tiểu luận ứng dụng máy tính trong thiết kế và mô phỏng động cơ trường đại học công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngành công nghệ kỹ thuật ô tô sử dụng phần mềm solitworks để mô phỏng động cơ 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.
Các bước cơ bản và quy trình thiết kế lại piston – thanh truyền
Thiết kế ngược
Thuật ngữ "Reverse engineering method” còn gọi là thiết kế ngược
Thiết kế ngược là quy trình tái thiết kế một vật mẫu hoặc mô hình hiện có thông qua việc số hóa bề mặt của vật mẫu bằng thiết bị đo tọa độ Quá trình này cho phép tạo ra một mô hình mới dựa trên dữ liệu số hóa, sử dụng phần mềm thiết kế ngược và 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 cho phép người dùng tùy chỉnh kích thước và kiểu dáng theo ý muốn, hỗ trợ sản xuất đại trà Thiết kế ngược giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và tái xây dựng các sản phẩm đã ngừng sản xuất, cho phép sao chép nhanh và chính xác các mẫu thiết kế phức tạp hoặc bề mặt tự do Nhờ vào thiết kế ngược, người dùng có thể sao chép, sản xuất lại sản phẩm, kiểm tra chất lượng và điều chỉnh mô hình thiết kế để tạo ra sản phẩm cải tiến mà không cần bản vẽ Tuy nhiên, thiết kế ngược không xác định được thông số thiết kế.
Các bước thiết kế lại piston thanh truyền
Theo yêu cầu đề bài, piston và thanh truyền cần thay đổi vật liệu chế tạo sang hợp kim nhôm Để đánh giá độ bền tĩnh của hai chi tiết này, cần áp dụng phương pháp thiết kế ngược hoặc sử dụng công cụ đo để thu thập kích thước Sau đó, tạo mô hình 3D và sử dụng phần mềm mô phỏng, trong đó cố định điều kiện biên và thay đổi vật liệu hợp kim nhôm cho đến khi đảm bảo điều kiện làm việc Sau khi hoàn tất mô phỏng, tiến hành chế tạo mẫu và thử nghiệm; nếu đạt yêu cầu, sẽ tiến hành sản xuất hàng loạt, ngược lại sẽ thiết kế và tính toán lại Dưới đây là sơ đồ hóa các bước cơ bản trong quá trình thiết kế lại piston và thanh truyền.
Hình 1 Sơ đồ thiết kế ngược
Quy trình thiết kế và bản vẽ chi tiết
Piston
Quy trình dựng hình 3D trong Solidworks
1 Chọn môi trường làm việc trong solidworks -
> Chọn Part -> OK nhấn chọn Sketch trên thanh công cụ, dựa vào hình mẫu chọn mặt phẳng Right Plane tương ứng
Tạo môi trường 2D, vẽ biên dạng Piston, ràng buộc kích thước như hình
Extrued cut Để tạo ra phần rỗng bên trong piston
Tạo mặt phẳng phụ cách thành piston 1 khoảng 17mm, vẽ và ràng buộc kích thước như hình
Tạo mặt phẳng phụ để mirror khối chốt piston
9 Vào Linear pattern chọn Mirror Để tạo khối chốt piston còn lại
Tạo mặt phẳng phụ để vẽ lỗ chốt piston
Vẽ và ràng buộc kích thước như hình sau đó dùng lệnh Cut Extrude để tạo lỗ như hình
Tạo mặt phẳng phụ làm việc
Vẽ và ràng buộc kích thước như hình sau đó dùng lệnh Cut Extrude -> through all
Thanh truyền
Bước Lệnh Mô tả Thực tế
Chọn môi trường làm việc
(Part) Chọn mặt phẳng Top
2 Sketch Dùng Sketch để phác thảo
Dùng Line vẽ đường thẳng cao và vẽ mỗi đầu đoạn thẳng 2 hình tròn, Dùng Line vẽ đường kính của hình to
Cắt 1 nửa hình tròn có lớn, để lại đường thẳng nối giữa
Vẽ 1 đường thẳng chéo nối 2 đường tròn lớn Sau đó mirro đường thẳng qua đường nối tâm Chỉnh góc giữ 2 đường thẳng là 7 độ
Dùng Extruded tạo 3D cho thanh truyền
Dùng Sketch để phác thảo 2D và chọn điểm ở chính giữa ở thân piston để vẽ
Offset 4 đường ở thân thanh truyền, sau đó dùng trim xoá những đoạn thừa
Dùng Extruded cắt 4 đường vừa vẽ và mirro đoạn vừa cắt qua mặt đối diện
Dùng Sketch để phác thảo 2D, tạo mặt phẳng cách tâm đường đường tròn lớn dưới
11 Straight slot ở trên mặt phẳng vừa tạo vẽ từ tâm kéo dài sang ngang
Tạo khối cho hình vừa vẽ, kéo xuống
13 Extrude d cut Cắt bỏ khối tròn nhỏ
Vẽ 2 hình tròn trên mặt phẳng vừa chọn và trùng với tâm 2 cung tròn ở bên.
Trục khuỷu
Bước Lệnh Mô tả Thực tế
Chọn môi trường làm việc
(Part) Chọn mặt phẳng Top
2 Sketch Dùng Sketch để phác thảo
Tiến hành tạo phát thảo biên dạng theo hình vẽ
Dùng Extruded cut tạo lỗ cho 2 hình tròn vừa vẽ
Bo tròn 4 cạnh nối giữa thân thanh truyền với 2 đầu 1 góc
Extruded Đùn ra theo hình vẽ
Chọn mặt phẳng ở bước 4 ,vẽ 2 hình tròn sau đó dùng extruded đùn lên như hình vẽ làm tương tự mặt còn lại ở phía dưới
Tao mặt phẳng mới nằm giữa khối vừa tạo ở bước 5 sau đó dùng mirror lấy đối xứng toàn bộ khối vừa tạo ở bước 5 Làm tương tự 1 lần nữa
7 Body-move Xoay khối vừa tạo với 1 góc 120 độ
8 Plane +Mirror Giống bước 6 mà 1 lần
Tạo mặt phẳng cuối đầu trục khuỷu mới vẽ đường tròn và đùn ra
Tạo mặt phẳng mới,vẽ 1 đường tròn sau đó dùng lệnh cirular để tao ra 8 hình
Vẽ 1 đường tròn trên mặt phẳng bước 10 chuyển về nét đứt dùng Extruded cut để có lỗ pi 10
File → New → Assembly → Lấy file trục khuỷu khuỷu để làm mốc để lắp ráp
2 Nhấn chuột phải vào file trục khuỷu → Chọn float Để sau này có thể quay được trục khuỷu
Geometry → Axis → Chọn 2 mặt phẳng Front và Top Để tạo 1 trục quay cố định cho trục khuỷu
→ Chọn cổ trục và trục quay vừa tạo Để gá trục khuỷu vào đúng trục quay vừa tạo
→ Chọn mặt ngoài cùng của đầu trục khuỷu và mặt phẳng Right Để trục khuỷu không bị giao động theo phương ngang
→ Chọn mặt phẳng Front (của Part) và mặt phẳng Front của môi trường Assembly Để cố định trục khuỷu chuẩn bị cho việc lắp ráp
(Khi cần quay trục khuỷu, ta chỉ cần chọn vào Mate này, sau đó chọn Suppress để ngắt Mate)
Để chuẩn bị cho việc lắp ráp cụm chi tiết phát lực, cần chọn lần lượt tất cả các vật thể cần thiết cho việc lắp ráp một cụm piston – thanh truyền.
8 Sử dụng các Mate cơ bản, kết hợp việc sử dụng hợp lý các lệnh Coppy, Pattern,… Để lắp ráp được cụm chi tiết Thanh truyền - Piston
Sử dụng lệnh Centerline, Vẽ các đường Centerline ở giữa các cổ biên Để tạo các đường dẫn cho chuyển động lên - xuống của Piston
Concentric → Chọn cổ biên máy
1 và phần tròn của đầu to thanh truyền
Gá đồng tâm đầu to thành truyền và cổ biên trục khuỷu
Chọn lần lượt 2 mặt ngoài thanh truyền và 2 mặt trong má khuỷu máy 1
Gá cụm Thanh truyền – Piston vào đúng ngay giữa cổ biên máy
Select the circular section of the piston and the path created in the previous step to properly align the piston with its designated movement route Use the mirror function on the right plane, then right-click on the mirrored component and choose "Dissolve Mirrored Component Feature" to break the mirror link.
