Tire test simulation series

1. Khái quát về cơ học lốp xe:

Tạo mô hình mô phỏng lốp hiệu quả và chính xác.

Lốp xe là một cấu trúc phức tạp và có tính phi tuyến cao, có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của xe. Khi số lượng các mẫu xe trên thị trường tiếp tục tăng lên, số lượng các trường hợp sử dụng có thể cần được kiểm tra và xác nhận cũng tăng theo. Thực tế này, kết hợp với nỗ lực không ngừng để giảm thời gian phát triển, đòi hỏi mô phỏng nhiều hơn thay vì thử nghiệm trên mô hình vật lý thực tế.

Lốp có tính thách thức cao đối với việc mô hình hóa cơ học và mô phỏng số, đòi hỏi rất nhiều chuyên mô và kinh nghiệm.

Ngày nay phương pháp phần tử hữu hạn FEM là cách tiếp cận tiêu chuẩn, đại diện cho một công cụ mô phỏng hiệu quả để phân tích cấu trúc. Hơn nữa phần cứng của máy tính đã phát triển đến một tiêu chuẩn đủ để giải các bài toán giá trị biên lớn và phi tuyến cao này. Mô phỏng kỹ thuật ngày càng chiếm một phần tích cực trong sự phát triển của lốp xe. Với sự phát triển của mô phỏng FEA, thiết kế lốp có thể được đánh giá cho nhiều tình huống thực tế trước khi tiếp tục giai đoạn thử nghiệm vật lý thực tế.

Trong cơ học liên tục, những tiến bộ đã được thực hiện trong việc xây dựng các đặc tính của vật liệu cao su, composite.

Các phương pháp tiếp cận mang tính xây dựng phải được tính đến tùy thuộc vào trọng tâm của phân tích.

Lốp cần được thiết kế theo yêu cầu vừa tối ưu về áp suất và hình dạng của dấu lốp, độ mòn, lực cản lăn, độ bền cũng như các đặc tính của lốp (lực, momen).

Do đó, mục đích là cung cấp một cái nhìn tổng quát về khả năng mô phỏng hiện tại trong mô tả đặc tính cao su và đặc biệt là trong cơ học lốp tiên tiến để chỉ ra những lợi ích cho quá tình thiết kế.

 

2. Kết cấu lốp xe ô tô:

Các bộ phận cấu thành của lốp là một số lượng lớn các thành phần cao su tự nhiên hoặc tổng hợp và tái tạo sợi từ thép hoặc vật liệu cao phân tử. Hình bên dưới xác định các bộ phận cấu thành chính của lốp xe du lịch.

Lốp xe không thể được coi là một sản phẩm độc lập. Trên thực tế nó là bộ phận truyền lực sinh ra bởi chuyển động của xe, và do đó nó phải được nhìn nhận cùng với các tính năng của xe và nó cũng ảnh hưởng đến cả hành vi lái xe cũng như tải trọng lên mặt đường. Do đó lốp cần được mô tả bắt đầu từ cấp độ vật chất và cấu tạo và kết thúc khi xem xét toàn bộ môi trường hoạt động được hình thành bởi phương tiện và mặt đường.

