khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ hino j08cf diesel 6 xi lanh khi tăng áp

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.. 29 3.2 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền độ

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 LANH KHI TĂNG ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

S K C0 0 4 7 3 2

KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP

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 LANH KHI TĂNG ÁP

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN HỮU HƯỜNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

LÝ 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

LỜI 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

LỜI 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

TÓM 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

MỤC 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

2.3 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

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TĂT

Mangan

DANH 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

Hình 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

DANH 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

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Dẫn nhập

Động cơ đốt trong đang thể hiện vị trí, vai trò ưu việt của mình trong nhiều lĩnh vực vận tải khác nhau Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học kỹ thuật, động cơ đốt trong cũng không ngừng được cải tiến và hoàn thiện theo hướng đạt hiệu quả cao nhất phù hợp với các yêu cầu mục đích của từng phương tiện, như:giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiếng ồn…

Thanh 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

tin 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

là 2000c, thanh truyền, chốt piston là 1000c và trục khuỷu 800c kết hợp đặt áp suất 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

tài 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 suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăngáp

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

Kết quả nghiên cứu thanh truyền tối ưu đó là nhẹ hơn 10% đến 25% và ít tốn kém

so với thanh truyền hiện có

Tiến sĩ K Tirupathi Reddy, Syed Altaf Hussain thuộc Trường Cao đẳng Kỹ

thuật & Công nghệ Cơ khí, Nandyal- Ấn Độ với nghiên cứu “Phân tích và mô phỏng mô hình của thanh truyền” [5] Trong dự án này, thanh truyền với kết cấu thép C-45 được thay thế bằng nhôm hợp kim và gia cố bằng nhôm cacbua cho xe máy Suzuki GS150R Từ bản vẽ 2D thanh truyền của nhà sản xuất được mô hình hóa bằng cách sử dụng phần mềm PRO-E 4.0 và phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS Phân tích phần tử hữu hạn của thanh truyền được thực hiện bằng cách lựa chọn hai nguyên liệu, nhôm gia cường với Boron Carbide

và nhôm 360 Sự kết hợp tốt nhất các thông số như ứng suất, biến dạng, yếu tố an toàn và giảm trọng lượng thực hiện trong phần mềm ANSYS So với thép C-45, nhôm cacbua, nhôm 360, nhôm cacbua được tìm thấy có hệ số an toàn làm việc là gần với yếu tố lý thuyết về an toàn, để giảm trọng lượng 33,17%

Năm 2011 với nghiên cứu “Stress Analysis of Connecting Rod of Nissan Z24 Engine by the Finite Elements Method” của Mohammad Ranjbarkohan, Mohammad Reza Asadi và Behnam Nilforooshan Dardashti Với phương pháp tính toán bằng phương pháp ADAMS xác định ứng suất thanh truyền động cơ Nissan Z24 và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu Từ đó, xác định độ bền, thời

gian làm việc tối đa của thanh truyền và nâng cao hiệu quả kinh tế qua thiết kế

Các nghiên cứu trên tạp trung vào việc xác định ứng suất thanh truyền theo hướng cắt giảm vật liệu Tuy nhiên vẫn chưa có công trình nghiên cứu xác định ứng suất thanh truyền khi động cơ tăng áp

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Hiện nay, một số động cơ cũ đang được khai thác sử dụng ở Việt Nam tuy nhiên không mang lại hiệu quả kinh tế cao Việc nghiên cứu khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp là mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài xây dựng phương pháp xác định ứng suất thanh truyền động cơ khi chịu lực khí cháy cực đại trong buồng đốt và khi tăng áp Tính toán ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng bằng phần mền ANSYS và thực nghiệm kiểm tra bằng thiết bị đo thử ứng suất INSTRON–USA, model 1500HDX tại trung tâm Quatest 3 Việt Nam Từ đó, xác định khả năng gắn bộ tăng áp của động cơ HINO-J08CF

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Lý thuyết động cơ đốt trong

Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp, hướng tiếp cận của đề tài được đề xuất các bước như sau:

HINO-1 Nghiên cứu lý thuyết động cơ đốt trong

2 Tính toán ứng suất thanh truyền dựa trên lý thuyết động học và động lực học cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền

3 Nghiên cứu tính toán ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

4 Nghiên cứu các phần mền thiết kế cơ khí CREO, SOLIDWORKS,

5 Nghiên cứu phần mền mô phỏng tính toán ứng suất như ANSYS, phần mền mô phỏng động cơ ESP, Matlab

6 Thực nghiệm kiểm tra ứng suất thanh truyền động cơ HINO-J08CF với thiết bị đo thử ứng suất INSTRON –USA, model 1500HDX tại trung tâm Quatest 3

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài “Khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO -J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp” xây dựng phương pháp tính toán ứng suất cơ học thanh truyền khi không tăng áp và tăng áp

Kết quả nghiên cứu xác định khả năng chịu ứng suất lớn hơn của thanh truyền động cơ HINO -J08CF cho phép tăng áp, nâng cao công suất động cơ

Đề tài định hướng giải quyết nhu cầu nâng cao công suất động cơ diesel thế hệ

cũ trên ô tô và tàu thủy

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Động học của cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền giao tâm [6]

2.1.1 Quy luật động học của piston

2.1.1.1 Chuyển vị của piston

Nghiên cứu quy luật chuyển động của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động học để thuận tiện trong việc khảo sát, ta đặt giả thiết trong quá trình làm việc, vận tốc góc của trục khuỷu là một hằng số (=const)

Trên (hình 2.1) giới thiệu cơ cấu piston – trục khuỷu- thanh truyền giao tâm Trong cơ cấu này, đường tâm xy lanh và đường tâm trục khuỷu trực giao Chuyển

vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tùy thuộc vào vị trí của trục khuỷu (trị

số của x thay đổi tùy vào trị số của góc quay trục khuỷu )

X - Chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu 

l -Chiều dài của thanh truyền, được tính bằng khoảng cách từ tâm đầu nhỏ

(điểm B ') đến tâm đầu to (điểm C )

R - Bán kính quay của trục khuỷu

 - Góc quay của trục khuỷu tương ứng với x tính từ ĐCT

 - Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xilanh ứng với 

l

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

S X

 

sin.cos

2.1.1.3 Gia tốc của piston

Đạo hàm công thức (2.4) theo thời gian, ta có công thức để tính gia tốc của piston

cos cos sin

Để thuận tiện hơn trong việc tính toán, trên thực tế quy luật động học của piston có thể xác định ở dạng công thức gần đúng

Trong tam giác OCB’ theo quan hệ lượng giác ta có:

sin1.sin sin

2.1.2 Quy luật động học của thanh truyền

Thanh truyền trong cơ cấu trục khuỷu- thanh truyền chuyển động rất phức tạp trong mặt phẳng thẳng góc với đường tâm trục khuỷu Đầu to thanh truyền chuyển động tịnh tiến theo phương đường tâm xylanh, trong khi đó đầu to chuyển động quay tròn quanh đường tâm trục khuỷu với tốc độ góc không đổi

Vì vậy chuyển động của thanh truyền đối với đường tâm xylanh biến thiên theo quan hệ sau

arcsin sin

    (2.9) Góc lệch này đạt trị số cực đại khi 0

Trong đó:  - tốc độ góc của trục khuỷu

Do sin  sinnên đạo hàm hia vế đẳng thức này ta : cos d cos d

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

cos.cos

cos cos

sinsin

2.2 Tính sức bền của thân thanh truyền

Đối với động cơ một hàng xylanh, khi động cơ làm việc thì thanh truyền chịu các lực sau đây:

- Lực khí thể

- Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến

- Lực quán tính chuyển động lắc (chuyển động song phẳng) của thanh truyền

Vì vậy trạng thái chịu lực của thân thanh truyền thường là

- Chịu nén và uốn do hợp lực của lực khí thể và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến

- Chịu kéo do tác dụng của lực quán tính chuyển động tịnh tiến

Chịu uốn ngang do tác dụng của lực quán tính chuyển động lắc của thanh truyền Khi tính toán sức bền của thân thanh truyền động cơ tốc độ cao (vtb> 9 m/s) phải xét đến lực quán tính chuyển động tịnh tiến, lực quán tính chuyển động quay, lực quán tính chuyển động lắc để tính sức bền mỏi của thanh truyền

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

 Tính sức bền mỏi của thân thanh truyền khi chịu tải trọng thay đổi

Mục đích của việc tính toán này là xác định hệ số an toàn của thân thanh

truyền ở tiết diện trung bình và tiết diện nhỏ nhất khi chịu kéo, nén và uốn dọc

a Ứng suất tổng lớn nhất khi chịu nén và uốn ở tiết diện trung bình ( trục x-x

và trục y-y )

1 max

1 max

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

b Ứng suất kéo trên tiết diện trung bình (do lực Pjt gây ra) là

jt K tb

P F

  (2.15)

Trong đó p jt lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston và phần

thân phía trên tiết diện trung bình

c Hệ số an toàn ở tiết diện trung bình là:

