Tài liệu điều kiện làm việc và các yêu cầu cơ tính của vỏ xe 18 05

I. Điều kiện làm việc và các yêu cầu cơ tính của vỏ xe. Có các chủng loại vỏ xe khác nhau sử dụng trong các loại vỏ xe khác nhau như: xe dùng để đua, xe chuyên chở hành khách , xe tải, xe công ten nơ.v.v.. Trong đề tài này, chúng ta sẽ nghiên cứu và lựa chọn vật liệu sử dụng cho xe chở khách 9 chỗ. Để thiết kế một vỏ xe thì cần đảm bảo các yêu cầu sau: *yêu cầu cơ tính với độ bền: 1. Khả năng chịu lực, chịu tải, khả năng giảm chấn. (Vùng hấp thụ xung lực trên xe ô tô là một kết cấu khung thép được lắp đặt ở đầu và đuôi xe. Chúng có thiết kế "mềm" hơn các vùng khác để dễ bị bóp méo, uốn cong hay "co rụm" và "chuyển hướng" lực tác động tránh xa khoang cabin hành khách khi xảy ra va chạm. Vậy liệu của vùng hấp thụ xung lực làm từ thép cứng, trong khi đó, một số phần của khung cửa sẽ làm từ thép rất cứng với độ dày cao. ((1) nguồn http://www.tapchigiaothong.vn/nguyen-ly-hoat-dong-cuavung-hap-thu-xung-luc-tren-xe-o-to-d32798.html)) 2. Giới hạn biến dạng, khó biến dạng khi va chạm. *yêu cầu hóa-lý: 1. Khả năng chống ăn mòn từ môi trường khí quyển. 2. Khả năng chịu tác động nhiệt từ môi trường và động cơ. II. Tính toán các yêu cầu cơ tính của vật liệu chế tạo vỏ xe Để đơn giản hơn trong việc tính toán ta sẽ coi như vỏ xe ( không bao gồm phần khung xe ) là nguyên khối và được chế tạo từ 1 vật liệu duy nhất. Trong bài này sẽ không tính toán đến trường hợp xảy ra tai nạn (do rất đa dạng và khá phức tạp). Khi xe di chuyển trên mặt đường, không khí ma sát với thân xe luôn tạo nên những lực cản khác nhaunên sẽ rất khó tính toán, sẽ bỏ qua.. (tham khảo (2) https://www.oto-hui.com/diendan/threads/xe-hoi-va-luc-cankhong-khi.108179/) Bản vẽ cho xe chở khách 9 chỗ - Độ bền( lực cản không khí tác động lên vỏ trước của xe) Các thông số tính toán:     Hệ số ma sát 0,05 Gia tốc 2,7 m.s-2 Trọng lượng của xe khi tải đủ : 3,2 tấn Lực cản + Fd: Lực cản không khí (air resistance force – N) + ρ: Mật độ không khí (density - kg/m3) 1.2kg/m3 + V: Vận tốc của xe (velocity – m/s)Vận tốc tối đa 200 km/h = 50/9 m/s + Cd: Hệ số cản không khí (drag coefficient) với xe khách là 0.35 +A: Tiết diện cản gió tối đa của xe (reference area – m2)Diện tích mặt trước của xe: 2.2,3= 4,6 m2 Fcản=1/2 *1.2*0.35*4.6*50/92 →Fcản=29.8 N N Fms Fk P Fcản m Trong điều kiện xe chạy với tốc độ cao là 200 km/h và gia tốc là 2,7 m.s-2 bánh xe sẽ tạo với đường 1 lực ma sát với hệ số ma sát là 0.05. Mặt trước của xe là nơi chịu lực cản và lực ma sát với không khí lớn nhất. Coi vỏ xe là 1 chất điểm và tính toán sẽ ở mặt trước của xe. Diện tích mặt trước là 4,6 m2 . Trong lượng của xe 9 chỗ khi đat tối đa có thể là 3,2 tấn. Áp dụng định luật II Niu-ton: F – Fms –Fcản = m.a N = PF = Fms + m.a = N. μ + m.a = 3,2*103 *9,8*0,05 + 3,2*103*2,7 +477*106*4,6 = 2,2*109 N σ = F/A = 478 ( N.mm-2) - Độ cứng:1,25.109 Pa ( (3) tham khảo sách “vật liệu học” của Nghiêm Hùng) - Mô đun đàn hồi: 2,1.105 Pa ( (4)https://www.otosaigon.com/threads/kien-thuc-co-ban-cau-tao-o-totu-a-z-danh-cho-nguoi-chua-biet-gi.8688662/0) - Khả năng chống ăn mòn: trong môi trường khí quyển trung bình Bảng yêu cầu đặc tính cho vật liệu làm vỏ xe Giới hạn bền (N/m2) 478.106 Mô đun đàn hồi (Pa) 2,1.105 Độ cứng Brinel (Pa) 1,25.109 Khả năng chịu lực, tải Khả năng chống ăn mòn khí quyển Khả năng chịu tác động nhiệt độ tùy môi trường(mặn, nóng, lớn lớn lạnh,...) III. Sử dụng phần mềm CES trong lựa chọn vật liệu và tìm ra vật liệu đáp ứng tốt nhất Bảng 1: Độ bền Trục X: Dencity Trục Y: Tensile strength, yêu cầu ≥ 478 MPa Chọn được 1027/1509 vật liệu thỏa mãn. Bảng 2: Modun đàn hồi Trục X: Dencity Trục Y: Young’s Modulus, yêu cầu ≥ 0.21 MPa Chọn được 1508/1509 vật liệu thỏa mãn. Bảng 3: Độ cứng Trục X: Dencity Trục Y: Hardness, yêu cầu ≥ 1250 MPa Chọn được 1508/1509 vật liệu thỏa mãn. bảng 4: Khả năng chống ăn mòn khí quyển Trục X: Dencity Trục Y: STRONG AXIT , yêu cầu : kém-trung bình Chọn được 795/1509 vật liệu thỏa mãn. Bảng 5: KHẢ NĂNG CHỊU TÁC ĐỘNG NHIỆT ĐỘ Trục X: Dencity Trục Y: THERMAL CONDUCTIVITY , yêu cầu : Y>= 52,36 W/m.K Chọn được 961/1509 vật liệu thỏa mãn. Bảng 6: Khả năng chịu lực, tải Trục X: Dencity Trục Y: COMPRESSIVE STRENGTH , yêu cầu : Lớn (Y>=396,4.10^6) Chọn được 884/1509 vật liệu thỏa mãn. Kết luận : tổng hợp chỉ tiêu của 6 bảng trên thu được 301 vật liệu thỏa mãn IV. Xây dụng hàm chỉ tiêu hiệu năng. Chiều dài:a, chiều rộng: b, chiều dày:l Ta có ứng suất tác dụng lên vỏ xe: σ=F/A => A= F/σ A=a*b là diện tích m= V* ρ = a*b*l* ρ = A*l* ρ m= F*l* ρ / σ suy ra:  Hn= σ/ ρ  Hr= σ/( ρ *Cm) Tên yêu cầu chức năng các ràng buộc nội dung tấm chịu lực chịu lực va chạm không bị lõm, nứt chịu ăn mòn khí quyển Khả năng chịu tác động nhiệt độ mục tiêu nhẹ nhất rẻ nhất chiều dày lựa chọn vật liệu các biến tự do 1. Xét hàm chỉ tiêu hiệu năng Hr  Chọn trục X là [price]*[density]  Chọn trục Y là [elacstic limit]  Chọn gradient line selection => chọn enter slop :1 Hình 4.1: lựa chọn vật liệu theo hàm chỉ tiêu về giá  Từ hàm chỉ tiêu hiệu năng, phần mềm đã tối ưu được 21 vật liệu có chỉ tiêu về giá thành hợp lý. Hình 4.2: các vật liệu thỏa mãn yêu cầu về giá 2. Xét hàm chỉ tiêu hiệu năng Hn Chọn trục X là [price] Chọn trục Y là [elacstic limit] Chọn gradient line selection => chọn enter slop :1  Từ hàm chỉ tiêu hiệu năng, phần mềm đã tối ưu được 29 vật liệu có chỉ tiêu về độ nhẹ hợp lý. 3. Tổng kết Hình 4.3: bảng tổng kết các vật liệu thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên V. Dùng phương pháp loại trừ để lựa chọn được 3 đến 5 vật liệu có chỉ tiêu hiệu năng cao nhất. Từ kết quả lựa chọn vật liệu trên của phần mềm chọn ra được 2 nhóm vật liệu có hiệu năng cao nhất là nhóm thép các bon và nhóm hợp kim nhôm Nhóm Thép các bon Hợp kim nhôm Tên mác AISI 1022 AISI 1095 Hk nhôm 7075 T-6 Thành phần hóa học Fe-0,22%C0,7%Mn Fe-0,95%C0,5%Mn Al-5,6%Zn2,5%Mg- Giá thành 0,6 $/Kg 0,7$ /Kg 1,6 $/Kg 1,6%CuCr Hợp KimNhôm 7075 là lớp nhôm hợp kim có độ bền cao nhất và là hợp kim nhôm biến dạng hóa bền. Nó thường được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và thổi - đúc, cơ khí chính xác,..vv, những ứng dụng mà yêu cầu chống ăn mòn vết nứt. Không thể hàn được và khả năng chống ăn mòn kém. Tuy nhiên giá thành khá cao cũng như chỉ được ứng dụng trong một số lĩnh vưc hàng không và vũ trụ. Nhóm thép các bon được ứng dụng rộng rãi hơn so với hợp kim nhôm, do đặc tính dễ gia công cắt gọt, có độ bền kéo vừa phải, nhưng lại khá rẻ tiền, dễ cán, rèn và có thể hàn được(%C <0,25 ) vì vậy đảm bảo các yêu cầu cơ tính mà vỏ xe cần có. Giá thành rẻ hơn hợp kim nhôm cũng như được sử dụng rộng rãi sẽ thuận tiện cho việc thay thế và sửa chữa sau này.  Sử dụng nhóm thép các bon  Mác thép có thể sử dụng để sản xuất vỏ xe là AISI 1022 VI. Phân tích và lựa chọn mọt vật liệu hớp lý nhất.  Là thép trước cùng tích với %C khoảng 0.22%.  Có độ bền cao sau khi qua cán, tuy nhiên khả năng biến dạng dẻo tốt nhằm tăng khả năng hấp thụ lực lên vỏ xe.  Khả năng gia công, tạo hình tốt  Có tính hàn rất tốt.  Có cơ tính tổng hợp cao, ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô.  Chọn mác thép AISI 1022 là vật liệu có hiệu năng cao nhất cho chế tạo vỏ xe VII. Sơ lược về công nghệ chế tạo và quy trình nhiệt luyện sơ bộ đối với chi tiết. *SƠ ĐỒ QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN NHIỆT LUYỆN SƠ BỘ CÁN Ủ MỀM NHIỆT LUYỆN KẾT THÚC 1. Nhiệt luyện sơ bộ Đối với mác thép AISI 1022 cho chế tạo vỏ xe ô tô, trước khi trải qua các bước gia công cơ khí và tạo hình thì phải qua nhiệt luyện sơ bộ là thường hóa. Vì thép 1022 có %C quá thấp (0,22%C ), độ cứng kém nên không đạt. độ cứng thích hợp cho gia công cắt. nếu ủ hoàn toàn sẽ đạt độ cứng quá thấp(HB<= 140-160), quá dẻo, phoi khó gãy nên khó cắt gọt, nên khi thường hóa độ cứng cao hơn, thích hợp cho cắt. Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn austenite (cao hơn Ac3 hay Acm), giữ nhiệt rồi làm nguội trong không khí tĩnh để austenite phân hóa thành tổ chức gần ổn định: peclit phân tán hay xoocbit với độ cứng tương đối thấp. Mục đích:  Đạt độ cứng xác thích hợp để dễ gia công, cắt gọt.  Làm nhỏ xementit chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc.  Làm mất lưới của thép xementit II của thép sau cùng tích.  