Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong509

Kết cấu của ổ đầu to thanh truyền đảm bảo cho ổ làm việc ở chế độ bôi trơn thủy động với các hiệu ứng như đàn hồi thủy động đàn hồi hoặc hiệu ứng nhiệt nhiệt thủy động đàn hồi tùy thuộc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐÌNH TÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG

Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐÌNH TÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG

Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Trần Thị Thanh Hải

2 TS Nguyễn Tiến Lưỡng

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình riêng của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể giáo viên hướng dẫn Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình, luận án nào khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 12năm 2018Thay mặt Tập thể người hướng dẫn Tác giả luận án

TS Trần Thị Thanh Hải Nguyễn Đình Tân

để tôi hoàn thành luận án của mình

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu từ năm 2011 đến nay

Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn đến Giáo sư Aurélian FATU và các thầy cô, anh em tại Viện PPRIME • UPR 3346, Trường Đại học Poitiers, Cộng hòa Pháp đã giúp đỡ và chỉ bảo tôi về trang thiết bị thực nghiệm, các kỹ thuật phân tích trong thời gian tôi nghiên cứu thực nghiệm tại đây để tôi có thể hoàn thành luận án của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, anh chị em đồng nghiệp trường Cao đẳng Điện tử Điện lạnh Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn - thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong quá trình học tập và nghiên cứu để

có thể hoàn thành luận án này

Hà Nội, tháng 12 năm 2018

Tác giả

Nguyễn Đình Tân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nội dung nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

8 Các kết quả mới 3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN 4

1.1 Ổ đầu to thanh truyền 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Các Hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng 4

1.1.3 Khe hở bán kính 5

1.1.4 Khe hở dọc 6

1.2 Những vấn đề về công nghệ thiết kế sơ bộ ổ đỡ bôi trơn thủy động 6

1.2.1 Xác định chiều dày màng dầu 6

1.2.2 Chọn ổ theo khe hở 7

1.2.3 Xác định chế độ bôi trơn 8

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 8

1.3.1 Trên thế giới 8

1.3.1.1 Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền 8

1.3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm ổ đầu to thanh truyền 15

1.3.2 Trong nước 19

Kết luận 21

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN 22

2.1 Phương trình Reynolds tổng quát [9] 22

2.2 Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thuỷ động 26

2.2.1 Chiều dày màng dầu 26

2.2.2 Phương trình Reynolds 27

2.2.3 Hiện tượng xâm thực 29

2.2.3.1 Nguyên nhân 29

2.2.3.2 Mô hình hóa hiện tượng xâm thực 30

2.2.4 Điều kiện biên Reynolds 31

2.2.5 Áp dụng điều kiên biên Reynolds cho ổ đỡ thủy động 31

2.3 Phương trình cân bằng tải 32

Kết luận 33

Chương 3: MÔ PHỎNG SỐ BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ 5S-FE 34

3.1 Mô hình hóa bôi trơn ổ đầu to thanh truyền 34

3.1.1 Bài toán 1 34

3.1.1.1 Rời rạc miền khai triển ổ 35

3.1.1.2 Hàm nội suy và hàm trọng số 35

3.1.1.3 Phép biến đổi tọa độ 36

3.1.1.4 Tích phân Gauss 37

3.1.1.5 Tính các đạo hàm phụ thuộc thời gian 38

3.1.1.6 Rời rạc hóa phương trình 3.2 38

3.1.2 Bài toán 2 40

3.1.3 Giải hệ phương trình cân bằng tải bằng phương pháp lặp Newton-Raphson 40

3.2 Thuật toán 41

3.3 Ổ đầu to thanh truyền động cơ xăng 5S-FE 45

3.3.1 Thanh truyền động cơ 5S-FE 45

3.3.2 Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE 47

3.3.2.1 Mục đích 47

3.3.2.2 Giới thiệu thiết bị đo 47

3.3.2.3 Tiến trình đo 48

3.3.3 Kết quả thực nghiệm 49

3.3.4 Tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE 50

3.3.4.1 Giới thiệu về băng thử MEGAPASCAL 50

3.3.4.2 Kết quả 51

3.4 Kết quả mô phỏng số 52

3.4.1 Áp suât màng dầu 53

3.4.2 Chiều dày màng dầu 58

3.4.3 Độ lệch tâm trục – bạc 59

Kết luận 61

Chương 4: SO SÁNH KẾT QUẢ CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ VỚI PHẦN MỀM ACCEL 62

4.1 Tính toán số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S FE bằng phần mềm tính -toán ACCEL 62

4.1.1 Mục đích tính toán 62

4.1.2 Tiến trình tính toán 62

4.2 So sánh kết quả mô phỏng số và kết quả trên phần mềm ACCEL 63

4.2.1 Áp suất màng dầu 63

4.2.2 Chiều dày màng dầu 64

4.2.3 Độ lệch tâm trục – bạc 65

Kết luận 65

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 66

1 Kết luận chung 66

2 Kiến nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Pmax Áp suất thủy động lớn nhất của dầu bôi trơn

U1,V1,W1,U2, V2,W2 Vận tốc của bề mặt 1 và bề mặt 2 theo phương x, y, z

u, v, w Vận tốc của dầu bôi trơn theo phương x, y, z

εx Độ lệch tâm tương đối của tâm bạc so với tâm trục theo phương x

εy Độ lệch tâm tương đối của tâm bạc so với tâm trục theo phương y

ρ0 Khối lượng riêng của hỗn hợp bôi trơn dầu – khí

Ω+ Điểm màng dầu bắt đầu gián đoạn

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các bộ phận của thanh truyền 4

Hình 1.2 Hỉnh ảnh chụp một vài hư hỏng thường gặp của ổ đầu to thanh truyền 5

Hình 1.3 Màng dầu bôi trơn trong ổ đỡ thanh truyền 6

Hình 1.4 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất có thể chấp nhận được 7

Hình 1.5 Mô hình rời rạc ổ đầu to thanh truyền 12

Hình 1.6 Ứng suất trong thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông 12

Hình 1.7 Biến dạng của ổ đầu to thanh truyền chịu siết bu-lông 12

Hình 1.8 Hình dạng ban đầu của các bạc lót do lực siết bu lông 13

Hình 1.9 Hình dạng của bạc lót trong một chu kỳ của hoạt động 13

Hình 1.10 Mô hình ổ đầu to thanh truyền 14

Hình 1.11 Sự dịch chuyển của bạc lót trong ổ đầu to thanh truyền 14

Hình 1.12 (a) Tiếp xúc tròn xoay và (b) Mô hình ổ đầu to thanh truyền 15

Hình 1.13 Thanh truyền và hệ thống đo đặc tính bôi trơn ô đầu to 16

Hình 1.14 Băng thử để khảo sát bôi trơn ổ đầu đo thanh truyền 16

Hình 1.15 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền 17

Hình 1.16 Ứng suất trong thanh truyền 17

Hình 1.17 Trượt tương đối của bạc lót trong ổ 17

Hình 1.19 Thiết bị thực nghiệm 18

Hình 1.18 Thiết bị nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của Pierre-Eugene 18