14 Thực hiện lại tương tự các bước từ 10 → 12 với 3 máy còn lại
Lắp ghép 3 máy còn lại vào đúng nơi, đúng chiều hoạt động của nó
Hoàn thành lắp ghép hệ thống phát lực
III Tính toán bền piston và các cụm thanh truyền
Giả định các thông số tính toán được chọn trên xe Toyota Vios 1.5E MT 2009 (động cơ xăng)
Thông số Kí hiệu Kích thước Đường kính piston (mm) D 74 Đường kính xilanh (mm) 𝐷 1 70 Đường kính xilanh (mm) 𝐷 2 68
Khoảng cách c từ đỉnh đến xécmăng thứ nhất (mm) c 6
Chiều dày S của phần đầu (mm) s 1
Chiều cao H của piston (mm) H 69
Vị trí chốt piston (mm) H -h 35 Đường kính chốt piston (mm) d ch 12
Chiều dày phần thân (mm) s 1 2
Chiều dày hướng kính t của xéc măng khí (mm) t 2.11
Chiều dày rãnh séc-măng (mm) a 1 3
Chiều dài phần thân piston (mm) l th 50
Chiều dài chốt piston (mm) l ch 35
Hình 2 Thông số kích thước piston po = 0,1013 MN/m 2
- Nhiệt độ không khí nạp mới:
- Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k ): pk = po = 0,1013 MN/m 2
- Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k ):
Áp suất cuối quá trình nạp (p a) ở động cơ không tăng áp thường thấp hơn áp suất khí quyển do tổn thất trong ống nạp và bầu lọc, với giá trị cụ thể là pa = 0,85.po = 0.086105 MN/m².
- Chọn áp suất khí sót (p r ): pr = 0,12 MN/m 2
- Nhiệt độ khí sót (T r ): Động cơ xăng chọn: Tr = 1060 o K
- Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T):
- Chọn hệ số nạp thêm 1
Hệ số nạp thêm 1 thể hiện mối quan hệ năng lượng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi được nạp thêm, so với lượng khí công tác chiếm chỗ trong thể tích Va.
- Chọn hệ số quét buồng cháy 2
- Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp và nhiệt độ khí sót
Tr Do động cơ xăng ta chọn = 0,9 nên ta chọn t =1,15
- Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm Z ( Z ): Động cơ xăng chọn Z = 0,765
- Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm b ( b ): Động cơ xăng chọn b = 0,85
- Chọn hệ số dư lượng không khí :
Lượng không khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo
Trong đó: M1- lương không khí thực tế nạp vào xylanh
Mo- lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu Động cơ xăng: = 0,9
- Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (d): Động cơ xăng chọn d = 0,93
- Chọn tỷ số tăng áp:
Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén:
Trong đó: pz - áp suất cuối quá trình cháy pc - áp suất cuối quá trình nén Động cơ xăng tính 𝜆 𝑝 = 𝛽 𝑧 𝑇 𝑧
3.2 Tính toán nhiệt [1] a Quá trình nạp :
Trong đó: m = 1,5 - là chỉ số đa biến trung bình của không khí
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( T a ) :
+Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:
2𝑇 = 19,806 + 0,002095𝑇(𝐾𝐽/𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑜 𝐾) (1.4) + Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
+ Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:
2= 2,22.10 −3 + Chỉ số nén đa biến trung bình:
Ta thay dần các giá trị của n1 thuộc đoạn [ 1,32 ; 1,38 ] vào hai vế của phương trình trên, cho đến khi nào thu được kết quả ở hai vế bằng nhau
+ Áp suất cuối quá trình nén:
+ Nhiệt độ cuối quá trình nén:
+ Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
M0 = 0,512(𝐾𝑚𝑜𝑙𝐾𝐾/𝐾𝑔𝑛𝑙) (1.10) + Lượng khí nạp mới vào xylanh:
+ Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết:
+ Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm Z :
𝜉 𝑏 = 0,9 (1.16) + Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn:
+ Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm Z: (1.18)
+ Nhiệt độ cuối quá trình cháy:
+ Áp suất cuối quá trình cháy:
3.3 Thông số kết cấu của động cơ
𝑆 = 2𝑅 = 2.28,2 = 56.4 mm Thông số kết cấu của động cơ
Số vòng quay của trục khuỷu ω = 𝜋.𝑛
30 b8,31(rad/s) Thể tích công tác của 1 xilanh
4 = 242567 𝑚𝑚 3 $2,567 cm 3 Thể tích buồng cháy
10 − 1 = 26.95 cm 3 Khối lượng của nhóm piston
3.4.1 Tính toán piston a Tính đỉnh piston Đỉnh piston chịu lực rất phức tạp, trạng thái ứng suất cũng rất phức tạp, nó vừa chịu tải trọng cơ học vừa chịu tải trọng nhiệt Để tính kiểm nghiệm đỉnh piston ta tính theo phương pháp Back
Lực khí thề này có giá trị Áp suất khí thể pz max =𝑝 𝑧 = 8,4 (𝑀𝑁/𝑚2) tác dụng lên đỉnh piston phân bố đều
2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x − x một đoạn:
2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn:
6 = 1,65 10 −6 Ứng suất uốn đỉnh piston
4 (0,0119) 2 = 72.66(𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất cho phép đối với piston bằng gang đỉnh có gân :
Để đảm bảo điều kiện bền cho đầu piston, cần thỏa mãn 𝜎 𝑢 < [𝜎 𝑢 ] đỉnh piston, trong đó [𝜎 𝑢 ] được tính bằng công thức 100 ÷ 190 (MN/m²) Ứng suất trên tiết diện nhỏ nhất I-I, nơi cắt qua rảnh xecmang dầu, chịu lực kéo do lực quán tính âm lớn nhất, đồng thời còn chịu lực nén từ khí thể Để phân tích chi tiết, sử dụng phần mềm Solidworks để cắt piston tại vị trí I-I, sau đó áp dụng lệnh Mass Properties và Measure để thu thập dữ liệu cần thiết.
Kết luận: 𝜎 𝑘 < [𝜎 𝑘 ] đảm bảo điều kiện bền
- Ứng suất nén cho phép:
Kết luận: 𝜎 𝑛 > [𝜎 𝑛 ] đầu piston không đảm bảo điều kiện bền c Tính thân piston
Chọn chiều cao của thân piston để áp suất của piston nén tác dụng lên xylanh không quá lớn dễ dàng cho việc bôi trơn
Kết luận: K th > [𝐾 𝑡ℎ ] = 0,6 ÷ 1,2(𝑀𝑁/𝑚 2 ) thân piston không đủ điều kiện bền d.Tính bệ chốt piston
Kiểm tra khả năng màng dầu bôi trơn chốt piston Áp suất bệ chốt xác định theo công thức:
Trong đó: là chiều dài tiếp xúc chốt với piston; 𝑙 1 = 46(𝑚𝑚) là đường kính chốt piston; dcp= 19(mm)
2.0,019.0,046 = 48𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất cho phép: K b H(MN/m 2 K b 30(MN/m 2 )
Kết luận: Bệ chốt không đủ điều kiện bội trơn cho phép
3.4.2 Chốt piston Ứng suất uốn:
Nếu coi lực tác dụng phân bố theo sơ đồ sau:
Hình 4 Sơ đồ kích thước chốt piston
𝑙 đ = 0,0222- chiều dài đầu nhỏ thanh truyền (m)
L= 0,034- khoảng cách hai gối đỡ (m)
𝑑 0 = 0,012- đường kính trong của chốt (m)
4 𝑝 𝑧 (MN) là lực khí thể đầu hành trình đãn nở (coi như tại vị trí ứng với ĐCT), bỏ qua áp suất phía dưới đỉnh piston
4 8,4 = 0,036(MN) Đường kính ngoài chốt : dcp = 0,019 (m)
Piston làm bằng hợp kim cao cấp có thỏa ứng suất cho phép từ 350 đến 450 MPa Ứng suất cắt của chốt piston được xác định tại tiết diện I-I và tính toán theo công thức cụ thể.
= 59,96 (MPa) Thỏa ứng suất cho phép của piston làm bằng thép cacbon : [𝜏] ∈ 50 ÷ 60 𝑀𝑃𝑎
Thép hợp kim cao cấp
Bảng 2 Bảng trị số ứng suất cho phép đối với chốt piston Độ biến dạng chốt piston
Tiết diện ngang của chốt có độ biến dạng lớn nhất và được xác định theo biểu thức :
E:-Mô đun đàn hồi đối với thép :
E = 2.10 5 MPa k:-Hệ số điều chỉnh theo 𝛼 k=[1,5-15(𝛼 − 0,4) 3 ]
→ d max thỏa Độ biến dạng tương đối: Ϩ 𝑐𝑝 = ