BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐOÀN CÔNG THÀNH Đề tài: “SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH BỀN CỤM CƠ CẤU PHANH XE TẢI NHẸ” LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI – 2015 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐOÀN CÔNG THÀNH Đề tài: “SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH BỀN CỤM CƠ CẤU PHANH XE TẢI NHẸ” Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S NGUYỄN THANH QUANG HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu Các số liệu, kết luận văn trung thực chƣa công bố công trình khác Học viên Đoàn Công Thành LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Trƣờng ĐHCN Hà Nội, Trung tâm sau đại học, Khoa Công Nghệ Ô Tô, Bộ môn ƢD Công nghệ Ô tô cho thực luận văn trƣờng hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi suốt trình làm Luận văn Xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thanh Quang tận tính hƣớng dẫn mặt chuyên môn để hoàn thành Luận văn Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên khuyến khích ủng hộ thời gian làm luận văn Học viên Đoàn Công Thành MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP Ô TÔ VIỆT NAM 1.2 ĐỊNH HƢỚNG VÀ MỤC TIÊU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP Ô TÔ VIỆT NAM 1.2.1 Quan điểm phát triển 1.2.2 Tỷ lệ nội địa hóa 1.3 NHU CẦU THỰC TẾ CỦA LOẠI XE TẢI TRỌNG TẢI NHỎ TẤN 1.4 TỔNG QUAN THỊ TRƢỜNG SẢN XUẤT VÀ LẮP RÁP Ô TÔ TRONG NƢỚC 1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CÚU CẦU TRƢỚC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC 1.6 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 11 1.7 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 1.8 PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG, CẤU TẠO CỦA CẦU TRƢỚC 13 1.8.1 Các tính …13 1.8.2 Phân loại 13 1.8.3 Các thông số hình học cụm dầm cầu ô tô 17 KẾT LUẬN CHƢƠNG 23 CHƢƠNG II 24 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH BỀN CỤM PHANH 24 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG PHANH TRÊN Ô TÔ24 2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật hệ thống phanh 24 2.1.2 Kết cấu cấu phanh 24 2.1.3 Cơ cấu phanh tang trống 25 2.1.4 Nhiệm vụ, yêu cầu cấu tạo hệ thống phanh 26 2.1.5 Xác định mô men phanh yêu cầu 28 2.1.6 Tính toán cấu phanh guốc 29 2.2 PHÂN TÍCH CÁC DẠNG TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN XE TRONG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG 32 2.2.1 Mô hình mặt đƣờng 32 2.2.2 Tải trọng tĩnh động 33 2.4.3 Các tải trọng thẳng đứng đối xứng 35 2.2.4 Tải trọng thẳng đứng không đối xứng 36 2.2.5 Tải trọng tác động theo phƣơng dọc xe 38 2.2.6 Lực ngang 38 2.3 XÁC ĐỊNH CÁC TRƢỜNG HỢP TÍNH TOÁN CỤM GUỐC PHANH CẦU TRƢỚC 40 2.3.1 Xây dựng sơ đồ tính toán 40 2.3.2 Xác định trƣờng hợp tính toán 41 2.4 TÍNH TOÁN BỀN GUỐC PHANH THEO PHƢƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG 45 2.4.1 Sơ đồ tính bền guốc phanh 45 2.4.2 Kiểm tra bền guốc phanh 46 2.5 TÍNH TOÁN BỀN TRỐNG PHANH THEO PHƢƠNG PHÁP ĐẠI SỐ 52 2.5.1 Xác định lực cần thiết tác dụng lên cấu phanh phƣơng pháp hoạ đồ 52 2.5.2 Tính bền trống phanh 55 KẾT LUẬN CHƢƠNG 57 CHƢƠNG 58 KHẢO SÁT ĐỘ BỀN CỤM GUỐC PHANH VÀ ĐỘ BỀN TRỐNG PHANH 