô hình trên. Mặt khác, khi Poison  = 0,33; hệ số chảy dẻo Y = 260 mô phỏng chi tiết đòn treo trên với hình MPa và khối lượng riêng D = 1,38 g/cm3 dạng thực tế (bằng vật liệu thép) khống chế [1], thu được chuyển vị và ứng suất của cũng với chuyển vị 0.424 mm thì lực gây từng loại mô hình như bảng sau: chuyển vị là 1053.4 N đạt giá trị thấp hơn Bảng 1. Kết quả so sánh. mô hình kiểu 4 và ứng suất lớn nhất lớn hơn cả mô hình kiểu 4. Hình 12. Chuyển vị lớn nhất Qua các mô hình trên ta thấy khi ta đặt là 0.424 mm cùng một điều kiện biên như hình 4 và khống chế cho tất cả các mô hình có cùng chuyển vị 0.424 mm thì từ mô hình kiểu 1 đến kiểu 5 thì ta thấy mô hình kiểu 4 đạt lực tác dụng cao nhất cũng như ứng suất thấp nhất. Hình 13. Ứng suất lớn nhất là 45.771 MPa Vì vậy, ta chọn mô hình kiểu 4 là mô hình thiết kế tối ưu nhất trong các kiểu mô hình trên và trọng lượng tính toán bởi phần Hình 10. Chuyển vị lớn nhất mềm của mô hình kiểu 4 là 485.12 g. Do là 0.424 mm đó, trọng lượng của chi tiết thiết kế theo kiểu 4 giảm so với chi tiết truyền thống là 970 485.12 .100% 50% 970 III. KẾT LUẬN Bằng việc kết hợp vật liệu composite trong việc chế tạo chi tiết đòn treo trên thì khi nghiên cứu ứng suất chi tiết cũng đã có một số kết quả nghiên cứu nhất định, mà Hình 11. Ứng suất lớn nhất khi áp dụng nó trong thực tế nghiên cứu
5. cũng như sản xuất cũng sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cũng như khả năng hoạt động của chi tiết sẽ cao hơn . Viêc̣ xây dưṇ g thành công mô hình và mô phỏng chi ti ết đòn treo trên bằng vâṭ liêụ composite trong môi trườ ng Cad và Ansys Workbench12 để tối ưu về hình dáng hình học thì đã đạt được kết quả mô hình chi tiết đòn treo trên được chế tạo bằng vâṭ liêụ composite hoàn toàn đạt yêu cầu về kỹ thuật, khối lươṇ g giảm đi đáng k ể so vớ i chi ti ết đòn treo trên bằng vâṭ liêụ thép (giảm được 50%) cũng như khả năng chịu tải, cơ tính của chi tiết đòn treo trên mới tốt hơn so với chi tiết truyền thống. IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mouleeswaran Senthil Kumar, Sabapathy Vijayarangan, Analytical and Experimental Studies on Fatigue Life Prediction of Steel and Composite Multi- leaf Spring for Light Passenger Vehicles Using Life Data Analysis, ISSN 1392– 1320 materials science medŽiagotyra, Vol. 13, No. 2. 2007. [2] Gulur Siddaramanna Shiva Shankar, Sambagam Vijayarangan, Mono Composite Leaf Spring for Light Weight Vehicle – Design, End Joint Analysis and Testing, Issn 1392–1320 materials science (medŽiagotyra). vol. 12, No. 3. 2006. [3] Giáo trình sửa chữa gầm ô tô , Nguyêñ Văn Hồi _Nguyêñ Doanh Phương _Phạm Văn Khải , Nhà Xuất Bản Lao Động Xã Hôị . [4] hieu-ve-he-thong-treo-phu-thuoc.html [5] m330865-print.aspx o0o
6. 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.