IUH | Báo cáo bài tập lớn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ | Thiết kế và mô phỏng bền hệ thống phát lực động cơ 1NZ-FE

IUH | Báo cáo bài tập lớn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ | Thiết kế và mô phỏng bền hệ thống phát lực động cơ 1NZ-FE IUH | Báo cáo bài tập lớn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ | Thiết kế và mô phỏng bền hệ thống phát lực động cơ 1NZ-FE IUH | Báo cáo bài tập lớn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ | Thiết kế và mô phỏng bền hệ thống phát lực động cơ 1NZ-FE IUH | Báo cáo bài tập lớn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ | Thiết kế và mô phỏng bền hệ thống phát lực động cơ 1NZ-FE IUH | Báo cáo bài tập lớn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ | Thiết kế và mô phỏng bền hệ thống phát lực động cơ 1NZ-FE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt một học kỳ học tập môn Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ, dưới sự hướng dẫn tận tình của ThS Lương Huỳnh Giang – giảng viên bộ môn Động Cơ, nhóm chúng em đã tiếp thu và nắm vững những kiến thức nền tảng về tính toán và phân tích kết cấu động cơ Thầy không chỉ truyền đạt bài giảng một cách chi tiết, khoa học mà còn thể hiện sự nhiệt huyết và tâm huyết trong từng buổi học, giúp cả lớp thêm hứng thú và say mê với môn học

Dưới sự hướng dẫn tận tình của ThS Lương Huỳnh Giang – giảng viên Bộ môn Động cơ, nhóm chúng em đã được tiếp cận và nắm vững những kiến thức nền tảng về Ứng dụng CAE trong thiết kế và mô phỏng động cơ Thầy không chỉ truyền đạt bài giảng một cách khoa học, hệ thống và dễ hiểu, mà còn thể hiện sự tâm huyết và nhiệt tình trong từng buổi giảng, qua đó khơi dậy niềm hứng thú và tinh thần say mê nghiên cứu ở mỗi sinh viên

Thông qua quá trình học tập, chúng em đã trang bị được những kỹ năng quan trọng như: phân tích kết cấu, tính toán bền vững, đánh giá động học - động lực học, đọc

và xuất bản vẽ kỹ thuật Những kiến thức này không chỉ giúp chúng em hiểu rõ hơn về

lý thuyết mà còn tạo nền tảng vững chắc để ứng dụng vào thực tế trong công việc sau này

Bài báo cáo này là sự đúc kết từ những kiến thức và trải nghiệm của nhóm trong học kỳ vừa qua Tuy nhiên, do còn hạn chế về khả năng trình bày cũng như kinh nghiệm trong việc tìm kiếm và chọn lọc thông tin, nhóm chúng em nhận thức rõ rằng báo cáo vẫn còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ dẫn quý báu từ Thầy, Cô và các bạn để bài báo cáo được hoàn thiện hơn

Nhân đây, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lương Huỳnh Giang

và Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM - Khoa Công nghệ Động lực đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em được học tập trong một môi trường chuyên nghiệp và hiệu quả Chúng em hy vọng sẽ tiếp tục nhận được sự hỗ trợ, động viên để phát triển hơn nữa trên con đường học tập và nghề nghiệp

NHÓM CHÚNG EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!

Mục lục

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG _ 1 1.1 Giới thiệu về phần mềm solidworks _ 1 1.1.1 Khái niệm 1 1.1.2 Chức năng chính _ 1 1.1.3 Tầm quan trọng của SOLIDWORKS 3 1.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm SOLIDWORKS _ 3 1.2 Giới thiệu về phần mềm geomagic design X _ 5 1.2.1 Khái niệm 5 1.2.2 Chức năng chính _ 5 1.2.3 Tầm quan trọng 5 1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm geomagic design X _ 6 1.3 Giới thiệu các phương pháp thiết kế ngược 7 1.3.1 Khái niệm 7 1.3.2 Thiết kế ngược bằng phương pháp đo thủ công 11 1.3.3 Thiết kế ngược bằng phương pháp SCAN 3D _ 14 1.3.4 Bảng so sánh ba phương pháp _ 15 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NHIỆT - ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC 16 2.1 Giới thiệu chung _ 16 2.1.1 Mục đích tính toán 16 2.1.2 Chế độ tính toán _ 16 2.2 Các thông số cho trước của động cơ 17 2.3 Chọn các thông số tính toán nhiệt 17 2.3.1 Áp suất không khí nạp (po) 17 2.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0) _ 17 2.3.3 Nhiệt độ khí nạp trước xú-pap nạp (pk) 18 2.3.4 Nhiệt độ khí nạp trước xú-pap nạp (Tk) 18 2.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp (pa) _ 18

2.3.7 Nhiệt độ khí sót (Tr) _ 18 2.3.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T) _ 18 2.3.9 Chọn hệ số nạp thêm (λ1) _ 19 2.3.10 Chọn hệ số quét buồng cháy (λ2) 19 2.3.11Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λt) 19 2.3.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ζz) 19 2.3.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ζb) 19 2.3.14 Hệ số dư lượng không khí α 19 2.3.15 Hệ số điền đầy đồ thị công (ϕd) 19 2.3.16 Tỷ số tăng áp (λp) 19 2.4 Tính toán nhiệt động cơ 20 2.4.1 Quá trình nạp 20 2.4.2 Quá trình nén 20 2.4.3 Quá trình cháy 21 2.4.4 Quá trình giãn nở _ 23

Tỷ số giãn nở sau: δ = ε =10,5 _ 23 2.4.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình 24 2.4.6 Tính thông số kết cấu của động cơ 25 2.4.7 Vẽ đồ thị công chỉ thị 26 2.5 Dựng đặc tính ngoài của động cơ 30 2.6 Động học của piston (phân tích theo phương pháp giái tích) _ 31 2.7 Phân tích động lực học cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền 35 2.7.1 Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền 35 2.7.2 Khối lượng các chi tiết chuyển động 36 2.7.3 Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền 37 CHƯƠNG 3: CÁC BƯỚC THIẾT KẾ PISTON BẰNG CÁCH THIẾT KẾ

NGƯỢC (DÙNG GEOMAGIC DESIGN X) 45 3.1 Bước 1: Lấy hình scan 3D 45

3.3 Bước 3 Tạo biên dạng sơ bộ cho piston 51 3.4 Bước 4: Đi vào chi tiết bắt đầu tạo đỉnh piston để cho có độ chính xác gần giống hình Scan 3D _ 59 3.5 Bước 5: Làm chi tiết cho phần thân piston để hoàn thiện piston _ 67 3.6 Bước 6: Hoàn thành piston bằng phương pháp thiết kế ngược khi cho trước hình Scan 3D 70 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PHÁT LỰC ĐỘNG CƠ 1NZ-FE _ 73 4.1 Tính toán bền đỉnh Piston 73 4.1.1 Bảng điều kiện đầu vào _ 73 4.1.2 Tính toán bền đỉnh piston (theo phương pháp Back): _ 73 4.2 Tính toán bền thanh truyền _ 73 4.2.1 Bảng điều kiện đầu vào _ 73 4.2.2 Đầu nhỏ thanh truyền 74 4.2.4 Đầu to thanh truyền 76 4.3 Tính toán bền trục khuỷu _ 77 4.3.1 Bảng điều kiện đầu vào _ 77 4.3.2 Tính bền trục khuỷu _ 77 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG BỀN CÁC CHI TIẾT PHÁT LỰC

ĐỘNG CƠ INNOVA TRÊN PHẦN MỀM SOLIDWORKS 83 5.1 Piston 83 5.2 Thanh truyền 86 5.3 Trục khuỷu 93 CHƯƠNG 6: SO SÁNH GIỮA TÍNH BỀN LÝ THUYẾT VÀ TÍNH BỀN TRÊN PHẦN MỀM _ 98 6.1 Kết luận piston _ 98 6.2 Kết luận chi tiết thanh truyền 99 6.3 kết luận chi tiết trục khuỷu _ 99 CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC CỦA XE 101

7.2 Mô phỏng khí động học _ 105 7.2.1 Khái niệm lực cản và lực nâng 105 7.2.2 Tác dụng của lực nâng và lực cản lên ô tô _ 105 7.2.3 Quá trình mô phỏng lực nâng và lực cản 106 7.2.4 Thiết kế lại mô hình ô tô _ 114 Tài liệu tham khảo 117

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 1.1 Giới thiệu về phần mềm solidworks

1.1.1 Khái niệm

SOLIDWORKS là một phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windows thuộc hãng Dassault Systèmes của Pháp Được biết đến với tính dễ sử dụng và trực quan nhưng SOLIDWORKS là một phần mềm thiết kế 3D mạnh mẽ và cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất để thiết kế các chi tiết của khối 3D, lắp ráp các chi tiết để tạo thành bộ phận của máy móc sản xuất

1.1.2 Chức năng chính

1.1.2.1 Chức năng CAD

CAD (Computer – Aided Design) là chức năng thiết kế được tích hợp trong SOLIDWORKS giúp người dùng dễ dàng làm quen phần mềm và thiết kế một cách nhanh chóng nhờ giao diện trực quan và sự bố trí các thanh công cụ một cách hợp lý Thiết kế mô hình 3D hoàn hảo: Đây là một trong những tính năng nổi bật của phần mềm SOLIDWORKS SOLIDWORKS vượt trội hơn hẳn bởi tính trực quan, phương pháp xây dựng mô hình 3D nhanh chóng Khả năng sử dụng dữ liệu bản vẽ, phác thảo 2D chuyển đổi thành mô hình hình học 3D Bên cạnh đó, SOLIDWORKS có khả năng dựng mô hình 3D từ ảnh chụp, điều này hỗ trợ rất lớn cho việc sáng tạo và phát triển sản phẩm

Hình ảnh vẽ 3D trên SOLIDWORKS

Lắp ráp các chi tiết: Sau khi thiết kế, các chi tiết 3D sẽ có thể được lắp ráp để thành một bộ phận máy hoặc một khối hoàn chỉnh Tính năng này giúp bạn dễ dàng chỉnh sửa,

tự do sáng tạo và phát triển những sản phẩm mới

Hình ảnh lắp ghép và mô phỏng hạ tầng truyền thanh trên solidwork

Xuất bản vẽ trên phần mềm SOLIDWORKS: SOLIDWORKS cho phép dễ dàng tạo các hình chiếu vuông góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị trí do người sử dụng quy định mà không ảnh hưởng đến kích thước Việc xuất bản vẽ chính xác sẽ phục vụ cho quá trình sản xuất một cách dễ dàng và nhanh chóng