Cấu tạo lốp xe ô tô

• Inner liner: Lớp lót bên trong là một tấm cao su halobutyl đùn kết hợp với các chất phụ gia dẫn đến độ thoáng khí thấp. Lớp lót bên trong đảm bảo rằng lốp sẽ giữ không khí áp suất cao bên trong, không cho không khí dần dần khuếch tán qua cấu trúc cao su.
• Body ply: là một tấm được gia công bao gồm một lớp cao su, một lớp vải gia cố và lớp cao su thứ hai. Loại vài dệt sớm nhất được sử dụng là bông, sau này bao gồm rayon, nylon, polyester và Kevlar. Lốp xe khách thường có một hoặc hai body ply. Các tấm body ply giúp cấu trúc lốp xe có độ bền cao. Dây vải có độ mèm dẻo cao nhưng tương đối kém đàn hồi.
• Sidewall: là phần định hình được ép đùn gia cố với các chất phụ gia để các mặt của lốp có khả năng chống mài mòn tốt và chịu được môi trường. Các chất phụ gia được sử dụng trong các hợp chất thành bên bao gồm chất chống ô xi hóa. Sidewall được ép đùn không đối xứng và cung cấp một khu vực cao su dày để có thể đúc các chữ cái nổi lền và trang trí thành bên.
• Beads: là những dải dây thép cường độ cao được bọc trong một hợp chất cao su. Bead wire được phủ bằng hợp kim đặc biệt của đồng hoặc đồng thau. Lớp phủ bảo vệ thép khỏi bị ăn mòn. Đồng trong hợp kim và lưu huỳnh trong liên kết ngang cao su để tạo ra đồng sunfua, giúp cải thiện liên kết của hạt với cao su. Các hạt không dẻo và không đàn hồi, và cung cấp độ bền cơ học để lắp lốp vào bánh xe. Bead rubber bao gồm các chất phụ gia để tối đa hóa sức mạnh và độ dẻo dai.
• Apex (đỉnh): là một mặt cát hình tam giác kết hợp với Beads. Phần Apex cung cấp một lớp đệm giữa Bead cứng và lớp Inner liner dẻo và body ply.
• Belt package: Đai là những tấm đã được gia công bao gồm môt lớp cao su, một lớp dây thép gần nhau và một lớp cao su thứ hai. Các dây thép được định hướng xuyên tâm trong cấu tạo lốp hướng tâm và theo các góc đối nghich nhau trong cấu tạo lốp nghiêng. Đai cung cấp độ bền và chống móp cho lốp đồng thời cho phép lốp vẫn linh hoạt. Lốp xe khách thường được chế tạo với 2 hoặc 3 đai.
• Tread (ta lông lốp): Là một bề mặt đùn dày bao quanh thân lốp, Ta lông bao gồm các chất phụ gia để tăng khả năng chống mài mòn và lực kéo, và khả năng chống chịu với môi trường. Việc phát triển hợp chất cho ta lông lốp là một bài toán về sự thỏa hiệp, vì các hợp chất cứng có đặc tính mài mòn lâu nhưng lực kéo kém, trong khi các hợp chất mềm có độ bám đường tốt nhưng đặc tính mài mòn kém.
• Cushion gum (Gôm đệm): Nhiều loại lốp hiệu suất cao hơn bao gồm một bộ phận ép đùn giữa Belt package và tread để cách ly lốp khỏi mài mòn cơ học từ các đai thép (steel belts).

Các phương pháp chế tạo lốp có khác nhau về số lượng và loại thành phần, cũng như công thức hợp chất cho từng thành phần, tùy theo mục đích sử dụng vầ mức giá của lốp. Các nhà sản xuất lốp xe liên tục giới thiệu các loại vật liệu và phương pháp xây dựng mới để đạt được hiệu suất cao hơn vơi chi phí thấp hơn.

 

3. Mô hình FE lốp xe và ứng dụng để mô phỏng độ bền:

Các mô hình FE tire dựa trên một loạt các vật liệu, xác minh và mức độ test các thành phần cấu thành nên lốp xe.

Các kỹ sự làm việc trên cả mô hình 2D và 3D. Mô hình phần tử hữu hạn của lốp được phát triển trực tiếp từ bản vẽ CAD 2D của mặt cắt lốp. Tất cả các thành phần chính của lốp sử dụng phần tử lục diện 8 nodes.

Các vật liệu đàn hồi được mô hình hóa bằng cách sử dụng RUBBER, HYPERELASTIC và các lớp cốt sợi được tạo mô hình bằng ORTHOTROPIC_ELASTIC, 

Sự thất thoát không khí được mô hình hóa bằng cách kết hợp các SENSOR, độ xốp và độ thông hơi.