58 3.1 CÁC THÔNG SỐ CỦA CỤM GUỐC PHANH 58 3.1.1 Bản vẽ thiết kế guốc phanh 58 3.1.2 Vật liệu chế tạo guốc phanh 58 3.2 ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) KHẢO SÁT ĐỘ BỀN CÁC CHI TIẾT TRONG Ô TÔ 59 3.2.1 Khái niệm phƣơng pháp PTHH 59 3.2.2 Giới thiệu phần mềm ANSYS 63 3.2.3 Mô chi tiết guốc phanh phần mềm Ansys 71 3.2.4 Mô chi tiết trống phanh phần mềm Ansys 84 KẾT LUẬN CHƢƠNG 93 CHƢƠNG 94 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94 4.1 KẾT LUẬN 94 4.2 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Thống kê sản lƣợng lắp ráp xe xuất xƣởng năm 2012, 2013, 2014 (Hiệp hội nhà sản xuất lắp ráp ô tô Việt Nam VAMA) Bảng 2.1 Các hệ số tải trọng động 34 Bảng 2.4 Kết tính toán lực mô men hai đầu nửa guốc 48 Bảng 2.5 Kết tính toán lực mô mên hai đầu nửa guốc dƣới 50 Bảng 3.1 Thành phần hóa học từ thép 45 đúc 59 Bảng 3.2 Bảng nhập thuộc tính vật liệu 66 Bảng 3.3 Tệp liệu Ansys workbench 70 Bảng 3.4 Các bƣớc thực toán phần tử hữu hạn 71 Bảng 3.5 Kết tính toán so sánh với tiêu chuẩn ứng xuất cho phép 83 Bảng 3.6 Các bƣớc thực toán phần tử hữu hạn 84 Bảng 3.7 Kết tính toán so sánh với tiêu chuẩn ứng xuất cho phép 91 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Xe tải LIFAN LF3070G1-2 11 Hình 1.2 Cầu chủ động 13 Hình 1.3 Cầu bị động 14 Hình 1.4 Hệ thống treo độc lập 14 Hình 1.5 Hệ thống treo phụ thuộc 15 Hình 1.6 Cầu trƣớc dẫn hƣớng 16 Hình 1.7 Các loại mặt cắt ngang dầm 16 Hình 1.8.Các loại chạc 17 Hình 1.9 Mô hình dẫn hƣớng thẳng quay vòng 18 Hình 1.10 Góc lái bánh dẫn hƣớng quay vòng khác 18 Hình 1.11 Mô hình góc nghiêng ngang trụ đứng 18 Hình 1.12 Các dạng độ lệch tâm trụ đứng với mặt cắt dọc bánh xe 19 Hình 1.13 Ảnh hƣởng lực phanh khoảng cách giao trụ đứng mặt phẳng ngang bánh xe 19 Hình 1.14 Các dạng góc Camber 20 Hình 1.15 Biến dạng lốp ứng với trƣờng hợp góc camber chủ động 20 Hình 1.16 Mô hình góc Caster 20 Hình 1.17 Mô hình lực lốp 21 Hình 1.18 Độ chụm bánh dẫn hƣớng 21 Hình 1.19 Các cách xác định độ chụm bánh xe dẫn hƣớng 21 Hình 1.20 Xác định độ nghiêng bên trụ đứng 22 Hình 2.1 Mô hình động lực học cụm cầu trƣớc xe tải nhẹ 25 Hình 2.2 Mô hình phẳng vết ôtô 30 Hình 2.3 Mô hình chịu tải cụm cầu trƣớc 31 Hình 2.4 Sơ đồ tính lực ngang tác dụng tải trọng 33 Hình 2.5 Sơ đồ tính lực ngang tác dụng lực kéo 36 Hình 2.6 Mô hình đƣờng thí nghiệm 37 Hình 2.7 Trƣờng hợp xe chịu tải trọng thẳng đứng đối xứng 38 Hình 2.8 Trƣờng hợp xe chịu tải trọng thẳng đứng không đối xứng 39 Hình 2.9 Trƣờng hợp tải trọng tác động theo phƣơng dọc xe 40 Hình 2.10 Trƣờng hợp xe chịu tác dụng lực ngang 47 Hình 2.11 Sơ đồ lực nửa guốc dƣới 48 Hình 2.12 Biểu đồ nội lực tác dụng lên guốc phanh 50 Hình 2.13 Mặt cắt guốc phanh 51 Hình 2.14 Hoạ đồ lực phanh 54 Hình 3.1 Bảng nhập thuộc tính vật liệu 58 Hình 3.2 Bảng nhập thuộc tính vật liệu 66 Hình 3.3 Một số vật liệu thƣ viện 67 Hình 3.4 Chia lƣới tự 67 Hình 3.5 Chia lƣới có qui tắc 67 Hình 3.6 Xây dựng mô hình 3D dầm cầu trƣớc vào phần mềm 75 Hình 3.6 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cụm guốc phanh ô tô 75 Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cụm trống phanh ô tô 87 81 - Áp suất má phanh dƣới lực phanh cực đại: 23,269 x = 46540 Mpa - Áp