Hướng dẫn quy trình thiết kế hệ thống

PHẦN I THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÊN Ô TÔ Quy trình thiết kế hệ thống B1 Xác định được yêu cầu của bài toán thiết kế B2 Đưa ra được sơ đồ khối mới cho hệ thống cần thiết kế B3 Lựa chọn phần tử trên hệ thống[.]

PHẦN I: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÊN Ô TÔ

Quy trình thiết kế hệ thống

B1 - Xác định được yêu cầu của bài toán thiết kế

B2 - Đưa ra được sơ đồ khối mới cho hệ thống cần thiết kế

B3 - Lựa chọn phần tử trên hệ thống

B4 - Lựa chọn yêu cầu bài toán thiết kế cho từng phần tử dựa trên yêu cầu chung

của bài toán

B5 - Thiết kế các phần tử trên hệ thống theo yêu cầu đã được xác định ở bước 3 và

4

B6 - Kiểm nghiệm lại hệ thống sau khi thiết kế

PHẦN II: VÍ DỤ MINH HỌA CÁC BƯỚC TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Đề bài Thiết kế cải tiến hệ thống dầu bôi trơn trên động cơ D240 để tăng áp suất dầu sau bầu lọc tinh lên 10%

a Xác định yêu cầu của bài toán

- Đưa ra được sơ đồ khối ban đầu của hệ thống bôi trơn

Hình 1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống bôi trơn động cơ D240

A Bơm dầu; B Lọc dầu; C Trục khuỷu;

D Trục cam và dàn đòn gánh; E két làm mát

- Xác định được yêu cầu của bài toán thiết kế:

+ Xác định được yêu cầu về độ lọc sạch, lưu lượng, nhiệt độ của dầu sau bầu lọc tinh giống với hệ thống ban đầu:

• Độ lọc sạch:

Hệ số thông qua lọc =2.8

Tiết diện thông qua Ftq của lõi lọc

𝐹𝑡𝑞 = 𝑉𝑏

6 𝑉𝑑 10

2 =0,89 10

−3 6.2,2 10

2 = 6,742 10−3(𝑐𝑚2)

Diện tích lọc F của lõi lọc xác định theo công thức

sau :

𝐹 = 𝐹𝑡𝑞

𝐾𝑡𝑞 = 2,14 10

−3(𝑐𝑚2)

F - Lưu lượng dầu sau bầu lọc thực tế:

𝑉𝑡𝑡 = 0,568447 10−3(𝑐𝑚

3

𝑠 )

• Nhiệt độ của dầu: 81oC

• Áp suất cần thiết trước bầu lọc:

𝑃1 = [𝑉12− 4 (𝜋 𝑁30 )

2 (𝑅2− 𝑟02) 𝜇12 𝑓2] 𝜌

8 𝜇12 𝑓12 (1 − 𝜓)

𝑃1 = 57,98606 (𝐾𝑔/𝑐𝑚2)= 579860,5754

(Kg/m 2 )

- Áp suất tổn thất của lọc là

∆𝑝 = 3500 (𝐾𝑔/𝑚2)

- Áp suất sau lọc là:

𝑝2 = 𝑝1− ∆𝑝 = 576360,5754 𝐾𝑔/𝑚2

+ Xác định được giá trị áp suất của dầu bôi trơn sau bầu lọc tinh cho hệ thống mới lớn hơn 10% so với hệ thống ban đầu

• Áp suất dầu bôi trơn phải đảm bảo cho đầu bài là : 𝑃2 ≥ 633996,6329 𝐾𝑔/𝑚2

b Thiết kế hệ thống

- Đưa ra được sơ đồ khối mới cho hệ thống bôi trơn cần thiết kế:

+ Đưa ra được 1 sơ đồ khối hệ thống giống với hệ thống ban đầu

Hình 2 Sơ đồ nguyên lí hệ thống bôi trơn động cơ D240

1- Khuỷu góc đường hút của bơm dầu; (2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,11,12,13,14)-Các khuỷu góc đường đẩy của bơm dầu;

+ Đưa ra được ít nhất 1 sơ đồ khối khác hệ thống ban đầu

- Xác định mối tương quan của các phần tử trên hệ thống bôi trơn mới

+ Đưa ra được các phương trình toán học biểu thị mối tương quan giữa thông số đầu vào

và thông số đầu ra

• Tính toán ổ trượt Thông

số đầu vào:

- K tb : tải trọng trung bình tác dụng lên cổ chốt tính cho một đơn vị diện tích cổ chốt (l.d)

- K tbmax : tải trọng trung bình tác dụng lên cổ chốt của vùng chịu tải lớn (l*d)

- F pt : diện tích đỉnh pison F pt : 0,0095 (m2)

- l chôt : bề rộng đầu to thanh truyền : l chốt = 4.8 (cm)

- d chốt : đường kính của cổ chốt : d chốt = 6,8 (cm)

Để hệ thống bôi trơn hoạt động tốt thì bơm dầu phải cung cấp đủ áp suất và lưu lượng

dầu cần thiết

Theo số liệu kinh nghiệm thì lượng nhiệt do dầu mang đi vào khoảng 1,5 ÷ 3% tổng

nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra trong xi lanh

Q d = (0,015÷0,03) Q o (KJ/s)

Chọn Q d = 0,025 Q o

Trong đó:

- Q h : nhiệt trị thấp của nhiên liệu với nhiên liệu Diesel thì Q h = 42,5 MJ/kg, hay

Q h =42500 KJ/kg

- G nl : lượng tiêu hao nhiên liệu trong 1h

G nl = 10-3 G e n e (kg/h)

g e = 183 g/ml.h

hay 𝑔𝑒 = 183

N e =80 ml, hay N e = 58,8 kW

Thay vào công thức trên ta có :

G nl = 10-3.249.58,8=1464(kg/h)

⇒ 𝑄0 = 42500.14,64

Q d =0,025.172,8=4,32 (KJ/s)

Từ lượng nhiệt mà dầu mang đi ta xác định được lưu lượng cần thiết của dầu nhờn

𝑉𝑑 = 𝑄𝑑

𝜌𝑑𝐶𝑑∆𝑡𝑑; 𝑚

3/𝑠

- 𝜌d =900kg/m3 : khối lượng riêng của dầu nhờn

- C d = 2,094 KJ/kg độ : là tỉ nhiệt của dầu nhờn

- ∆td = 120C: Độ chênh nhiệt độ của dầu trước khi vào và ra của động cơ Thay số vào công thức trên ta tính được Vd

𝑉𝑑= 4,32 900.2,094.12=0,000191074 (m3/s) Muốn đủ lượng dầu nói trên,bơm dầu thường phải tăng lưu lượng lớn gấp 2÷3,5 lần lưu lượng lý thuyết do đó lưu lượng bơm dầu Vụ có thể xác định như sau:

𝑉𝑏′ = (2 ÷ 3,5)𝑉𝑑 = 3,5.0,191 10−3 = 0,000668761 m3/s

Lượng dầu do bơm cung cấp để tạo ra tuần hoàn của dầu (xét đến hiệu suất của bơm là:

𝑉ℎ = 𝑉𝑏′/𝜂𝑏 với 𝜂𝑏 là hiệu suất của bơm dầu:𝜂𝑏 = 0,7÷ 0,8 chọn 𝜂𝑏 = 0,75

𝑉ℎ = 𝑉𝑏′/0,75 = 0,000891681 (m3/s)

Khi tính toán bơm bánh răng (loại thông dụng nhất) người ta cho rằng thể tích dầu nằm giữa răng bằng thể tích của răng:

𝑉𝑏𝑉(𝑛𝑏 /60) = (𝜋𝐷0/60) ℎ 𝑏 𝑛0(𝑚3/ 𝑠)

Trong đó:

- D 0:Đường kính vòng cơ sở của bánh răng (m)

- h,b:chiều cao và chiều dày bánh răng

- nb: số vòng quay của bơm (vòng/phút)

Chọn h = 2.m và D o =m.z

- m : môdun của bánh răng, chọn m = 4 mm= 0.004 m

- Z: số răng (6 ÷ 12), chọn Z=9 chiều cao bánh răng h= 0,008 (m)

𝑉𝑏 = (2𝜋

60) 9(4.10 10

−3) 𝑛𝑏 𝑏 (𝑚3/𝑠)

- nb: số vòng quay của bơm được tính theo tốc độ vòng cho phép của bơm

𝑛𝑏 = 𝑢𝑏 60/(𝜋 𝐷)

- b : tốc độ vòng quay của bơm, u b = 8 ÷10, chọn u b = 9(m/s)

- D: đường kính ngoài của bánh răng: D = m(Z+2)(m) Suy ra D= 0,044 (m);

nb= 3908,51187 (vòng/phút) b= 0,015136558 (m) =15,1 (mm)

V b= 0,000891681 (m3/s)

