KHẢO sát ỨNG SUẤT cơ học của THANH TRUYỀN ĐỘNG cơ HINO J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG áp

Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác d ng c a áp lực khí thể sinh ra trong suốt quá trình cháy, các lực quán tính c a các khối lư ng chuyển đ ng tịnh tiến, lực ma sát và trọng

v

M C L C

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

L i cam đoan ii

L i c m ơn iii

Tóm tắt iv

M c l c v

Danh sách các chữ viết tăt vii

Danh sách các hình viii

Danh sách các b ng x

Ch ngă1.T NG QUAN 1

1.1 Dẫn nhập 1

1.2 Các nghiên c u trong nước và ngoài nước 2

1.2.1 Các kết qu nghiên c u trong nước 2

1.2.2 Các kết qu nghiên c u ngoài nước 3

1.3 M c tiêu nghiên c u c a đề tài 4

1.4 Đối tư ng nghiên c u 5

1.5 Ph m vi nghiên c u 5

1.6 Phương pháp nghiên c u 5

1.7 ụ nghĩa khoa học và thực tiễn c a đề tài 6

Ch ngă2 C ăS LÝ THUY T 7

2.1 Đ ng học c a cơ c u piston tr c khuỷu thanh truyền giao tâm [6] 7

2.1.1 Quy luật đ ng học c a piston 7

2.1.2 Quy luật đ ng học c a 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 s c bền c a thân thanh truyền 13

vi

2.3 ng d ng phương pháp phần tử hữu h n để xác định tr ng thái ng su t c a

thanh truyền đ ng cơ [7] 14

2.4 Các phương trình cơ b n [7] 15

2.4.1 Chuyển vị, biến d ng và ng su t trong phần tử - ma trận đ c ng phần tử và véc tơ phần tử 15

2.4.2 Ghép nối các phần tử - ma trận c ng và véc tơ t i tổng thể 17

2.4.3 Phép chuyển tr c tọa đ 19

2.5 Nhận xét 21

Ch ngă3 XỄCăĐ NHăTR NG NG SU TăC ăH C THANH TRUY N Đ NGăC ăHINOăJ08CF 22

3.1 M t số đặc điểm c a thanh truyền đ ng cơ Hino J08CF 22

3.1.1 Kết c u đ ng cơ Hino J08CF 22

3.1.1 Kết c u thanh truyền đ ng cơ Hino J08CF 25

3.1.2 Xác định vật liệu c a thanh truyền 29

3.2 Kh o sát trư ng ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ Hino J08CF bằng phương pháp nghiên c u lý thuyết tính toán và phương pháp phần tử hữu h n 31

3.2.1 Kh o sát trư ng ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ Hino J08CF bằng phương pháp tính toán truyền thống 31

3.2.2 Xây dựng mô hình tính thanh truyền trong Ansys 52

Ch ngă4 THÍ NGHI M VÀ K T QU 64

4.1 Phương pháp thí nghiệm 64

4.2 Kết qu thử nghiệm 67

4.3 So sánh kết qu nghiên c u 67

Ch ngă5 K T LU NăVĨăH NG PHÁT TRI NăĐ TÀI 69

5.1 Kết qu đ t đư c 69

5.2 Những v n đề tồn t i 69

5.3 Hướng phát triển 69

TÀI LI U THAM KH O 71

PH L C 72

vii

ANSYS Analysis System - also

PRO-E 4.0 Pro Engineer 4.0 CREO Commercial Real Estate Organization SOLIDWORKS 3D solid modeling CAD software

C70 Thép có thép có trung bình 0,70 %Cácbon C45Mn Thép có thép có trung bình 0,45 %Cácbon và

Mangan

viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ cơ c u piston-tr c khuỷu-thanh truyền giao tâm 8

Hình 3.1: Mặt cắt ngang đ ng cơ Hino J08CF [8] 22

Hình 3.2: Mặt cắt doc đ ng cơ Hino J08CF [8] 23

Hình 3.3: C u t o thanh truyền đ ng cơ HIζO J08CF 26

Hình 3.4: Kích thước c a đầu nhỏ thanh truyền mỏng 26

Hình 3.5: Tiết diện thân thanh truyền 27

Hình 3.6: Kích thước cơ b n thanh truyền đ ng cơ Hino J08CF 29

Hình 3.7: Máy quang phổ phát x HORIBA, model GD PROFILER 2 30

Hình 3.8: Đồ thị công khai triển p –φ đ ng cơ Hino J08CF 37

Hình 3.9: Lực tác d ng lên cơ c u thanh truyền tr c khuỷu 38

Hình 3.10: Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay tr c khuỷu 39

Hình 3.11: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay tr c khuỷu 40

Hình 3.12: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay tr c khuỷu 40

Hình 3.13: Đồ thị tổng lực tác d ng lên chốt piston 42

Hình 3.14: Đồ thị lực pháp tuyến tác d ng lên thành xilanh 43

Hình 3.15: Đồ thị lực tác d ng dọc tr c thanh truyền 43

Hình 3.16: Đồ thị công khai triển p –φ đ ng cơ Hino J08CF 46

Hình 3.17:Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay tr c khuỷu 47

Hình 3.18: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay tr c khuỷu 48

Hình 3.19: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay tr c khuỷu 48

Hình 3.20: Đồ thị tổng lực tác d ng lên chốt piston 49

Hình 3.21: Đồ thị lực pháp tuyến tác d ng lên thành xilanh 50

Hình 3.22: Đồ thị lực tác d ng dọc tr c thanh truyền 50

Hình 3.23: Chọn kiểu phân tích c u trúc tĩnh trong AζSYS 52

Hình 3.24: Khai báo thông số vật liệu 53

Hình 3 25: Mô hình hình học thanh truyềnđ ng cơ Hino- J08CF 54

ix

Hình 3.26: εô hình đ ng cơ Hino- J08CF trong Ansys 54

Hình 3.27: δưới phần tử thanh truyền đ ng cơ Hino- J08CF 55

Hình 3.28: δưới phần tử mô hình cơ c u tr c khuỷu thanh truyền đ ng cơ Hino- J08CF 55

Hình 3.29: Chọn áp đặt t i 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 v n năng IζSTROζ –USA, model 1500HDX 66

Hình 4.4: Đồ thị ng su t và biến d ng c a thanh truyền khi nén 100KN 68

x

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 3.1: Thông số kỹ thuật c a đ ng cơ Hino J08CF [8] 24

B ng 3.2: Kết qu thử nghiệm vật liệu thanh truyền (xem ph l c phiếu kết qu thử nghiệm vật liệu) 30

B ng 3.3: Kết qu tính chu trình nhiệt đ ng c a đ ng cơ Hino- J08CF 33

B ng 3.4:B ng giá trị nhiệt đ và áp su t trên đư ng cong nén 34

B ng 3.5: B ng giá trị nhiệt đ áp su t và nhiệt đ trên đư ng cong gi n n 35

B ng 3.6 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc c a piston theo góc quay tr c khuỷu 39

B ng 3.7: Lực tác d ng lên cơ c u thanh truyền- tr c khuỷu trong quá trình cháy giãn n đ ng cơ J08CF 41

B ng 3.8: Kết qu tính chu trình nhiệt đ ng c a đ ng cơ Hino J08CF 44

B ng 3.9: B ng giá trị nhiệt đ và áp su t trên đư ng cong nén khi tăng áp 45

B ng 3.10: B ng giá trị nhiệt đ áp su t và nhiệt đ trên đư ng cong gi n n khi tăng áp 45

B ng 3.11:B ng đ ng học cơ c u thanh truyền - tr c khuỷu 47

B ng 3.12: Lực tác d ng lên cơ c u thanh truyền tr c khuỷu 48

B ng 4.1 So sánh giá trị ng su t tính theo phần mềm Ansys và thí nghiệm 68

đ t hiệu qu cao nh t phù h p với các yêu cầu m c đích c a từng phương tiện, như:

gi m thiểu ô nhiễm môi trư ng, tiếng ồn…

Thanh truyền là m t trong những chi tiết quan trọng kết nối piston và tr c khuỷu Thanh truyền dùng để truyền áp lực khí cháy từ piston tới tr c khuỷu, do đó thanh truyền chịu t i đ ng lớn Việc chế t o thanh truyền tương đối khó khăn trong các chi tiết c a đ ng cơ ζó có đặc điểm hình học ph thu c vào từng lo i đ ng cơ,

tốc đ piston, số kỳ và m c đích sử d ng Thanh truyền làm việc trong điều kiện chịu tác đ ng c a các lo i t i đ ng trong suốt quá trình khai thác

Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác d ng c a áp lực khí thể sinh ra trong suốt quá trình cháy, các lực quán tính c a các khối lư ng chuyển đ ng tịnh tiến, lực ma sát và trọng lực Các lực này sinh ra mômen uốn, thay đổi c về trị số

lẫn phương chiều theo vị trí piston trong chu trình làm việc

Do tác d ng c a những lực và mômen nêu trên nên thanh truyền luôn làm việc trong điều kiện chịu ng su t nén, ng su t uốn và đôi khi c ng su t kéo Hình dáng kết c u thanh truyền t o nên ng su t tập chung lớn nh t t i mặt ngoài nơi chuyển tiếp giữa thân và đầu thanh truyền

Điều kiện làm việc c a thanh truyền ph thu c vào r t nhiều yếu tố như: giá trị

và tính ch t c a áp lực trên đỉnh piston, đ c ng, việc lựa chọn các lo i vật liệu,

ch t lư ng công nghệ lắp ghép

Do xu hướng tăng cư ng đ làm việc c a đ ng cơ như: tăng tốc đ quay, sử

d ng các biện pháp nhằm nâng cao công su t, gi m kích thước hình học, tiết kiệm vật liệu, làm cho ng su t trong thanh truyền tăng lên Điều này dẫn đến gi m tính

2

tin cậy khi làm việc c a thanh truyền trong quá trình sử d ng Vì vậy thanh truyền

ph i luôn đ m b o về đ tin cậy trong những điều kiện làm việc khác nhau, đ m

b o đ bền, đ c ng, tính chống mài mòn, đ m b o th i h n sử d ng, kích thước hình dáng hình học đ m b o ng su t gây ra đến m c nhỏ nh t

Để xác định m t cách chính xác giá trị và vị trí ng su t trong thanh truyền là

r t cần thiết, làm tối ưu hóa thanh truyền, cơ s cho việc nâng cao đ tin cậy, tuổi

thọ thanh truyền nói riêng và đ m b o an toàn khi khai thác c a đ ng cơ nó chung Đồng th i đưa ra đặc điểm hình học phù h p nhằm nâng cao kh năng tiết kiệm vật

liệu

1.2 Các nghiên c uătrongăn căvƠăngoƠiăn c

1.2.1 Các k t qu nghiên c uătrongăn c

Có nhiều đề tài nghiên c u trong nước về kh o sát ng su t thanh truyền trong

đó gồm m t số đề tài gần với nghiên c u như:

Đề tài th c sĩ “Kh o sát tr ng thái ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ

ZIδ 130” c a Đ Văn Quý trư ng Đ i học kỹ thuật δê Quý Đôn năm 2012 [1] Đề

tài kh o sát ng su t ng su t cơ học c a thanh truyền dựa việc xác định áp su t cháy cực đ i và dùng phương pháp phần tử hữu h n kết h p mô phỏng đ ng bằng phần mền AζSYS Với phương pháp mô phỏng trong mô trư ng cơ học đặt áp su t trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên tr c khuỷu Tuy nhiên đề tài chưa xây dựng phương pháp xác định ng su t cơ học thanh truyền đ ng cơ

Đề tài th c sĩ “Xác định trư ng ng su t cơ-nhiệt c a thanh truyền đ ng cơ xe xích PT76 có xét đến nh hư ng c a lực ma sát trư t” c a ζguyễn Văn Thanh trư ng Đ i học Kỹ Thuật δê Quý Đôn năm 2012 [2] Phương pháp mô phỏng phần mền AζSYS trong môi trư ng cơ nhiệt đặt nhiệt đ đư c chọn cố định cho piston

là 2000c, thanh truyền, chốt piston là 1000c và tr c khuỷu 800c kết h p đặt áp su t trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên tr c khuỷu Đề tài phát triển trên đề tài th c sĩ “Kh o sát tr ng thái ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng

cơ ZIδ 130” c a Đ Văn Quý trư ng Đ i học kỹ thuật δê Quý Đôn năm 2012 Đề

3

tài xác định đư c nh hư ng c a nhiệt đ đến ng su t thanh truyền tuy nhiên nh

hư ng lớn nh t đến ng su t thanh truyền do lực ma sát trư t

Cho đến th i điểm hiện nay chưa có nghiên c u trong nước về kh o sát ng

su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăngáp

1.2.2 Các k t qu nghiên c uăngoƠiăn c

Quá trình nghiên c u thanh truyền đư c thế giới nghiên c u từ r t lâu Trong

những năm trước 1980, quá trình phân tích kết c u tr nên phổ biến, thay thế dần quá trình kiểm tra cơ lí tính Vào những năm 1980, việc phân tích kết c u tr thành

m t công c thiết kế Những năm 1990, cùng với sự phát triển c a các phần mềm thiết kế 3D (CAD) và các phần mềm tính toán (CAE), quá trình tính toán kết c u góp phần làm gi m th i gian thiết kế s n phẩm Từ năm 2000 đến nay, quá trình phân tích, tính toán kết c u đã hoàn toàn thay thế quá trình kiểm tra cơ lí tính m t vài s n phẩm Mặc dù ch p nhận nó như là m t công c thiết kế nhưng việc phân tích tính toán kết c u trong s n xu t vẫn chưa phổ biến Trên thế giới hiện nay có

m t số công trình nghiên c u về kết c u thanh truyền như sau:

Pranav G Charkha và Ti năsƿăSantoshăB.ăJajuăvới nghiên c u “Phân tích &

Tối ưu hóa kết nối thanh truyền” [3] Trong nghiên c u này, tác gi đã tiến hành nghiên c u trên đ ng cơ xăng bốn thì, thanh truyền kết c u thép C-70 và mô hình hóa bằng cách sử d ng phần mềm ANSYS Nghiên c u này bao gồm hai lo i phân tích: phân tích ng su t thanh truyền tr ng thái tĩnh và phân tích ng su t mỏi thanh truyền M c tiêu chính c a nghiên c u này, xác định ng su t thanh truyền và tăng

hiệu qu kinh tế bằng việc gi m khối lư ng thanh truyền Phân tích ng su t thanh truyền tr ng thái tĩnh đ t t i trọng tĩnh lên thanh truyền đ t đư c và kết qu gi m 9,24% khối lư ng thanh truyền

Pravardhan S Shenoy và Ali Fatemi v ới nghiên c u ắTối ưu hóa kết nối

thanh truyền nhằm gi m chi phí và trọng lư ng” t p chí SAE quốc tế năm 2005 [4] Nghiên c u này, thực hiện trên thanh truyền kết c u thép C-70 nhằm gi m khối

lư ng vật liệu và chi phí s n xu t bằng cách phân tích phần tử hữu h n để tối ưu hóa

4

Kết qu nghiên c u thanh truyền tối ưu đó là nhẹ hơn 10% đến 25% và ít tốn kém

so với thanh truyền hiện có

Ti năsƿăK.ăTirupathi Reddy, Syed Altaf Hussain thu c Trư ng Cao đẳng Kỹ

thuật & Công nghệ Cơ khí, ζandyal- n Đ với nghiên c u “Phân tích và mô

phỏng mô hình c a thanh truyền” [5] Trong dự án này, thanh truyền với kết c u thép C-45 đư c thay thế bằng nhôm h p kim và gia cố bằng nhôm cacbua cho xe máy Suzuki GS150R Từ b n vẽ 2D thanh truyền c a nhà s n xu t đư c mô hình hóa bằng cách sử d ng phần mềm PRO-E 4.0 và phân tích đư c thực hiện bằng cách sử d ng phần mềm ANSYS Phân tích phần tử hữu h n c a thanh truyền đư c thực hiện bằng cách lựa chọn hai nguyên liệu, nhôm gia cư ng với Boron Carbide

và nhôm 360 Sự kết h p tốt nh t các thông số như ng su t, biến d ng, yếu tố an toàn và gi m trọng lư ng thực hiện trong phần mềm ANSYS So với thép C-45, nhôm cacbua, nhôm 360, nhôm cacbua đư c tìm th y có hệ số an toàn làm việc là

gần với yếu tố lý thuyết về an toàn, để gi m trọng lư ng 33,17%

ζăm 2011 với nghiên c u “Stress Analysis of Connecting Rod of Nissan Z24 Engine by the Finite Elements εethod” c a Mohammad Ranjbarkohan, Mohammad Reza Asadi và Behnam Nilforooshan Dardashti Với phương pháp tính toán bằng phương pháp ADAεS xác định ng su t thanh truyền đ ng cơ ζissan Z24 và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu Từ đó, xác định đ bền, th i gian làm việc tối đa c a thanh truyền và nâng cao hiệu qu kinh tế qua thiết kế

Các nghiên c u trên t p trung vào việc xác định ng su t thanh truyền theo hướng cắt gi m vật liệu Tuy nhiên vẫn chưa có công trình nghiên c u xác định ng

su t thanh truyền khi đ ng cơ tăng áp

1.3 M c tiêu nghiên c u c aăđ tài

Hiện nay, m t số đ ng cơ cũ đang đư c khai thác sử d ng Việt Nam tuy nhiên không mang l i hiệu qu kinh tế cao Việc nghiên c u kh o sát ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ HIζO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp là m c tiêu nghiên c u c a đề tài

5

Đề tài xây dựng phương pháp xác định ng su t thanh truyền đ ng cơ khi chịu lực khí cháy cực đ i trong buồng đốt và khi tăng áp Tính toán ng su t bằng phương pháp phần tử hữu h n, mô phỏng bằng phần mền ANSYS và thực nghiệm

kiểm tra bằng thiết bị đo thử ng su t INSTRON–USA, model 1500HDX t i trung tâm Quatest 3 Việt Nam Từ đó, xác định kh năng gắn b tăng áp c a đ ng cơ HINO-J08CF

1.4 Đ iăt ng nghiên c u

Lý thuyết đ ng cơ đốt trong

Lý thuyết phương pháp phần tử hữu h n

Thực nghiệm với thiết bị đo thử ng su t INSTRON –USA, model 1500HDX

t i trung tâm Quatest 3 Việt Nam

1.6 Ph ngăphápănghiênăc u

Để thực hiện đề tài kh o sát ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp, hướng tiếp cận c a đề tài đư c đề xu t các bước như sau:

HIζO-1 Nghiên c u lý thuyết đ ng cơ đốt trong

2 Tính toán ng su t thanh truyền dựa trên lý thuyết đ ng học và đ ng lực

học cơ c u piston tr c khuỷu thanh truyền

3 Nghiên c u tính toán ng su t bằng phương pháp phần tử hữu h n

4 Nghiên c u các phần mền thiết kế cơ khí CREO, SOδIDWORKS,

5 Nghiên c u phần mền mô phỏng tính toán ng su t như AζSYS, phần

mền mô phỏng đ ng cơ ESP, Matlab

6

6 Thực nghiệm kiểm tra ng su t thanh truyền đ ng cơ HIζO-J08CF với thiết bị đo thử ng su t INSTRON –USA, model 1500HDX t i trung tâm Quatest 3

1.7 ụănghƿaăkhoaăh c và th c ti n c aăđ tài

Đề tài “Kh o sát ng su t cơ học c a thanh truyền đ ng cơ HINO -J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp” xây dựng phương pháp tính toán ng su t cơ học thanh truyền khi không tăng áp và tăng áp

Kết qu nghiên c u xác định kh năng chịu ng su t lớn hơn c a thanh truyền

đ ng cơ HIζO -J08CF cho phép tăng áp, nâng cao công su t đ ng cơ

Đề tài định hướng gi i quyết nhu cầu nâng cao công su t đ ng cơ diesel thế hệ

cũ trên ô tô và tàu th y

7

C ăS LÝ THUY T

2.1 Đ ng h c c aăc ăc u piston tr c khu u thanh truy n giao tâm [6]

2.1.1 Quy lu tăđ ng h c c a piston

2.1.1.1 Chuy n v c a piston

Nghiên c u quy luật chuyển đ ng c a piston là nhiệm v ch yếu c a đ ng

học để thuận tiện trong việc kh o sát, ta đặt gi thiết trong quá trình làm việc, vận

tốc góc c a tr c khuỷu là m t hằng số (=const)

Trên (hình 2.1) giới thiệu cơ c u piston – tr c khuỷu- thanh truyền giao tâm Trong cơ c u này, đư ng tâm xy lanh và đư ng tâm tr c khuỷu trực giao Chuyển

vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) c a piston tùy thu c vào vị trí c a tr c khuỷu (trị

số c a x thay đổi tùy vào trị số c a góc quay tr c khuỷu )

X - Chuyển vị c a piston tính từ ĐCT theo góc quay tr c khuỷu 

l -Chiều dài c a thanh truyền, đư c tính bằng kho ng cách từ tâm đầu nhỏ (điểm B ') đến tâm đầu to (điểm C )

R - Bán kính quay c a tr c khuỷu

 - Góc quay c a tr c khuỷu tương ng với x tính từ ĐCT

 - Góc lệch giữa đư ng tâm thanh truyền và đư ng tâm xilanh ng với 

Gọi R

l

  là thông số kết c u ( =0,250,29), từ trên ta có

S X

9

sin.cos

Để thuận tiện hơn trong việc tính toán, trên thực tế quy luật đ ng học c a piston có thể xác định d ng công th c gần đúng

Trong tam giác OCB’ theo quan hệ lư ng giác ta có:

sin1.sin sin

l i là chiều âm

2.1.2 Quy lu tăđ ng h c c a thanh truy n

2.1.2.2 V n t c góc  tt

L y đ o hàm hai vế công th c (2.6) đối với th i gian ta có công th c tính vận

tốc góc c a thanh truyền

   Thay quan hệ trên vào (2.10), ta rút ra:

cos.cos

cos cos

13

2.2 Tính s c b n c a thân thanh truy n

Đối với đ ng cơ m t hàng xylanh, khi đ ng cơ làm việc thì thanh truyền chịu các lực sau đây:

- Lực khí thể

- Lực quán tính c a khối lư ng chuyển đ ng tịnh tiến

- Lực quán tính chuyển đ ng lắc (chuyển đ ng song phẳng) c a thanh truyền

Vì vậy tr ng thái chịu lực c a thân thanh truyền thư ng là

- Chịu nén và uốn do h p lực c a lực khí thể và lực quán tính c a khối lư ng chuyển đ ng tịnh tiến

- Chịu kéo do tác d ng c a lực quán tính chuyển đ ng tịnh tiến

Chịu uốn ngang do tác d ng c a lực quán tính chuyển đ ng lắc c a thanh truyền Khi tính toán s c bền c a thân thanh truyền đ ng cơ tốc đ cao (vtb> 9 m/s)

ph i xét đến lực quán tính chuyển đ ng tịnh tiến, lực quán tính chuyển đ ng quay,

lực quán tính chuyển đ ng lắc để tính s c bền mỏi c a thanh truyền

Lực tác d ng lên thân thanh truyền khi thanh truyền chịu tác d ng nén và uốn dọc là:

 Tính s c b n m i c a thân thanh truy n khi ch u t i tr ngăthayăđ i

M c đích c a việc tính toán này là xác định hệ số an toàn c a thân thanh

truyền tiết diện trung bình và tiết diện nhỏ nh t khi chịu kéo, nén và uốn dọc

a ng su t tổng lớn nh t khi chịu nén và uốn tiết diện trung bình ( tr c x-x

và tr c y-y )

1 max

1 max

Đối với các thanh truyền hiện nay hệ số k xk y  1,10 1, 2 

b ng su t kéo trên tiết diện trung bình (do lực Pjt gây ra) là

14

jt K tb

P F

 , 0 - giới h n mỏi c a vật liệu

2.3 ng d ngăph ngăphápăph n t h u h năđ xácăđ nh tr ng thái ng su t

c a thanh truy năđ ng c [7]

 Trình t phơnătíchăbƠiătoánătheoăph ngăphápăPTHH

1 R i r c hóa mi n kh o sát

Trong bước này, miền kh o sát V đư c chia thành các miền con Ve hay thành

các phần tử có d ng hình học thích h p

Với bài toán c thể số phần tử, hình d ng hình học c a phần tử cũng như kích

thước các phần tử ph i đư c xác định rõ.Số điểm nút m i phần tử không l y đư c

m t cách tùy tiện mà ph thu c vào hàm x p xỉ định chọn

2 Ch n hàm x p x thích h p

Vì đ i lư ng cần tìm ta chưa biết, nên gi thiết d ng x p xỉ c a nó sao cho đơn

gi n cho việc tính toán bằng máy tính nhưng ph i thỏa mãn các tiêu chuẩn h i t và

thư ng chọn d ng đa th c

3 Xây d ngăph ngătrìnhăph n t , hay thi t l p ma tr năđ c ng ph n t

[K]evƠăvécăt ăph n t {P}e

15

Có nhiều cách thiết lập trực tiếp, hoặc sử d ng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân…Kết qu nhận đư c có thể biểu diễn m t cách hình th c như m t phương trình phân tử      K e q e  P e

4 Ghép n i các ph n t trênăc ăs nôăhìnhăt ngăthíchămƠăk t qu là h

K*   q*  P* (2.20) Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phương trình để gi i

ζhưng với bài toán phi tuyến thì nghiệm sẽ đ t đư c sau 1 chu i các bước lặp

mà sau m i bước ma trận c ng ̅̅̅̅ thay đổi (trong bài toán phi tuyến vật lý) hay véc tơ lực hút ̅̅̅} thay đổi (trong bài toán phi tuyến hình học)

Từ kết qu trên, tiếp t c tìm ng su t, chuyển vị hay biến d ng c a t t c phần

tử

2.4 Cácăph ngătrìnhăc ăb n [7]

2.4.1 Chuy n v , bi n d ng và ng su t trong ph n t - ma tr năđ c ng ph n

t vƠăvécăt ăph n t

16

Khi gi i bài toán theo mô hình tương thích (còn gọi là phương pháp chuyển vị)

đ i lư ng cơ b n cần tìm trước tiên là chuyển vị Chuyển vị đư c x p xỉ hóa và n i

suy theo véc tơ chuyển vị nút phần tử {q} e Sau khi tìm đư c ma trận các hàm ta

biểu diễn đư c trư ng chuyển vị theo các chuyển vị nút phần tử {q} e

 u e N  q e (2.21)

Từ đó, theo các phương trình liên hệ giữa chuyển vị và biến d ng (các phương trình Cauchy), biến d ng c a m t điểm trong phần tử sẽ là

 e e   u e    N q e B q e (2.22)

Trong đó :[B] = [][N] và [B] đư c gọi là ma trận tính biến d ng

ng su t t i m t điểm thu c phần tử, trong trư ng h p vật liệu tuân theo định

Gi sử vật thể (miền V) đư c chia thành NE phần tử (miền con Ve) b i R điểm

nút Nếu m i điểm nút có s bậc tự do thì số bậc tự do c a c hệ là n = R x s Gọi ̅

là véc tơ chuyển vị nút tổng thể (hay véc tơ chuyển vị nút kết c u) Nó sẽ là tập h p

c a t t c các bậc tự do c a t t c các nút c a hệ và gồm n thành phần

Gi sử m i phần tử có r nút, thì số bậc tự do c a m i phần tử là n e = r x s Và

véc tơ chuyển vị nút phần tử ̅ gồm t t c các bậc tự do c a r nút c a phần tử t c

là gồm ne thành phần

Rõ ràng theo mô hình tương thích, các thành phần này c a {q} e nằm trong số

các phần tử c a ̅ Và do đó sự liên kết giữa hai véc tơ này có thể đư c biểu diễn

như sau

  

    

1 1

,

e e

e n

n n n

Trong đó [L] e là ma trận định vị c a phần tử có kích thước(ne x n) Ma trận này

cho th y hình nh sắp xếp các thành phần c a véc tơ {q}e trong{ ̅}

trên ta đã có công th c xác định thế năng toàn phần e c a m t phần tử Vậy

thế năng toàn phần c a toàn hệ là, sử d ng (2.27) và (2.29)

             

1 2

Biểu th c này biểu diễn thế năng toàn phần dừng (nguyên lý Lagrange) ta sẽ

có điều kiện cân bằng c a toàn hệ t i các điểm nút

18

C thể

1 0 2 0

1     

T NE

Biểu diễn điều kiện cân bằng c a vật thể t i các điểm nút Phần tử ̅̅̅̅ c a ma

trận c ng tổng thể ̅ biểu thị lực sinh ra nút i do chuyển dịch đơn vị nút j khi t t

c các nút bị gắn c ng

Còn các thành phần ̅ c a véc tơ t i tổng thể ̅ là ngo i lực tác đ ng lên các

phần tử (tính đến c biến d ng và ng su t ban đầu) đư c quy đổi về tương ng với bậc tự do th i

Trư ng h p hệ thanh, còn ph i kể thêm vào ̅ , các ngo i lực tập trung tác

đ ng lên các nút theo các bậc tự do tương ng mà tập h p các thành phần này là véc

tơ trọng t i nút ̅

Khi thiết lập phương trình trên ta dựa vào các điều kiện biên đ ng học, vật thể xem như tự do, ma trận ̅ là suy biến (không tồn t i nghịch đ o ) Do vậy ta

ma trận c ng phần tử [K]e và c a véc tơ ̅ t i phần tử vào vị trí c a nó trong ma

trận c ng tổng thể ̅ và véc tơ t i tổng thể ̅ Tuy nhiên trong thực hành ngư i

ta sử d ng ma trận liên hệ Boolean (ma trận chỉ số) tiện hơn nhiều trong quá trình ghép nối các phần tử để có đư c ̅ và ̅

Do [K] e đối x ng nên ma trận c ng tổng thể ̅ cũng là ma trận đối x ng, ngoài ra ̅ có d ng bang (bề r ng bằng tùy thu c cách đánh số nút)

2.4.3 Phép chuy n tr c t aăđ

ζhư trên ta th y các đ i lư ng chuyển vị, biến d ng và ng su t và c ma trận

hàm d ng [N], ma tr ận c ng phần tử [K] e , véc tơ t i phần tử {P} elà đư c xây dựng trong hệ tọa đ thích h p c a m i phần tử Hệ này thư ng chọn sao cho việc thiết

lập các công th c cần có là đơn gi n và hệ t o đ này đư c gọi là hệ tọa đ địa phương Khi m t hệ tọa đ địa phương đư c sử d ng thì phương c a các bậc tự do

c a phần tử cũng ph i đư c l y theo hệ tọa đ này

Tuy nhiên trong thực tế thư ng gặp các kết c u mà các phần tử khác nhau thì

có các hệ tọa đ đ i phương khác nhau và do đó các bậc tự do c a phần tử cũng khác nhau về phương

Do vậy cần thiết có hệ t o đ chung cho toàn hệ và gọi là hệ t o đ tổng thể (hệ tọa đ chung) Việc lựa chọn hệ tọa đ này là tùy ý tuy nhiên trong thực tế thư ng l y nó như hệ tr c để vẽ và biểu diễn hệ

Nếu gọi hệ tọa đ địa phương là xyz và hệ tọa đ chung tổng thể ồ’Ổ’ổ’

Gọi {q}evà{P}e và [K] e lần lư t là véc tơ chuyển vị nút phần tử, véc tơ t i và

ma trận c ng phần tử trong hệ tọa đ địa phương xyz

Với [T]e gọi là ma trận biến đổi các thành phần chuyển vị nút từ hệ tọa đ tổng

thể ồ’Ổ’ổ’ về hệ tọa đ địa phương xyz

Khi đó, thế năng toàn phần e c a phần tử đang là :

tơ chuyển vị nút tổng thể { ̅} ch a t t c các bậc tự do (các chuyển vị thành phần)

c a t t c các nút thu c hệ trong tọa đ tổng quát ồ’Ổ’ổ’ Rồi áp d ng nguyên lý thế

năng toàn phần dừng cho toàn hệ, ta thiết lập đư c phương trình cho toàn hệ

{ ̅} -Véc tơ chuyển vị nút tổng thể trong hệ tọa đ tổng thể

đây số h ng th hai { ̅} trong biểu th c xác định { ̅ } là véc tơ t i trọng

tập trung đặt t i các nút tác d ng theo các phương tương ng với c a các thành phần trong véc tơ chuyển vị nút kết c u { ̅} và thư ng đư c gọi là véc tơ t i trọng nút

