GIẢI PHÁP ĐO ÁP SUẤT MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN TRONG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

Bạc mang cảm biến có thể xoay từng góc 15 độ để đo áp suất màng dầu tại 24 vị trí khác nhau của chu vi ổ và theo góc quay của trục khuỷu.. Động cơ điện 2 quay truyền chuyển động tới tr

22 Trần Thị Thanh Hải

GIẢI PHÁP ĐO ÁP SUẤT MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN TRONG

THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

A SOLUTION FOR MEASURING THE OIL FILM PRESSURE OF THE CONNECTING-ROD

BIG END BEARING IN THE EXPERIMENTAL DEVICE

Trần Thị Thanh Hải

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; hai.tranthithanh@hust.edu.vn

Tóm tắt - Bài báo giới thiệu một phương pháp đo áp suất màng

dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm

Thanh truyền được chế tạo bằng vật liệu quang đàn hồi và chịu

tải mô phỏng như trong động cơ Một cảm biến áp suất XCQ-062

BARA được lắp trên một bạc và tại tiết diện giữa theo phương

chiều dài Bạc này được lắp với trục khuỷu và quay cùng trục

khuỷu Bạc và trục khuỷu tạo thành trục của ổ đầu to thanh

truyền Bạc mang cảm biến có thể xoay từng góc 15 độ để đo áp

suất màng dầu tại 24 vị trí khác nhau của chu vi ổ và theo góc

quay của trục khuỷu Một đĩa lỗ gồm 24 lỗ để xác định chính xác

các vị của cảm biến Kết quả thực nghiệm đo cho thấy, áp suất

màng dầu tương thích với sơ đồ tải

Abstract - This paper present a measurement methode the

lubricated oil film pressure of the connecting-rod big end bearing in the experimental device The connecting-rod model of photoelastic material and is subjected to simulated load as in the engine A

XCQ-062 BARA pressure sensor is located on the housing bearing at the mid-section in length This housing is fitted with the crankshaft and rotated with the crankshaft The housing and the crankshaft constitute the journal of connecting-rod big end bearing The housing carries the pressure sensor and can rotate 15 degrees to mesure the oil film pressure at the 24 different positons of bearing with the crank angle A 24-hole disc is used to accurately determine the location of the sensor The experimental measurements show that, the lubricated oil film pressure of the connecting-rod big end bearing is compatible with the load diagrams

Từ khóa - thanh truyền; áp suất màng dầu; cảm biến áp suất Key words - connecting-rod; oil film pressure; pressure sensor

1 Đặt vấn đề

Bôi trơn ổ dầu to thanh truyền là bài toán phức tạp và

luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học và hãng công

nghiệp Áp suất, chiều dày và nhiệt độ màng dầu là các đặc

tính quan trọng của bài toán Cùng với các nghiên cứu tính

toán, các nghiên cứu thực nghiệm là rất quan trọng nhằm

kiểm chứng các mô hình tính toán lý thuyết Các nhà khoa

học nghiên cứu thực nghiệm với thanh truyền thật trên

động cơ hoặc mô hình tương đương hoặc thanh truyền mô

phỏng trên thiết bị thực nghiệm có cơ cấu mô phỏng tải

tương ứng với chu kỳ làm việc của động cơ

Về các nghiên cứu trên thanh truyền thật, năm 1973,

Rosenberg [1] 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 1985, 1987 và 1988, Bates và cộng sự [2], [3],

[4] 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 Năm

2001, Moreau [5] 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 Năm

2005, Michaud [6] đã tham gia xây dựng băng thử của

LMS để nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong

điều kiện làm việc thực và khắc nghiệt Tốc độ tối đa của

động cơ đạt 20.000 v/ph với tải nén và kéo tác dụng là 90

KN và 60 KN Các nghiên cứu trên thanh truyền mô phỏng,

năm 1983, Pierre-Eugene [7] và các cộng sự đã nghiên cứu

biến dạng đàn hồi của ổ đầu to thanh truyền dưới tác dụng

của tải cố định Thanh truyền được đúc từ nhựa epoxy

Thanh truyền được lắp với trục bằng thép quay với tốc độ

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

Năm 2000, Optasanu [8] triển khai thiết bị thực nghiệm để

nghiên cứu ổ đầu to thanh truyền với cơ cấu mô phỏng tải

tương ứng với động cơ 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 Năm

2012, Hoang [9] nâng cấp thiết bị này và sử dụng thanh truyền bằng vật liệu PLM4 và nghiên cứu nhiệt độ màng dầu thông qua các cảm biến nhiệt độ

Trong bài báo này, tác giả xây dựng giải pháp đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền Thiết bị sử dụng thanh truyền mô phỏng bằng vật liệu quang đàn hồi Cảm biến đo áp suất được lắp trên trục và quay cùng trục trong quá trình làm việc

