GIẢI PHÁP ĐO ÁP SUẤT MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN TRONG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

Trần Thị Thanh Hải 22 GIẢI PHÁP ĐO ÁP SUẤT MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN TRONG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM A SOLUTION FOR MEASURING THE OIL FILM PRESSURE OF THE CONNECTING-ROD BIG END BEARING IN THE EXPERIMENTAL DEVICE Trần Thị Thanh Hải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; hai.tranthithanh@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài báo giới thiệu phương pháp đo áp suất màng dầu bôi trơn ổ đầu to truyền thiết bị thực nghiệm Thanh truyền chế tạo vật liệu quang đàn hồi chịu tải mô động Một cảm biến áp suất XCQ-062 BARA lắp bạc tiết diện theo phương chiều dài Bạc lắp với trục khuỷu quay trục khuỷu Bạc trục khuỷu tạo thành trục ổ đầu to truyền Bạc mang cảm biến xoay góc 15 độ để đo áp suất màng dầu 24 vị trí khác chu vi ổ theo góc quay trục khuỷu Một đĩa lỗ gồm 24 lỗ để xác định xác vị cảm biến Kết thực nghiệm đo cho thấy, áp suất màng dầu tương thích với sơ đồ tải Abstract - This paper present a measurement methode the lubricated oil film pressure of the connecting-rod big end bearing in the experimental device The connecting-rod model of photoelastic material and is subjected to simulated load as in the engine A XCQ062 BARA pressure sensor is located on the housing bearing at the mid-section in length This housing is fitted with the crankshaft and rotated with the crankshaft The housing and the crankshaft constitute the journal of connecting-rod big end bearing The housing carries the pressure sensor and can rotate 15 degrees to mesure the oil film pressure at the 24 different positons of bearing with the crank angle A 24-hole disc is used to accurately determine the location of the sensor The experimental measurements show that, the lubricated oil film pressure of the connecting-rod big end bearing is compatible with the load diagrams Từ khóa - truyền; áp suất màng dầu; cảm biến áp suất Key words - connecting-rod; oil film pressure; pressure sensor Đặt vấn đề Bôi trơn ổ dầu to truyền tốn phức tạp ln vấn đề quan tâm nhà khoa học hãng công nghiệp Áp suất, chiều dày nhiệt độ màng dầu đặc tính quan trọng tốn Cùng với nghiên cứu tính tốn, nghiên cứu thực nghiệm quan trọng nhằm kiểm chứng mơ hình tính toán lý thuyết Các nhà khoa học nghiên cứu thực nghiệm với truyền thật động mô hình tương đương truyền mơ thiết bị thực nghiệm có cấu mơ tải tương ứng với chu kỳ làm việc động Về nghiên cứu truyền thật, năm 1973, Rosenberg [1] sử dụng thiết bị tương đương để đo chiều dày màng dầu thông qua cảm biến Các kết cho thấy tương thích chiều dày màng dầu tải tác dụng Năm 1985, 1987 1988, Bates cộng [2], [3], [4] xây dựng thiết bị sử dụng động xăng V6 biến đổi để đo đặc tính ổ đầu to truyền Năm 2001, Moreau [5] tiến hành đo chiều dày màng dầu ba ổ trục khuỷu ổ đầu to truyền động xăng xilanh Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng độ nhớt dầu bơi trơn, khe hở bán kính tới chiều dày màng dầu Năm 2005, Michaud [6] tham gia xây dựng băng thử LMS để nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to truyền điều kiện làm việc thực khắc nghiệt Tốc độ tối đa động đạt 20.000 v/ph với tải nén kéo tác dụng 90 KN 60 KN Các nghiên cứu truyền mô phỏng, năm 1983, Pierre-Eugene [7] cộng nghiên cứu biến dạng đàn hồi ổ đầu to