Thử nghiệm độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô

TS. Đặng Việt Hà ThS. Vũ Thành Niêm ThS. Đinh Quang Vũ Cục Đăng kiểm Việt Nam Người phản biện: GS. TSKH. Phạm Văn Lang PGS. TS. Cao Trọng Hiền

Tóm tắt: Vành hợp kim nhẹ là một linh kiện quan trọng đối với an toàn chuyển động của ô tô khi hoạt động trong các điều kiện mặt đường khác nhau, ở các chế độ tốc độ và tải thay đổi. Ngoài việc đảm bảo độ bền mỏi góc và độ bền mỏi hướng tâm, vành hợp kim còn phải đảm bảo độ bền va đập. Bài báo trình bày phương pháp thử nghiệm và giới thiệu thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô.

Từ khóa: Vành hợp kim nhẹ,  thử nghiệm độ bền va đập.

Abstract: Light alloy wheel is an important component for the safe movement of the cars during operating in the various road, load and speed conditions. In addition to ensure radial fatigue strength, cornering fatigue strength, light alloy wheel must ensure impact strength. This paper presents the research methodology and introduce equipment impact test.

Keywords: Light alloy wheel, impact test.

1. Đặt vấn đề

Trên thế giới, vành hợp kim nhẹ được dùng phổ biến trên các xe ô tô con loại M1. Vành hợp kim nhẹ là một linh kiện quan trọng đối với an toàn chuyển động của ô tô khi hoạt động trong các điều kiện mặt đường khác nhau, ở các chế độ tốc độ và tải thay đổi. Vành hợp kim có nhiều ưu điểm như: Bề mặt đẹp với nhiều tạo hình khác nhau, khối lượng riêng nhỏ hơn vành thép, có tính chống ăn mòn nên được sử dụng rất phổ biến trên các loại xe con. Bên cạnh đó, vành hợp kim cũng có một số nhược điểm như: Có tính giòn do được đúc bằng hợp kim nhôm hoặc magiê, tính đàn hồi kém, độ bền và độ cứng thấp hơn vành thép. Do đó, cần thiết phải kiểm tra độ bền vành hợp kim, trong đó thử nghiệm độ bền va đập là một hạng mục quan trọng. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Nhật và nhiều nước ở châu Âu thì vành hợp kim ô tô là đối tượng bắt buộc phải kiểm tra, thử nghiệm trước khi lắp lên phương tiện bán ra thị trường. Một số tiêu chuẩn để kiểm soát chất lượng vành hợp kim nhẹ ô tô trên thế giới: ECE R124, ISO 7141:2005, AS 1638:1991 - NZS 5419:1991, tại Việt Nam có quy chuẩn QCVN 78:2014/BGTVT.

Hiện nay, thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô đã được sản xuất và bán tại các nước có nền công nghiệp phát triển, tuy nhiên giá thành rất cao. Nhằm tiết kiệm kinh phí khi nhập khẩu thiết bị nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế, khu vực và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 78:2014/BGTVT, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô là rất cần thiết. Năm 2014, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã được Bộ GTVT giao nhiệm vụ thực hiện trong 12 tháng Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp đặt thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô” - Mã số DT144030.

2. Cơ sở lý thuyết của phép thử

Bản chất của phép thử theo quy chuẩn này là đánh giá khả năng chịu va đập của vành khi bánh xe chuyển động va đập với lề đường hoặc các chướng ngại vật. Có nhiều cách tạo ra năng lượng va đập nhưng đơn giản nhất là chuyển đổi thế năng thành động năng va đập bằng cách đưa các khối tải trọng lên một độ cao nhất định và thả rơi tự do. Để thử nghiệm cho các loại vành khác nhau, việc thay đổi năng lượng va đập dựa trên hai thông số: Khối lượng va đập và chiều cao rơi. Theo QCVN 78:2014/BGTVT, chiều cao rơi là cố định 230±2 mm, tải trọng thay đổi theo công thức:

m = 0,6W + 180 (1)

Trong đó:

m - Khối lượng tải trọng va đập (kg);

W - Khả năng chịu tải lớn nhất của bánh xe do nhà sản xuất quy định (kg).

Nguyên lý va đập được mô tả như Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý va đập

Khi va đập, toàn bộ động năng chuyển thành năng lượng va đập và thế năng của lò xo:

W = W _v + `1/2` Cx ² (2)

Trong đó:

W - Động năng va đập (N);

C - Độ cứng của lò xo (N/m);

M₁ - Khối lượng tải trọng phụ (kg);

M₂ - Khối lượng tải trọng chính (kg);

X - Chuyển vị của khối tải trọng chính M₂ (kg).

3. Cấu tạo của thiết bị

Thiết bị được thiết kế, chế tạo dựa trên quy chuẩn QCVN 78:2014/BGTVT. Nguyên lý hoạt động của thiết bị là sử dụng các khối tải trọng có lắp lò xo được dẫn hướng cho rơi tự do để đập vào phần lốp của bánh xe được gá nghiêng 13⁰ so với mặt phẳng nằm ngang.

Thiết bị có cấu tạo như Hình 3.1, gồm các phần: Phần cơ khí (khung thiết bị, cụm giá đỡ bánh xe, khối tải trọng va đập, cụm kẹp nhả nhanh, động cơ nâng hạ) và hệ thống điều khiển.

3.1. Phần cơ khí

Khung thiết bị được thiết kế dạng dầm liên kết, lắp chắc chắn với bệ đỡ đảm bảo độ cứng vững. Với chiều cao toàn bộ của khung là 3.000mm đủ để chứa toàn bộ cơ cấu kẹp nhả nhanh, các tấm tải trọng va đập, giá đỡ bánh xe và khoảng không gian phía trong làm chiều cao rơi.

Hình 3.1: Thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô

1 - Khung thiết bị, 2 - Cụm giá đỡ bánh xe, 3 - Khối tải trọng va đập, 4 - Cụm kẹp nhả nhanh, 5 - Động cơ nâng hạ, 6 - Hệ thống điều khiển

Giá đỡ bánh xe được thiết kế có thể lắp được nhiều loại vành khác nhau tùy thuộc vào kích cỡ vành và số lượng bu lông bắt vành. Giá đỡ được gá nghiêng một góc là 13⁰, có thể dịch chuyển theo phương dọc để hiệu chỉnh vị trí va đập và đảm bảo cứng vững khi chịu va đập của tải trọng với khối lượng lớn nhất ở độ cao 230mm.

Cơ cấu kẹp nhả nhanh dạng cóc hãm, được dẫn động bởi một động cơ điện xoay chiều có công suất 220W, điều khiển bằng điện từ tủ điều khiển hoặc tay điều khiển nối dài. Vì vậy, việc điều khiển nhả tải rất nhẹ nhàng và linh hoạt. Để thực hiện việc nâng hạ khối tải trọng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một động cơ điện 3 pha (kèm theo hộp giảm tốc) công suất 1,5kW có thể thay đổi tốc độ từ 0 đến 48rpm.

3.2. Hệ thống điều khiển

Mục tiêu chính của hệ thống điều khiển chính là việc tạo ra và kiểm soát được năng lượng va chạm. Để tạo ra năng lượng va chạm ta dùng hệ thống truyền động điện nâng khối tải trọng lên một độ cao quy định rồi thả rơi tự do va chạm với bánh xe thử nghiệm.

Toàn bộ hệ thống điều khiển thiết bị thử nghiệm có thể chia ra làm 4 khối sau: Khối điều khiển nâng hạ; Khối điều khiển kẹp thả; Khối cảm biến; Khối điều khiển trung tâm.

Như đã nêu ở trên, việc nâng hạ và kẹp nhả khối tải trọng được thực hiện thông qua động cơ điện có khả năng đổi chiều. Tín hiệu điều khiển 2 động cơ này được thực hiện thông qua khối điều khiển trung tâm (tủ điều khiển). Hệ thống điều khiển sử dụng hai cảm biến: Loadcell để đo khối lượng của khối tải trọng và encoder để đo chiều cao rơi. Cả hai cảm biến này truyền tín hiệu về khối điều khiển trung tâm và hiển thị trên panel của tủ điều khiển. Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm như Hình 3.2.

Hình 3.2: Mạch điều khiển trung tâm

Tất cả được kết nối trong mạch điều khiển và được bố trí trên tủ điều khiển như Hình 3.3.

Hình 3.3: Tủ điều khiển

4. Quy trình kiểm tra, thử nghiệm

4.1. Mẫu thử

Phép thử được thực hiện trên 10 mẫu vành hợp kim ô tô con thông dụng. Vành được lắp hoàn chỉnh trên lốp tương ứng, bơm đến áp suất quy định, các bu-lông được siết đến mô-men theo quy định của nhà sản xuất.

4.2. Các bước tiến hành

Quy trình thử độ bền va đập vành hợp kim như sơ đồ Hình 4.1 gồm các bước cơ bản sau:

- Chuẩn vị mẫu thử: Kiểm tra tổng quan, xác định tải trọng va đập;

- Lắp đặt mẫu thử và cơ cấu an toàn;

- Thực hiện thử nghiệm: Kéo và thả khối tải trọng;

- Tháo mẫu thử và kết thúc thử nghiệm;

- Đánh giá kết quả.

Hình 4.1: Quy trình thử nghiệm

4.3. Kết quả thử nghiệm

Hình 4.2: Kết quả thử nghiệm

Kết thúc quá trình thử nghiệm, mẫu thử được tháo ra. Việc đánh giá kết quả thử nghiệm dựa trên các vết nứt của vành và khả năng giữ áp suất hơi trong lốp theo các yêu cầu của Quy chuẩn QCVN 78:2014/BGTVT, được nêu cụ thể trong mục 4.4.

4.4. Đánh giá

Khi thử, bánh xe phải chịu đựng được một lần va đập ở lực quy định mà không bị hỏng. Bánh xe được coi là hỏng nếu sau khi thử có một trong các dấu hiệu sau :

- Xuất hiện vết nứt xuyên qua phần tâm của bánh xe;

- Nan hoa tách ra khỏi vành;

- Áp suất khí trong lốp bị giảm đến bằng áp suất không khí bên ngoài trong vòng 1 phút.

Nếu bánh xe có biến dạng hoặc nứt ở phần vành xe tiếp xúc với bề mặt tác dụng của tải trọng va đập thì không được coi là hỏng.

5. Phạm vi sử dụng của thiết bị và khả năng mở rộng

Thiết bị có thể ứng dụng để kiểm tra nhiều loại vành hợp kim khác nhau như:

- Tất cả các loại vành hợp kim nhẹ ô tô con (M1).

- Vành hợp kim ô tô tải có khối lượng toàn bộ không lớn hơn 3,5 tấn (N1).

Thiết bị ngoài việc đáp ứng thử nghiệm theo Quy chuẩn QCVN 78:2014/BGTVT, còn đáp ứng thử nghiệm theo các tiêu chuẩn nước ngoài như: ECE R124, ISO 7141:2005, AS 1638:1991 - NZS 5419:1991.

6. Kết luận

Nghiên cứu, chế tạo thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô là một nhiệm vụ khó khăn nhưng cần thiết. Thiết bị thử ứng dụng những công nghệ tự động hóa, sử dụng các linh kiện đo lường hiện đại hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu thử nghiệm của quy chuẩn QCVN 78:2014/BGTVT cho kết quả kiểm tra, thử nghiệm có độ chính xác, tin cậy.

Việc nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị thử độ bền va đập của vành hợp kim nhẹ ô tô góp phần kiểm soát chất lượng vành hợp kim trước khi lắp lên xe. Ngoài ra, thiết bị còn phục vụ công tác nghiên cứu khoa học, nghiên cứu phát triển sản phẩm vành hợp kim ô tô.

Tài liệu tham khảo

[1]. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (1998), Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí, NXB. Giáo dục.

[2]. QCVN 78:2014/BGTVT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về vành hợp kim nhẹ cho xe ô tô.

[3]. ECE R124, Uniform provisions concerning the approval of  wheels for passenger cars and their trailers.

[4]. ISO 7141, Road vehicles - Light alloy wheels - Impact tests.

[5]. AS 1638:1991 - NZS 5419:1991, Motor vehicles - Light alloy road wheels.