Khử ứng suất trong thép do gia công áp lực. Hình 7.1: khoảng nhiệt độ cho ủ, thường hóa và tôi cho thép các bon Từ biểu đồ ta có thể xác định được nhiệt độ thường hóa với thép AISI 1022 khoảng: 890– 940oC Làm nguội trong không khí khoảng 10-15p Cơ tính của thép sau khi nhiệt luyện: Giới hạn bền (Pa) Young modul (Pa) Độ cứng(Pa) 4,5.108 2,1.1011 1,5.109 2. Cán Sau khi qua thường hóa, chi tiết được đưa vào thiết bị cán nguội. gồm 2 dây chuyền cán liên tục 3 giá và 4 giá, độ dày, độ phẳng tôn được kiểm soát bằng máy đo độ dày hiện đại khi qua mỗi lần cán, đảm bảo độ dày chính xác và bề mặt phẳng. Hệ thống điều khiển tự động (bao gồm thiết bị ngoại vi và phần mềm xử lý) đảm bảo độ căng giữa các giá đồng bộ, công nghệ thông suốt. Số lượng lần cán cần thiết trên máy cán phụ thuộc vào chiều dày nguyên liệu thép cuộn cán nóng và chiều dày sản phẩm thép cuộn cán nguội. Thông thường lượng biến dạng từ 50 % -60 %, tối đa 80%. Nhằm đạt phẩm cấp tốt về tổ chức tế vi và cơ lý tính. Cơ tính của thép sau khi qua cán nguội Giới hạn bền (Pa) Young modul (Pa) Độ cứng(Pa) 4,95.108 2,11.108 2.109 3. Công đoạn Ủ mềm Sau khi cán nguội bề mặt thép cán bị biến cứng, tạo ứng suất dư, nên để tái tạo lại cấu trúc hạt bé và đạt được cơ tính và bề mặt sáng hoàn chỉnh thì cuộn thép sẽ được ủ trong lò ủ điện có môi trường khí bảo vệ. Dây chuyền ủ có đặc điểm rất quan trọng là vận hành trong môi trường 100% khí hyđro bảo vệ cuộn thép. Do đó, cuộn thép sau khi ủ sẽ có chất lượng đồng nhất và tốc độ ủ cao hơn do sự chuyển đổi nhiệt cao hơn. Khử biến cứng sau khi cán, tăng độ dẻo dai, giảm độ cứng cho sản phẩm. Nhiệt độ ủ từ 850-870oC Cơ tính của thép sau khi ủ Giới hạn bền (Pa) Young modul (Pa) Độ cứng(Pa) 4,7.108 2,08.108 1,7.109 4. nhiệt luyện kết thúc Thấm cacbon Ta sẽ làm bão hòa( thấm, kuếch tán) cácbon vào bề mặt thép cacbon thấp(0,2-0,25%) rồi tiếp theo tôi và ram thấp làm bề mặt có độ cứng cao, tính chống mài mòn cao( do lượng cacbon cao, còn lõi có độ bền tốt và dẻo dai. Thấm cacbon làm bề mặt thép cứng tới HRC 60-64, với tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi bền ,dẻo dai với độ cứng HRC 30-40. Sau khi thấm cacbon ta cần đem đi ram thấp để giảm ứng suất bên trong để không làm thép quá giòn, tổ chức đạt được là mactexit ram, khi đó độ cứng k giảm đi. VIII. So sánh chỉ tiêu hiệu năng trước và sau khi áp dụng các dạng công nghệ vật liệu nhằm cải thiện tính chất. Thép AISI 1022 sau khi qua các các quá trình nhiệt luyện và gia công cơ thì cơ tính đã cải thiện cơ tính lên đáng kể. Cụ thể giới hạn bền tăng từ 3,8.108 Pa lến đến 4,7.108 Pa. Từ công thức hàm chỉ tiêu hiệu năng Hr ta có:  Hr= σ/( ρ *Cm) Theo công thức thì ρ *Cm là không thay đổi trong suốt quá trình, chỉ có giới hạn bền thay đổi tăng 1,26 lần. vì vậy hàm chỉ tiêu hiệu năng Hr tăng 1,26 lần so với trước khi nhiệt luyện và gia công cơ.