Mỗi kiểu phân tích trên lốp xe đưa ra những thách thức không chỉ về chất lượng mô hình lưới mà còn về các yêu cầu dữ liệu để thiết lập mô phỏng lốp.

Cuối cùng một chuỗi mô phỏng có thể được dự kiến để thử nghiệm sản phẩm ảo và thiết kế sản phẩm bao gồm cả quá trình sản xuất.

• Hiệu suất lốp và mô phỏng :

Lốp xe có bốn chức năng cơ bản, mỗi chức năng có liên quan yêu cầu như sau:

Chức năng	Yêu cầu hiệu suất liên quan
1. Chức năng hỗ trợ tải 2. Lái xe và điều khiển chức năng truyền lực 3. Chức năng hấp thụ shock 4. Chức năng duy trì hành trình	Độ bền Hiệu suất lực kéo và phanh trên nhiều loại mặt đường khác nhau. Khả năng thoải mái khi đi xe Vào cua v.v… hiệu suất trên nhiều loại mặt đường khác nhau.

Ngoài các chức năng trên, rụng động, tiếng ồn, khả năng chống lăn và các tiêu chí hiệu suất khác có thể được thêm vào.

• Xây dựng mô hình lốp 2D:

Mô phỏng lốp xe bắt đầu từ phối cảnh 2D, trong đó mô hình được thu nhỏ trong khi thông tin đủ để xác nhận thiết kế và tiến hành với mô hình 3D. Nhiệm vụ ở đây là thể hiện mô hình trong phối cảnh 2D với lưới tứ giác (quad).

Xây dụng mô hình lốp 2D

• Xây dựng mô hình lốp 3D:

Chất lượng lưới có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mô phỏng lốp.

• Hai mô hình lốp đầy đủ và lốp được đơn giản hóa phục vụ các bài toán mô phỏng khác nhau:

Cỡ lốp sử dụng: 195/60R15 và 205/50R16 (cho các xe tầm trung)

Áp suất bên trong lốp: 220kPa giá trị này đạt bằng cách bơm căng lốp theo lưu lượng khối lượng để đạt được áp suất ban đầu mong muốn.

Áp dụng ¼ trọng lượng của bản thân ô tô (450kgf)

Lăn lốp ở các tốc độ quy định (40, 20, 15km/h)

Di chuyển trục của lốp theo các ràng buộc về vận tốc.

Sử dụng giảm chấn, hoặc giảm xóc giảm chấn.

Hiện tượng xì hơi khỏi lốp cũng được thiết lập dựa trên các sensor để kích hoạt rò rỉ (thông hơi hoặc độ xốp).

Các sensor theo dõi áp suất tới hạn của lốp và sự tách biệt của lốp khỏi vành để kích hoạt quá trình thông hơi hoặc rò rỉ khí.

 

4. Các mô hình vật liệu trong lốp xe:

Khía cạnh phức tạp nhất trong sản xuất lốp xe xoay quanh vật liệu của chúng. So với các vật liệu đàn hồi thông thường, mô hình FEA lốp xe sử dụng vật liệu Hyperelastic. Các hành vi vật chất ở đây được mô tả bằng một phương trình đa thức, của một phương trình toán học, ngoài ra cần có thêm thông tin như độ nhớt của vật liệu.

Kiểm tra các đặc tính vật liệu của lốp xe:

Các part trong mô hình lốp xe	Vật liệu sử dụng	Test	Hình ảnh
Tread, Sub Tread, Inner Liner, Apex	Rubber	Rubber: Tension, Compression
Belt Overlay, WireBelt, Body Ply	Sợi polyester và các loại sợi hữu cơ	Plies: Tension (0°, 90°), Shear
Bead	Các dây thép xoắn lại với nhau.	Tension

 

5. Các mô hình mô phỏng lốp xe:

5.1 Static compression:

Mục đích: Kiểm tra độ cứng thành bên của lốp xe.

