Ứng dụng solidworks 2018 thiết kế lại PISTON - THANH TRUYỀN

Piston và thanh truyền là chi tiết chuyển động quan trọng của động cơ diesel (CI). Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều nghiên cứu tăng tỉ lệ mã lực trên trọng lượng của động cơ đốt trong. Để đạt được tỉ lệ công suất trên trọng lượng tăng lên, sự cần thiết của việc tối ưu hóa thiết kế của các chi tiết bên trong động cơ đốt trong được xem là rất quan trọng. Piston và thanh truyền nhẹ hơn giảm được vấn đề cân bằng động. Vì vậy cần phải tối ưu hóa thiết kế trọng lượng ở mức tối thiểu. Một trong những phương án hiệu quả nhất là thay đổi vật liệu chế tạo của 2 chi tiết này.

KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN KẾT THÚC HỌC PHẦN MÔN: ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG THIẾT KẾ VÀ

MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ

Họ và tên:

Nguyễn Hoàng Khan MSSV: 18025341

Nguyễn Hoàng Phi MSSV: 18038601

Huỳnh Trần Hữu Luân MSSV: 18036911

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Lớp: DHOT14A Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢNG PHÂN CHIA NHIỆM VỤ THÀNH VIÊN

1 Nguyễn Hoàng Khan 18025341 Nhóm Trưởng Câu 1, 4, tổng hợp cuối cùng

3 Huỳnh Trần Hữu Luân 18036911 Thành Viên Câu 2, 3, 5; tổng hợp bài

Nguyễn Hoàng Phi

Trần Công Minh

Huỳnh Trần Hữu Luân

Nguyễn Quốc Duy

Nguyễn Hoàng Khan

Nguyễn Hoàng Phi ○ 20%

MỞ ĐẦU

Giới thiệu về ứng dụng máy tính trong thiết kế và mô phỏng động cơ:

Công việc ứng dụng máy tính trong thiết kế và mô phỏng động cơ cho phép các kỹ sư thiết kế và xem xét hầu như bất kỳ phương án nào mà không cần tốn chi phí lớn để chế tạo các chi tiết của động cơ Thử nghiệm các thiết kế hoặc ý tưởng mới dựa vào mô phỏng trên máy tính để loại bỏ các vấn đề trước khi bắt đầu sản xuất Dù cho các chi tiết phức tạp của động cơ cũng được dễ dàng mô phỏng [2]

Tại sao thay đổi vật liệu chế tạo của piston và thanh truyền?

Piston và thanh truyền là chi tiết chuyển động quan trọng của động cơ diesel (CI) Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều nghiên cứu tăng tỉ lệ mã lực trên trọng lượng của động cơ đốt trong Để đạt được tỉ lệ công suất trên trọng lượng tăng lên, sự cần thiết của việc tối ưu hóa thiết kế của các chi tiết bên trong động cơ đốt trong được xem là rất quan trọng Piston và thanh truyền nhẹ hơn giảm được vấn đề cân bằng động Vì vậy cần phải tối ưu hóa thiết kế trọng lượng ở mức tối thiểu Một trong những phương án hiệu quả nhất là thay đổi vật liệu chế tạo của 2 chi tiết này [3]

ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH Ở CHẾ ĐỘ BỀN TĨNH

CỦA HAI CHI TIẾT PISTON VÀ THANH TRUYỀN

Giả sử động cơ Diesel có thông số đặc tính:

MỤC LỤC

1 Điều Kiện Làm Việc Của Piston Và Thanh Truyền: 8

1.1 Điều kiện làm việc của piston: 8

1.2 Điều kiện làm việc của thanh truyền: 9

2 Các Bước Cơ Bản Và Quy Trình Thiết Kế Lại Piston – Thanh Truyền: 10

3 Thông Số Đầu Vào Cần Thiết Để Thực Hiện Mô Phỏng Tính Bền: 12

4 Các Trường Hợp Cần Kiểm Nghiệm Bền Cho Piston – Thanh Truyền: 13

4.1 Các Trường Hợp Cần Kiểm Nghiệm Bền Cho Piston: 13

4.2 Các Trường Hợp Cần Kiểm Nghiệm Bền Cho Thanh Truyền: 18

4.2.1 Giả thuyết 18

4.2.2 Trường hợp 1: Đầu nhỏ cố định, đầu to chịu kéo 19

4.2.3 Trường hợp 2: Đầu to cố định, đầu nhỏ chịu kéo 22

4.2.4 Trường hợp 3: Đầu nhỏ cố định, đầu to chịu nén 24

4.2.5 Trường hợp 4: Đầu to cố định đầu nhỏ chịu nén 26

5 Quy Trình Mô Phỏng: 29

6 Cơ sở để xác định chi tiết chế tạo mới đảm bảo bền: 30

7 Bản Vẽ 2D Của Piston – Thanh Truyền: 30

8 Tài liệu tham khảo 31

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Lưu đồ các bước thiết kế ngược 10

Hình 2 2 Lưu đồ các bước cơ bản thiết kế lại piston thanh truyền 11

Hình 4.1 Gán trọng lực cho piston nằm ngang 15

Hình 4.2 Gán áp suất lên đỉnh piston 15

Hình 4.3 Gán nhiệt độ lên đỉnh piston 15

Hình 4.1 Tiêu chuẩn chia lưới 16

Hình 4.2 Piston sau khi chia lưới 16

Hình 4.3 Biểu đồ ứng suất của piston 16

Hình 4.4 Ứng suất khác biệt ở đỉnh piston so với các phần khác 16

Hình 4.7 Biểu đồ chuyển vị của piston 17

Hình 4.8 Chuyển vị của piston thay đổi theo thời gian 17

Hình 4.9 Biểu đồ sức căng do nhiệt độ (giãn nỡ) 18

Hình 4.10 Biểu đồ hệ số an toàn 18

Hình 4.14 Điều kiện biên các trường hợp mô phỏng thanh truyền 19

Hình 4 15 Gán trọng lực cho thanh truyền nằm ngang 19

Hình 4 16 Gán điều kiện biên của thanh truyền trường hợp 1 20

Hình 4.17 Tiêu chuẩn chia lưới của thanh truyền 20

Hình 4.18 Thanh truyền sau khi chia lưới 20

Hình 4.19 Ứng suất thanh truyền trường hợp 1 21

Hình 4.20 Sự thay đổi ứng suất theo thời gian trường hợp 1 21

Hình 4.21 Chuyển vị thanh truyền trường hợp 1 21

Hình 4.22 Chuyển vị thanh truyền thay đổi theo thời gian trường hợp 1 21

Hình 4.23 Hệ số an toàn của thanh truyền trường hợp 1 22

Hình 4.24 Điều kiện biên của thanh truyền trường hợp 2 22

Hình 4.25 Ứng suất của thanh truyền trường hợp 2 23

Hình 4.26 Sự thay đổi ứng suất của thanh truyền theo thời gian trường hợp 2 23

Hình 4.27 Chuyển vị của thanh truyền trường hợp 2 23

Hình 4.28 Sự thay đổi chuyển vị theo thời gian của thanh truyền trường hợp 2 23

Hình 4.29 Hệ số an toàn của thanh truyền trường hợp 2 24

Hình 4.30 Điều kiện biên của thanh truyền trường hợp 3 24

Hình 4.31 Ứng suất của thanh truyền trường hợp 3 25

Hình 4.32 Ứng suất của thanh truyền thay đổi theo thời gian trường hợp 3 25

Hình 4.33 Chuyển vị của thanh truyền trường hợp 3 25

Hình 4.34 sự thay đổi chuyển vị của thanh truyền theo thời gian trường hợp 3 25

Hình 4.35 Chuyển vị của thanh truyền trường hợp 3 26

Hình 4.36 Gán điều kiện biên cho thanh truyền trường hợp 4 26

Hình 4.37 Ứng suất của thanh truyền trường hợp 4 27

Hình 4.38 Sự thay đổi ứng suất của thanh truyền theo thời gian trường hợp 4 27

Hình 4.39 Chuyển vị của thanh truyền trường hợp 4 27

Hình 4.40 Sự tay đổi của thanh truyền theo thời gian trường hợp 4 27

Hình 4.41 Hệ số an toàn của thanh truyền trường hợp 4 28

Hình 5 1 Lưu đồ về qui trình mô phỏng 29

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 3 1 Bảng thông số đầu vào cần thiết để thực hiện mô phỏng 13

Bảng 4.1Thành phần của vật liệu Aluminium alloy 7075[5] 14

Bảng 4.2 Thông số cơ bản của vật liệu aluminium alloy 7075-T6, Plate (ss) 14

Bảng 4.3 Điều kiện biên của mô phỏng piston 15

Bảng 4.4 Bảng thu thập kết quả 18

Bảng 4.5 Bảng thu thập kết quả mô phỏng thanh truyền 28

1 Điều Kiện Làm Việc Của Piston Và Thanh Truyền:

1.1 Điều kiện làm việc của piston:

Piston là một chi tiết máy quan trọng của động cơ đốt trong Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn Lực tác dụng và nhiệt độ cao do lực khí thể và lực quán tính sinh ra gây nên nên ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston, còn mài mòn là

do thiếu dầu bôi trơn mặt ma sát của piston với xylanh khi chịu lực

Tải trọng cơ học Trong quá trình cháy, khí hỗn hợp cháy sinh ra áp suất rất lớn trong buồng cháy;

có khi đạt tới 130 at hoặc cao hơn Trong chu kỳ công tác của động cơ, áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston thay đổi rất nhiều Vì vậy lực khí thể có tính va đập lớn Trong động cơ cao tốc, do số vòng quay rất cao nên quán tính tác dụng trên piston cũng rất lớn

Lực tác dụng trên piston lớn, gây nên áp suất lớn, làm biến dạng piston và đôi khi làm hư hỏng piston

Tải trọng nhiệt Trong quá trình cháy, piston trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao

(2300-28000K) nên nhiệt độ của piston, nhất là nhiệt độ phần đỉnh piston cũng rất cao (thường vào khoảng 500-8000K) Nhiệt độ của piston cao thường gây ra những tác hại sau đây:

- Gây ứng suất nhiệt lớn, có thể làm rạn nứt piston

- Gây biến dạng lớn, có thể làm cho piston bị bó kẹt trong xylanh và tăng ma sát giữa piston và xylanh

- Làm giảm sức bền của piston

- Làm giảm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ

- Làm dầu nhờn mau bị phân hủy

- Nhiệt độ piston quá cao dễ gây ra hiện tượng kích nổ

Ma sát và ăn mòn hóa học Trong quá trình làm việc, piston chịu ma sát khá lớn do thiếu dầu bôi

trơn và do lực ngang N ép piston vào xylanh Hơn nữa do lực khí thể, lực quán tính và nhiệt độ cao làm cho piston biến dạng nên ma sát lại càng tăng Ngoài ra, do piston luôn tiếp xúc với sản vật cháy nên còn

bị sản vật cháy ăn mòn (trong sản vật cháy có nhiều loại hơi axit như axit cacbonic, axit sunfuaric,…)

Do điều kiện làm việc của piston như thế nên khi thiết kế piston cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất

- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và giảm ứng suất nhiệt

- Trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính

- Đủ bền và đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn

Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất của động cơ không giảm sút, không cháy piston (ở chỗ lọt

khí) và ít hao dầu nhờn (trang 33,34[1])

Các cuộc nghiên cứu gần đây chỉ ra ứng suất lớn nhất ở đầu piston và sự tập trung ứng suất là một trong những lý do gây ra hỏng hóc do mỏi Mặt khác quá nhiệt piston chỉ xảy ra khi vật gì đó đốt cháy và làm bay đi lớp màn dầu tồn tại giữa piston và xylanh [4]

1.2 Điều kiện làm việc của thanh truyền:

Thanh truyền là chi tiết nối piston hoặc guốc trượt của cán piston (trong động cơ tĩnh tại tốc độ thấp) với trục khuỷu Nó có tác dụng truyền lực tác dụng trên piston xuống trục khuỷu, để làm quay trục khuỷu Khi động cơ làm việc thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau:

- Lực khí thể trong xylanh

- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston

- Lực quán tính của thanh truyền

Đầu nhỏ thanh truyền (đầu lắp với chốt piston) bị biến dạng dưới tác dụng của lực quán tính chuyển động tịnh tiến (không kể lực quán tính do khối lượng đầu nhỏ gây ra

Đầu to thanh truyền (đầu lắp với chốt khuỷu) chịu tác dụng lực quán tính của nhóm piston và thanh truyền Thân thanh truyền chịu nén dưới tác dụng của lực khí thể và chịu uốn trong mặt phẳng lắc của thanh truyền dưới tác dụng của lực quán tính

Khi động cơ làm việc: lực khí thể và lực quán tính thay đổi theo chu kỳ cả về trị số và hướng Do đó tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng thay đổi có tính va đập Trong những lúc động cơ tốc độ cao, lực quán tính khá lớn nên tính chất va đập rất mạnh Vì vậy khi thiết kế phải lưu ý lựa chọn kích

thước và vật liệu chế tạo cho hợp lý (trang 70, [1])

2 Các Bước Cơ Bản Và Quy Trình Thiết Kế Lại Piston – Thanh Truyền:

2.1.Thiết kế ngược

Thuật ngữ "Reverse engineering method" còn gọi là

thiết kế ngược Khác với thiết kế thuận, thiết kế ngược

là thiết kế từ một mẫu đã có sẵn Sử dụng thiết bị scan

3D (quét 3D) để chụp lại các biên dạng 3 chiều, sao chép

lại các layer, đưa dữ liệu sang các phần mềm (Geomagic

designX, Cimatron, Solidworks, ProE, Catia ) để tiến

hành thiết kế Các phần mềm này cũng cho phép người

dùng thay đổi kích thước và kiểu dáng theo ý muốn

Ý nghĩa: Thiết kế ngược giúp rút ngắn thời gian

nghiên cứu, tái xây dựng các sản phẩm đã không còn

được sản xuất nữa, cho phép sao chép nhanh và chính

xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu

dạng bề mặt tự do (không xác định được quy luật tạo

hình) Nhờ đó có thể sao chép, sản xuất lại sản phẩm,

kiểm tra chất chất lượng sản phẩm hoặc điều chỉnh mô

hình thiết kế để cho ra sản phẩm cải tiến hơn mà không

cần bản vẽ thiết kế Tuy nhiên, thiết kế ngược không xác

định được thông số thiết kế Hình 2 1 Lưu đồ các bước thiết kế ngược

2.2.Các bước thiết kế lại piston thanh truyền

Theo yêu cầu đề bài, piston và thanh truyền cần phải thay đổi vật liệu chế tạo (hợp kim nhôm) Để đánh giá hoạt động của 2 chi tiết này trên khía cạnh độ bền tĩnh, ta cần dùng phương pháp thiết kế ngược

đã được trình bày ở trên hoặc sử dụng công cụ đo, thu thập kích thước Từ đó, tạo mô hình 3D và đưa vào các phần mềm để mô phỏng Công việc mô phỏng được thực hiện dựa vào việc cố định điều kiện biên (điều kiện làm việc của piston và thanh truyền) nhưng thay đổi tuần tự vật liệu chế tạo thuộc hợp kim nhôm đến khi nào đảm bảo được điều kiện làm việc của piston và thanh truyền thì kết thúc công việc mô phỏng Tiếp đến chế tạo mẫu, thử nghiệm nếu đạt thì chế tạo hàng loạt, nếu không đạt thì thiết kế và tính toán lại Dưới đây là sơ đồ hóa các bước cơ bản để thiết kế lại piston và thanh truyền

Hình 2 2 Lưu đồ các bước cơ bản thiết kế lại piston thanh truyền

3 Thông Số Đầu Vào Cần Thiết Để Thực Hiện Mô Phỏng Tính Bền:

Trong quá trình động cơ làm việc, piston thường xuyên chịu lực tác dụng của lực khí cháy, nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh và ma sát lớn

Thanh truyền làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao,chịu va đập, chịu tác dụng của lực khí cháy và lực quán tính, các lực này biến đổi có tính chất chu kỳ cả về trị số và hướng Do đó thanh truyền chịu uốn, chịu kéo và chịu nén, dẫn đến thanh truyền thường bị cong, xoắn

Vì thế, để đưa piston và thanh truyền vào mô phỏng tính bền thì cần các thông số đầu vào như:

- Nhiệt độ cháy: 𝑇𝑚𝑎𝑥= 𝑇3

Trong đó:

+ 𝑞𝑖𝑛 là nhiệt lượng đầu vào

+ 𝑐𝑝 là nhiệt dung riêng dẳng áp (𝑐𝑝 = 1.108 kJ/kgK)

+ 𝑝𝑘𝑡 là áp suất khí thể

+ 𝐹𝑝 là tiết diện đỉnh piston 𝐹𝑝 = 𝜋.𝐷2

4

- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:

Xét trường hợp thanh truyền nhận toàn bộ lực từ piston => 𝛼 = 0

𝑃𝑗 = − 𝑚𝐽 𝑅 𝜔2 (cos 𝛼 + 𝜆 cos 2𝛼)

= −(224,13 + 625,04) × 10−3× 0,047 × 251,332(𝑐𝑜𝑠𝛼 + 0,32𝑐𝑜𝑠2𝛼) = −3327,8 (𝑁)

Trong đó:

+ 𝑚𝑗 là tổng khối lượng của đầu nhỏ thanh truyền và piston

+ R là bán kính quay trục khuỷu

+ 𝜔 là tốc độ góc tại công suất tối đa

- Lực tịnh tiến (lực dọc trục thanh truyền):

Ptt = 𝑃Σ = 𝑃𝑧+ 𝑃𝑗 = 43180,1 – 3327,8 = 39852,31 (N)

(xét trường hợp thanh truyền nhận toàn bộ lực từ piston)

Bảng 3 1 Bảng thông số đầu vào cần thiết để thực hiện mô phỏng

Áp suất khí thể (Pkt) 5719,81 (kPa)

Lực khí thể (Pz ) 43180,1 (N) Lực quán tính (Pj) - 3327,8 (N) Lực tịnh tiến lớn nhất (Ptt ) 39852,31 (N)

4 Các Trường Hợp Cần Kiểm Nghiệm Bền Cho Piston – Thanh Truyền:

Toàn bộ piston và thanh truyền được mô hình hóa bằng phần mềm solidworks và tính toán, mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn

4.1 Các Trường Hợp Cần Kiểm Nghiệm Bền Cho Piston:

4.1.1 Giả thuyết:

Mô phỏng đã được thực hiện với giả định: [2]

- Ảnh hưởng của sự chuyển động piston đối với sự truyền nhiệt đã được bỏ qua

- Xec-măng và váy piston đều được bôi trơn hoàn toàn khi ma sát với thành xilanh

- Sự truyền nhiệt, dẫn nhiệt qua màn dầu bị bỏ qua

Vật liệu chế tạo piston: Piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên vật liệu phải có ứng suất giới hạn (Yield strength) cao Do đó nhóm chọn Aluminium alloy 7075

Bảng 4.1Thành phần của vật liệu Aluminium alloy 7075[5]

Bảng 4.2 Thông số cơ bản của vật liệu aluminium alloy 7075-T6, Plate (ss)

4.1.2 Các bước mô phỏng piston:

Bước 1: Gán vật liệu 7075-T6, Plate (SS) (aluminium alloy)

Bước 2: Gán trọng lực

Hình 4.1 Gán trọng lực cho piston nằm ngang

Bước 3: Gán điều kiện biên

Bảng 4.3 Điều kiện biên của mô phỏng piston

Nhiệt độ tối đa trong buồng cháy không phải là nhiệt độ đỉnh piston Nhiệt độ đỉnh piston sau khi tiếp

Bước 4: chia lưới

Hình 4.1 Tiêu chuẩn chia lưới Hình 4.2 Piston sau khi chia lưới

Bước 5: Chạy mô phỏng

4.1.3 Kết quả mô phỏng piston

Bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong môi trường nonlinear analysis của solidworks tính toán lên piston Trường nhiệt, ứng suất, chuyển vị đã được khảo sát

Ứng suất của piston

các phần khác

Hình 4.5 Hình ảnh ứng suất bên trong của piston

Hình 4.6 Sự thay đổi của ứng suất theo thời gian

Kết luận: Ứng suất tối đa của piston nhỏ hơn ứng suất giới hạn của vật liệu (497385152 N/m2 <

505000003 N/m2) Tuy thỏa mãn điều kiện bền nhưng do khoảng cách này quá nhỏ nên khi chế tạo phải thật chính xác, làm mát và bôi trơn kịp thời Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và tránh tình trạng quá nhiệt khi vận hành Đổi lại, làm bằng vật liệu này, khối lượng của piston nhẹ hơn giảm được các lực quán tính, giúp động cơ cân bằng hơn

Chuyển vị

theo thời gian

Kết luận: Dựa vào hình 4.9 ta thấy, nơi chuyển vị nhiều nhất của piston là vị trí ma sát với xylanh

khi chịu lực ngang Vì thế ta phải duy trì bôi trơn và làm mát ở vị trí này để tránh bó kẹt piston

Sức căng do nhiệt (giản nỡ)

Hình 4.9 Biểu đồ sức căng do nhiệt độ (giãn nỡ)

Ứng suất giới hạn của vật liệu: 505000003,077 N/m 2

4.2.Các Trường Hợp Cần Kiểm Nghiệm Bền Cho Thanh Truyền:

4.2.1 Giả thuyết

Trong bài báo cáo này, 4 mô hình phần tử hữu hạn đã được tính toán Hai tải trọng kéo và hai tải trọng nén được thực hiện [6]

Vật liệu nhóm chọn là aluminium alloy 7075-T6, Plate (ss)

Tải trọng đặt vào 2 đầu thanh truyền được xác định như sau: