Hcmute nghiên cứu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học hệ thống ổ trục của động cơ điện máy nén hệ thống làm mát cho xe điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG Ổ TRỤC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MÁY NÉN HỆ THỐNG LÀM MÁT CHO XE ĐIỆN S K C 0 9 MÃ SỐ: T2015-49TĐ S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2015 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG Ổ TRỤC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MÁY NÉN HỆ THỐNG LÀM MÁT CHO XE ĐIỆN Mã số: T2015-49TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG TP HCM, 11/2015 Luan van MỤC LỤC Danh mục hình Danh mục bảng Danh mục ký hiệu Thông tin kết nghiên cứu Chương MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu 1.2 Các kết nghiên cứu nước 1.3 Tính cấp thiết đề tài 11 1.4 Mục tiêu đề tài 11 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11 1.6 Phương pháp cách tiếp cận nghiên cứu 12 1.7 Nội dung nghiên cứu 12 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Ổ bi cầu 13 2.2 Nguồn dao động ổ bi cầu 13 2.3 Cơ sở lý thuyết tiếp xúc Hertz 14 2.4 Mô hình hệ thống ổ trục 22 Chương MƠ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG 27 3.1 Mơ hình tốn 27 3.2 Tìm lời giải số 33 Chương KẾT QUẢ 36 4.1 Ảnh hưởng số lượng lăn 37 4.2 Anh hưởng biên dạng song 42 4.3 Thảo luận đánh giá 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Luan van DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống điều hịa khơng tơ Hình 1.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo dao động hệ thống ổ trục Hình 2.1 Cấu tạo ổ bi cầu 13 Hình 2.1 Tiếp xúc hai bề mặt có biên dạng cong mặt phẳng mặt cong 15 Hình 2.2 a) Mặt cong lồi b) Mặt cong lõm 15 Hình 2.3 Bán kính mặt cong mặt phẳng hai bề mặt tiếp xúc 16 Hình 2.4 Biên thiên hệ số , , and 2K/ theo cos(t) 17 Hình 2.5 Biểu đồ xác định số Cd ổ bi cầu 19 Hình 2.6 Diện tích tiếp xúc dạng elip 21 Hình 2.7 Mơ hình đơn giản hệ thống có ổ bi hai đầu trục 22 Hình 2.8 Mơ hình hai bậc tự ổ bi cầu 23 Hình 2.9 Biến dạng hướng kính lăn ổ bi cầu 24 Hình 2.10 Góc phân bố tải ổ bi 26 Hình 3.1 Sơ đồ tổng qt q trình phân tích 28 Hình 3.2 Sơ đồ tính tốn ổ bi 29 Hình 3.3 Mơ hình dạng sóng 31 Hình 3.4 Phương pháp Euler, bậc 33 Hình 3.5 Phương pháp bậc 34 Hình 3.6 Phương pháp Runge-Kutta bậc 35 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn phương pháp Runge-Kutta bậc 36 Hình 4.2 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 8, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 38 Hình 4.3 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương thẳng đứng có lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 8, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 39 Hình 4.4 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có 10 lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 10 40 Hình 4.5 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian thẳng đứng có 10 lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 10 41 Luan van Hình 4.6 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 7, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 43 Hình 4.7 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương thẳng đứng có bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 7, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 44 Hình 4.8 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có 10 bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10 45 Hình 4.9 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương thẳng đứng có 10 bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10 46 Luan van DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Các giá trị dạng số cho hình 2.4 17 Bảng 3.1 Các thông số ổ bi 29 Bảng 4.1 Thơng số hình học để tính tốn hệ thống 36 Bảng 4.2 Thơng số hình học để tính tốn hệ thống 41 Luan van DANH MỤC KÝ HIỆU m Khối lượng rô-to, kg c Giảm chấn tương đương, Ns/m Fx Lực tiếp xúc phương ngang, N