 , 0 - giới hạn mỏi của vật liệu

2.3 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trạng thái ứng suất

của thanh truyền động cơ [7]

 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp PTHH

1 Rời rạc hóa miền khảo sát

Trong bước này, miền khảo sát V được chia thành các miền con Ve hay thành

các phần tử có dạng hình học thích hợp

Với bài toán cụ thể số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng như kích

thước các phần tử phải được xác định rõ.Số điểm nút mỗi phần tử không lấy được

một cách tùy tiện mà phụ thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn

2 Chọn hàm xấp xỉ thích hợp

Vì đại lượng cần tìm ta chưa biết, nên giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơn

giản cho việc tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tụ và

thường chọn ở dạng đa thức

3 Xây dựng phương trình phần tử, hay thiết lập ma trận độ cứng phần tử

Có nhiều cách thiết lập trực tiếp, hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân…Kết quả nhận được có thể biểu diễn một cách hình thức như một phương trình phân tử      K e q e  P e

4 Ghép nối các phần tử trên cơ sở nô hình tương thích mà kết quả là hệ thống phương trình

Đây chính là phương trình hệ thống hay còn gọi là hệ phương trình để giải

5 Giải hệ phương trình đại số

Nhưng với bài toán phi tuyến thì nghiệm sẽ đạt được sau 1 chuỗi các bước lặp

mà sau mỗi bước ma trận cứng ̅̅̅̅ 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 quả trên, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng của tất cả phần

tử

2.4 Các phương trình cơ bản [7]

2.4.1 Chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử - ma trận độ cứng phần

tử và véc tơ phần tử

Khi giải bài toán theo mô hình tương thích (còn gọi là phương pháp chuyển vị) đại lượng cơ bản cần tìm trước tiên là chuyển vị Chuyển vị được xấp xỉ hóa và nội

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

biểu diễn được trường 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 dạng (các phương trình Cauchy), biến dạng của một điểm trong phần tử sẽ là

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

Trong đó :[B] = [][N] và [B] được gọi là ma trận tính biến dạng

Ứng suất tại một điểm thuộc phần tử, trong trường hợp vật liệu tuân theo định luật Hooke sẽ là:

Trong đó [T] = [D][B] gọi là ma trận tính ứng suất phần tử Từ (2.13), (2.14)

và (2.16) cho ta chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử theo véc tơ chuyển

2.4.2 Ghép nối các phần tử - ma trận cứng và véc tơ tải tổng thể

Giả sử vật thể (miền V) được chia thành NE phần tử (miền con Ve) bởi R điểm

nút Nếu mỗi điểm nút có s bậc tự do thì số bậc tự do của cả hệ là n = R x s Gọi ̅

là véc tơ chuyển vị nút tổng thể (hay véc tơ chuyển vị nút kết cấu) Nó sẽ là tập hợp

của tất cả các bậc tự do của tất cả các nút của hệ và gồm n thành phần

Giả sử mỗi phần tử có r nút, thì số bậc tự do của mỗi phần tử là n e = r x s Và

véc tơ chuyển vị nút phần tử ̅ gồm tất cả các bậc tự do của r nút của phần tử tức

là gồm ne thành phần

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

các phần tử của ̅ Và do đó sự liên kết giữa hai véc tơ này có thể được biểu diễn

như sau

  

    

1 1

,

e e

e n

n n n

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

cho thấy hình ảnh sắp xếp các thành phần của véc tơ {q} e trong{ ̅}

Ở trên ta đã có công thức xác định thế năng toàn phần e của một phần tử Vậy

thế năng toàn phần của toàn hệ là, sử dụng (2.27) và (2.29)

1 2

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

có điều kiện cân bằng của toàn hệ tại các điểm nút

Cụ thể

2 0

n q

Trường hợp hệ thanh, còn phải kể thêm vào ̅ , các ngoại lực tập trung tác động lên các nút theo các bậc tự do tương ứng mà tập hợp các thành phần này là véc

tơ trọng tải nút ̅

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

phải đưa vào các điều kiện biên động học là bất biến hình Sau khi áp đặt các điều kiện biên động học, phương trình (2.33) trở thành:

ma trận cứng phần tử [K]e và của véc tơ ̅ tải phần tử vào vị trí của nó trong ma trận cứng tổng thể ̅ và véc tơ tải tổng thể ̅ Tuy nhiên trong thực hành người

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

Do [K] e đối xứng nên ma trận cứng tổng thể ̅ cũng là ma trận đối xứng, ngoài ra ̅ có dạng bang (bề rộng bằng tùy thuộc cách đánh số nút)

2.4.3 Phép chuyển trục tọa độ

Như trên ta thấy các đại lượng chuyển vị, biến dạng và ứng suất và cả ma trận

hàm dạng [N], ma trận cứng phần tử [K] e , véc tơ tải phần tử {P} e là được xây dựng trong hệ tọa độ thích hợp của mỗi phần tử Hệ này thường chọn sao cho việc thiết lập các công thức cần có là đơn giản và hệ tạo độ này được gọi là hệ tọa độ địa phương Khi một hệ tọa độ địa phương được sử dụng thì phương của các bậc tự do của phần tử cũng phải được lấy theo hệ tọa độ này

Tuy nhiên trong thực tế thường gặp các kết cấu mà các phần tử khác nhau thì

có các hệ tọa độ đại phương khác nhau và do đó các bậc tự do của phần tử cũng khác nhau về phương

Do vậy cần thiết có hệ tạo độ chung cho toàn hệ và gọi là hệ tạo độ tổng thể (hệ tọa độ chung) Việc lựa chọn hệ tọa độ này là tùy ý tuy nhiên trong thực tế thường lấy nó như hệ trục để vẽ và biểu diễn hệ

Nếu gọi hệ tọa độ địa phương là xyz và hệ tọa độ chung tổng thể x’y’z’

Gọi {q}e và{P}e và [K] e lần lượt là véc tơ chuyển vị nút phần tử, véc tơ tải và

ma trận cứng phần tử trong hệ tọa độ địa phương xyz

Còn {q’}e, {P’}e và [K’]e là véc tơ chuyển vị nút, véc tơ tải và ma trận độ

cứng phần tử trong hệ tọa độ tồng thể x’y’z’

Ta có thể thiết lập mối quan hệ biểu diễn {q}e và {P}e theo {q’}e và {P’}e

thể x’y’z’ về hệ tọa độ địa phương xyz

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

Sau khi xoay trục, thế năng toàn phần của toàn hệ sẽ được biểu diễn theo véc

tơ chuyển vị nút tổng thể { ̅} chứa tất cả các bậc tự do (các chuyển vị thành phần)

của tất cả các nút thuộc hệ trong tọa độ tổng quát x’y’z’ Rồi áp dụng nguyên lý thế

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

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

Ở đây số hạng thứ hai { ̅ } trong biểu thức xác định { ̅ } là véc tơ tải trọng tập trung đặt tại các nút tác dụng theo các phương tương ứng với của các thành phần trong véc tơ chuyển vị nút kết cấu { ̅} và thường được gọi là véc tơ tải trọng nút

2.5 Nhận xét

Trên cơ sở nghiên cứu kết cấu hình học và phương pháp xác định ứng suất cơ của thanh truyền động cơ, có thể nhận định rằng ứng suất cơ học phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái nhiệt độ và vật liệu của chi tiết

Việc xác định trường ứng suất của thanh truyền động cơ là một nhu cầu thực

tế nhằm giải bài toán hoàn thiện kết cấu, tăng cường độ bền chi tiết, giảm tổn hao nhiên liệu cho động cơ Điều đó sẽ thỏa mãn được xu hướng tăng công suất và thu gọn kích thước các chi tiết động cơ nói chung và thanh truyền động cơ nói riêng Phần nghiên cứu lý thuyết dựa vào cơ sở lý thuyết để tinh toán bền, phân tích xác định trường ứng suất cơ học của thanh truyền với việc kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn và dùng phần mềm ANSYS để tính trường ứng suất cơ học của thanh truyền là một xu hướng hiện đại

Chương 3 XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT CƠ HỌC THANH

TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO J08CF

3.1 Một số đặc điểm của thanh truyền động cơ Hino J08CF

3.1.1 Kết cấu động cơ Hino J08CF

Động cơ Hino J08CF do Nhật chế tạo năm 2002, được lắp trên xe tải 8 tấn Hino model FG1JPUB và một số xe chủng loại khácđang sử dụng Việt Nam

Động cơ diesel Hino J08CF là loại động cơ diesel 4 kỳ, 6 xi lanh, một hàng thẳng đứng có công suất 156kW (210 mã lực) (bảng thông số kỹ thuật 3.1), làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức kiểu kín, dùng quạt để tạo dòng khí lưu động qua két làm mát Trên hình 3.1 và 3.2 thể hiện sơ bộ mặt cắt ngang và dọc động cơ