1.1.2.2 Chức năng CAE

CAE (Computer – Aided Engineering) có nhiệm vụ mô phỏng hoạt động để cải thiện thiết kế sản phẩm hoặc hỗ trợ trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật CAE bao gồm chức năng mô phỏng, xác nhận, tối ưu hóa sản phẩm, quy trình, công cụ sản xuất Nhờ tích hợp bộ phần mềm phân tích Cosmos chạy trong môi trường của SOLIDWORKS mà người dùng có thể phân tích một số phần phức tạp như:Phân tích tĩnh học, phân tích động học, phân tích thuỷ khí động học, phân tích nhiệt học, phân tích nhiệt học, phân tích dao động, phân tích quá trình rót kim loại lỏng vào khuôn

Hình ảnh mô phỏng pistontrên SOLIDWORKS

1.1.2.3 Chức năng CAM

CAM (Computer – Aided Manufacturing) hay còn gọi là chức năng SOLIDWORKS CAM là một trong những CNC hỗ trợ trong lĩnh vực gia công phay, cho phép tích hợp các quy trình thiết kế và sản xuất theo một hệ thống để đánh giá thiết kế, giúp các chương trình gia công được tạo lập dễ dàng, tiết kiệm chi phí và thời gian

1.1.3 Tầm quan trọng của SOLIDWORKS

Với các chức năng và tính năng vô cùng hữu ích thì phần mềm SOLIDWORKS

vô cùng quan trọng trong việc hỗ trợ các kỹ sư thiết kế bản vẽ

Sản phẩm phức hợp thiết kế & phát triển: Một lý do rất quan trọng khiến SOLIDWORKS phổ biến đó là nó cho phép thiết kế và phát triển các cụm phức tạp nhất,

dễ dàng tạo hệ thống với hàng nghìn thành phần

Hiệu quảvà tiết kiệm thời gian phát triển: Trung bình, SOLIDWORKS có thể tiết kiệm đến 30% thời gian so với các hệ thống khác Điều này là nhờ vào quy trình làm việc được sắp xếp hợp lý và khả năng tương tác hiệu quả cao

Xác thực thiết kế tích hợp và tự động Người dùng có thể giám sát bản thiết kế, xem nó có đáp ứng yêu cầu tuân thủ và đạt được mục tiêu mà không bị sai lệch trong quá trình thiết kế không

Visual Analytics: Đây là nền tảng hỗ trợ phân tích và báo cáo trực qua cho phép người dùng nhận được thông tin quan trọng và hình dung kết quả trong thiết kế 3D, đẩy nhanh quá trình thiết kế

Ứng dụng đa ngành: Sử dụng rộng rãi trong các ngành khí cụ, điện tử, chế tạo máy, thiết kế sản phẩm, ô tô, hàng không

1.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm SOLIDWORKS

1.1.4.1 Ưu điểm

Giao diện trực quan: SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế có giao diện trực quan,

hỗ trợ người thiết kế làm quen từ các thao tác đầu tiên Các menu được đơn giản hóa,

có các nút mẹ ở trên và các nút con bên dưới (kkông có menu thả xuống) Giao diện có thể được tùy chỉnh hóa tùy theo nhu cầu của người dùng

Giao diện của SOLIDWORKS

Dễ thiết kế: SOLIDWORKS cung cấp một cửa sổ nhập kích thước khi đang vẽ đường hoặc hình dạng trước khi hoàn thành. Trong một cú nhấp chuột, bạn có thể có một dòng có độ dài như ý muốn. Chỉ trong hai lần nhấp chuột nữa, đường của bạn có thể được đặt so với tính năng hiện có ở góc chính xác mà bạn yêu cầu

Dễ lập mô hình hình học: Để tạo một bộ phận, bản phác thảo cần được chuyển thành dạng 3D. Điều này thường xảy ra bằng cách dùng bản phác thảo, nhưng quá trình này cũng có thể sử dụng nhiều chức năng hơn

Xử lý nhanh: Điều này còn tùy thuộc vào cấu hình máy tính cá nhân nhưng nếu như

so sánh với một số đối thủ khác thì SOLIDWORKS hoạt động nhanh và mượt mà hơn Đặc biệt, đối với các phiên bản SOLIDWORKS sau này, máy vẫn vận hành trơn tru đối với các bản vẽ có nhiều chi tiết phức tạp

Hỗ trợ lớn việc thiết kế khuôn: Với SOLIDWORKS, việc chia lõi khuôn, tách khuôn, lắp ráp, mô phỏng khuôn không còn là vấn đề khó khăn Nếu biết làm chính xác quy trình và có kinh nghiệm xử lý, người dùng có thể làm nhiều khuôn khác nhau mà chỉ cần các thao tác thay đổi nhỏ từ khuôn khác

1.1.4.2 Nhược điểm

Chi phí cao: đây là điểm mà hầu hết người dùng nêu lên Giá phần mềm khá lớn, và

có những người cảm thấy chi phí không nhỏ so với ngân sách dẫn đến việc các cá nhân

sẽ khó tiếp cân trong thời gian dài

Yêu cầu phần cứng cao: Để hoạt động mượt mà và xử lý các mô hình 3D phức tạp, SolidWorks Yêu cầu máy tính có cấu hình cao với CPU, RAM lớn (ít nhất 16GB), ổ cứng SSD và đồ họa đồ họa chuyên dụng

1.2 Giới thiệu về phần mềm geomagic design X

1.2.1 Khái niệm

Geomagic Design X: là phần mềm thiết kế ngược (reverse engineering) hàng đầu, cho phép chuyển đổi dữ liệu quét 3D thành mô hình CAD có thể chỉnh sửa, dựa trên tính năng và tương thích với các phần mềm CAD khác như SolidWorks, Inventor và Catia