Fy Lực tiếp xúc phương thẳng đứng, N Fu Lực cân bằng, N K Độ cứng, N/m3/2 E Mô-đun đàn hồi, N/mm2 Q Lực nén, N Qi Lực nén lăn với vòng trong, N Qi Lực nén lăn với vòng trong, N N Số lượng lăn Nw Số lương gợn sóng bề mặt Nc Số lượng lăn vùng tiếp xúc Rb Bán kính rãnh vịng trong, mm Ra Bán kính rãnh vịng ngồi, mm t Thời gian, s  Chu kỳ, s Vcage Vận tốc dài vòng chia, m/s VA Vận tốc dài vịng ngồi, m/s VB Vận tốc dài vòng trong, m/s Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp HCM, ngày 11 tháng 11 năm 2015 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG Ổ TRỤC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MÁY NÉN HỆ THỐNG LÀM MÁT CHO XE ĐIỆN - Mã số: T2015-49TĐ - Chủ nhiệm: TS Nguyễn Văn Trạng - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu: Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống ổ trục dùng cho động điện máy nén hệ thống làm mát cho xe điện Viết code để tìm lời giải số Đánh giá kết Tính sáng tạo: Kết đề tài nghiên cứu Việt Nam hệ thống làm mát cho xe lai, xe điện Là tiền đề cho nghiên cứu cải tiến hệ thống làm mát cho động ô tô Kết nghiên cứu: Đề tài hoàn thnàh mục tiêu đặt ra: Có sở lý thuyết rõ rang, xây dựng mơ hình tốn học, thuật tốn đánh giá thơng số ảnh hưởng đáng quan tâm trình thiết kế hệ thống làm mát Sản phẩm: Sản phẩm khoa học báo hội nghị quốc tế Sản phẩm ứng dụng nguồn tài liệu tham khảo, nghiên cứu trình thiết kế Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Đề tài công cụ hiệu đề tính tốn chọn lựa thơng số, giải pháp tối ưu trình thiết kế hệ thống làm mát cho xe điện – xe lai Trưởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) Luan van Chương MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU Phương tiện giao thơng vận tải đóng vai trò then chốt cho phát triển kinh tế Trong xu chung, công nghệ xe điện-xe lai đời nhằm hạn chế mặt trái môi trường phương tiện dùng động đốt truyển thống mang lại; xe điện – xe lai phương án tốt nước có ngành cơng nghiệp tơ phát triển Nhật Bản, Hàn Quốc, Chúng xem loại phương tiện có mứa phát thải nhiễm khơng (khói bụi, tiếng ồn, ) Trong hệ thống truyền động phương tiện này, cấu ổ trục ln đóng vai trị quan quan trọng Đặc biệt hệ thống làm mát mơ-tơ điện, góp phần to lớn việc nâng cao độ êm dịu, tuổi thọ góp phần tăng cơng suất, hiệu suất tồn thiết bị q trình vận hành Hình 1.1 Hệ thống điều hịa khơng ô tô 1.2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Những nghiên cứu ổ trục thường tập trung chủ yếu nước có ngành cơng nghiệp phát triển Mỹ, Nhật, Pháp Đức Hiện nay, trước khả ứng dụng mạnh mẽ động điện, việc nghiên cứu ổ trục ứng dụng đẩy Luan van mạnh nước phát triển Trung Quốc, Hàn Quốc vài nghiên cứu Việt Nam 1.2.1 Kết nghiên cứu nước Mặc dù xe điện xe lai (dùng kết hợp hai nguồn lượng gồm động điện động đốt trong) đời sớm Tuy nhiên, vài thập niên trở lại đây, hệ thống làm mát cho xe điện quan tâm nghiên cứu trang bị xe nhằm mang lại tiện nghi cho người ngồi xe di chuyển liên tục nhiều liền Những cơng trình kết nghiên cứu chun sâu hệ thống làm mát cho xe điện chưa công bố rộng rãi Dong-Soo Lee Dong-Hoon Choi [1] sử dụng phương pháp ma trận chuyển đổi để nghiên cứu động học phi tuyến hệ thống trục máy nén, kết đặc điểm độ cứng phi tuyến ổ bi cầu ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng động lực học hệ thống El-Saeidy [2] phát triển phương pháp phần tử hữu hạn để dự đốn tính dao động hệ thống Tiwari [3] trình bày kết thực nghiệm ảnh hưởng yếu tố đến khả ổn định hệ thống thơng qua kết phân tích phổ tần số dao động hệ thống Hình 1.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo dao động hệ thống ổ trục Hầu hết cơng bố, khơng phân tích đến yếu tố quan trọng khe hở vòng bi, số lượng bi dạng mòn rãnh ổ bi đến động lực học toàn hệ thống 10 Luan van Công thức tổng quát phương pháp Runge-Kutta bậc sau: y(x) yn yn+1 x1 x2 x3 x Hình 3.6 Phương pháp Runge-Kutta bậc 35 Luan van Chương KẾT QUẢ Với phương pháp tìm lời giải số, điều kiện ban đầu bước nhảy q trình tính tốn quan trọng có ảnh hưởng nhiều kết kết Càng đặt biệt cho hệ phương trình vi phân phi tuyến Khi bước nhảy lớn rút ngắn thời gian tính tốn Tuy nhiên bước nhảy cần phải đủ nhỏ để đạt độ xác theo yêu cầu Trong trình xác định lời giải yêu cầu độ xác, giá trị bước nhảy t = 105 s phù hợp Tại thời điểm t = số giả thiết thiết lập sau: - Hai đầu trục gối hai ổ bi đồng tâm với trục - Điều kiện ban đầu chuyển vị vận tốc Để giúp cho lời giải hội tụ nhanh chuyển vị theo hai phương là: x0 = 10-6 m and y0 = 10-6 m Vận tốc ban đầu đặt giá trị 0, x0 = y0 = Lưu đồ thuật toán phương pháp thể hình 4.1 START k1 = h*F(x,y) Function F(x,y) k2 = h*F(x + h/2,y + k1/2) k3 = h*F(x + h/2,y + k2/2) Input values:  System parameters; k4 = h*F(x + h,y + k3)  Initial conditions: x0, y0, x’0, y’0 k = 1/6*(k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4)  Time step size: h, n xi+1 = xi + h n = (xn – x0)/h yi+1 = yi + k x = x0 y = y0 Print x,y For i = 0:1: n END Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán phương pháp Runge-Kutta bậc 36 Luan van 4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LƯỢNG CON LĂN Để nghiên cứu ảnh hưởng số lượng lăn (viên bi), trục quay giả thuyến cứng tuyệt đối gối hai ổ bi cầu hai đầu trục Hệ phương trình vi phân (3.15) (3.16) tìm lời giải phương pháp số thay đổi giá trị số lượng lăn (N) Trong trừong hợp (lỗi gợn sóng bề mặt rãnh trượt bỏ qua Các thông số hệ thống liệt kê bảng 4.1 Bảng 4.1 Thơng số hình học để tính tốn hệ thống Outer race radius, RA (mm) 14.13 Inner race radius, RB (mm) 9.37 Ball diameter, D (mm) 4.76 Radial clearance,  (m) Radial load, W (N) Mass of rotor, m (kg) 1.2 Rotor speed (rpm) 5,500 Damping factor, c (Ns/m) 200 Number of the ball, N 8, 10 Time step, t (s) 10-5 Elastic modulus, E (N/mm2) 2.08105 Poisson’s ratio 0.3 37 Luan van (a) vc vc/5 2vc (b) 3vc (c) Hình 4.2 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 8, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 38 Luan van Vertical Displacement, (m) (a) vc 2vc 11vc/5 vc/5 9vc/5 3vc Vertical Velocity, (m/s) (b) (c) Vertical Displacement, (m) Hình 4.3 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương thẳng đứng có lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 8, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 39 Luan van Horizontal Displacement, (m) (a) vc 2vc Horizontal Velocity, (m/s) (b) (c) Horizontal Displacement, (m) Hình 4.4 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có 10 lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 10 40 Luan van Vertical Displacement, (m) (a) vc 2vc Vertical Velocity, (m/s) (b) (c) Vertical Displacement, (m) Hình 4.5 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian thẳng đứng có 10 lăn, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị N = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị N = 10 41 Luan van 4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN DẠNG SÓNG Để nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt rãnh trượt, trục quay giả thuyết vật cứng tuyệt đối Hệ phương trình vi phân (3.15) (3.16) tìm lời giải phương pháp số thay đổi số bước sóng biên độ dạng sóng rãnh vịng ngồi rãnh vòng ổ bi NSK 6003 ZZ Các thông số hệ thống liệt kê bảng 4.2 Bảng 4.2 Thơng số hình học để tính tốn hệ thống Outer race radius, RA (mm) 14.13 Inner race radius, RB (mm) 9.37 Ball diameter, D (mm) 4.76 Radial clearance,  (m) 0.01 Radial load, W (N) Initial wave amplitude, Ai (m) 0.1 Maximum wave amplitude, Ao(m) 0.2 Mass of rotor, m (kg) 1.2 Rotor speed, (rpm) 5,500 Damping factor, c (Ns/m) 200 Number of the ball, N 10 Number of the wave, Nw 7, 10 42 Luan van Horizontal Displacement, (m) (a) vc 2vc Horizontal Velocity, (m/s) (b) (c) Horizontal Displacement, (m) Hình 4.6 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 7, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 43 Luan van Vertical Displacement, (m) (a) vc 2vc Vertical Velocity, (m/s) (b) (c) Vertical Displacement, (m) Hình 4.7 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương thẳng đứng có bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 7, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 44 Luan van Horizontal Displacement, (m) (a) vc 2vc Horizontal Velocity, (m/s) (b) (c) Horizontal Displacement, (m) Hình 4.8 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương ngang có 10 bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10 45 Luan van Vertical Displacement, (m) (a) vc 2vc Vertical Velocity, (m/s) (b) (c) Vertical Displacement, (m) Hình 4.9 (a) Đáp ứng chuyển vị theo thời gian phương thẳng đứng có 10 bước sóng, (b) FFT cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10, and (c) Biểu đồ Poincaré cho đáp ứng chuyển vị Nw = 10 46 Luan van 4.3 THẢO LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ Nghiên cứu tiến hành, nhóm cơng việc thực kết thu bao gồm: tiến hành nghiên cứu sở lý thuyết, xây dựng mơ hình tốn tìm lời giải số cho tính động lực học hệ thống ổ trục rô-to máy nén dùng cho hệ thống làm máy cho ô tô dẫn động nguồn accu 12 VDC sau: Số lượng lăn ảnh hưởng trực tiếp đến đáp ứng động lực học hệ thống Càng tăng số lượng lăn tần số đáp ứng hệ thống giảm Tuy nhiên giá trị bị giới hạn thông số rang buộc kích thứơc nên số lượng lăn N = 10 cho tính động lực học tốt Đặc điểm dạng rãnh trựơt ảnh hưởng nhiều, điều thể qua kết phân tích Số lượng dạng sóng biên độ dạng sóng tác động đến đáp đứng dao động cụ thể sau: giá trị biên độ số dạng sóng yếu tố định đến dao động điều hoà Những kết cho thấy, phân tích tính tốn hồn tồn phù hợp với kết thu từ thực nghiệm cơng trình nghiên cứu lĩnh vực liên quan Những kết yếu tố quan trọng cần phải xem xét q trình tính tốn thiết kế hệ thống Đây nguồn tài liệu tham khảo hiệu q trình tính tốn thiết kết hệ thống rô-to cho máy nén máy lạnh nói riêng hệ thống ổ trục nói chung LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh hỗ trợ cho việc thực đề tài khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường trọng điểm năm 2015, với đề tài mang mã số T2015-49TĐ 47 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dong-Soo Lee, Dong-Hoon Choi, A dynamic analysis of a flexible rotor in ball bearing with nonlinear stiffness characteristics, International Journal of Rotating Machinery, 3(2) pp 73-80, 1997 [2] El-Saeidy, F.M.A., Finite element modeling of rotor-shaft-rolling bearing system with consideration of bearing nonlinearities, Journal of Vibration and Control 4, pp 514-602,1998 [3] Tiwari, M., Gupta, K., Prakash, O., Experimental study of a rotor supported by deep groove ball bearing, International Journal of Rotating Machinery 8(4), pp 243-258, 2002 [4] Nguyễn Cao Mệnh, Vũ Thanh Trúc, Một số dấu hiệu chẩn đón chất lượng ổ bi, Viện Cơ học Ứng dụng [5] Trần Tiến Anh, Nghiên cứu dao động máy rotor đặt gối đỡ vòng bi thay đổi trạng thái cân không đồng trục, Khoa tàu biển, trường ĐH Hằng Hải Việt Nam [6] Johannes Brandlein, Paul Eschmann, Ludwig Hasbargen, Karl Weigand, Ball and Roller Bearing Theory Design and Application, third edition, John Wiley & Sons, 1995 [7] R Zeillinger and H Köttritsch, Damping in a rolling bearing arrangement, Evolution, 1/96, 1996 [8] T.A Harris, Rolling Bearing Analysis, 4th Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001 48 Luan van S K L 0 Luan van ... làm mát cho xe điện; máy nén hệ thống điều hòa dẫn động lượng điện 1.4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống ổ trục dùng cho động điện máy nén hệ thống làm mát cho xe điện Viết... hình tốn học hệ thống ổ trục dùng cho động điện máy nén hệ thống làm mát cho xe điện Viết code để tìm lời giải số Đánh giá kết Tính sáng tạo: Kết đề tài nghiên cứu Việt Nam hệ thống làm mát cho xe. .. KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp HCM, ngày 11 tháng 11 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG Ổ TRỤC CỦA