suất má phanh lực phanh cực đại: 23,269 = 46540 Mpa - Áp suất má phanh dƣới trƣợt ngang: 20,124 x = 40248 Mpa - Áp suất má phanh trƣợt ngang: 20,124 x = 40248 Mpa - Hệ số tải trọng động: kđ = Áp suất má phanh trƣợt ngang = 40248 Mpa Áp suất má phanh dƣới trƣợt ngang = 40248 Mpa Áp suất má phanh lực phanh cực đại: 46540 Mpa 82 Áp suất má phanh dƣới lực phanh cực đại: 46540 Mpa Kết khảo sát Biến dạng phần tử lớn Giá trị biến dạng PT lớn 83 Ứng suất phần tử lớn Giá trị ứng suất PT lớn Biến dạng tổng hợp lớn Giá trị ứng suất TH lớn Kết khảo sát đƣợc lấy dƣới dạng bảng số nhằm so sánh trực tiếp với tiêu chuẩn tính bền đƣợc quy định tiêu chuẩn, bảng 3.5 84 Bảng 3.5 Kết tính toán so sánh với tiêu chuẩn ứng suất cho phép Stt Trƣờng hợp Ứng suất Trƣờng hợp Ứng suất phần 33,51 tử Ứng suất nút Ứng suất tính toán Ứng suất cho (MPa) phép (MPa) 150 59,51 150 Trƣờng hợp Ứng suất phần 124 tử Ứng suất nút 150 124 150 3.2.4 Mô chi tiết trống phanh phần mềm Ansys Áp dụng phần mềm Ansys workbench mô PTHH để khảo sát độ bền cụm trống phanh cầu trƣớc, mối liên quan phần mềm Ansys phƣơng pháp PTHH nêu bảng 3.4 Bảng 3.6 Các bƣớc thực toán phần tử hữu hạn TT Các bƣớc thực theo phƣơng pháp Ứng dụng phần mềm Phần mềm phần tử hữu hạn (PP PTHH) Ansys Rời rạc hóa miền khảo sát : Chia vật Chia lƣới : thành nhiều phần tử cho tính chất - Chia lƣới bề mặt vật lý phần tử không thay đổi - Tạo lƣới Volume Nếu có biên dạng phức tạp chia phần tử biên cho thật mịn Xây dựng phƣơng trình phần tử - Tự động xây dựng phƣơng [K]e {q}e = {P}e trình phần tử Lắp ghép phƣơng trình phần tử - Tự động thực tìm ma trận độ cứng [K] {q}= {P} 85 Áp đặt điều kiện biên tải trọng Khai báo theo điều kiện toán Giải hệ phƣơng trình tổng thể Tự động giải hệ phƣơng trình [K*] {q*}={P*} tổng Tính toán kết Kết dạng đồ thị, bảng số hình ảnh phân bố màu Lấy kết phân tích kết Việc ứng dụng phần mềm Ansys vào mô tính toán có nhiều ƣu điểm, đặc biệt đƣợc áp dụng giải toán không gian mà việc giải phƣơng pháp truyền thống thông thƣờng cần nhiều thời gian, sử dụng phần mềm PTHH khắc phục đƣợc nhƣợc điểm Một số phần mềm PTHH mạnh có: phần mềm Ansys, Natran, Catia, NX… Trong nghiên cứu chúng em sử dụng phần mềm Ansys để giải Các bƣớc thao tác rên phần mềm Ansys workbench đƣợc thực gồm: Bƣớc 1: Khởi động phần mềm Ansys workbench, sau chọn New để mở file Chọn OK 86 Bước 2: Chọn Geometry để mô hình hóa trống phanh Bước 3: Chọn lệnh Mesh để chia lƣới 87 Bước 4: Tạo ràng buộc Ta ràng buộc lỗ lắp bu lông bánh xe Bước 5: Đặt lực 88 Tải điều kiện biên (ràng buộc) mô hình đƣợc phân tích sơ đồ phân tích lực tác dụng lên trống phanh đƣợc nêu hình 3.6 Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cụm trống phanh ô tô Ta xét hai trƣờng hợp đặt tải mô hình sát với hai trƣờng hợp chịu tải thực tế trống phanh trình hoạt động ô tô Ta chọn áp suất tác dụng lên bề mặt phía trống phanh a) Trƣờng hợp 1: Áp lực phân bố bề mặt trống phanh 89 Chọn kiểu lực tác dụng vào trống phanh Giải lấy kết tính bền phần mềm Giá trị ứng suất phần tử lớn 90 b) Trƣờng hợp 2: Áp lực đƣợc phân bố hai phía trống phanh Ta thực đặt lực tác dụng lên bên mặt trống phanh Tiến hành thao thác lệnh nhƣ trƣờng hợp 1: chọn vật liệu, chia lƣới, cố định lỗ chốt bulông, nhƣng đặt lực ta chọn vào bên bề mặt trống phanh Đặt tải mô hình 91 Giải lấy kết Giá trị ứng suất phần tử lớn 92 Kết khảo sát đƣợc lấy dƣới dạng bảng số nhằm so sánh trực tiếp với tiêu chuẩn tính bền đƣợc quy định tiêu chuẩn, bảng 3.5 Bảng 3.7 Kết tính toán so sánh với tiêu chuẩn ứng suất cho phép Stt Trƣờng hợp Ứng suất Trƣờng hợp Ứng suất phần 33,51 tử Ứng suất nút Ứng suất tính toán Ứng suất cho (MPa) phép (MPa) 59,51 Trƣờng hợp Ứng suất phần 124 tử 150 150 150 93 KẾT LUẬN CHƢƠNG Kết khảo sát trƣờng hợp tải kết luận: Guốc phanh trống phanh đủ bền Sử dụng phần mềm Ansys Workbench để tính bền chi tiết ô tô nói chung guốc phanh trống phanh nói riêng tối ƣu đƣợc trình thiết kế, kết nhận đƣợc nhanh chóng trực quan Ngoài định vị nhanh chóng giá trị lớn nhỏ đại lƣợng đƣợc yêu cầu Các kết đƣợc đƣa dạng phổ màu dạng bảng kết cho biết vị trí thừa bền thiếu bền vị trí nguy hiểm để điều chỉnh thiết kế cho phù hợp Sự tiện lợi PTHH: ứng dụng tính toán khắc phục đƣợc yếu điểm phƣơng pháp giải tích Trong toán PTHH việc xây dựng mô hình tính toán miền nhỏ cách tạo ma trận nhỏ Phƣơng pháp PTHH cho ta kết nhanh chóng đảm bảo độ xác toán thời gian tính toán ngắn Sự tiện lợi phần mềm PTHH Ansys: Khi sử dụng phần mềm Ansys Workbench để tính toán phần mềm giúp tính toán cần khai báo điều kiện toán (tải trọng, điều kiện biên), chạy chƣơng trình lấy kết tính toán 94 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 4.1 KẾT LUẬN Dựa vào kết mô khảo sát ta thấy: Guốc phanh trống phanh cụm cầu trƣớc xe tải nhẹ chế tạo nƣớc đảm bảo điều bền Sự tiện lợi PPPTHH: ứng dụng tính toán khắc phục đƣợc yếu điểm phƣơng pháp giải tích Trong toán PTHH việc xây dựng mô hình tính toán miền nhỏ cách tạo ma trận nhỏ Phƣơng pháp PTHH cho ta kết nhanh chóng đảm bảo độ xác toán thời gian tính toán ngắn Sự tiện lợi phần mềm PTHH Ansys: Khi sử dụng phần mềm Ansys workbench để tính toán phần mềm giúp tự động tính toán mà cần khai báo điều kiện toán (tải trọng, điều kiện biên), đƣa kết tính toán Hạn chế đề tài: Do hạn chế thời gian nhƣ phạm vi nghiên cứu nên kết đề tài tính đƣợc chi tiết với điều kiện tải trọng tĩnh điều kiện ràng buộc cố định nên chƣa mô đầy đủ trƣờng hợp sát với thực tế 4.2 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - Nghiên cứu tiếp phần mềm Ansys để tính toán đầy đủ hệ thống phanh chi tiết khác - Nghiên cứu đặt ràng buộc tải trọng không gian sát với thực tế - Tiếp cận với thực tế để chế tạo chi tiết hệ thống phanh 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên , (1986), Thiết kế tính toán ôtô máy kéo, NXB ĐH&THCN 1986 [2] Nguyễn Hữu Cẩn tác giả, (2000), Lý thuyết ôtô, NXB KH&KT 2000 [3] Nguyễn Khắc Trai, (2006), Cơ sở thiết kế ô tô, NXB GTVT, Hà Nội 2006 [4] Nguyễn Hữu Cẩn, Phan Đình Kiên, (1971), Thiết kế tính toán ô tô máy kéo, NXB Đại học Trung học Chuyên nghiệp 1971, tập 1, 2, [5] Trần Ích Thịnh, Trần Đức Trung, Nguyễn Việt Hùng (2000), Phƣơng pháp phần tử hữu hạn kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội 2000 [6] Chu Quốc Thắng (1997), Phƣơng pháp phần tử hữu hạn, Nxb Khoa học Kỹ thuật 1997 [7] Pawlowski (1969),Vehicle Body Engineering, Business Books Limited London 1969 [8] Automotive handbook-Bosch-2000