1.2.2 Chức năng chính

1.2.2.1 Nhập dữ liệu & tích hợp máy quét

Hỗ trợ nhập hơn 60 định dạng dữ liệu, bao gồm point cloud, polygon mesh, và các định dạng CAD Có khả năng làm việc trực tiếp với máy quét 3D (scanner) — thu thập

dữ liệu quét ngay trong phần mềm

1.2.2.2 Công cụ chỉnh sửa và xử lý

Cho phép biến dữ liệu mesh/point cloud (từ quét 3D) thành mô hình CAD tham số đầy đủ Không chỉ tạo mô hình dạng mesh, mà còn cho phép dựng các khối solid/surface

có thể chỉnh sửa như trong SolidWorks hoặc NX Tự động nhận diện hình học Tạo lịch

sử thiết kế (design history) như trong phần mềm CAD truyền thống, giúp người dùng

dễ chỉnh sửa lại mô hình sau này

1.2.2.3 Scan to CAD

Geomagic Design X cung cấp bộ công cụ Quét sang phần mở rộng CAD, giúp chuyển đổi dữ liệu quét thành mô hình CAD trong kỷ lục thời gian và với độ chính xác cao

1.2.2.4 Xuất mô hình sang nhiều phần mềm CAD/CAE

Mô hình từ Geomagic Design X có thể xuất sang phần mềm CAD giúp bạn chuyển

mô hình đã dựng (từ quét 3D) sang các phần mềm khác để tiếp tục thiết kế, mô phỏng, hoặc sản xuất

1.2.2.5 Kiểm tra sai lệch chính xác

So sánh giữa mô hình CAD và dữ liệu quét gốc (mesh) Hiển thị sai lệch bằng bản

đồ màu (color map) – rất hữu ích cho kiểm tra chất lượng sản phẩm

1.2.3 Tầm quan trọng

1.2.3.1 Rút ngắn thời gian thiết kế và phát triển sản phẩm

Phần mềm cho phép chuyển trực tiếp dữ liệu quét thực tế (scan) thành mô hình CAD

có thể chỉnh sửa được Việc này giúp loại bỏ nhiều bước thủ công đo đạc, vẽ phác thảo

từ đầu, đặc biệt với các chi tiết phức tạp Nhờ đó, thời gian từ việc khảo sát, thiết kế đến sản xuất được rút ngắn đáng kể

1.2.3.2 Phục hồi, mô phỏng các chi tiết mất bản vẽ gốc, bản vẽ kỹ thuật

Trong nhiều trường hợp, thiết kế gốc bị mất, hoặc không có bản vẽ CAD Geomagic Design X cho phép quét lại các chi tiết vật lý còn tồn tại, từ đó tạo mô hình CAD mới

để sản xuất, thay thế, hoặc bảo trì Đây là một ứng dụng quan trọng trong bảo trì, phục dựng máy móc, khuôn mẫu, di sản công nghiệp

1.2.3.3 Tối ưu hóa quy trình sản xuất

Trong sản xuất khuôn đúc, các chi tiết có bề mặt cong, hình dạng phức tạp thường khó làm bằng các phương pháp truyền thống Với Geomagic Design X, việc trích xuất mặt cong ("exact surface"), tái tạo bề mặt phức tạp được thực hiện nhanh hơn và chính xác hơn Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành như ô tô, hàng không, sản xuất khuôn nhựa, đúc kim loại

1.2.3.4 Kiểm tra kiểm soát chất lượng

Phần mềm không chỉ dùng để thiết kế mà còn để so sánh mô hình CAD với bản quét thực tế, phát hiện sai lệch, biến dạng sau sản xuất, sau quá trình hoạt động, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm Điều này quan trọng trong các ngành yêu cầu sai số thấp, kiểm định chất lượng nghiêm ngặt

1.2.3.5 Tăng độ chính xác và giảm chi phí

Nhờ khả năng xử lý dữ liệu point cloud/mesh, phân tích sai lệch (Accuracy Analyzer), hiệu chỉnh bề mặt/lưới, phần mềm giúp đảm bảo rằng mô hình thiết kế khớp với thực tế nhiều hơn Các chi tiết sản phẩm, khuôn mẫu, hoặc các bộ phận đổi mới (replacement parts) được làm với sai số nhỏ hơn, giảm chi phí sửa chữa, chỉnh sửa, hoặc làm lại

1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm geomagic design X

Cho phép thiết kế nhanh và chính xác các mẫu thiết kế có độ phức tạp cao, hoặc các dạng mẫu mỹ thuật không có số liệu chuẩn xác

Cho phép chuyển đổi định dạng tập tin bao gồm: SolidWorks,Creo, NX, Inventor, AutoCAD, CATIA và những phần mềm khác

1.3 Giới thiệu các phương pháp thiết kế ngược

1.3.1 Khái niệm

Thiết kế ngược từ bản vẽ 2D là phương pháp dựng lại mô hình 3D CAD dựa trên thông tin kích thước, hình chiếu, và cấu trúc có sẵn từ bản vẽ kỹ thuật 2D Nhằm mục

đính chuẩn hóa dữ liệu để phục vụ thiết kế, gia công, kiểm tra hoặc in 3D để sản xuất

lại sản phẩm, cải tiến thiết kế, lưu trữ và quản lý dữ liệu kỹ thuật số, phân tích kỹ thuật