Hình 2.1 Hệ tọa độ 23

Hình 2.2 Mặt cắt ổ đỡ 26

Hình 2.3 Hệ tọa độ xác định chiều dày màng dầu 27

Hình 2.4 Miền khai triển ổ 28

Hình 2.5 Hình ảnh hiện tượng xâm thực màng dầu xảy ra trên ổ đỡ 29

Hình 2.6 Vùng khai triển màng dầu 30

Hình 2.7 Phân bố áp suất trong tiết diện giữa ổ theo phương dọc trục 32

Hình 2.8 Sơ đồ cân bằng lực tác dụng lên thanh truyền 32

Hình 3.1 Rời rạc miền khai triển ổ 35

Hình 3.2 Phép biến đổi hệ tọa độ 36

Hình 3.3 Các điểm Gauss 37

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 42

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán chương trình xử lý dữ liệu đầu vào 43

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán chương trình giải bài toán 1 44

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chương trình giải bài toán 2 45

Hình 3.8 Bản vẽ thanh truyền động cơ 5S-FE 46

Hình 3.9 Hình ảnh tổng thể máy TALYRON 365 47

Hình 3.10 Hình ảnh chụp màn hình phần mềm đang làm việc 48

Hình 3.11 Hình ảnh Ổ đỡ, trục mẫu đi kèm theo máy Talyron 365 48

Hình 3.12 Hình ảnh đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 49

Hình 3.13 Hình ảnh của kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+300 49

Hình 3.14 Hình ảnh của kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+300 tại một tiết diện 50

Hình 3.15 Sơ đồ khối của băng thử MEGAPASCALE 51

Hình 3.16 Hình ảnh thanh truyền và bánh lệch tâm, các cảm biến khi thực nghiệm đo tải trên băng thử MEGAPASCAL 51

Hình 3.17 Hình ảnh trung tâm điều khiển băng thử MEGAPASCALE 52

Hình 3.18 Biểu đồ tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE 52

Hình 3.19 Chia lưới ổ đầu to thanh truyền 53

Hình 3.20 Phân bố áp suất theo phương chu vi tại 3700của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 53

Hình 3.21 Phân bố áp suất theo phương chiều dài tại 3700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 54

Hình 3.22 Phân bố áp suất tại góc 3700của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 54

Hình 3.23 Phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại các góc 200, 3200, 3500, 3700, 4700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 55

Hình 3.24 Vị trí mòn trên nửa bạc lót dưới do hiện tượng xâm thực 55

Hình 3.25 Phân bố áp suất tại góc 200của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 56

Hình 3.26 Phân bố áp suất tại góc 7000của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 56

Hình 3.27 Phân bố áp suất tại góc 3200của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm 57

Hình 3.28 Phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại góc 3700 của trục khuỷu với C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm 57

Hình 3.29 Áp suất màng dầu lớn nhất khi C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm 58

Hình 3.30 Chiều dầy màng dầu nhỏ nhất hmin, áp suất màng dầu lớn nhất pmax theo góc quay của trục khuỷu với C = 24µm 59

Hình 3.31 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi khe hở bán kính C = 24µm 60

Hình 3.32 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi thay đổi khe hở bán kính 60

Hình 4.1 Giao diện màn hình tính toán của phần mềm ACCEL 62

Hình 4.2 Áp suất lớn nhất pmaxtheo góc quay của trục khuỷu 63

Hình 4.3 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmintheo góc quay của trục khuỷu 64

Hình 4.4 So sánh độ lệch tâm tương đối khi tính toán và khi tính bằng ACCEL ở khe hở bán kính C=24µm 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số ổ đỡ 31

Bảng 3.1 Tọa độ và trọng số của các điểm Gauss 38

Bảng 3.2 Thành phần và các tính chất cơ lý của hợp kim chịu mòn 46

Bảng 3.3 Đường kính ổ đầu to thanh truyền theo siết bu-lông thanh truyền 50

Bảng 4.1 Sai lệch áp suất lớn nhất pmax từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL 63

Bảng 4.2 Sai lệch chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL 64

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thanh truyền là một trong các bộ phận quan trọng của động cơ, trong đó ổ đầu to thanh truyền (ổ đầu to thanh truyền: được tạo bởi thân thanh truyền, nắp thanh truyền và trục khuỷu) làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (tải trọng lớn và thay đổi liên tục, vận tốc lớn, nhiệt độ cao, … Do vậy các nghiên cứu theo hướng giảm ma sát, mài mòn và bôi ) trơn ổ đầu to thanh truyền trên thế giới đã có những kết quả đáng kể và ngày càng được hoàn thiện Tuy nhiên tại Việt Nam vấn đề này chưa được quan tâm đúng mức

Việc tính toán các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền là rất phức tạp vì phải giải quyết đồng thời phương trình Reynolds (là phương trình vi phân cấp 2 đạo hàm riêng) và phương trình cân bằng tải Hơn nữa trong quá trình làm việc, ổ đầu to thanh truyền phải chịu tác dụng đồng thời của các lực khí thể, lực quán tính, nhiệt độ cao, biến dạng đàn hồi, hiện tượng xâm thực trong màng dầu Khi ch ế độ bôi trơn ổ đầ u to thanh truyền không đảm bảo dẫn đến các dạng hư hỏng như mòn, dính bạc lót gây kẹt cứng thanh truy n phá h y ề ủđộng cơ

Kết cấu của ổ đầu to thanh truyền đảm bảo cho ổ làm việc ở chế độ bôi trơn thủy động với các hiệu ứng như đàn hồi (thủy động đàn hồi) hoặc hiệu ứng nhiệt (nhiệt thủy động đàn hồi) tùy thuộc vào tải trọng tác dụng và tốc độ của trục khuỷu Để xây dựng một chương trình tính toán mô phỏng với đầy đủ các yếu tố trong chế độ bôi trơn như trên, mà

ở Việt Nam ta chưa có nghiên cứu mô phỏng số về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền Do đó NCS bắt đầu nghiên cứu ổ ở chế độ bôi trơn thủy động Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tính tới các hiệu ứng đàn hồi, hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng quán tính Điều này là phù hợp với sự phát triển của các nghiên cứu về vấn đề này trên thế giới

Để góp phần trong việc làm chủ được các nghiên cứu về vấn đề bôi trơn ổ đầu to thanh truyền tại Việt Nam, trước hết cần phải làm chủ được các tính toán bôi trơn ổ đầu to thanh truyền ở chế độ bôi trơn thủy động

Đó là các lý do dẫn tới luận án chọn hướng nghiên cứu “Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong” Nhằm góp phần từng bước làm chủ các nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền tại Việt Nam Qua đó đưa

ra các khuyến cáo khi bảo trì, bảo dưỡng, lắp ráp ổ đầu to thanh truyền động cơ đối với các doanh nghiệp sửa chữa, lắp ráp động cơ đốt trong nói chung, ô tô nói riêng tại Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mô phỏng số các đặc tính bôi trơn của ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt trong(phân bố áp suất, chiều dày màng dầu và độ lệch tâm giữa tâm bạc lót và tâm trục) ở chế

độ bôi trơn thủy động với điều kiện biên Reynolds có tính đến hiện tượng gián đoạn màng dầu trong một chu kỳ làm việc của động cơ đốt trong tốc độ 3000 vòng/ phút và 30% tải ở

- Xác định sự thay đổi đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE khi thay đổi lực iết bu lông thanh truyền từ 25Nm đến 25Nm+90s - 0 Từ đó xác định

sự thay đổi các đặc tính bôi trơn ổ nhằm đưa ra các khuyến cáo đối với các cơ sở lắp ráp, bảo trì động cơ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong

- Việc nghiên cứu được giới hạn ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ (30% tải, n = 3000 vòng/phút)

- Giả thiết động cơ được bôi trơn ở chế độ bôi trơn thủy động có tính đến hiện tượng gián đoạn màng dầu

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp mô hình hóa

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

- Phương pháp xử lý số liệu

- Phương pháp so sánh

5 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu đã có liên quan đến bôi trơn ổ đầu to thanh truyền

- Xây dựng bài toán, mô hình hóa hệ trục bạc của ổ đầu to thanh truyền; Giải phương trình Reynolds ở chế độ bôi trơn thủy động có tính tới hiện tượng gián đoạn màng dầu

- Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S FE ở các lực siết bu lông thanh truyền khác nhau

Nghiên cứu sử dụng phần mềm ACCEL để tính toán mô phỏng các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE

- So sánh kết quả thu được của chương trình mô phỏng số của luận án với kết quả

mô phỏng thu được từ phần mềm ACCEL

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Chương trình mô phỏng số bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt trong góp phần giải quyết bài toán bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ tương ứng với tải tác dụng theo chu kỳ làm việc Góp phần từng bước làm chủ nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền tại Việt Nam

- Là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong tại Việt Nam

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Phần mềm mô phỏng có thể được ứng dụng để tính toán mô phỏng áp suất, chiều

dày màng dầu bôi trơn và quỹ đạo tâm trục ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt trong theo chu kỳ làm việc

- Đưa ra khuyến cáo với các cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa ô tô về lực siết bu lông thanh truyền phù hợp khi thay thế, sửa chữa, bảo dưỡng ổ đầu to thanh truyền góp phần nâng cao tuổi thọ của ổ

8 Các kết quả mới

- Xây dựng được chương trình tính toán các đặc tính bôi trơn (trường áp suất, chiều dày màng dầu và quỹ đạo tâm trục) ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt trong với điều kiện biên Reynolds và có xét tới sự gián đoạn của màng dầu Góp phần làm chủ việc nghiên cứu trong nước về vấn đề bôi trơn ổ đầu to thanh truyền động cơ, tiến tới phục vụ ngành công nghiệp bảo dưỡng, sửa chữa, chế tạo phụ tùng và công nghiệp sản xuất ô tô nội địa

- Đưa ra ảnh hưởng của lực iết bu lông thanh truyền tới đặc tính bôi trơn ổ đầu to sthanh truyền động cơ 5S-FE từ đó đưa ra khuyến cáo với cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa ô tô

về lực siết bu-lông thanh truyền phù hợp khi thực hiện bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ráp cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN

Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN 1.1 Ổ đầu to thanh truyền

Thanh truyền được cấu tạo bởi 6 chi tiết: Thân, nắp, hai bạc lót và 2 bu lông thanh truyền như hình 1.1 a

a) Cấu tạo thanh truyền b) Bạc lót thanh truyền

Hình 1.1 Các bộ phận của thanh truyềnCác bạc lót thanh truyền (hình 1.1 b) được làm bằng thép mỏng và hợp kim chống mòn là ba bít thiếc hay hợp kim của đồng, thiếc, chì, ăngtimon Mặt trong của bạc lót có phay rãy để chứa dầu bôi trơn.Vỏ thép của bạc lót có các gờ (ắc gô) để định vị khi lắp rápnhằm giữ cho bạc không quay trong đầu to thanh truyền.Đường kính ngoài của vỏ bạc lớn hơn đường kính của đầu to thanh truyền từ 0.03- 0.04mm

1.1.2 Các Hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng

- Bạc lót bị mòn rộng hoặc mòn ô van, do lực tác dụng không đều nhau, do điều kiện bôi trơn kém Dẫn tới làm tăng khe hở lắp ghép, giảm áp suất dầu bôi trơn, gây ra va chạm khi động cơ làm việc

- Lớp hợp kim chống ma sát bị cháy, bong tróc, biến dạng dẻo do thiếu dầu bôi trơn, sửa chữa không đúng yêu cầu kỹ thuật

- Bề mặt bạc lót có nhiều vết sước, lõm, rỗ do tạp chất cơ học, hóa học, hiện tượng mỏi gây ra

- Cổ biên bị mòn

Trước khi nghiên cứu, tác giả đã đi khảo sát thực tiễn tại các cơ sở bảo trì, sửa chữa

ô tô trên các địa bàn như Hà Nội, Quảng Ninh,…Nhằm xác định các hư hỏng thường gặp của các chi tiết ổ đầu to thanh truyền của các động cơ ô tô hoạt động trong các điều kiện khác nhau Bên cạnh đó tác giả cũng đã lựa chọn loại động cơ để ứng dụng đưa vào tính toán mô phỏng số

Hình 1.2 Hỉnh ảnh chụp một vài hư hỏng thường gặp của ổ đầu to thanh truyền

1.1.3 Khe hở bán kính

Điều kiện thanh truyền chuyển động được trên trục khuỷu, thì đầu to thanh truyền phải tồn tại khe hở bán kính (khe hở dầu) và khe hở dọc

Khe hở bán kính là hiệu số hai kích thước gữa đường kính trong của bạc lót đầu to

và đường kính ngoài của trục khuỷu Khe hở này rất quan trọng, nó rất nhỏ để đảm bảo

hình thành được màng dầu trong quá trình động cơ làm việc Để hiểu rõ về tầm quan trọng của khe hở này Chúng ta xét hai trường hợp sau đây:

Hình 1.3 Màng dầu bôi trơn trong ổ đỡ thanh truyềnXét một trục chuyển động trong ổ đỡ,

+ Khi trục đứng yên thì trục và ổ tiếp xúc

+ Khi trục quay, có một lượng dầu được cung cấp vào ổ để bôi trơn (do bơm dầu cung cấp) Do dầu có độ nhớt nhất định, nên dầu bám vào bề mặt của trục một lớp mỏng, lớp dầu này được trục cuốn xuống phía bên dưới, nó có khuynh hướng chèn gữa trục và ổ Khi trục quay đạt được một tốc độ nào đó thì nhớt được cuốn xuống khe hở hẹp (giống như hình một cái chêm) nên nó tạo thành một áp suất có khuynh hướng nâng trục đi lên, khi hợp lực do áp suất nâng trục tạo nên lớn hơn tải trọng tác dụng lên trục, thì trục nổi lên Lúc này trục chuyển động trong ổ thông qua một lớp dầu chèn ở bên dưới

Để hình thành được lớp màng dầu này thì phải đảm bảo đủ 3 điều kiện sau:

1.2 Những vấn đề về công nghệ thiết kế sơ bộ ổ đỡ bôi trơn thủy

động

1.2.1 Xác định chiều dày màng dầu [9]

Chiều dày màng dầu rất mỏng là nguyên nhân dẫn đến sự tiếp xúc giữa trục và ổ,

có thể dẫn tới mòn và phá hủy ổ Chiều dày màng dầu phải lớn hơn tổng nhấp nhô bề mặt

để tạo ra cơ chế bôi trơn thủy động

Hình 1.4 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất có thể chấp nhận được

Với các điều kiện vận hành thông thường, các giá trị nhỏ nhất của chiều dày màng dầu được tính sơ bộ cho các đường kính trục khác nhau trên hình 1.4 Các giá trị này được thiết lập bởi Martin bằng việc sử dụng các giá trị thô và hệ số an toàn bằng 3 trên tổng độ nhấp nhô bề mặt của trục và bạc

1.2.2 Chọn ổ theo khe hở [9]

Khe hở bán kính là một thông số rất quan trọng Đối với các điều kiện vận hành cho trước khe hở bán kính lớn sẽ làm tăng rò rỉ và giảm chiều dày chất bôi trơn Ngược lại, khe hở nhỏ hơn cho thấy ma sát tăng lên, có thể dẫn đến hoàn toàn mất khe hở do thay đổi