Công suất cần thiết để dẫn động bơm dầu:

𝑁𝑏 = 𝑉𝑏.𝑃𝑏

𝜂𝑚.10 3(ml)

Trong đó:

+ P b là áp suất của bơm dầu: P b=0,9 (MN/m2 )

+ 𝜂𝑚 là hiệu suất cơ giới của bơm,𝜂𝑚= (0,85 ÷ 0,9).ta chọn 𝜂𝑚= 0,9

+V b = 0,000891681 (m3 /s)

Suy ra N b= 0,89168089 (ml)

Khi tính đến hiệu suất của bơm thì lưu lượng thực tế do bơm cung cấp là:

V’b= ƞb .Vb = 0,000668761 (m3/s)

Khi ta dùng lọc ly tâm toàn phần thì khoảng 15÷20% lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun làm quay rôto rồi trở về cacte

lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun được tính như sau :

V h =15%V b =0,000100314 (m3/s)

-Vậy lưu lượng dầu thực tế đi bôi trơn bề mặt ma sát là:

V tt =V’ b -Vh=0,000568447 (m3/s)

Xét tỉ số V tt /V d =2,975>1,5 (thỏa mãn yêu cầu hệ thống bôi trơn)

Tính toán bầu lọc

* Lỗ phun : ta chọn lỗ phun có dạng 1 () có các thông số như sau:

+ Đường kính lỗ phun: d = l,1 mm

+ Tiết diện lỗ phun : f = 0,95 mm2

+ Hệ số : 𝜀 =,0,9

𝜇= 0,8

+ Khoảng cách từ tâm lỗ phun đến tâm quay : R = 36mm

+ Bán kính trục rôto : r0 = l0 mm

+ Chiều cao rôto : h = 85 mm

+ Đường kính trong rôto : D t = 94 mm

Với các thông số trên ta tính toán số vòng quay rôto Căn cứ vào định lý xung lượng, phản lực tác dụng trên đường tâm lỗ phun khiến rôto quay, xác định theo công thức sau:

𝐹 = 𝑚

2𝑔 (𝑉𝑑 − 𝑉𝑟);

𝐹 =𝜌 𝑉 2𝑔 (

𝑉 2𝑔−

𝜋 𝑛

30 𝑅)

Trong đó :

- m và G : khối lượng và trọng lượng của dầu nhờn phun qua trong 1 giây;

- V d: tốc độ của tia dầu phun qua lỗ phun

- V r : tốc độ vòng của tâm lỗ phun

- 𝜌 :khối lượng riêng của dầu bôi trơn 𝜌 = 900(kg/m3 )

- V 1: lưu lượng của dầu nhờn phun qua 1 lỗ phun,được tính như sau:

V 1 =V h/2=5,01571.10-5 (m3/s)

Mô men dẫn động rôto do 2 tia phun sinh ra:

𝑀𝑞 = 2 𝐹 𝑅 = 𝜌 𝑉1 𝑅( 𝑉1

𝜀 𝑓1−

𝜋 𝑛

30 𝑅)(𝑁 𝑚)

Ở trạng thái làm việc ổn định mô men quay rôto cân bằng với mô men cản rôto, nghĩa là

M q = M c Mô men cản phụ thuộc vào ma sát ổ trục và số vòng quay của rôto Mô men cản được xác định như sau:

M c = a+b.n (N.m)

+ a,b là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào dung tích của rơm và độ nhớt của dầu Mô men cản khi rôto bắt đầu quay lấy a = 5 l0-4 (N.m) Tốc độ tăng mô men cản, lấy b=

0,035.l0-4 (N.m/vòng/phút) Từ phương trình cân bằng M q = M c ta có:

𝑛 =

𝜌 𝑉1

2 𝑅

2 𝜀 𝑓1− 𝑎

𝑏 +𝜋𝜌 𝑉301 𝑅2

Thay số ta tính được n: n = 4901,259894 (vòng/phút) ; lấy n=4910 vòng/phút

+ Xác dính bán kính tối ưu theo công thức :

𝑅𝑡𝑢 =2 𝑎 𝜀 𝑓

𝜌 𝑉12 + √[2 𝑎 𝜀 𝑓

𝜌 𝑉12 ]

2 + 30 𝑏

𝜋𝜌 𝑉1

Thay số ta tính được R tu =0,027613245 (m); lấy R tu=0.0276 (m)