(CAE)

Các quy trình thiết kế:

Bước 1 Chuẩn bị bản vẽ 2d

Bước 2: Tạo các sketch và gắn ràng buộc trên phần mềm solidwork

Bước 3 Dựng mô hình 3d và chỉnh sửa

Dựng mô hình

Dùng các lệnh Fillet, Chamfer, Extruded Boss/Base, Extruded Cut để hoàn thiện mô hình 3d và được kết quả

Bước 4: Xuất và lưu bản vẽ

1.3.2 Thiết kế ngược bằng phương pháp đo thủ công

Khái niệm: Thiết kế ngược bằng phương pháp đo thủ công là quá trình dùng thước,

panme, đồng hồ so, để đo chi tiết thực tế, sau đó vẽ lại mô hình 3D trong SolidWorks

dựa trên các số đo đó

thước tổng thể và chi tiết (chiều dài, rộng, cao, đường kính, độ sâu, khoảng cách lỗ )

Bước 3 Dựng 3d và hiệu chỉnh

Bước 4: Xuất và lưu bản vẽ

1.3.3 Thiết kế ngược bằng phương pháp SCAN 3D

Khái niệm: Thiết kế ngược bằng phương pháp SCAN 3D là quá trình số hóa một vật thể thực bằng cách sử dụng máy quét 3D để tạo ra mô hình số dạng lưới và sau đó

chuyển đổi thành mô hình CAD 3D để chỉnh sửa, thiết kế hoặc sản xuất lại

Quy trình

Bước 1 Chuẩn bị vật thể và thiết bị :Chuẩn bị máy quét mẫu quét, và phần mềm xử

lí

Bước 2 Tiến hành Quét 3D: Sử dụng máy quét 3D để thu thập dữ liệu hình học và

Kết quả là đám mây điểm hoặc lưới

Bước 3 Xử lý dữ liệu quét

Làm sạch các điểm và lỗ, tạo các lưới và căn chỉnh lại

Bước 4 Tạo mô hình CAD 3D: Dùng phần mềm như Geomagic Design X, SolidWorks (ScanTo3D) để chuyển đổi mesh thành mô hình CAD Chỉnh sửa lại các

thông số và hoàn thiện mô hình

Bước 5 Lưa và xuất file: Xuất mô hình ra các định dạng CAD phổ biến như: STEP, IGES, STL, Parasolid

1 mm hoặc hơn)

Cao (±0.01 – 0.1 mm, tùy thiết bị)

Cao (phụ thuộc đọ chính xác bản vẽ vào bản vẽ)

Tốc độ thực

hiện

Chậm, cần đo từng chi tiết

Nhanh, vài phút hoăc hơn tùy chi tiết

Trung bình tùy vào các chi tiết của bản vẽ

Chi phí

Thấp (cần các dụng cụ đo)

Cao (máy quét

và phần mềm đắt tiền)

Trung bình (phần mềm thiết kế)

Phù hợp với

đối tượng nào

Chi tiết đơn giản, không cần độ chính xác cao

Các chi tiết phức tạp, yêu cầu

Cao (cần biết vận hành và xử lý

dữ liệu)

Trung bình , chỉ cần đọc hiểu bản vẽ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NHIỆT - ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Mục đích tính toán

Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần được thiết kế thông qua việc tính toán các thông số nhiệt động học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình :

Nạp - nén - (cháy + giãn nở) - thải Mỗi quá trình được đặc trưng bởi các thông số trạng thái là nhiệt độ, áp suất, thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối quá trình Trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động cơ đốt trong, xác định giá trị của các thông số nêu trên

Tiếp theo, ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm các thông số chỉ thị và thông số có ích của chu trình như: áp suất chỉ thị trung bình pi, áp suất có ích trung bình pω, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne,…

Cuối cùng, bằng kết quả tính toán nói trên xây dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình công tác và đây là các số liệu cơ bản cho bước tính toán động lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ

Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước , việc tính toán nhiệt có thể được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên băng thử công suất động cơ nhờ các phương tiện, các công cụ đo, ghi có kĩ thuật cơ điện tử và tin học hiện đại Tuy nhiên, với phương pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa học trong ĐCĐT, người ta cũng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tinh cậy

Chế độ được chọn để tính toán gọi là chế độ tính toán Chế độ tính toán là những chế độ ảnh hưởng đến sức bền và tuổi thọ của các chi tiết đối với từng loại động cơ cụ thể và chế độ phụ tải Do đó việc chọn chế độ tính toán phải được cân nhắc kĩ

Đối với động cơ tĩnh tại, chế độ tính toán thường là chế độ công suất định mức

Đối với động cơ trên xe, người ta thường tính đối với cả hai chế độ mô men xoắn

có ích lớn nhất và công suất có ích lớn nhất (đối với động cơ xăng) hoặc công suất có ích định mức (đối với động cơ diesel)

Đối với động cơ cao tốc , chế độ tính là chế độ công suất lớn nhất thường được chọn

để tính, vì ở đó các lực khí thể và quán tính đều lớn các chế độ tính toán phải tiến hành đối với phụ tải toàn phần ứng với lượng cung cấp nhiên liệu lớn nhất, vì ở đó trạng thái nhiệt của động cơ và phụ tải cơ học cao nhất

Những chế độ tính toán khác như: chế độ tải cục bộ, khi thay đổi thành phần hỗn hợp cháy, thay đổi góc đánh lửa hoặc góc phun nhiên liệu sớm chỉ được tiến hành khi cần khảo sát riêng biệt

Thông thường, người ta giả thiết rằng động cơ làm việc ổn định ở chế độ tính toán Nhưng thực nghiệm cho thấy là ở cùng một chế độ làm việc của động cơ các chu trình xảy ra không hoàn toàn giống nhau Giá trị của áp suất lớn nhất và áp suất trung bình có thể chênh lệch nhau khoảng 5% - 10% Điều này do các yếu tố như điều kiện khí động của quá trình nạp, sự biến động của quá trình cung cấp nhiên liệu, tạo hỗn hợp và khí cháy… chi phối Như vậy, các số liệu ban đầu và kết quả tính toán thu được cũng chỉ là những giá trị trung bình mà thôi

2.2 Các thông số cho trước của động cơ

- Môi trường sử dụng động cơ: môi trường bình thường

- Kiểu động cơ: động cơ xăng không tăng áp

- Loại động cơ: 1NZ -FE

- Chiều dài thanh truyền, ltt = 141 (mm)

- Khối lượng nhóm piston, mnp = 0,77285 (kg)

- Khối lượng nhóm thanh truyền, mtt =0,30674 (kg)

2.3 Chọn các thông số tính toán nhiệt

2.3.1 Áp suất không khí nạp (po)

- Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: 𝑝𝑜 = 0,1013 (𝑀𝑁/𝑚2)

2.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)

- Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi mà xe đang sử dụng Nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là 𝑡𝑘𝑘 = 29oC, do đó:

𝑇𝑜 = 𝑡𝑘𝑘 + 273 = 29 + 273 = 302 (𝐾)

2.3.3 Nhiệt độ khí nạp trước xú-pap nạp (pk)

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: 𝑝𝑘 = 𝑝𝑜 = 0,1013 (𝑀𝑁/𝑚2)

2.3.4 Nhiệt độ khí nạp trước xú-pap nạp (Tk)

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: 𝑇𝑘 = 𝑇𝑜 = 302 (𝐾)

2.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp (pa)

Trong quá trình tính toán nhiệt, áp suất cuối quá trình nạp pa của động cơ 4 kỳ không tăng áp thường được xác định bằng công thức thực nghiệm ta có:

𝑝𝑎 = (0,80 ÷ 0,95)𝑝𝑜Chọn 𝑝𝑎 = 0,0913 (𝑀𝑁/𝑚2)

2.3.6 Áp suất khí sót (pr)

- Là thông số quan trọng đánh giá mực độ thải sạch sản phẩm khí cháy ra khỏi xy lanh động cơ

- Giá trị áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Diện tích thông qua các xu-pap xả

+ Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xu-pap xả

+ Động cơ có lắp tăng áp bằng khí xả hay không

+ Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…

- Đối với động cơ xăng: 𝑝𝑟 = (0,11 ÷ 0,12) 𝑀𝑁/𝑚2

Chọn 𝑝𝑟 = 0,12 (𝑀𝑁/𝑚2)

2.3.7 Nhiệt độ khí sót (Tr)

Phụ thuộc tỉ số nén, thành phần hỗn hợp khí, góc đánh lửa sớm (động cơ xăng) hoặc góc phun dầu sớm (động cơ Diesel) Đối với động cơ xăng: 𝑇𝑟 = (900 ÷ 1100) 𝐾 Chọn 𝑇𝑟 = 1050 (𝐾)

2.3.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T)

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của động cơ

do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ∆𝑇

Ở động cơ xăng, để màng xăng bay hơi hoàn toàn trước khi vào xylanh động cơ, đường nạp được sấy nóng bằng nhiệt lượng của nước trong hệ thống làm mát hoặc bằng nhiệt lượng khí xả (khi đó các đường ống nạp và xả được bố trí về một phía, các ống nhánh nạp và xả được bố trí xen kẽ nhau) Điều đó làm cho ∆𝑇 tăng và giảm hệ số nạp

η

- Đối với động cơ xăng thường chọn trị số ∆𝑇 căn cứ vào số liệu thực nghiệm:

Chọn 𝜆1 = 1,04

2.3.10 Chọn hệ số quét buồng cháy (λ2)

Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 𝜆2 = 1

2.3.11Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λt)

- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt 𝜆𝑡 phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp 𝛼 và nhiệt độ khí sót Tr Thông thường khi tính cho:

- Động cơ xăng có: 𝛼 = 0,85 ÷ 0,92; chọn 𝜆𝑡 = 1,15

2.3.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ζz)

- Là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu tại điểm z Trị số thực tế của hệ số lợi dụng nhiệt, được chọn trên cơ sở phân tích tổng thể các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cháy phát nhiệt của động cơ và dựa theo giới hạn các giá trị thực nghiệm và được chọn gần đúng theo phạm vi dưới đây:

- Động cơ xăng: 𝜉𝑧 = 0,75 ÷ 0,92, chọn 𝜉𝑧 = 0,86

2.3.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ζb)

- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (𝜉𝑏) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động

cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến (𝜉𝑏) nhỏ

- Động cơ xăng: 𝜉𝑏 = 0,85 ÷ 0,95, chọn 𝜉𝑏 = 0,92

2.3.14 Hệ số dư lượng không khí α

Tính toán nhiệt động cơ đốt trong thường tính ở chế độ công suất cực đại nên đối với động cơ xăng được chọn trong phạm vi 𝛼 = 0,85 ÷ 0,95, chọn 𝛼 = 0,9