truyền tác dụng tải cố định Thanh truyền đúc từ nhựa epoxy Thanh truyền lắp với trục thép quay với tốc độ 50 đến 200 v/ph, tải tác dụng thay đổi từ 60N đến 300N Năm 2000, Optasanu [8] triển khai thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu ổ đầu to truyền với cấu mô tải tương ứng với động Thiết bị tuân theo nguyên lý hệ biên - khuỷu sử dụng truyền Thanh truyền làm vật liệu trong, nhựa epoxy PSM1 PSM4 Năm 2012, Hoang [9] nâng cấp thiết bị sử dụng truyền vật liệu PLM4 nghiên cứu nhiệt độ màng dầu thông qua cảm biến nhiệt độ Trong báo này, tác giả xây dựng giải pháp đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to truyền Thiết bị sử dụng truyền mô vật liệu quang đàn hồi Cảm biến đo áp suất lắp trục quay trục trình làm việc Thiết bị thực nghiệm Thiết bị thực nghiệm tuân theo ngun lý hệ biênkhuỷu (Hình 1) Thanh truyền mơ hình gồm hai nửa, đầu nhỏ truyền (8) thép đầu to truyền (9a) (9b) vật liệu quang đàn hồi ((9a) thân đầu to truyền, (9b) nắp đầu to truyền) Động điện (2) quay truyền chuyển động tới trục khuỷu (11) qua hộp giảm tốc (3) làm cho trục khuỷu quay, trục khuỷu quay kéo theo piston dẫn (5) chuyển động tịnh tiến lên xuống nhờ kết nối thông qua truyền dẫn thép (16) lắp với trục, đầu nhỏ lắp với piston dẫn Cụm kết cấu trượt dọc theo hai trụ khung, liên kết (trụ) piston dẫn đầu nhỏ truyền dẫn trục quay truyền dẫn trục khuỷu nhờ ổ đỡ Trong trình làm việc truyền dẫn (biên dẫn) đẩy piston lên phía kéo xuống phía dưới, chuyển động tuân theo hệ biên-khuỷu động nhiệt Piston (7) đóng vai trò piston động nhiệt, chuyển động tịnh tiến lên xuống theo piston dẫn, liên kết với trục khuỷu (11) (qua bạc (10) lắp chặt với trục khuỷu) thơng qua truyền mơ hình (gồm đầu nhỏ truyền ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN thép (8) đầu to truyền vật liệu quang đàn hồi (9a + 9b)) mô trình làm việc piston động Thanh truyền nghiên cứu đặt song song với truyền dẫn Ổ đầu to truyền tạo thân truyền, nắp truyền trục Đầu nhỏ truyền nghiên cứu liên kết trượt theo piston Khi làm việc (khi trục quay), lực tạo chuyển động piston truyền cân áp suất màng dầu ổ đầu to truyền 23 KULITE lựa chọn Cảm biến có kích thước nhỏ, đường kính 1,7 mmm, chiều dài 9,5 mm Cảm biến có thơng số kỹ thuật Bảng Bảng Thông số kỹ thuật cảm biến Dải đo 0.7 ÷ 70 bar ÷ 1000 Psi Dải áp suất max ÷ áp suất định mức Nguồn điện áp 10 ÷ 12 VDC Nhiệt độ hoạt động -65˚F ÷ +275˚F (-55˚C ÷ +135˚C) 3.2 Lắp đặt cảm biến Áp suất màng dầu thời điểm chu kỳ hoạt động động khác Để đo áp suất thời điểm đó, cảm biến áp suất cố định trục ổ theo phương hướng kính, đầu đo hướng bề mặt trục Áp suất đo nhiều vị trí có lợi cho việc xác định áp suất màng dầu Do yêu cầu đó, thiết kế chọn để đo áp suất 24 vị trí theo phương chu vi, vị trí cách 15o tiết diện ổ Trục ổ lắp chặt với trục khuỷu quay trục khuỷu Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm Trục ổ (trục) Trục ổ (hay cịn gọi trục) (Hình 3) thực chất chi tiết bạc lắp chặt với trục khuỷu quay trục khuỷu, nơi lắp cảm biến áp suất để đo áp suất màng dầu ổ Hình Trục ổ (chi tiết bạc) Hình Mơ hình đầu to truyền Ổ đầu to truyền có đường kính 97 mm, khe hở bán kính C= 0,5 mm, chiều dày 20mm Tổng chiều dài truyền (bao gồm đầu to, đầu nhỏ phần ghép nối 241,5 mm (Hình 2) Tải lớn tác dụng lên truyền 500N, tương ứng lúc xảy nổ Phương pháp đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền 3.1 Cảm biến đo áp suất Để đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền, ta dùng cảm biến điện trở Nguyên lý hoạt động cảm biến dựa biến dạng cấu trúc màng (khi có áp suất tác động đến) chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy phần tử áp điện trở Cảm biến cho ta trị số đo xác Dựa theo tải tác dụng lên truyền nhiệt độ làm việc ổ, cảm biến XCQ-062 35BARA hãng Vật liệu chế tạo trục thép hợp kim 40X Trục có đường kính ngồi 97 mm, đường kính 35 mm, chiều rộng B=20 mm Cảm biến áp suất XCQ-062-35BARA dây dẫn đầu phát sóng RF thiết kế đặt đường dẫn Φ1,6 Hình Hình Cảm biến áp suất Trần Thị Thanh Hải 24 Để để đo áp suất dầu vị trí khác màng dầu theo phương chu vi ổ, chi tiết bạc mang cảm biến quay vị trí khác Một đĩa lỗ (Hình 5) định vị 24 vị trí cảm biến, cách 15 độ Đĩa lỗ lắp chặt trục khuỷu then lắp với trục ổ ba vít M3 Như vậy, ta đo áp suất màng dầu 24 vị trí theo phương chu vi ổ theo góc quay trục khuỷu Vật liệu chế tạo thép hợp kim 40X Đĩa có đường kính ngồi 72 mm, đường 35mm Hình Lập trình đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền phần mềm LabView Hình Đĩa lỗ 3.3 Phương pháp thu nhận tín hiệu từ cảm biến Vì cảm biến quay với trục nên khơng thể kết nối điện trực tiếp cảm biến xử lý liệu trung tâm Một giải pháp đặt truyền nhận tín hiệu khơng dây Để giải vấn đề này, ta chọn hệ thống truyền tín hiệu sóng RF Hình Sơ đồ khối hệ thống nhận tín hiệu cảm biến Hình sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu cảm biến khơng dây Tín hiệu cảm biến áp suất XCQ-06235BARA tín hiệu tương tự Việc truyền tín hiệu tương tự khơng dây qua phát sóng RF cho giá trị đo nhỏ nên tín hiệu cảm biến áp suất XCQ-062-35BARA cần khuếch đại chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số qua chuyển đổi tín hiệu số Tín hiệu số gửi vào phát sóng RF phát a) Hình Bộ thu nhận tín hiệu sóng RF a) Bộ phát b) Bộ thu Thiết bị thu nhận tín hiệu gồm phát tín hiệu cố định trục quay kết nối trực tiếp với cảm biến Một pin lượng sử dụng để cấp nguồn cho cảm biến phát tín hiệu Bộ thu tín hiệu khơng đặt trục thu nhận tín hiệu sóng RF Bộ thu tín hiệu gửi tín hiệu đến mạch Adruino dễ dàng kết nối với máy tính qua chuẩn giao tiếp USB Tín hiệu từ Adruino thu nhận truyền đến máy tính lập trình hiển thị phần mềm LabView Phần mềm đọc tín hiệu số gửi lên xử lý liệu nhận sau hiển thị dạng đồ thị theo thời gian lấy mẫu tuỳ thuộc vào tốc độ quay Hình thu nhận tín hiệu sóng RF cho cảm biến áp suất Hình hình phần mềm LabView lập trình đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền 3.4 Kết đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền Hình ảnh chụp thiết bị thực nghiệm truyền nghiên cứu vật liệu quang đàn hồi (Hình 10) Trên truyền gắn cảm biến để đo lực tác dụng lên truyền b) Hình Ảnh chụp thiết bị thực nghiệm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN Hình 10 Thanh truyền vị trí gắn cảm biến đo lực Hình 11 Sơ đồ tải tốc độ quay 100 v/ph Tải tác dụng lên truyền gồm hai thành phần lực kéo/nén Fx lực uốn Fy Để xác định hai lực này, ta sử dụng cảm biến đo biến dạng nối thành mạch cầu, mạch cầu đo lực dọc trục (kéo/nén) mạch cầu đo lực uốn Hình 11 sơ đồ tải tác dụng lên truyền tốc độ 100 v/ph Hình 12 Áp suất màng dầu theo góc quay trục khuỷu 0o truyền, tốc độ quay 100 v/ph Hình 12 áp suất màng dầu 0o truyền theo góc quay trục khuỷu tốc độ quay 100 v/ph Ta thấy, áp suất màng dầu đạt giá trị lớn xung quanh góc 360o trục khuỷu, tương ứng lúc xảy nổ, tức lực tác dụng lên truyền đạt giá trị lớn nhất, lúc màng dầu đạt giá trị nhỏ Áp suất màng dầu đạt giá trị nhỏ 720 o (0o) trục khuỷu, lúc truyền điểm chết trên, tương ứng với vùng tải nhỏ truyền 25 Kết luận Bài báo trình bày giải pháp đo áp suất màng dầu ổ đầu to truyền thiết bị thực nghiệm với truyền nghiên cứu vật liệu quang đàn hồi Một cảm biến điện trở XCQ-062 35BARA sử dụng để đo áp suất 24 vị trí (cách 15o) màng dầu theo phương chu vi tiết diện ổ Cảm biến đặt trục quay với trục nên phải dùng kết nối không dây để truyền tín hiệu, tức hệ thống truyền tín hiệu sóng RF Cảm biến áp suất truyền tín hiệu tương tự khơng dây qua phát sóng RF, tín hiệu khuếch đại chuyển đổi sang tín hiệu số qua chuyển đổi tín hiệu số Tín hiệu số gửi vào phát sóng RF phát Thiết bị thu nhận tín hiệu gồm phát tín hiệu kết nối trực tiếp với cảm biến Bộ thu tín hiệu nhận tín hiệu sóng RF gửi tín hiệu đến mạch Adruino, tín hiệu từ Adruino truyền đến máy tính lập trình hiển thị phần mềm LabView Kết thực nghiệm đo áp suất màng dầu 0o truyền theo góc quay trục khuỷu tốc độ quay 100 v/ph Áp suất màng dầu tương ứng với tải tác dụng lên truyền, xung quanh góc 360o trục khuỷu, tương ứng lúc xảy nổ, áp suất màng dầu đạt giá trị lớn Áp suất màng dầu đạt giá trị nhỏ 720 o (0o) trục khuỷu, lúc truyền điểm chết trên, tương ứng với vùng tải nhỏ truyền TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rosenberg R.C., 1973, “A Method for Determining the Influence of Multigrade oils on Journal Bearing Performance”, SEA TRANS, Paper 730483, Vol 82 [2] Bates T.W., Evans P.G., 1985, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part Instrumentation of the Big-End Bearing of a Fired Engine”, Proc Of the JSLE International Tribology Conference, 8-10 juillet, Tokyo, Japon, 1985 [3] Bates S T.W., Benwell S., Evans P.G., 1987, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part - Oil Film Thickness in the Big-End Bearing of an Operating Engine”, Proc 4th SAE Int Pacific Conference on Automotive Engineering, Melbourne, Australia, Paper No 871272 [4] Bates T.W., Benwell S., 1988, “Effect of Oil Rheology on Journal Bearing Performance: Part - Newtonian Oils in the ConnectingRod Bearing of an Operating Engine”, SAE Paper No 880679 [5] Moreau H., “Mesures des Epaisseurs du Film d’Huile dans les Paliers de Moteur Automobile et Comparaisons avec les Résultats Théoriques”, Thèse de Doctorat de Université de Poitiers, 2001 [6] Michaud P., "Modélisation Thermoélastohydrodynamique Tridimensionnelle des Paliers de Moteurs Mise en Place d'un Banc d'Essais pour Paliers Sous Conditions Sévères", Thèse de Doctorat Université de Poitiers, 2004 [7] Pierre-Eugene J., “Contribution l’Etude de la Déformation Elastique d’un Coussinet de Tête de Bielle en Fonctionnement Hydrodynamique Permanent”, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers, 1983 [8] Optasanu V., “Modélisation Expérimentale et Numérique de la Lubrification des Paliers Compliants sous Chargement Dynamique”, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers, 2000 [9] Hoang L.V., “Modélisation Expérimentale de la Lubrification Thermoélastohydrodynamique des Paliers de Tête de Bielle Comparaison entre les Résultats Théoriques et Expérimentaux”, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers, 2002 (BBT nhận bài: 06/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/11/2018)