2.5 Nh n xét

Trên cơ s nghiên c u kết c u hình học và phương pháp xác định ng su t cơ

c a thanh truyền đ ng cơ, có thể nhận định rằng ng su t cơ học ph thu c ch yếu vào tr ng thái nhiệt đ và vật liệu c a chi tiết

Việc xác định trư ng ng su t c a thanh truyền đ ng cơ là m t nhu cầu thực

tế nhằm gi i bài toán hoàn thiện kết c u, tăng cư ng đ bền chi tiết, gi m tổn hao nhiên liệu cho đ ng cơ Điều đó sẽ thỏa mãn đư c xu hướng tăng công su t và thu

gọn kích thước các chi tiết đ ng cơ nói chung và thanh truyền đ ng cơ nói riêng

Phần nghiên c u lý thuyết dựa vào cơ s lý thuyết để tinh toán bền, phân tích xác định trư ng ng su t cơ học c a thanh truyền với việc kết h p phương pháp

phần tử hữu h n và dùng phần mềm ANSYS để tính trư ng ng su t cơ học c a thanh truyền là m t xu hướng hiện đ i

22

Ch ngă3

3.1 M t s đ căđi m c a thanh truy năđ ngăc ăHinoăJ08CF

3.1.1 K t c uăđ ng c ăHinoăJ08CF

Đ ng cơ Hino J08CF do Nhật chế t o năm 2002, đư c lắp trên xe t i 8 t n Hino model FG1JPUB và m t số xe ch ng lo i khác đang sử d ng Việt Nam

Đ ng cơ diesel Hino J08CF là lo i đ ng cơ diesel 4 kỳ, 6 xi lanh, m t hàng

thẳng đ ng có công su t 156kW (210 mã lực) (b ng thông số kỹ thuật 3.1), làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng b c kiểu kín, dùng qu t để t o dòng khí lưu đ ng qua két làm mát Trên hình 3.1 và 3.2 thể hiện sơ b mặt cắt ngang và dọc đ ng cơ

Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ Hino J08CF [8]

1 Phao hút d ầu; 2 Cácte dầỐ; 3 Đệm chân máy; 4 Bộ lọc dầu; 5 Bộ làm mát

nh ớt; 6 ng x ; 7 Trục cam; 8 Đệm đẩỔ; 9 Đũa đẩy; 10 Kim phun dầu; 11 Xúpap; 12 Cò m ; 13 Móng gi ữ kim phun; 14 Bugi xông máy; 15 Nắp xilanh; 16 Pittông; 17 L ọc th cấp; 18 Bơm cao áp; 19 QỐe ỏhăm dầỐ; 20 Áo nước; 21 Thân máỔ; 22 MáỔ pháỏ điện; 23 Thanh truyền; 24 Trục khuỷu

23

Hình 3.2: Mặt cắt doc động cơ Hino J08CF [8]

1 Ly h ợp qu t gió; 2 Qu t gió; 3 bi; 4.Đũa đẩy; 5.Nắp; 6.Lò xo xupap; 7.Chén

ch ặn; 8.Xupap hút; 9.Xupap x ; 10.Pisỏon; 11.Áo nước; 12.Thanh truyền; 13.Bánh đà; 14.C trục khuỷu; 15.Má trục khuỷu; 16.Cácte; 17.Lọc nhớỏ; 18.Đai c x

nh ớỏ; 19.Bơm nhớt; 20.Trục cam; 21 ng lóỏ; 22 Bánh đaiỏrục khuỷỐ;23 Bánh đai bơm nước

24

B ng 3.1: Thông s k thu t c aăđ ngăc ăHinoăJ08CF [8]

7 Tốc đ thư ng xuyên sử d ng, (netb) v/ph 13001700

17 Khối lư ng toàn b đ ng cơ (khô) kg 580

18 Chỉ số nén đa biến trung bình n1 1,37

19 Chỉ số gi n n đa biến trung bình n2 1,17

25

28 Hệ thống cung c p nhiên liệu

29 Dung tích thùng ch a nhiên liệu Lít 250

30 Bơm nhiên liệu áp th p KD

 Đầu nhỏ thanh truyền lắp ghép với chốt pít tông

 Đầu lớn thanh truyền đầu lắp ghép với chốt khuỷu

 Thân thanh truyền

Kết c u điển hình c a thanh truyền giới thiệu trên hình 3.3

Hình 3.4: Kích thước của đầu nhỏ thanh truyền mỏng

Lo i đầu nhỏ thanh truyền mỏng, cư ng hóa, có d ng m t ống tr r ng

Mặt ngoài, phía trên c a đầu nhỏ thanh truyền có d ng ô van và có g đúc Phía trên có l doa r ng thành phễu để h ng dầu bôi trơn, đ m b o tốt ch t lư ng bôi trơn mà không làm gi m đ c ng vững c a đầu nhỏ

B c trư t d ng ống tr mỏng đư c ép vào l đầu nhỏ sau đó doa tinh và đư c

chọn lắp theo nhóm kích thước với chốt pít tông Mặt trong b c có rãnh ch a dầu

27

Để tránh tập trung ng su t, thay cho l h ng dầu, các l h ng dầu có đư ng kính nhỏ đư c bố trí nửa trên c a đầu nhỏ thành mỏng M t trong những l đó