Mô phỏng các thuộc tính biến dạng của lốp xe dưới các điều kiện tải, và so sánh kết quả với test thực nghiệm.

Kết quả:

5.2 Lateral movement:

Mục đích: kiểm tra độ cứng thành bên của lốp xe.

Mô phỏng kiểm tra các đặc tính biến dạng của lốp xe dưới điều kiện tải được thực hiện, và so sánh kết quả với thực nghiệm.

Kết quả:

5.3 Pushing statically by step plate:

Mục đích: Kiểm tra độ cứng thành đáy của lốp xe.

Kết quả:

5.4 Compression by cleat 90:

Mục đích: Kiểm tra độ cứng thành đáy của lốp xe.

Kết quả:

Video các kết quả mô phỏng mô hình lốp xe chi tiết được thực hiện bởi Viettechview:

5.5 Dynamic test_Tire impact to Cleat:

Mục đích: Kiểm tra khả năng tương thích giữa thực tế và mô phỏng, Kiểm tra biến dạng của lốp xe khi đụng phải chướng ngại vật khi lăn trên đường.

Đối với một mô phỏng rung động, cần phải xác định giảm chấn. Chuyển động lăn của lốp được xác định bằng chuyển động của thân cứng đại diện cho trục của xe, do đó chuyển động của lốp liên quan đến chuyển động này không phải là giảm xóc, mà là các thành phần vận tốc của dao động theo hướng xuyên tâm và hướng bên và các hướng khác liên quan đến chuyển động của xe. đã được giảm xóc.

Kết quả:

5.6 Dynamic test_Vehicle running on to a Curb:

Mục đích: Kiểm tra biến dạng của lốp xe, kiểm tra độ bền của xe. Xác định lực tác động lên bánh xe, lên hệ thống treo.

Điều kiện: Tải trọng của trục trước khi một chiếc xe đang chạy với vận tốc 20 km/h leo lên lề đường (lề đường cao 100mm). Góc tiếp cận của xe lần lượt là 90° và 30°

Đối với 90°: Cả lốp trái và lốp phải phía trước sẽ chạy vào lề đường.

Đối với 30°: Chỉ có lốp bên trái sẽ chạy lên lề với góc 30°

Hệ thống treo và nút chặn được mô phỏng bằng cách sử dụng phần tử lò xo rời rạc (Discrete spring elements) và phần tử shock absorber discrete damper.

Các phần tử Discrete beam được sử dụng cho ống lót có 3 thành phần tịnh tiến và 3 thành phần quay vì quan hệ Chuyển vị-Lực phụ thuộc vào từng hướng đi.

Khi xe chạy lên lề đường, các ống lót chịu lực tải lớn và bị đè bẹp. Khi đó độ cứng của ống lót sẽ rất cao.

Tính đến sự không tuyến tính này trên các Discrete beam.

• Mô hình xe sẽ sử dụng:

Kết quả:

Video các kết quả mô phỏng mô hình tương tác giữa lốp xe với xe và nền đường được thực hiện bởi Viettechview:

Với kinh nghiệm nhiều năm làm việc ở trung tâm R&D tại các tập đoàn công nghiệp lớn của Nhật Bản. Kinh nghiệm làm việc lâu năm trong lĩnh vực thiết kế, mô phỏng, điều khiển tự động, gia công chế tạo…

Chúng tôi đã từng bước nghiên cứu, phát triển, cải tiến và cho ra đời giải pháp R&D mới cho hệ thống lạnh, công nghệ ô tô, công nghệ máy bay, hệ thống an toàn, robot, xây dựng dân dụng, thủy lợi, năng lượng…

Nếu quý công ty có nhu cầu cần hợp tác, hoặc biết thêm thông tin chi tiết. Xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Rất mong nhận được hợp tác và phục vụ.

 

 

Tel: (+84) 363 999 110

Email: viettechview.kh@gmail.com

Facebook group: Engineering Simulation Group

Chia sẻ: