BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THẾ GIỚI KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO-J08CF DIESEL 6 XI
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THẾ GIỚI
KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116
S K C0 0 4 7 3 2
Trang 2KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THẾ GIỚI
KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO-J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU HƯỜNG
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
Trang 4LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Nơi thường trú: 327/26/21 Quang Trung, P.10, Q.Gò Vấp, Tp Hồ Chí Minh
Email: nguyenthegioi1980@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1 Trung cấp chuyện nghiệp:
Nơi đào tạo: Trường Trung Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 4
Ngành học: Cơ Khí Ô tô
2 Đại học:
Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ Khí Động Lực
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2004 – 2008
2008 - nay
Trường Trung Cấp Nghề Bình Thạnh Số: 131, Nơ Trang Long, Quận Bình Thạnh, Tp HCM
Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TP HCM
Số: 252 Lý Chính Thắng, Phường 9, Quận 3, TP HCM
Giáo viên
Giảng Viên
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Thế Giới
Trang 6LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình được học tập và nghiên cứu, tôi đã được sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi của Qúy Thầy Cô Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Tôi xin chân thành cảm ơn Qúy Thầy Cô đã giúp đỡ trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp, đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Hữu Hường đã hướng dẫn nhiệt tình để tôi có thể thực hiện và hoàn thành Luận văn này Nhân dịp này, tôi xin tỏ lời cảm ơn Trung Tâm Tiêu chuẩn Kỹ thuật Đo lường Chất lượng Khu vực 3 đã giúp đỡ tôi thực hiện thí nghiệm cho đề tài
Tôi xin chân thành cảm ơn Qúy Thầy phản biện có những ý kiến đóng góp hữu ích để tôi có thể hoàn thiện hơn đề tài Luận văn
Xin cảm ơn gia đình và các bạn đồng nghiệp đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành Luận văn tốt nghiệp
Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện
NGUYỄN THẾ GIỚI
Trang 7TÓM TẮT
Để có thể tăng công suất cho động cơ thế hệ cũ đang sử dụng ở Việt Nam, tác giả đặt mục đích nghiên cứu khả năng tăng áp cho một động cơ diesel Trong đề tài này tác giả đã khảo sát khả năng chịu lực cho chi tiết quan trọng khi tăng áp là thanh truyền của động cơ Hino J08CF Nghiên cứu tính toán lý thuyết xác định được ứng suất tác động lên thanh truyền ở thời kỳ sinh công là lớn nhất Với việc
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS xác định ứng suất tác động lên thanh truyền Qua thực nghiệm với thiết bị thử ứng suất đánh giá kết quả tính tính toán và mô phỏng phần mền ANSYS là chính xác Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng có thể lắp đặt bộ tăng áp để nâng áp suất từ 86 bar lên 100 bar và công suất động cơ được tăng lên 25% mà thanh truyền vẫn đủ bền Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa đề cập đến ảnh hưởng bền của các chi tiết khác trong động cơ khi tăng áp Đây là kết quả nghiên cứu ban đầu làm cơ sở khoa học cho việc tính toán ứng suất và thiết kế thanh truyền động cơ Trong tương lai, cần nghiên cứu tiếp ảnh hưởng đến các chi tiết khác trong động cơ Hino J08CF để có thể ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam; rộng hơn nữa là nghiên cứu tăng áp cho những động cơ khác
ABSTRACT
The main objective of this study is to explore the augmentation of a diesel engine in order to increase the power of old-generation engines in Vietnam In this research, the author investigates the augmentation of an essential part – the connecting rod of the engine Hino J08CF It is determined by the analysis that the stress on the connecting rod reaches highest level during the power phase The application of finite element method in ANSYS software calculates stress on the connecting rod In practice, using a stress-test equipment shows that the calculation