Còn đối với ổ phức tạp:

- Chế đội tải tĩnh: H7/g6

- Chế độ tải động: H7/h6

Những Quan hệ này được sử dụng kèm theo những chú ý, vì đôi khi dẫn tới những thiết kế không đảm bảo Chỉ những phân tích về sự thay đổi đặc tính bôi trơn như là chiều dày màng dầu nhỏ nhất, năng lượng tiêu hao hoặc tốc độ dòng chảy mới cho phép chúng ta quyết định chọn khe hở trung bình và dung sai chế tạo một cách tốt nhất

1.2.3 Xác định chế độ bôi trơn [ ] 46

Dựa vào độ nhám bề mặt ổ, đưa ra hệ số Λ để xác định chế độ bôi trơn cho ổ

= (1.3)

Trong đó: hmin chiều dầy màng dầu nhỏ nhất(µm)

R sai lệch hình học trung bình của bề mặt a (µm)

R sai lệch hình học trung bình của bề mặt b (µm)

(Giá trị sai lệch hình học trung bình R lớn hơn sai lệch số học trung bình R khoảng 1,25 lần)

Dựa vào giá trị Λ ta xác định được chế độ bôi trơn hiện tại của cặp ma sát:

- Chế độ bôi trơn thủy động: 5 100

- Chế độ bôi trơn thủy động đàn hồi: 3 10

- Chế độ bôi trơn hỗn hợp: 1 < 3

- Chế độ bôi trơn giới hạn: < 1

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động đốt trong là vấn đề đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Tuy nhiên ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu này chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều Để có cái nhìn tổng quan, tiếp theo luận án trình bày về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề nghiên cứu của đề tài

độ lệch tâm không đổi hoặc tải cố định Tiếp đó là các nghiên cứu cho ổ chịu tải động

Ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong là ổ chịu tải trọng động Trong trường hợp này tải tác dụng thay đổi theo chu kỳ và theo thời gian Quỹ đạo của trục trong bạc được xác định tại từng thời điểm để nhận được chiều dày màng dầu và trường áp suất thủy động tác dụng lên ổ

1.3.1.1 Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền

Các nghiên cứu mô phỏng số được tiến hành ở chế độ bôi trơn thủy động hoặc bôi trơn thủy động đàn hồi là sự kết hợp giữa lý thuyết bôi trơn và pháp pháp số như phương

pháp phần tử hữu hạn hay phương pháp sai phân hữu hạn

a) Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ chịu tải trọng tĩnh

Máy tính cho phép giải bài toán bôi trơn bằng phương pháp số được phát triển từ những năm 60 của thế kỷ trước và cho chúng ta kết quả ngày càng sát thực tế như hiện nay

Năm 1968, Reddy và các cộng sự [62] vận dụng lý thuyết của Chung và Visser đưa

ra năm 1965 đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán bôi trơn Đây

là các tác giả đầu tiên giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn trong các nghiên cứu về bôi trơn

Năm 1972, Nicolas [ ] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu về51 ổ chịu tải trọng bất kỳ Sau đó Nicolas và J Frêne đưa ra so sánh kết quả lý thuyết với các kết quả thực nghiệm mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện trước đó

Năm 1973, OH và Huebrer [ ] lần đầu tiên tính tới biến dạng của ổ52 Các tác giả đã

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình Reynolds với các phương trình đàn hồi, độ nhớt của dầu bôi được giả thiết là không thay đổi theo nhiệt độ của dầu Tác giả đã biểu diễn lực nút {F} như hàm { } bởi ma trận độ cứng [K] σ Các lực nút được xác định bằng cách tích phân trường áp suất bỏ qua áp suất âm Nghiên cứu sử dụng phương pháp Newton-Rapson để xác định và sau đó nghịc đảo ma trậh n Jacobin [J] Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế vì thời gian tính toán lâu Hơn nữa sơ đồ lặp của bài toán không thể hội tụ khi biến dạng của bề mặt lớn hơn so với khe hở bán kính

Năm 1979, Fantino, Frêne [25] lần đầu tiên nghiên cứu ổ thanh truyền đàn hồi chịu tải trọng tĩnh Phương trình Reynolds được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn sử dụng phương pháp lặp Gauss-Seidel Trong nghiên cứu này Ổ đầu to thanh truyền có chiều dài hữu hạn Các kết quả cho thấy áp suất tương ứng với chiều dày màng dầu

Năm 1983, Pierre-Eugene, và các cộng sự [59] đã tiến hành so sánh các kết quả tính toán lý thuyết và các kết quả thực nghiệm trong điều kiện tải tĩnh Các kết quả tính toán của Fantino rất tương thích với thực nghiệm của Pi cho thanh truyền bằng vật liệu nhựa Tải tác dụng lên ổ có giá trị tối đa là 10KN

b) Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ chịu tải trọng động

Năm 1979, Fantino và cộng sự [25] đã công bố nghiên cứu về "Ảnh hưởng của sự biến dạng đàn hồi ổ đầu to thanh truyền tới màng dầu” Thanh truyền được coi là một vật rắn và dầu bôi trơn có độ nhớt thay đổi theo áp lực Để giải phương trình Reynolds, các tác giả sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp lặp Gauss-Seidel với hệ số 1,88 Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định các biến dạng của ổ Việc tính toán được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp của Rhode và Li [62] Kết quả thu được là trường áp lực và chiều dày màng dầu

Năm 1981, cũng chính Fantino [ ] đưa ra giải pháp EHD cho ổ của thanh truyền 26

dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình Reynols được giải với điều kiện biên của Gumbel

Năm 1983, Fantino và cộng sự [27] đã tính toán quỹ đạo tâm trục trong ổ thanh truyền trong trường hợp chịu tải trọng động Ổ đầu to thanh truyền được xem là ổ ngắn đàn hồi Tác giả đã so sánh chiều dày màng dầu và mômen ma sát giữa thanh truyền tuyệt đối cứng và thanh truyền đàn hồi

Năm 1984, Booker và Shu [21] đã đưa ra cách tiếp cận mới cho việc tính toán chế

độ bôi trơn thủy động đàn hồi Các phương pháp tiếp cận dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và áp dụng trực tiếp cho tất cả các hình dạng màng dầu với bất kỳ tải trọng phức tạp nào tác dụng lên bề mặt Cùng năm, Goenka [33] đưa ra một công thức phần tử hữu hạn để phân tích chế độ bôi trơn Công thức này làm giảm đáng kể thời gian tính toán

Năm 1985, Fantino và Frêne [28] đưa ra so sánh tính toán bôi trơn cho thanh truyền của động cơ xăng và diezel Tiếp đó, Booker và Labouff [40] công bố một nghiên cứu về ổ cứng và ổ đàn hồi chịu tải trọng động

Năm 1986, Goenka và Oh [34] cũng đề cập đến vấn đề bôi trơn thủy động đàn hồi Phương pháp của các tác giả dựa trên mô hình của Rohde và Li [ ] Phương pháp 62Newton-Raphson và hai phương pháp số (phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn) được sử dụng để giải gần đúng phương trình Reynolds

Năm 1988, Mcivor và Fenner [ ] đã nghiên cứu và cho thấy rằng việc sử dụng 45loại phần tử giúp giảm đáng kể thời gian tính toán Các tác giả đã so sánh hai loại phần tử: phần tử tứ giác với 8 nút và phần tử tam giác với 3 nút Kết quả tính toán cho thấy, với phần tử 8 nút nhanh hơn Năm 1992 Fenner và cộng sự đã sử dụng đa giác lưới 8 nút để phân tích màng dầu [30] để nghiên cứu về ổ chịu tải trọng nặng Sự biến dạng đàn hồi làm tăng đáng kể phạm vi và chiều dày của màng dầu và dẫn đến giảm đáng kể áp lực lớn nhất trong tiếp xúc

Năm 1991, Aitken và McCallion [11] [1 ] [2 13] đã nghiên cứu và cho thấy sự biến dạng đàn hồi của bề mặt ổ đầu to thanh truyền chịu tải trọng động ảnh hưởng lớn đến chiều dày màng dầu Tiếp theo là lực quán tính cũng ảnh hưởng đến chiều dày màng dầu Các tác giả đã thực hiện so sánh kết quả chiều dày màng dầu thực nghiệm và kết quả chiều dày màng dầu mô phỏng số trong trường hợp có và không có biến dạng đàn hồi của ổ

Guines [27] năm 1994 và Bonneau cùng các cộng sự [19] năm 1995, đã nghiên cứu vấn đề bôi trơn EHD tính đến tác dụng của lực quán tính trong ổ đầu to thanh truyền chịu tải trọng động Các tác giả sử dụng phương pháp Newton Raphson và các phần tử đẳng -tham số 8 nút để phân tích dầu bôi trơn, phần tử đẳng tham số 20 nút để phân tích các cấu trúc 3D đàn hồi Biến dạng của ổ được chia thành hai phần Một là do áp lực thủy động, hai là do lực quán tính Để xác định các vùng liên tục và gián đoạn của màng dầu, các tác

giả sử dụng thuật toán Murty Các thuật toán của Mcivor và Fenner [45] phù hợp với mô hình thanh truyền đàn hồi trong động cơ tốc độ cao, và rút ngắn được thời gian tính toán

Ozasa [56], Susuki [ ] năm 1995 và Ozasa [ ] năm 1997, đã tiến hành nghiên 62 57

cứu thực nghiệm trên thanh truyền động cơ diesel và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết Nghiên cứu này trình bày một mô hình bôi trơn thủy động đàn hồi của ổ đầu to thanh truyền có đề cập tới những ảnh hưởng của lực quán tính và lỗ cấp dầu Vị trí lỗ cấp dầu và áp lực cấp dầu được coi là một điều kiện biên trong lý thuyết bôi trơn EHD Lưu lượng dầu và mômen ma sát cũng được tính toán Các tác giả đã đưa ra các kết quả của chiều dày màng dầu ở tốc độ khác nhau, áp lực tối đa và phân bố nhiệt độ trong ổ

Năm 1999 và 2000, Okamoto cùng cộng sự [53 54] [ ] đã nghiên cứu "Ảnh hưởng của chiều rộng ổ đầu to và chiều rộng bạc lót đến hoạt động của ổ đầu to thanh truyền động

cơ diesel Qua đó áp lực thủy động lực, chiều dày màng dầu phụ thuộc vào chiều rộng của bạc lót Cũng trong năm 1999 Cho cùng cộng sự [22] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày tối thiểu của màng dầu trong ổ đầu to thanh truyền Các tác giả đã

so sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm Các phương trình năng lượng được giải quyết Chiều dày nhỏ nhất của màng dầu trong mỗi chu kỳ được xác định có tính đến hiệu ứng nhiệt

Piffeteau [48] năm 1999, sau đó năm 2000 Piffeteau cùng cộng sự [ ], v60 à Souchet Piffeteau năm 2001 [ ] đã đưa ra thuật toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để 69giải quyết vấn đề nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD) trong ổ đầu to thanh truyền chịu tải trọng động Mô hình này được dựa trên mô tả một chiều của dòng chảy hai chiều và biến dạng nhiệt Các tác giả giải quyết đồng thời các phương trình màng mỏng kết hợp với độ biến dạng đàn hồi, phương trình năng lượng trong màng dầu và phương trình nhiệt trong chất rắn Nhiệt độ theo hướng trục của ổ được cho là không đổi Hiện tượng gián đoạn màng dầu không được tính đến Năm 2001, Bonneau và Hajjam [2 ] đã đưa ra thuật toán 0dựa trên mô hình của JFO (Jakobson Floberg và Olsson) và rời rạc các phương trình bằng -phương pháp phần tử hữu hạn Thuật toán này cho phép xác định vùng gián đoạn và tái tạo của màng dầu trong chế độ bôi trơn EHD Các tác giả đưa ra một phương trình Reynolds sửa đổi có thể áp dụng cho cả vùng liên tục và vùng gián đoạn của màng dầu Các kết quả tính toán ổ đầu to thanh truyền của động cơ F1 vận hành trong điều kiện khắc nghiệt được đưa ra

Năm 2001, Stefani và Rebora [61] nghiên cứu "Ảnh hưởng của lực siết bu-lông lắp ráp giữa 2 nửa thân và nắp của thanh truyền động cơ ở chế độ thủy động đàn hồi" Các tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và Newton Raphson để giải phương trình -Reynolds và phương trình cân bằng tải Các kết quả nghiên cứu là việc so sánh các giả thiết khác nhau về ổ cứng tuyệt đối và ổ đàn hồi có tính tới lực siết bu-lông Các phần tử

hữu hạn rời rạc của thanh truyền nghiên cứu được thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5 Mô hình rời rạc ổ đầu to thanh truyền [2 0]

Trong nghiên cứu này, hai loại phần tử được sử dụng cho lưới sai phân: phần tử đẳng tham số 8 nút để rời rạc màng dầu và 20 nút để rời rạc ổ Các tác giả cho rằng, nếu sự biến dạng của ổ tăng lên thì chiều dày nhỏ nhất của màng dầu sẽ giảm xuống Năm 2003, Stefani [67] đưa ra nghiên cứu mới về tác dụng của tải trọng và lực quán tính lên ổ đầu to thanh truyền Các vấn đề được giải quyết là ứng suất trong thanh truyền (Hình 1.6) và biến dạng của thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông (Hình 1.7 )

Hình 1.6 Ứng suất trong thanh truyền chịu tác dụng của lực iết bus -lông [67]

Hình 1.7 Biến dạng của ổ đầu to thanh truyền chịu siết bu-lông [67]

Năm 2004, Stefani và Rebora [ ] đã đưa ra thuật toán tính toán trên mô hình mở 68

và trượt giữa nắp và thân thanh truyền Thuật toán này được sử dụng để phân tích các mô hình 2 hay 3 chiều của ổ đỡ động cơ Nắp và thân thanh truyền được chia lưới riêng biệt Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 nửa các phần tử bề mặt tiếp xúc điểm – điểm

Cùng năm (2004), Wang và cộng sự [ ] đã nghiên cứu ổ đầu to thanh truyền bao 72gồm thân, bạc lót, nắp và bu lông Việc tính toán sẽ dựa trên biến dạng ban đầu do lực siết bu-lông (Hình 1 ) Nghiên cứu đã xét tới ảnh hưởng của lực quán tính và biến dạng của 8

thanh truyền đến các thông số bôi trơn Tất cả các thông số này có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu quả hoạt động của ổ Các tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để tính toán biến dạng đàn hồi và ứng suất của các bề mặt tiếp xúc Trong toàn chu kỳ, hình dạng của hai bạc lót

là khác nhau (Hình 1.9 )

Hình 1.8 Hình dạng ban đầu của các bạc lót do lực siết bu lông [72]