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

1 Phao hút dầu; 2 Cácte dầu; 3 Đệm chân máy; 4 Bộ lọc dầu; 5 Bộ làm mát nhớt; 6 Ống xả; 7 Trục cam; 8 Đệm đẩy; 9 Đũa đẩy; 10 Kim phun dầu; 11 Xúpap; 12 Cò mổ; 13 Móng giữ kim phun; 14 Bugi xông máy; 15 Nắp xilanh; 16 Pittông; 17 Lọc thứ cấp; 18 Bơm cao áp; 19 Que thăm dầu; 20 Áo nước; 21 Thân máy; 22 Máy phát điện; 23 Thanh truyền; 24 Trục khuỷu

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

1 Ly hợp quạt gió; 2 Quạt gió; 3.Ổ bi; 4.Đũa đẩy; 5.Nắp; 6.Lò xo xupap; 7.Chén chặn; 8.Xupap hút; 9.Xupap xả; 10.Piston; 11.Áo nước; 12.Thanh truyền; 13.Bánh đà; 14.Cổ trục khuỷu; 15.Má trục khuỷu; 16.Cácte; 17.Lọc nhớt; 18.Đai ốc xả nhớt; 19.Bơm nhớt; 20.Trục cam; 21.Ống lót; 22 Bánh đaitrục khuỷu;23 Bánh đai bơm nước

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ Hino J08CF [8]

3 Công suất cực đại của động cơ ở số

vòng quay, (Nemax /nN)

kW (mã lực)/(v/ph)

156 210/2900

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

19 Chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 1,17

26 Góc xả sớm xm 13

28 Hệ thống cung cấp nhiên liệu

32 Hệ thống bôi trơn

3.1.1 Kết cấu thanh truyền động cơ Hino J08CF

+ Kết cấu của thanh truyền gồm 3 phần

 Đầu nhỏ thanh truyền lắp ghép với chốt pít tông

 Đầu lớn thanh truyền đầu lắp ghép với chốt khuỷu

 Thân thanh truyền

Kết cấu điển hình của thanh truyền giới thiệu trên hình 3.3

Hình 3.4: Kích thước của đầu nhỏ thanh truyền mỏng

Loại đầu nhỏ thanh truyền mỏng, cường hóa, có dạng một ống trụ rỗng

Mặt ngoài, phía trên của đầu nhỏ thanh truyền có dạng ô van và có gờ đúc Phía trên có lỗ doa rộng thành phễu để hứng dầu bôi trơn, đảm bảo tốt chất lượng bôi trơn mà không làm giảm độ cứng vững của đầu nhỏ

Bạc trượt dạng ống trụ mỏng được ép vào lỗ đầu nhỏ sau đó doa tinh và được chọn lắp theo nhóm kích thước với chốt pít tông Mặt trong bạc có rãnh chứa dầu

Để tránh tập trung ứng suất, thay cho lỗ hứng dầu, các lỗ hứng dầu có đường kính nhỏ được bố trí ở nửa trên của đầu nhỏ thành mỏng Một trong những lỗ đó được lắp ống định vị bạc với đầu nhỏ như trên thanh truyền

Có đường kính lớn hơn ở trung tâm nửa trên của bạc vừa để giảm diện tích tiếp xúc với chốt vừa để tạo khoang chứa dầu bôi trơn trong vung té nhằm tăng cường khả năng đảm bảo màng dầu

Rãnh hứng dầu rất rộng ở nửa trên đầu nhỏ với mục đích hứng dầu tốt hơn và giảm diện tích hứng dầu với chốt

Hai mặt đầu trụ của đầu nhỏ côn, vừa để giảm diện tích tiếp xúc với chốt khi pít tông ở vùng ĐCT cuối thải đầu nạp, đồng thời lại tăng được diện tích bề mặt tiếp xúc của bệ chốt pít tông với chốt khí pít tông ở ĐCT đầu hành trình cháy dãn nở

b) Thân thanh truyền

Thân thanh truyền nối đầu nhỏ với đầu lớn thanh truyền, chịu kéo, nén, uốn dọc do tác dụng của khí thể và lực quán tính

Hiện tượng uốn dọc khi chịu nén còn được gia tăng bởi lực quán tính trong chuyển động của thân thanh truyền Chiều dài thanh truyền phụ thuộc vào trị số bán kính quay trục khuỷu và hệ số kết cấu 

kết cấu thân thanh truyền có tiết diện ngang hình chữ I tăng dần về phía đầu lớn Phần thân của thanh truyền có gờ dày để phù hợp với việc khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn lên đầu nhỏ

Hình 3.5: Tiết diện thân thanh truyền

21 Ø4

R5

6