2 Thiết bị thực nghiệm

Thiết bị thực nghiệm tuân theo nguyên lý hệ biên-khuỷu (Hình 1) Thanh truyền mô hình gồm hai nửa, đầu nhỏ thanh truyền (8) bằng thép và đầu to thanh truyền (9a)

và (9b) bằng vật liệu quang đàn hồi ((9a) là thân đầu to thanh truyền, (9b) là nắp đầu to thanh truyền) Động cơ điện (2) quay truyền chuyển động tới trục khuỷu (11) qua hộp giảm tốc (3) làm cho trục khuỷu quay, khi trục khuỷu quay kéo theo piston dẫn (5) chuyển động tịnh tiến lên xuống nhờ được kết nối thông qua thanh truyền dẫn bằng thép (16) lắp với trục, đầu nhỏ lắp với piston dẫn Cụm kết cấu này trượt dọc theo hai trụ của khung, liên kết (trụ) giữa piston dẫn và đầu nhỏ thanh truyền dẫn và trục quay cũng như giữa thanh truyền dẫn và trục khuỷu nhờ ổ đỡ Trong quá trình làm việc thanh truyền dẫn (biên dẫn) lần lượt đẩy piston lên phía trên và kéo xuống phía dưới, chuyển động này tuân theo hệ biên-khuỷu của động cơ nhiệt Piston (7) đóng vai trò như piston trong động cơ nhiệt, chuyển động tịnh tiến lên xuống theo piston dẫn, được liên kết với trục khuỷu (11) (qua bạc (10) lắp chặt với trục khuỷu) thông qua thanh truyền mô hình (gồm đầu nhỏ thanh truyền bằng

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 23 thép (8) và đầu to thanh truyền bằng vật liệu quang đàn hồi

(9a + 9b)) mô phỏng quá trình làm việc của piston trong

động cơ Thanh truyền nghiên cứu được đặt song song với

thanh truyền dẫn Ổ đầu to thanh truyền tạo bởi thân thanh

truyền, nắp thanh truyền và trục Đầu nhỏ của thanh truyền

nghiên cứu liên kết và trượt theo piston Khi làm việc (khi

trục quay), các lực được tạo ra bởi chuyển động của piston

và thanh truyền được cân bằng bởi áp suất trong màng dầu

ổ đầu to thanh truyền

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm

Hình 2 Mô hình đầu to thanh truyền

Ổ đầu to thanh truyền có đường kính 97 mm, khe hở

bán kính C= 0,5 mm, chiều dày 20mm Tổng chiều dài

thanh truyền (bao gồm đầu to, đầu nhỏ và phần ghép nối là

241,5 mm (Hình 2) Tải lớn nhất tác dụng lên thanh truyền

là 500N, tương ứng lúc xảy ra sự nổ

3 Phương pháp đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh

truyền

3.1 Cảm biến đo áp suất

Để đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền, ta dùng

cảm biến điện trở Nguyên lý hoạt động của cảm biến này

dựa trên sự biến dạng cấu trúc màng (khi có áp suất tác

động đến) được chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy trên đó

các phần tử áp điện trở Cảm biến này cho ta trị số đo chính

xác Dựa theo tải tác dụng lên thanh truyền và nhiệt độ làm

việc của ổ, cảm biến XCQ-062 35BARA của hãng

KULITE được lựa chọn Cảm biến có kích thước rất nhỏ, đường kính 1,7 mmm, chiều dài 9,5 mm Cảm biến có thông số kỹ thuật như trong Bảng 1

Bảng 1 Thông số kỹ thuật của cảm biến

Dải đo 0.7 ÷ 70 bar 5 ÷ 1000 Psi Dải áp suất max 2 ÷ 3 áp suất định mức Nguồn điện áp 10 ÷ 12 VDC Nhiệt độ hoạt động -65˚F ÷ +275˚F (-55˚C ÷

+135˚C)

3.2 Lắp đặt cảm biến

Áp suất màng dầu tại mỗi thời điểm trong một chu kỳ hoạt động của động cơ là khác nhau Để đo được áp suất tại mỗi thời điểm đó, cảm biến áp suất được cố định trên trục của ổ theo phương hướng kính, đầu đo được hướng ra bề mặt trục Áp suất đo được tại càng nhiều vị trí càng có lợi cho việc xác định áp suất của màng dầu Do yêu cầu đó, thiết kế được chọn để đo áp suất tại 24 vị trí theo phương chu vi, mỗi

vị trí cách nhau 15o tại tiết diện giữa của ổ Trục của ổ được lắp chặt với trục khuỷu và quay cùng trục khuỷu

Trục của ổ (trục)

Trục của ổ (hay còn gọi là trục) (Hình 3) thực chất là chi tiết bạc lắp chặt với trục khuỷu và quay cùng trục khuỷu, là nơi lắp cảm biến áp suất để đo áp suất màng dầu

của ổ

Hình 3 Trục của ổ (chi tiết bạc)

Vật liệu chế tạo trục là thép hợp kim 40X Trục có đường kính ngoài 97 mm, đường kính trong 35 mm, chiều rộng B=20 mm

Cảm biến áp suất XCQ-062-35BARA và dây dẫn ra đầu phát sóng RF được thiết kế đặt trong đường dẫn Φ1,6 như

Hình 4

Hình 4 Cảm biến áp suất

24 Trần Thị Thanh Hải

Để để đo áp suất dầu tại các vị trí khác nhau của màng

dầu theo phương chu vi ổ, chi tiết bạc mang cảm biến sẽ

quay ở các vị trí khác nhau Một đĩa lỗ (Hình 5) định vị

24 vị trí cảm biến, cách đều 15độ Đĩa lỗ được lắp chặt trên

trục khuỷu bằng then và lắp với trục của ổ bằng ba vít M3

Như vậy, ta có thể đo được áp suất của màng dầu tại 24 vị

trí theo phương chu vi của ổ và theo góc quay của trục

khuỷu Vật liệu chế tạo là thép hợp kim 40X Đĩa có đường

kính ngoài 72 mm, đường trong 35mm

Hình 5 Đĩa lỗ

3.3 Phương pháp thu nhận tín hiệu từ cảm biến

Vì cảm biến quay cùng với trục nên không thể kết nối

điện trực tiếp giữa bộ cảm biến và bộ xử lý dữ liệu trung

tâm Một giải pháp đặt ra là truyền nhận tín hiệu không dây

Để giải quyết vấn đề này, ta chọn hệ thống truyền tín hiệu

bằng sóng RF

Hình 6 Sơ đồ khối hệ thống nhận tín hiệu cảm biến

Hình 6 là sơ đồ khối của hệ thống thu tín hiệu cảm biến

không dây Tín hiệu của cảm biến áp suất

XCQ-062-35BARA là tín hiệu tương tự Việc truyền tín hiệu tương

tự không dây qua bộ phát sóng RF cho giá trị đo rất nhỏ

nên tín hiệu của cảm biến áp suất XCQ-062-35BARA cần

được khuếch đại và sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu tương

tự sang tín hiệu số qua bộ chuyển đổi tín hiệu số Tín hiệu

số được gửi vào bộ phát sóng RF và phát đi

Hình 7 Bộ thu nhận tín hiệu bằng sóng RF

a) Bộ phát b) Bộ thu

Hình 8 Lập trình đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền

trên phần mềm LabView

Thiết bị thu nhận tín hiệu gồm bộ phát tín hiệu được cố định trên trục quay và kết nối trực tiếp với cảm biến Một pin năng lượng được sử dụng để cấp nguồn cho cảm biến

và bộ phát tín hiệu Bộ thu tín hiệu không đặt trên trục và thu nhận tín hiệu bằng sóng RF Bộ thu tín hiệu gửi tín hiệu đến mạch Adruino dễ dàng kết nối với máy tính qua chuẩn giao tiếp USB Tín hiệu từ bộ Adruino thu nhận được sẽ truyền đến máy tính và được lập trình hiển thị trên phần mềm LabView Phần mềm sẽ đọc tín hiệu số được gửi lên

và xử lý dữ liệu nhận được sau đó hiển thị dạng đồ thị theo thời gian lấy mẫu tuỳ thuộc vào tốc độ quay Hình 7 là bộ thu và nhận tín hiệu bằng sóng RF cho cảm biến áp suất Hình 8 màn hình phần mềm LabView khi lập trình đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền

3.4 Kết quả đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền

Hình 9 là ảnh chụp thiết bị thực nghiệm và thanh truyền nghiên cứu bằng vật liệu quang đàn hồi (Hình 10) Trên thanh truyền gắn các cảm biến để đo lực tác dụng lên thanh truyền

Hình 9 Ảnh chụp thiết bị thực nghiệm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 25

Hình 10 Thanh truyền và vị trí gắn cảm biến đo lực

Hình 11 Sơ đồ tải ở tốc độ quay 100 v/ph

Tải tác dụng lên thanh truyền gồm hai thành phần lực

kéo/nén Fx và lực uốn Fy Để xác định hai lực này, ta sử

dụng các cảm biến đo biến dạng và nối thành mạch cầu,

một mạch cầu đo các lực dọc trục (kéo/nén) và một mạch

cầu đo lực uốn Hình 11 là sơ đồ tải tác dụng lên thanh

truyền ở tốc độ 100 v/ph

Hình 12 Áp suất màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại 0 o

của thanh truyền, tốc độ quay 100 v/ph

Hình 12 là áp suất màng dầu tại 0o của thanh truyền

theo góc quay của trục khuỷu ở tốc độ quay 100 v/ph Ta

thấy, áp suất màng dầu đạt giá trị lớn nhất tại xung quanh

góc 360o của trục khuỷu, tương ứng lúc xảy ra sự nổ, tức

là lực tác dụng lên thanh truyền đạt giá trị lớn nhất, lúc

này màng dầu cũng đạt giá trị nhỏ nhất Áp suất màng dầu

đạt giá trị nhỏ nhất tại 720o (0o) của trục khuỷu, lúc này

thanh truyền ở điểm chết trên, tương ứng với vùng tải nhỏ

nhất của thanh truyền

4 Kết luận

Bài báo trình bày giải pháp đo áp suất màng dầu ổ đầu

to thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm với thanh truyền nghiên cứu bằng vật liệu quang đàn hồi Một cảm biến điện trở XCQ-062 35BARA được sử dụng để đo áp suất tại

24 vị trí (cách đều 15o) của màng dầu theo phương chu vi

và trên tiết diện giữa của ổ

Cảm biến đặt trên trục và quay cùng với trục nên phải dùng kết nối không dây để truyền tín hiệu, tức hệ thống truyền tín hiệu bằng sóng RF Cảm biến áp suất truyền tín hiệu tương tự không dây qua bộ phát sóng RF, tín hiệu được khuếch đại và được chuyển đổi sang tín hiệu số qua

bộ chuyển đổi tín hiệu số Tín hiệu số được gửi vào bộ phát sóng RF và phát đi Thiết bị thu nhận tín hiệu gồm bộ phát tín hiệu kết nối trực tiếp với cảm biến Bộ thu tín hiệu nhận tín hiệu bằng sóng RF và gửi tín hiệu đến mạch Adruino, tín hiệu từ bộ Adruino được truyền đến máy tính và được lập trình hiển thị trên phần mềm LabView

Kết quả thực nghiệm đo áp suất màng dầu tại 0o của thanh truyền theo góc quay của trục khuỷu ở tốc độ quay

100 v/ph Áp suất màng dầu tương ứng với tải tác dụng lên thanh truyền, tại xung quanh góc 360o của trục khuỷu, tương ứng lúc xảy ra sự nổ, áp suất màng dầu đạt giá trị lớn nhất Áp suất màng dầu đạt giá trị nhỏ nhất tại 720o (0o) của trục khuỷu, lúc này thanh truyền ở điểm chết trên, tương ứng với vùng tải nhỏ nhất của thanh truyền

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rosenberg R.C., 1973, “A Method for Determining the Influence of

Multigrade oils on Journal Bearing Performance”, SEA TRANS,

Paper 730483, Vol 82

[2] Bates T.W., Evans P.G., 1985, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part 1 Instrumentation of the Big-End Bearing

of a Fired Engine”, Proc Of the JSLE International Tribology

Conference, 8-10 juillet, Tokyo, Japon, 1985

[3] Bates S T.W., Benwell S., Evans P.G., 1987, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part 2 - Oil Film

Thickness in the Big-End Bearing of an Operating Engine”, Proc

Melbourne, Australia, Paper No 871272

[4] Bates T.W., Benwell S., 1988, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part 3 - Newtonian Oils in the

Connecting-Rod Bearing of an Operating Engine”, SAE Paper No 880679

[5] Moreau H., “Mesures des Epaisseurs du Film d’Huile dans les Paliers de Moteur Automobile et Comparaisons avec les Résultats

Théoriques”, Thèse de Doctorat de Université de Poitiers, 2001

[6] Michaud P., "Modélisation Thermoélastohydrodynamique Tridimensionnelle des Paliers de Moteurs Mise en Place d'un Banc

d'Essais pour Paliers Sous Conditions Sévères", Thèse de Doctorat

à Université de Poitiers, 2004

[7] Pierre-Eugene J., “Contribution à l’Etude de la Déformation Elastique d’un Coussinet de Tête de Bielle en Fonctionnement

Hydrodynamique Permanent”, Thèse de Doctorat de l’Université de

Poitiers, 1983

[8] Optasanu V., “Modélisation Expérimentale et Numérique de la

Lubrification des Paliers Compliants sous Chargement Dynamique”,

Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers, 2000

[9] Hoang L.V., “Modélisation Expérimentale de la Lubrification Thermoélastohydrodynamique des Paliers de Tête de Bielle Comparaison entre les Résultats Théoriques et Expérimentaux”,

Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers, 2002

(BBT nhận bài: 06/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/11/2018)