is accurate The study shows that this engine can use turbo-charger to increase pressure from 86 to 100 bar and 25% of power while keeping the connecting rod solid However, the weakpoint of this thesis is that it has not carried out other parts
in this operating condition yet The same performance is not only expected in other parts of the mentioned engine but also in the others that are being used in Vietnam
Trang 8MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Tóm tắt iv
Mục lục v
Danh sách các chữ viết tăt vii
Danh sách các hình viii
Danh sách các bảng x
Chương 1.TỔNG QUAN 1
1.1 Dẫn nhập 1
1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 2
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước 2
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước 3
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4
1.4 Đối tượng nghiên cứu 5
1.5 Phạm vi nghiên cứu 5
1.6 Phương pháp nghiên cứu 5
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
2.1 Động học của cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền giao tâm [6] 7
2.1.1 Quy luật động học của piston 7
2.1.2 Quy luật động học của thanh truyền 11
2.1.2.1 Góc lắc 11
2.1.2.2 Vận tốc góc tt 11
2.1.2.3 Gia tốc góc tt 12
2.2 Tính sức bền của thân thanh truyền 13
Trang 92.3 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trạng thái ứng suất của
thanh truyền động cơ [7] 14
2.4 Các phương trình cơ bản [7] 15
2.4.1 Chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử - ma trận độ cứng phần tử và véc tơ phần tử 15
2.4.2 Ghép nối các phần tử - ma trận cứng và véc tơ tải tổng thể 17
2.4.3 Phép chuyển trục tọa độ 19
2.5 Nhận xét 21
Chương 3 XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT CƠ HỌC THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO J08CF 22
3.1 Một số đặc điểm của thanh truyền động cơ Hino J08CF 22
3.1.1 Kết cấu động cơ Hino J08CF 22
3.1.1 Kết cấu thanh truyền động cơ Hino J08CF 25
3.1.2 Xác định vật liệu của thanh truyền 29
3.2 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính toán và phương pháp phần tử hữu hạn 31
3.2.1 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF bằng phương pháp tính toán truyền thống 31
3.2.2 Xây dựng mô hình tính thanh truyền trong Ansys 52
Chương 4 THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 64
4.1 Phương pháp thí nghiệm 64
4.2 Kết quả thử nghiệm 67
4.3 So sánh kết quả nghiên cứu 67
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 69
5.1 Kết quả đạt được 69
5.2 Những vấn đề tồn tại 69
5.3 Hướng phát triển 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 72
Trang 10DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TĂT
Mangan
Trang 11DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền giao tâm 8
Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ Hino J08CF [8] 22
Hình 3.2: Mặt cắt doc động cơ Hino J08CF [8] 23
Hình 3.3: Cấu tạo thanh truyền động cơ HINO J08CF 26
Hình 3.4: Kích thước của đầu nhỏ thanh truyền mỏng 26
Hình 3.5: Tiết diện thân thanh truyền 27
Hình 3.6: Kích thước cơ bản thanh truyền động cơ Hino J08CF 29
Hình 3.7: Máy quang phổ phát xạ HORIBA, model GD PROFILER 2 30
Hình 3.8: Đồ thị công khai triển p –φ động cơ Hino J08CF 37
Hình 3.9: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu 38
Hình 3.10: Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu 39
Hình 3.11: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu 40
Hình 3.12: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu 40
Hình 3.13: Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston 42
Hình 3.14: Đồ thị lực pháp tuyến tác dụng lên thành xilanh 43
Hình 3.15: Đồ thị lực tác dụng dọc trục thanh truyền 43
Hình 3.16: Đồ thị công khai triển p –φ động cơ Hino J08CF 46
Hình 3.17:Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu 47
Hình 3.18: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu 48
Hình 3.19: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu 48
Hình 3.20: Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston 49
Hình 3.21: Đồ thị lực pháp tuyến tác dụng lên thành xilanh 50
Hình 3.22: Đồ thị lực tác dụng dọc trục thanh truyền 50
Hình 3.23: Chọn kiểu phân tích cấu trúc tĩnh trong ANSYS 52
Hình 3.24: Khai báo thông số vật liệu 53
Hình 3 25: Mô hình hình học thanh truyềnđộng cơ Hino- J08CF 54
Trang 12Hình 3.26: Mô hình động cơ Hino- J08CF trong Ansys 54
Hình 3.27: Lưới phần tử thanh truyền động cơ Hino- J08CF 55
Hình 3.28: Lưới phần tử mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ Hino- J08CF 55
Hình 3.29: Chọn áp đặt tải 56
Hình 3.30: Xác định mặt cần đặt lực 57
Hình 3.31: Xác định phương và lực đặt trên đầu nhỏ thanh truyền 57
Hình 3.32: Chọn mặt cố định 58
Hình 3.33: Xác định mặt cần cố định 59
Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm thanh truyền 64
Hình 4.2: Quy trình thử nghiệm nén, uốn và vị trí đặt lực 65
Hình 4.3: Máy kéo nén vạn năng INSTRON –USA, model 1500HDX 66
Hình 4.4: Đồ thị ứng suất và biến dạng của thanh truyền khi nén ở 100KN 68
Trang 13DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ Hino J08CF [8] 24
Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm vật liệu thanh truyền (xem phụ lục phiếu kết quả thử nghiệm vật liệu) 30
Bảng 3.3: Kết quả tính chu trình nhiệt động của động cơ Hino- J08CF 33
Bảng 3.4:Bảng giá trị nhiệt độ và áp suất trên đường cong nén 34
Bảng 3.5: Bảng giá trị nhiệt độ áp suất và nhiệt độ trên đường cong giản nở 35
Bảng 3.6 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của piston theo góc quay trục khuỷu 39
Bảng 3.7: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền- trục khuỷu trong quá trình cháy giãn nở động cơ J08CF 41
Bảng 3.8: Kết quả tính chu trình nhiệt động của động cơ Hino J08CF 44
Bảng 3.9: Bảng giá trị nhiệt độ và áp suất trên đường cong nén khi tăng áp 45
Bảng 3.10: Bảng giá trị nhiệt độ áp suất và nhiệt độ trên đường cong giản nở khi tăng áp 45
Bảng 3.11:Bảng động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu 47
Bảng 3.12: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu 48
Bảng 4.1 So sánh giá trị ứng suất tính theo phần mềm Ansys và thí nghiệm 68
Trang 14Thanh truyền là một trong những chi tiết quan trọng kết nối piston và trục khuỷu Thanh truyền dùng để truyền áp lực khí cháy từ piston tới trục khuỷu, do đó thanh truyền chịu tải động lớn Việc chế tạo thanh truyền tương đối khó khăn trong các chi tiết của động cơ Nó có đặc điểm hình học phụ thuộc vào từng loại động cơ, tốc độ piston, số kỳ và mục đích sử dụng Thanh truyền làm việc trong điều kiện chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác
Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác dụng của áp lực khí thể sinh ra trong suốt quá trình cháy, các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến, lực ma sát và trọng lực Các lực này sinh ra mômen uốn, thay đổi cả về trị số lẫn phương chiều theo vị trí piston trong chu trình làm việc
Do tác dụng của những lực và mômen nêu trên nên thanh truyền luôn làm việc trong điều kiện chịu ứng suất nén, ứng suất uốn và đôi khi cả ứng suất kéo Hình dáng kết cấu thanh truyền tạo nên ứng suất tập chung lớn nhất tại mặt ngoài nơi chuyển tiếp giữa thân và đầu thanh truyền
Điều kiện làm việc của thanh truyền phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: giá trị
và tính chất của áp lực trên đỉnh piston, độ cứng, việc lựa chọn các loại vật liệu, chất lượng công nghệ lắp ghép
Do xu hướng tăng cường độ làm việc của động cơ như: tăng tốc độ quay, sử dụng các biện pháp nhằm nâng cao công suất, giảm kích thước hình học, tiết kiệm vật liệu, làm cho ứng suất trong thanh truyền tăng lên Điều này dẫn đến giảm tính
Trang 15tin cậy khi làm việc của thanh truyền trong quá trình sử dụng Vì vậy thanh truyền phải luôn đảm bảo về độ tin cậy trong những điều kiện làm việc khác nhau, đảm bảo độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn, đảm bảo thời hạn sử dụng, kích thước hình dáng hình học đảm bảo ứng suất gây ra đến mức nhỏ nhất
Để xác định một cách chính xác giá trị và vị trí ứng suất trong thanh truyền là rất cần thiết, làm tối ưu hóa thanh truyền, cơ sở cho việc nâng cao độ tin cậy, tuổi thọ thanh truyền nói riêng và đảm bảo an toàn khi khai thác của động cơ nó chung Đồng thời đưa ra đặc điểm hình học phù hợp nhằm nâng cao khả năng tiết kiệm vật liệu
1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước
Có nhiều đề tài nghiên cứu trong nước về khảo sát ứng suất thanh truyền trong
đó gồm một số đề tài gần với nghiên cứu như:
Đề tài thạc sĩ “Khảo sát trạng thái ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ
ZIL 130” của Đỗ Văn Quý trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn năm 2012 [1] Đề
tài khảo sát ứng suất ứng suất cơ học của thanh truyền dựa việc xác định áp suất cháy cực đại và dùng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng động bằng phần mền ANSYS Với phương pháp mô phỏng trong mô trường cơ học đặt áp suất trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên trục khuỷu Tuy nhiên đề tài chưa xây dựng phương pháp xác định ứng suất cơ học thanh truyền động cơ
Đề tài thạc sĩ “Xác định trường ứng suất cơ-nhiệt của thanh truyền động cơ xe xích PT76 có xét đến ảnh hưởng của lực ma sát trượt” của Nguyễn Văn Thanh trường Đại học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn năm 2012 [2] Phương pháp mô phỏng phần mền ANSYS trong môi trường cơ nhiệt đặt nhiệt độ được chọn cố định cho piston
trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên trục khuỷu Đề tài phát triển trên đề tài thạc sĩ “Khảo sát trạng thái ứng suất cơ học của thanh truyền động
cơ ZIL 130” của Đỗ Văn Quý trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn năm 2012 Đề
Trang 16tài xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất thanh truyền tuy nhiên ảnh hưởng lớn nhất đến ứng suất thanh truyền do lực ma sát trượt
Cho đến thời điểm hiện nay chưa có nghiên cứu trong nước về khảo sát ứng
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước
Quá trình nghiên cứu thanh truyền được thế giới nghiên cứu từ rất lâu Trong những năm trước 1980, quá trình phân tích kết cấu trở nên phổ biến, thay thế dần quá trình kiểm tra cơ lí tính Vào những năm 1980, việc phân tích kết cấu trở thành một công cụ thiết kế Những năm 1990, cùng với sự phát triển của các phần mềm thiết kế 3D (CAD) và các phần mềm tính toán (CAE), quá trình tính toán kết cấu góp phần làm giảm thời gian thiết kế sản phẩm Từ năm 2000 đến nay, quá trình phân tích, tính toán kết cấu đã hoàn toàn thay thế quá trình kiểm tra cơ lí tính ở một vài sản phẩm Mặc dù chấp nhận nó như là một công cụ thiết kế nhưng việc phân tích tính toán kết cấu trong sản xuất vẫn chưa phổ biến Trên thế giới hiện nay có một số công trình nghiên cứu về kết cấu thanh truyền như sau:
Pranav G Charkha và Tiến sĩ Santosh B Jaju với nghiên cứu “Phân tích &
Tối ưu hóa kết nối thanh truyền” [3] Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu trên động cơ xăng bốn thì, thanh truyền kết cấu thép C-70 và mô hình hóa bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS Nghiên cứu này bao gồm hai loại phân tích: phân tích ứng suất thanh truyền trạng thái tĩnh và phân tích ứng suất mỏi thanh truyền Mục tiêu chính của nghiên cứu này, xác định ứng suất thanh truyền và tăng hiệu quả kinh tế bằng việc giảm khối lượng thanh truyền Phân tích ứng suất thanh truyền trạng thái tĩnh đạt tải trọng tĩnh lên thanh truyền đạt được và kết quả giảm 9,24% khối lượng thanh truyền
Pravardhan S Shenoy và Ali Fatemi với nghiên cứu “Tối ưu hóa kết nối
thanh truyền nhằm giảm chi phí và trọng lượng” tạp chí SAE quốc tế năm 2005 [4] Nghiên cứu này, thực hiện trên thanh truyền kết cấu thép C-70 nhằm giảm khối lượng vật liệu và chi phí sản xuất bằng cách phân tích phần tử hữu hạn để tối ưu hóa