2.3.15 Hệ số điền đầy đồ thị công (ϕ d )

- Hệ số điền đầy đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán

- Hệ số điền đầy đồ thị đối với động cơ xăng chọn theo số liệu kinh nghiệm trong phạm vi 𝜑𝑑 = 0,93 ÷ 0,97, chọn 𝜑𝑑 = 0,95

2.3.16 Tỷ số tăng áp (λ p )

- Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén Lưu ý, ở động cơ xăng 𝜆 không chọn trước mà xác định bằng công thức:

]

= 0,8233

Trong đó: m – chỉ số nén đa biến trung bình của không khí, chọn m = 1,5

Hệ số nạp thực tế đối với động cơ xăng có xupap treo: 𝜂𝑣 = 0,75 ÷ 0,88

= 0,0436

Hệ số khí sót đối với động cơ xăng 4 kỳ nằm trong phạm vi 𝛾𝑟 = 0,05 ÷ 0,15

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

𝑇𝑎 =

𝑇𝑘 + ∆𝑇 + 𝜆𝑡𝛾𝑟𝑇𝑟(𝑝𝑝𝑎

𝑚−1 𝑚

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

Khi 0,7 < 𝛼 < 1 tính cho động cơ xăng theo công thức:

1

2(360,34 + 252,4.0,9) 10−5𝑇 = 19,806 +0,010065𝑇

2 (𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐾)

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:

Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg xăng: 𝑀𝑜 = 0,512 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑘

Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh 𝑀1:

Đối với động cơ xăng (khí nạp mới là không khí và nhiên liệu):

𝑀1 = α 𝑀𝑜+ 1

𝜇𝑛.1 = 0,9.0,512 +

1

114 = 0,46957 (𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑘/𝑘𝑔 𝑛𝑙) Trong đó: 𝜇𝑛.1− trọng lượng phân tử của xăng: 𝜇𝑛.1 = 110 ÷ 114 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙

Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết βo:

βo =𝑀2

𝑀1 =

0,507780,46957 = 1,08137

Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β:

Trong thực tế, do ảnh hưởng của khí sót còn lại trong xylanh từ chu trình trước nên

hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β được xác định bằng công thức sau:

tỷ lệ với hệ số lợi dụng nhiệt thì ta có:

𝑥𝑧 =𝜉𝑧

𝜉𝑏 =

0,860,92= 0,93478 Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn ∆𝑄𝐻:

𝑚𝑐"𝑣𝑧

̅̅̅̅̅̅̅̅ − tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm z của sản vật cháy

𝑚𝑐′̅̅̅̅̅̅̅ − tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm c của hỗn hợp khí nén: 𝑣𝑐

- Áp suất cuối quá trình cháy 𝑝𝑧: 𝑝𝑧 = 𝜆𝑝 𝑝𝑐 = 7,45746 (𝑀𝑁/𝑚2)

Lưu ý, ở động cơ xăng 𝜆𝑝 không chọn trước mà xác định bằng công thức:

𝜆𝑝 = 𝛽𝑧𝑇𝑧

𝑇𝑐 = 1,07223.

2641,984949871,7864 = 3,24943 Đối với động cơ xăng, các thông số quá trình cháy nằm trong phạm vi dưới đây:

𝑝𝑧 = 3,0 ÷ 5,5 (𝑀𝑁/𝑚2); 𝑇𝑧 = 2400 ÷ 2900 (𝐾)

2.4.4 Quá trình giãn nở

Tỷ số giãn nở đầu: 𝜌 = 1

Tỷ số giãn nở sau: 𝜹 = 𝜺 =10,5

Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình (n 2 ):

Ở nhiệt độ từ 1200 ÷ 2600𝐾, sai khác của tỷ nhiệt khống lớn lắm, do đó ta có thể xem: 𝑎′𝑣𝑏 = 𝑎′𝑣𝑧; 𝑏𝑏 = 𝑏𝑧; 𝛽 = 𝛽𝑧 ta có:

trình nạp, nén, cháy – giãn nở và thải có thể vượt ra ngoài phạm vi cho phép trong các bảng trên

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr:

𝑇𝑟 = 𝑇𝑏

√𝑝𝑝𝑏

𝑟 3

= 1671,6616

√0,4493860,11

2.4.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình

Áp suất chỉ thị trung bình tính toán (𝑝𝑖′):

Xác định hiệu suất chỉ thị :

Hiệu suất chỉ thị là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công mà ta thu được

và nhiệt lượng mà nhiên liệu cháy tỏa ra, khi tiêu thụ hết 1kg nhiên liệu dạng lỏng hay 1m3 dạng khí

Đối với động cơ dùng nhiên liệu lỏng ta có:

𝜂𝑖 = 8,314𝑀1 𝑝𝑖.𝑇𝑘

𝑄 𝐻 𝑝 𝑘 𝜂 𝑣= 0,450832 Trong đó: 𝑄𝐻 tính theo 𝐽/𝑘𝑔; 𝑀1 tính theo 𝑘𝑚𝑜𝑙/𝑘𝑔

Xác định hiệu suất có ích :

𝜂𝑒 = 8,314𝑀1 𝑝𝑒 𝑇𝑘

𝑄𝐻 𝑝𝑘 𝜂𝑣 = 0,343736507

Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị :

𝑔𝑖 = 3600

𝑄𝐻 𝜂𝑖 =

360043960.0,450832 = 0,181647738 (𝑘𝑔/𝑘𝑊 ℎ)

Tính suất tiêu hao nhiên liệu thực tế :

𝑔𝑒 = 3600

𝑄𝐻 𝜂𝑒 =

360043960.0,343736507= 0,238249387 (𝑘𝑔/𝑘𝑊 ℎ) Bảng 1.1 Các thông số tính năng chỉ thị và có ích của động cơ

Loại động cơ 𝑝𝑖(𝑀𝑁/𝑚2) 𝑝𝑒(𝑀𝑁/𝑚2) 𝑔𝑖 (𝑔/𝑘𝑊 ℎ) 𝑔𝑒 (𝑔/𝑘𝑊 ℎ) Xăng cường hóa

Xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ tiến hành theo các bước sau:

1 Chọn tọa độ vuông góc: biểu diễn áp suất khí thể (𝑝𝑘𝑡) trên trục tung và thể tích khí (𝑉𝑥𝑙) trên trục hoành

2 Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công:

- Điểm a: điểm cuối hành trình nạp có áp suất 𝑝𝑎 và thể tích 𝑉𝑎:

- Điểm c (𝑉𝑐; 𝑝𝑐): điểm cuối hành trình nén tính toán

- Điểm z (𝑉𝑧; 𝑝𝑧): điểm cuối hành trình cháy tính toán (𝑉𝑧 = 𝑉𝑐, đối với động cơ xăng)

- Điểm b (𝑉𝑏; 𝑝𝑏): điểm cuối hành trình giãn nở với 𝑉𝑏 = 𝑉𝑎

- Điểm r (𝑉𝑟; 𝑝𝑟): điểm cuối hành trình thải

4 Dựng đường cong giãn nở:

Trong hành trình giãn nở khí cháy được giãn nở theo chỉ số giãn nở đa biến trung bình 𝑛2 Tương tự như trên ta có

𝜇𝑆 = 𝑆

𝐴𝐵(𝑚/𝑚𝑚) + Giá trị biểu diễn của OO’:

Hình 2.1 Đồ thị công chỉ thị P - V

2.5 Dựng đặc tính ngoài của động cơ

Giả thuyết các thông số tính toán nhiệt ở trên xét trong điều kiện xe hoạt động ổn định ở 𝑁𝑒𝑚𝑎𝑥/𝑛𝑁 = 27,1528 (𝐻𝑝)/6000 (𝑣/𝑝ℎ), ta có các biểu thức tính các giá trị biên thiên tướng ứng của 𝑁𝑒, 𝑀𝑒, 𝑔𝑒, 𝐺𝑛𝑙 như sau:

𝑔𝑒𝑁 − suất tiêu hao nhiên liệu có tích ứng với tốc độ quay 𝑛𝑁, 𝑔/𝑘𝑊 ℎ

𝑁𝑒, 𝑀𝑒, 𝑔𝑒 − các giá trị biến thiên của công suất, mômen xoắn và suất tiêu hao nhiên liêu có ích ứng với từng giá trị tốc độ quay được chọn trước

Bảng 2.4 Kết quá tính toán các thông số

số vòng

Moment xoắn

Suất tiêu hao

NL có ích

Suất tiêu hao NL

Hình 2.2 Chuyển vị piston

2.6 Động học của piston (phân tích theo phương pháp giái tích)

Với giả thuyết trục khuỷu quay với vận tốc góc ω=const, thì góc quay trục khuỷu

α tỉ lệ thuận với thời gian, còn tất cả các đại lượng động học là các hàm phụ thuộc vào biến số α

Tuy nhiên, giả thuyết này đối với động cơ cao tốc hiện đại cho sai số không đáng

kể vì trị số dao động của vận tố góc (ω) do độ không đồng đều của momen động cơ gây

ra khi động cơ làm việc ở chế độ ổn định rất nhỏ

Hình 2.3 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền giao tâm

Chuyển vị của piston

Từ hình 2.3, ta có thể thấy khi trục khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển được một khoảng Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT) Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ tính bằng công thức sau:

𝑆𝑝 = 𝑅 [(1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) +𝜆

4(1 − 𝑐𝑜𝑠2𝛼)]

Trong đó: 𝛼 −góc quay trục khuỷu

𝑅 − bán kính quay trục khuỷu

𝜆 = 𝑅/𝑙, với l là chiều dài thanh truyền

Từ phương trình trên ứng với góc quay trục khuỷu 𝛼 = 0 ÷ 360𝑜, ta sẽ tính được các giá trị chuyển vị của piston như bảng 2.6:

Bảng 2.5 Thông số chuyển vị của piston (mm)

Từ bảng 1.6 ta biểu diễn bằng đồ thị có dạng như hình 2.4

Hình 2.4 Đồ thị chuyển vị của piston

và cấp II với chu kỳ điều hòa của cấp II bằng hai lần chu kỳ điều hòa của hàm cấp I

𝑉𝑝 = 𝑉𝑝𝐼+ 𝑉𝑝𝐼𝐼Trong đó: 𝑉𝑝𝐼 = 𝑅𝜔sinα

𝑉𝑝𝐼𝐼 = 𝑅𝜔𝜆

2𝑠𝑖𝑛2𝛼 Ứng với góc quay trục khuỷu 𝛼 = 0 ÷ 360𝑜, ta sẽ tính được các giá trị tốc độ của piston như bảng 1.7:

Bảng 1.6 Vận tốc piston ứng với góc quay trục khuỷu (m/s)