𝑛 =

𝜌2 𝜀 𝑓𝑉12 𝑅

1− 𝑎

𝑏 +𝜋𝜌 𝑉301 𝑅2

Thay R tu vào công thức trên ta tính được ntu= 5077,260956 (vòng/phút) lấy ntu= 5077 (vòng/phút) áp suất dầu nhờn cần thiết đi vào bầu lọc là:

𝑃1 =

[𝑉12− 4 (𝜋 𝑛30)2 (𝑅2− 𝑟02) 𝜇12 𝑓2] 𝜌

8 𝜇12 𝑓2 (1 − 𝜓)

Thay số ta tính P1=579860,5754 (Kg/m2)= 57,98605754 (KG/cm2)

Tổn thất áp suất qua lọc Δp=3500 (Kg/m2)

Suy ra áp suất sau lọc sẽ là p2=p1- Δp=576360.5754 KG/m2

B3: Thiết kế các phẩn tử trên hệ thống theo yêu cầu đã được xác định ở bước 2

+ Xác định được giá trị áp suất của dầu bôi trơn sau bầu lọc tinh cho hệ thống mới lớn hơn 10% so với hệ thống ban đầu

• Áp suất dầu bôi trơn phải đảm bảo cho đầu bài là P2>= 633996.6329 KG/m2

Tính toán thiết kế:

Theo các công thức tính trên ta tính toán được

Chọn :nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q h = 42500 KJ/kg

ge= 249 (g /kW h)

Ne=58,8 (kW)

g nl =10 -3 G e n e (Kg/h)

Suy ra Lượng nhiên liệu tiêu hao 1 giờ G nl= 14,6412 (kg/ h)

Q d = 0,025Q0

Chọn

Q d = 4,3211875 (KJ/ s)

Từ lượng nhiệt mà dầu mang đi ta xác định được lưu lượng cần thiết của dầu nhờn:

𝑉𝑑 = 𝑄𝑑

𝜌𝑑 𝐶𝑑 ∆𝑡𝑑 𝑚

3/𝑠

- 𝜌 d =900kg/m3 : khối lượng riêng của dầu nhờn

- C d = 2,094 KJ/kg độ : là tỉ nhiệt của dầu nhờn

- ∆t d = 120C: Độ chênh nhiệt độ của dầu trước khi vào và ra của động cơ

Thay vào công thức trên ta tính được V d= 0,000191074 (m3/s)

Muốn đủ lượng dầu nói trên,bơm dầu thường phải tăng lưu lượng lớn gấp 2÷3,5 lần lưu lượng lý thuyết do đó lưu lượng bơm dầu

V ’ b =3,5.V d= 0,000668761 (m3/s)

Lượng dầu do bơm cung cấp để tạo ra tuần hoàn của dầu (xét đến hiệu suất của bơm là:

V h =V ’ b /ƞ b= 0,000891681 (m3/s) với ƞb=0,75

Khi tính toán bơm bánh răng (loại thông dụng nhất) người ta cho rằng thể tích dầu nằm giữa răng bằng thể tích của răng

𝑉𝑏𝑉 (𝑛𝑏

60) = (

𝜋𝐷0

60) ℎ 𝑏 𝑛0 (𝑚

3/𝑠)

Trong đó:

- D o:Đường kính vòng cơ sở của bánh răng (m)

- h,b:chiều cao và chiều dày bánh răng

– n b : số vòng quay của bơm (vòng/phút) Chọn h = 2.m và D o =m.z

- m : môdun của bánh răng, chọn m = 4mm =0.004 m

Z: số răng (6 ÷ 12), chọn Z=8

Đường kính vòng cơ sở của bánh răng (m) D o = 0,032 :chiều cao bánh răng h= 0,008 (m) u b:

tốc độ vòng quay của bơm, u b =8-10 m/s chọn u b= 9

- D: đường kính ngoài của bánh răng: D = m(Z+2)= 0.04 (m)

- b: số vòng quay của bơm được tính theo tốc độ vòng cho phép của bơm

𝑛𝑏 = 𝑢𝑏 60

𝜋 𝐷 = 4299,363057( 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)

Chiều dày bánh răng b bằng:

2.𝜋.𝑚 2 𝑧.𝑛𝑏 = 0,015480571 (𝑚)

Công suất cần thiết để dẫn động bơm dầu:

𝑁𝑏 = 𝑉𝑏 𝑃𝑏

𝜂𝑚 103 = 1,003141001(𝑚𝑙)