Hình 1.9 Hình dạng của bạc lót trong một chu kỳ của hoạt động [72]

Trong một nghiên cứu khác Wang và cộng sự [31], đã xác định hiệu suất của ổ đầu

to thanh truyền với hình dạng không tròn Họ sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình Reynolds Quỹ đạo trọng tâm thanh truyền, chiều dày màng dầu và áp lực màng dầu trong chu kỳ được tính toán và kết quả được so sánh với mô hình ổ đầu to thanh truyền đàn hồi nguyên khối

Cùng năm 2004, Michaud [ ] đã nghiên cứu mở rộng vấn đề TEHD hai chiều 47bằng một mô hình ba chiều trong trường hợp ổ chịu tải trọng động Mô hình này được xây dựng bằng cách viết các phương trình Reynolds ba chiều trong vùng liên tục và vùng gián đoạn của màng dầu, các phương trình năng lượng ba chiều và nhiệt ba chiều được đưa ra

để tính toán áp suất và nhiệt độ màng dầu và nhiệt độ của ổ

Năm 2005, Fatu [29] đã nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bôi trơn ổ động

cơ trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt Mục đích của nghiên cứu này nhằm giúp các nhà thiết kế ổ trục có các công cụ tính toán nhanh và hiệu quả Sự thay đổi của độ nhớt, ảnh hưởng của hiệu ứng nhớt và chất lỏng phi Newton được nghiên cứu trong các trường hợp phức tạp của ổ đầu to thanh truyền

Năm 2006, Ligier và Antoni [ ] nghiên cứu hiện tượng trượt trong ổ đầu to thanh 42

truyền Tổng độ dịch chuyển bằng tổng các dịch chuyển của các giao diện tiếp xúc của các thành phần trong chu kỳ nạp Các tác giả đã đưa mô hình phần tử hữu hạn 2D của bạc lót

và ổ đầu to thanh truyền (Hình 1.10a) Sự tiếp xúc giữa các bạc lót và ổ được mô hình hóa bằng cách sử dụng định luật Coulomb và luật Coulomb sửa đổi, cho phép xác định độ trượt đàn hồi do biến dạng đàn hồi của độ nhám bề mặt tiếp xúc (Hình 1.10 )

Hình 1.10 Mô hình ổ đầu to thanh truyền [42]

Năm 2006, Tran [ ] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to 70thanh truyền có tính đến sự phân cách có chất bôi trơn hoặc không giữa hai nửa của ổ đầu

to thanh truyền Một mô phỏng số mới cho vấn đề EHD trong màng dầu và tiếp xúc giữa hai nửa đầu to thanh truyền được đưa ra: các phương trình Reynolds, chiều dầy màng dầu, cân bằng tải, tiếp xúc với định luật ma sát Coulomb trong bề mặt phân cách giữa hai nửa thanh truyền được rời rạc bởi phương pháp phần tử hữu hạn và được giải bằng phương pháp Newton-Raphson

Năm 2007, Antoni cùng cộng sự [ ] đã nghiên cứu lý thuyết về sự trượt tương đối 14tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc giữa hai nửa thanh truyền dưới tải trọng theo chu kỳ Mô hình nghiên cứu là ổ đầu to thanh truyền của động cơ Trong mô hình này, các bạc lót có thể bị dịch chuyển về phía trong của ổ (Hình 1.1 ) Antoni và cộng sự đã cho thấy sự1 dịch chuyển giữa hai nửa phụ thuộc vào vị trí theo phương chu vi của quay tải

Hình 1.11 Sự dịch chuyển của bạc lót trong ổ đầu to thanh truyền [14]

Năm 2008, Antoni cùng cộng sự [ ] đã nghiên cứu về sự trượt tương đối giữa hai 15chi tiết tròn xoay Nghiên cứu sử dụng mô hình ổ hai chiều, bao gồm hai chất rắn tròn tiếp xúc ma sát Một ứng suất do sự dịch chuyển tương đối của các chi tiết được phân tích Khi

đó, các bạc lót phải chịu một tải hướng kính tập trung, và thay đổi theo chu kỳ (Hình 1.12 )

Hình 1.12 (a) Tiếp xúc tròn xoay và (b) Mô hình ổ đầu to thanh truyền [15]

Năm 2012, Thomas Lavie [41] đưa ra phương pháp tối ưu hóa bôi trơn ổ đầu to thanh truyền Tổn thất năng lượng do ma sát tại ổ đầu to thanh truyền là không nhỏ, nó ảnh hưởng tới người sử dụng Hơn nữa, các tiêu chuẩn về gây ô nhiễm môi trường của các loại động cơ ngày càng khắt khe, cần phải thực hiện các cải tiến trên tất cả các thanh truyền để làm giảm tổn thất năng lượng Tác giả đã phát triển xây dựng một phần mềm TEHD sử để tính toán tổn hao công suất do bôi trơn ổ đầu to thanh truyền Các tính toán được kiểm chứng, đánh giá bằng thực nghiệm trên băng thử Megapascalvới điều kiện hoạt động thực

tế của các thanh truyền trong động cơ

Năm 2013, T.L NGUYEN [ ] đã nghiên cứu Mô hình hóa sự tương tác giữa cá50 c bạc lót và thân thanh truyền Nghiên cứu này đã đưa ra giải pháp giải quyết vấn đề tiếp xúc giữa các bạc lót với các bộ phận còn lại của thanh truyền bằng cách kết hợp phần mềm tính toán EHD (ACCEL) với phần mềm tính toán ma sát tiếp xúc giữa các bạc lót và thanh truyền (ABAQUS) Một số tính toán tham số đã được thực hiện trong trường hợp ổ đầu to thanh truyền, đã chứng minh được sự ảnh hưởng của điều kiện làm việc và các đặc điểm khác của bề mặt bạc lót (hệ số ma sát, độ dày bạc, vv) đến bôi trơn ổ và sự trượt tương đối giữa bạc lót và thanh truyền

1.3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm ổ đầu to thanh truyền

Để kiểm chứng các tính toán mô phỏng số, cách tốt nhất là so sánh kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm Có hai phương pháp thực nghiệm

- Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng thanh truyền thật trong động cơ: Cách này cho

ta nhận được các kết quả tương ứng với bôi trơn trong điều kiện làm việc thực tế của thanh truyền Các khó khăn gặp phải là động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, nên đòi hỏi thiết

bị phải có độ cứng vững và chính xác rất cao để xác định được áp suất màng dầu rất cao và chiều dày màng dầu rất nhỏ

- Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng thanh truyền mô phỏng: Mô hình thực nghiệm làm việc theo nguyên lý hệ biên khuỷu, hệ thống động học của thiết bị bớt phức tạp hơn và điều kiện làm việc của ổ cũng kém khắc nghiệt hơn so với thanh truyền thật Phương pháp này có lợi thế là có thể được thực hiện ngay trong phòng thí nghiệm mà vẫn kiểm chứng được các tính toán số

a) Thiết bị sử dụng thanh truyền thật

Năm 1965, Cook [23] đã nghiên cứu đo quỹ đạo tâm trục của ổ trục khuỷu trong

động cơ diezel một xi lanh bằng cảm biến điện từ, các kết quả cho thấy biến dạng đàn hồi của ổ thay đổi nhiều khi tải tác dụng lớn Năm 1973, Rosenberg [63] sử dụng thiết bị tương đương để đo chiều dày màng dầu thông qua các cảm biến Các kết quả cho thấy sự tương thích giữa chiều dày màng dầu và tải tác dụng Năm 1975, Good và cộng sự [ ] đã đo 32chiều dày màng dầu của ổ trục khuỷu tại sáu điểm bởi sáu cảm biến Nghiên cứu cho thấy biến dạng đàn hồi lớn hơn các kết quả tính toán, nhưng chiều dày màng dầu đo phù hợp với chiều dày tính toán Năm 1985, 1987 và 1988 Bates và cộng sự [16 17 18] [ ] [ ] đã xây dựng thiết bị sử dụng động cơ xăng V6 biến đổi để có thể đo các đặc tính của ổ đầu to thanh truyền (Hình 1.13 )