đư c lắp ống định vị b c với đầu nhỏ như trên thanh truyền

Có đư ng kính lớn hơn trung tâm nửa trên c a b c vừa để gi m diện tích

tiếp xúc với chốt vừa để t o khoang ch a dầu bôi trơn trong vung té nhằm tăng

cư ng kh năng đ m b o màng dầu

Rãnh h ng dầu r t r ng nửa trên đầu nhỏ với m c đích h ng dầu tốt hơn và

gi m diện tích h ng dầu với chốt

Hai mặt đầu tr c a đầu nhỏ côn, vừa để gi m diện tích tiếp xúc với chốt khi pít tông vùng ĐCT cuối th i đầu n p, đồng th i l i tăng đư c diện tích bề mặt tiếp xúc c a bệ chốt pít tông với chốt khí pít tông ĐCT đầu hành trình cháy dãn n

b) Thân thanh truy n

Thân thanh truyền nối đầu nhỏ với đầu lớn thanh truyền, chịu kéo, nén, uốn

dọc do tác d ng c a khí thể và lực quán tính

Hiện tư ng uốn dọc khi chịu nén còn đư c gia tăng b i lực quán tính trong chuyển đ ng c a thân thanh truyền Chiều dài thanh truyền ph thu c vào trị số bán kính quay tr c khuỷu và hệ số kết c u 

kết c u thân thanh truyền có tiết diện ngang hình chữ I tăng dần về phía đầu

lớn Phần thân c a thanh truyền có g dày để phù h p với việc khoan l dẫn dầu bôi trơn lên đầu nhỏ

Hình 3.5: Tiết diện thân thanh truyền

28

Bề mặt ngoài c a thân (cũng như bề mặt tr ngoài c a đầu nhỏ và đầu lớn) không đư c gia công cơ Và các bề mặt không công tác này đư c mài để h n chế các vết n t tế vy Để tránh tập trung ng su t

c) Đ u l n thanh truy n

Đầu lớn có đ c ng vững cao để b c không bị biến d ng, nh t là đối với b c

mỏng Có kích thước nhỏ gọn để lực quán tính chuyển đ ng quay nhỏ (gi m t i

trọng lực quán tính tác d ng lên bề mặt cổ khuỷu – b c đầu lớn và lên bề mặt cổ

tr c – b c ổ đỡ) Kích thước đầu lớn nhỏ nên kích thước c a h p tr c khuỷu và nh

hư ng tới khối lư ng đ ng cơ nhỏ Đ m b o mối ghép nối tin cậy và chắc chắn với

phần thân, tránh đư c sự tập trung ng su t

29

Hình 3.6: Kích thước cơ bản thanh truyền động cơ Hino J08CF

3.1.2 Xácăđ nh v t li u c a thanh truy n

ζơi thử Tổng c c tiêu chuân đo lư ng ch t lư ng

Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lư ng ch t lư ng 3

110

R71

32

A A

A

R69

30

Phương pháp thử ASTM E 415-08 Standard Test Method for Atomic Emission Vacuum Spectrometric Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel

Thiết bị thí nghiệm xác định thành phần hóa học máy quang phổ phát x

HORIBA, model GD PROFILER 2

Hình 3.7: Máy quang phổ phát xạ HORIBA, model GD PROFILER 2

B ng 3.2: K t qu th nghi m v t li u thanh truy n (xem ph l c phi u k t

31

Vật liệu chế t o thanh truyền là thép C45Mn, là m t kim lo i màu xám đến trắng với nhiệt đ nóng ch y cao nh t trong mọi h p kim, r t c ng, có đ bền kéo

và uốn r t cao, kh năng chịu t i trọng đ ng r t lớn

3.2 Kh oăsátătr ng ng su tăc ăh c c a thanh truy năđ ngăc ăHinoăJ08CF

b ằngăph ngăphápănghiênăc u lý thuy t tính toán và ph ngăphápăph n t

h u h n

3.2.1 Kh oăsátătr ng ng su tăc ăh c c a thanh truy năđ ngăc ăHinoăJ08CF

b ằngăph ngăphápătínhătoánătruy n th ng

3.2.1.1 Chu trình nhi t th c t c aăđ ngăc Hino J08CF

Chu trình làm việc thực c a đ ng cơ biểu hiện quá trình thay đổi áp su t trong xylanh ph thu c vào thể tích môi ch t công tác ch a trong xylanh, nó là cơ s cho

việc xác định các thông số kỹ thuật chính c a đ ng cơ

Chu trình làm việc thực c a đ ng cơ khác với chu trình lý thuyết ch , có sự thay đổi môi ch t công tác sau m i chu kỳ làm việc Do đó có sự tổn th t năng

lư ng do sự c n dòng ch y c a khí mới n p và s n phẩm cháy ra khỏi không gian công tác, đồng th i trong chu trình làm việc thực luôn luôn x y ra sự trao đổi nhiệt

giữa môi ch t công tác với thành xilanh

Chu trình làm việc thực c a đ ng cơ Diesel ph c t p hơn nhiều so với chu trình lý thuyết, nên trong tính toán chúng ta không đề cập hết các thông số nh

hư ng đến quá trình nhiệt đ ng lực học trong đ ng cơ mà ph i lư t đi những thông

, 0 1

750 04 , 0 30 293

T T

C z

0 1

17 , 1 1

11 Nhiệt đ cuối quá trình n p Ta oK 339

12 Áp su t cuối quá trình n p pa bar 0,8

34

13 Nhiệt đ cuối quá trình nén Tc oK 1027

14 Áp su t cuối quá trình nén pc bar 48,5

15 Nhiệt đ cuối quá trình đẳng áp Tz oK 2181

17 Nhiệt đ cuối quá trình giãn n Tb oK 1361

18 Áp su t cuối quá trình gi n n pb bar 3,4