Khi tính đến hiệu suất của bơm thì lưu lượng thực tế do bơm cung cấp là

𝑉𝑏′ = 𝜂𝑏 𝑉𝑏 = 0,000752356 (𝑚3/𝑠)

Khi ta dùng lọc ly tâm toàn phần thì khoảng 15÷20% lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun làm quay rôto rồi trở về cacte

V h =15%V ’ b= 0,000112853 (m3/s)

-Vậy lưu lượng dầu thực tế đi bôi trơn bề mặt ma sát là: V tt =V ’ b -V h = 0,000639502 (m3/s) tỉ

số V tt /V d = 3,346875 > 1,5 ( thỏa mãn yêu cầu hệ thống bôi trơn)

Tính toán bầu lọc

* Lỗ phun : ta chọn lỗ phun có dạng 1 () có các thông số như sau:

+ Đường kính lỗ phun: d =1,1 mm =0.0011 m

+ Tiết diện lỗ phun : f= 0,95 mm2= 0,00000095 m2

+ Hệ số : 𝜀 =,0,9

𝜇 = 0,8

+ Khoảng cách từ tâm lỗ phun đến tâm quay : R = 36mm= 0,036 m

+ Bán kính trục rôto : r0 = l0 mm= 0,01 m

+ Chiều cao rôto : h = 85mm = 0,085m

+ Đường kính trong rôto : Dt = 94mm= 0,094

Với các thông số trên ta tính toán số vòng quay rôto Căn cứ vào định lý xung lượng, phản lực tác dụng trên đường tâm lỗ phun khiến rôto quay, xác định theo công thức sau:

2𝑔 (𝑉𝑑 − 𝑉𝑟);

𝐹 =𝜌 𝑉 2𝑔 (

𝑉 2𝑔−

𝜋 𝑛

30 𝑅)

ρ :khối lượng riêng của dầu bôi trơn ρ = 900(kg/m3)

V1: lưu lượng của dầu nhờn phun qua 1 lỗ phun,được tính như sau

V1=Vh/2= 5,64267E-05 (m3/s)

Mô men dẫn động rôto do 2 tia phun sinh ra:

𝑀𝑞 = 2 𝐹 𝑅 = 𝜌 𝑉1 𝑅( 𝑉1

𝜀 𝑓1−

𝜋 𝑛

30 𝑅)(𝑁 𝑚)

Ở trạng thái làm việc ổn định mô men quay rôto cân bằng với mô men cản rôto, nghĩa là

Mq = Mc Mô men cản phụ thuộc vào ma sát ổ trục và số vòng quay của rôto Mô men cản được xác định như sau: Mc = a+b.n (N.m)

Mô men cản khi rôto bắt đầu quay lấy a = 5 l0-4 (N.m)

Tốc độ tăng mô men cản, lấy b= 0,035.l0-4

(N.m/vòng/phút) Từ phương trình cân bằng Mq = Mc ta có:

𝑛 =

𝜌 𝑉1

2 𝑅

2 𝜀 𝑓1− 𝑎

𝑏 +𝜋𝜌 𝑉301 𝑅2

Thay số ta tính được n= 5758,908491 (vòng/phút) lấy n= 5758 vòng/phút

Xác định bán kính tối ưu theo công thức :

𝑅𝑡𝑢 =2 𝑎 𝜀 𝑓

𝜌 𝑉12 + √[

2 𝑎 𝜀 𝑓

𝜌 𝑉12 ]

2 + 30 𝑏

𝜋𝜌 𝑉1 = 0,025969817(𝑚) Suy ra số vòng quay tối ưu là ntu= 6072,031229 vòng/phút

Chọn Ѱ=0,3

áp suất dầu nhờn cần thiết đi vào bầu lọc là

𝑃1 =

[𝑉12− 4 (𝜋 𝑛30)2 (𝑅2− 𝑟02) 𝜇12 𝑓2] 𝜌

8 𝜇12 𝑓2 (1 − 𝜓) = 781646,1102(𝐾𝑔/𝑚

2)

Tổn thât áp suât lọc Δp= 3500 KG/m2

áp suât sau bầu lọc sau khi thiét kế lại là: p’2=p1- Δp= 778146,1102 (KG/m2) > 633996.6329 ( p2 áp suất sau lọc của thiết kế tính toán cũ) => thỏa mãn đề bài

vậy để làm tăng áp suất dầu sau bầu lọc lên >=10 % thì ta chọn bơm có thông số cũ và thiết

kế lại bánh răng của bơm là Z= 8 thay cho Z=9 của thiết kế cũ

Hết