Hình 1.13 Thanh truyền và hệ thống đo đặc tính bôi trơn ô đầu to [18]

Năm 1998, Tseregounis [ ] và cộng sự sử dụng động cơ V6 và hệ thống dây dẫn 71

từ các cảm biến như trong nghiên cứu của Bales [18] để đo chiều dày màng dầu trong cả chu kỳ làm việc của động cơ với tốc độ quay lớn nhất 1500 v/ph Năm 2001, Moreau [49] tiến hành đo chiều dày màng dầu của ba ổ của trục khuỷu và ổ đầu to thanh truyền của động cơ xăng 4 xilanh Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhớt dầu bôi trơn, khe hở bán kính tới chiều dày màng dầu Các kết quả đo được so sánh với các quả tính toán số và cho kết quả tương thích Năm 2005, Michaud [47] và Fatu [29] đã tham gia xây dựng băng thử Megapascal để nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong điều kiện làm việc thực và khắc nghiệt (Hình 1.1 ) Tốc độ tối đa của động cơ đạt 20.000 v/ph với tải nén và kéo tác 4dụng là 90 KN và 60 KN

Hình 1.14 Băng thử để khảo sát bôi trơn ổ đầu đo thanh truyền[29]

Năm 2010 [ ] và năm 2011 [43 24 44] [ ] Ligier và Dutfoy đã nghiên cứu thực nghiệm

thanh truyền thực tế để nghiên cứu sự thay đổi vị trí của bạc lót trong ổ đầu to thanh truyền Bên cạnh việc nghiên cứu thực nghiệm, các tác giả cũng đã thực hiện mô phỏng số (Hình 1.15) Họ cho rằng ở tốc độ thấp lực quán tính là không đáng kể Ứng suất trong thanh truyền và sự trượt của bạc lót trong ổ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng (Hình 1.16) và (Hình 1.17 )

Hình 1.15 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền [24]

Hình 1.16 Ứng suất trong thanh truyền [44]

Hình 1.17 Trượt tương đối của bạc lót trong ổ [44]

Thiết bị sử dụng thanh truyền mô hình

Năm 1983, Pierre-Eugene [ ] và các cộng sự đã nghiên cứu biến dạng đàn hồi của 59

ổ đầu to thanh truyền dưới tác dụng của tải cố định Thanh truyền được đúc từ nhựa epoxy

Để thực hiện hiện các phép đo, các tác giả sử dụng các phương pháp quang học, đặc biệt là phương pháp đốm tia lase Thanh truyền được lắp với trục bằng thép, trục quay với tốc độ

50 đến 200 v/ph, tải tác dụng thay đổi từ 60N đến 300N (Hình 1.18 )

Năm 2000, Optasanu [ ] triển khai thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu ổ đầu to 55thanh truyền với cơ cấu mô phỏng tải tương ứng với động cơ (Hình 1.19) Thiết bị tuân theo nguyên lý hệ biên khuỷu và sử dụng một thanh truyền Thanh truyền làm bằng vật -liệu trong, nhựa epoxy PSM1 và PSM4 Tác giả quan sát và phân tích sự xuất hiện ứng suất trong thanh truyền khi áp suất thủy động thay đổi Chiều dày màng dầu được đo nhờ phân tích các ảnh chụp màng dầu trong quá trình làm việc Năm 2002, Hoang [57] nâng cấp thiết bị này và sử dụng thanh truyền bằng vật liệu PLM4 Ngoài đo chiều dày màng dầu, tác giả nghiên cứu nhiệt độ màng dầu thông qua các cảm biến nhiệt độ Năm 2006, Tran [70] cũng sử dụng thiết bị này để đo áp suất, chiều dày màng dầu và đo lượng mở và trượt của mặt tiếp xúc giữa hai nửa thanh truyền có tính đến lực vặn vít ghép nối thân và nắp thanh truyền Các kết quả đo được so sánh với kết quả tính toán số Tác giả sử dụng thanh truyền bằng vật liệu quang đàn hồi được đúc từ nhựa epoxy PLM4 và PLMH4

Hình 1.19 Thiết bị thực nghiệm [55] Hình 1.18 Thiết bị nghiên cứu bôi trơn

ổ đầu to thanh truyền của Pierre-Eugene[59]

Năm 2002, Hoang cùng các cộng sự [ ] đã đưa ra một mô hình thực nghiệm dầu 57

1.3.2 Trong nước

Ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền, chủ yếu là các nghiên cứu về các ổ chặn, ổ trượt thông thường hoạt động ở chế độ bôi trơn thủy động, có rất ít nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền

Năm 1984, Nguyễn văn Bào [1] đã nghiên cứu về hao mòn nhóm chi tiết chính động cơ diezen ngành địa chất Trong đó tác giả đã đưa ra kết quả về nghiên cứu hao mòn của các nhóm chi tiết chính trong động cơ Trong đó có hao mòn của xilanh, trục khuỷu, thanh truyền Để khẳng định tuổi thọ và đưa ra phương pháp đo độ kín thủy lực mới nhằm xác định trạng thái kỹ thuật các chi tiết hao mòn phục vụ chế tạo, phục hồi và sử dụng

Năm 1990, Nguyễn Phương [ ] đã nghiên cứu thiết kế, tính toán và thực nghiệm ổ 8chặn Tác giả đã xây dựng một chương trình tính áp suất và tải trọng tác động trên máy

tính Bên cạnh đó tác giả đã tiến hành thực nghiệm ma sát ướt của ổ lăn làm việc với những vật liệu nhớt khác nhau và đưa ra các kết quả về Quan hệ thay đổi giữa áp suất vào buồng dầu và bán kính ổ chặn khi thay đổi Vϕ; Tải trọng và áp suất vào buồng dầu khi thay đổi Vϕ; Lưu lượng dầu vào buồng dầu Q (cm3/ph) với khe hở h(µm) khi thay đổi tốc độ quay và độ nhớt của dầu

Nghiên cứu cũng đưa ra tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm ổ chặn và kết quả thực nghiệm được hiển thị trên màn hình máy tính

Năm 1999, Trần Thị Thanh Hải [2] đã nghiên cứu tính toán ổ đỡ thuỷ động và xây dựng thiết bị khảo sát đặc tính bôi trơn của ổ Thiết bị này được cải tiến dần theo các năm sau đó Hiện nay thiết bị này có thể đo được áp suất và nhiệt độ của màng dầu thông qua các cảm biến đo áp suất và cảm biến đo nhiệt độ Số liệu đo sẽ hiển thị trên màn hình LCD hoặc màn hình máy tính

Năm 2001, nhóm tác giả Phan Thạch Hổ, Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng [5] đưa ra nghiên cứu về một vài phương pháp tính toán ổ trục chịu tải trọng động Trong bài báo này các tác giả đã trình bày cơ sở tính toán ổ trục chịu tải trọng động, trong đó tải trọng tác dụng lên ổ thay đổi cả về giá trị và phương theo thời gian Phương pháp chồng xếp lực chịu tải của màng dầu cho phép giải bài toán của ổ trục chịu tải trọng động

Năm 2001, nhóm tác giả Nguyễn Xuân Toàn, Trần Thị Thanh Hải, Dương Minh Tuấn [ ] đã nghiên cứu xây dựng chương trình tự động tính toán bôi trơn thủy động (ổ đỡ, 9

ổ chặn) có tính đến các sai số hình học Các tác giả đã trình bày quá trình tính toán bôi trơn

ổ đỡ thủy động sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn giải phương trình Reynolds Các sai số hình học của ổ được tính đến khi khảo sát thiết kế ổ Chương trình tính toán trên máy tính có giao diện dễ sử dụng và cho kết quả khá chính xác

Năm 2002, Phan Thạch Hổ [ ] đã nghiên cứu thiết kế, tính toán ổ trục khuỷu động 6

cơ NT855 Tác giả đưa ra tính toán ổ trượt động cũng như xây dựng các biểu đồ áp suất thủy động, độ lệch tâm, áp suất lớn nhất của màng dầu, tổn thất ma sát của bạc đỡ chính, biểu đồ tải của ổ trục khuỷu động cơ NT855 Đề tài cũng đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mòn bạc ngõng chính trục khuỷu của động cơ diezen

Năm 2005, Phạm Văn Hùng [ ] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo áp suất 7

ổ thủy động dùng các phương pháp biểu thị và đánh giá hiện đại

Năm 2014, Trần Thị Thanh Hải [ ] đã nghiên cứu Mô hình hóa bôi trơn ổ đầu to 4thanh truyền của động cơ nhiệt

- Trong các nghiên cứu mô phỏng bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền, Các tác giả đã đưa dần các hiệu ứng như biến dạng, nhiệt độ của ổ hay lực quán tính tác dụng lên ổ vào mô hình tính toán nên đã cho kết quả ngày càng sát với thực tế

- Trong các nghiên cứu lý thuyết về chế độ bôi trơn thủy động (HD), bôi trơn thủy động đàn hồi (EHD), bôi trơn nhiệt thủy động (THD), bôi trơn nhiệt thủy động đàn hồi(TEHD) thì thuật toán Newton Raphson thường được sử dụng Để giải phương trình -Reynolds, thường xuyên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY Đ ỘNG Ổ

ĐẦU TO THANH TRUYỀN

2 1 Phương trình Reynolds tổng quát [9]

Dòng chảy của chất lỏng Newton được mô tả ở b i các phương trình cơ bản trong cơ học môi trường liên tục như sau:

- Phương trình bảo toàn khối lư ng:ợ

Xi: Biến không gian

: Tenxo độ ế bi n d ng ạ

: Hệ ố s giãn n ở

: Tenxo Kronecker

: Hệ ố s giãn n nhi t áp su t h ng s ở ệ ở ấ ằ ố

Xét trong hệ toạ độ Đề các Oxyz (Hình 2.1), áp đặt các giả thiết sau cho phương trình 2.5:

- Môi trường liên tục

- Chất lỏng Newton

- Dòng chảy tầng

- B ỏ qua các lực khối

- B ỏ qua các lực quán tính của dòng chảy chất lỏng

- Không có s ự trượt giữa chất lỏng và các bề ặt tiế m p xúc v i nó ớ

- B ỏ qua độ cong của màng mỏng chất lỏng

- Chiều dày của màng chất lỏng rất nh so vỏ ới kích thước của bề m t tiếp ặxúc

Hình 2.1 Hệ tọa độ Điều kiện biên:

Trên mặt 1, với y = 0 có u = U1; v = 0; w = W1,

Trên mặt 2, với y = h có u = U2; v = V2; w = W2

Trong đó: u, v, w: vận tốc của chất lỏng theo phương x, y, z

U1, V1,W1,U2, V2,W2:vận tốc của bề mặt 1 và bề mặt 2 theo phương x, y, z

Với cách đặt gốc của hệ toạ độ trên mặt 1, có được V1 = 0 Khi đó có các biểu diễn của vận tốc trong màng dầu:

y

z 1

−+

1 2 2

2

1 2

1 2 2

2

WJJ

WWJ

JI

UUJ

JI

0 µ ξ

2

J

UUx

pJ

I

y

xy

−+

2 2 2

2

1 2

2

)(

)(

Vt

ht

Rz

hWF

WFRWzx

h

U

FUFRUxz

pGzx

p

G

x

ρ ρ

∂

∂

−+

−

∂

∂+

ρ

(2.10)

Giải phương trình trên với các điều kiện biên tương ứng cho phép xác định trường áp suất của màng chất bôi trơn

Trong thực tế tính toán các kết cấu bôi trơn, người ta thường coi khối lượng riêng và độ

nhớt của chất bôi trơn không thay đổi theo chiều dày màng bôi trơn

Phương trình 2 còn được viết dưới dạng đơn giản hơn: 9

2 1

)(2

1

)(2

1

Wh

yWh

yhhyyz

pw

Uh

yUh

yhhyyx

pu

µ

µ

(2.12)

Và biểu diễn của các thành phần ứng suất trượt:

−+

pdy

dv

hUUhyx

pdy

du

yz

xy

µ µ

σ

µ µ

σ

)(

)2(21

)(

)2(21

1 2

1 2

(2.13)

Trong hệ toạ độ trụ Or z, phương trình Reynolds có dạng dưới đây khi chiều dày màng θ

chất bôi trơn h đặt theo phương z:

UhV

Vh

UU

r

rh

hVVr

hUUr

pr

hr

++

+

∂

∂++

66

6

66

2 2

1 2

1 2

1

2 1 2

1

3 3

ρ ρ

ρ θ ρ

θ ρ

ρ θ

µ

ρ θ µ

2 1

)(2

1

)(2

1

Vh

yVh

zhhzz

prv

Uh

zUh

zhhzzr

pu

θ µ

prdzdv

hUUhzr

pdz

du

z

rz

µ θ

µ

σ

µ µ

σ

21

)(

)2(21

1 2

1 2

(2.16)

2.2 Phương trình Reynold s cho ổ đỡ thuỷ động

2.2.1 Chiều dày màng dầu

Màng dầu có chiều dày h thay đổi theo vị trí của ổ, là thông số quan trọng trong phương trình Reynolds, nên cần phải xác định trước tiên

Hình 2.2 Mặt cắt ổ đỡTrong đó:

θ θ

π

α sin( ' ) sin( ) sin sin

) '

sin(

b t

t t

b

O O M

R e

eR

'

2

e R

e R

Hình 2.3 Hệ tọa độ xác định chiều dày màng dầuXét trục và bạc trong hệ tọa độ x y như O hình 2.3 thì phương trình chiều dày màng dầu 2.23 có dạng sau:

( )' 1 xcos ' ysin '

h θ =C −ε θ −ε θ (2.24) Trong đó εx và εylà độ lệch tâm tương đối theo hai trục x và y

2.2.2 Phương trình Reynolds

Do bán kính Rt và Rb xấp xỉ nhau, giả thiết có thể bỏ qua độ cong của màng dầu và khai triển theo hình 2.4

Hình 2.4 Miền khai triển ổ Các điều kiện động học liên quan đến chuyển động bề mặt có thể viết:

; cos

0

;

1 2

2

1 1

W R

V R

U

W V R

U

t t t

t

b b

α ω α

ω

ω

(2.25) Trong đó: là độ nghiêng của h(x)α

θ θ

t

e d

dh R dx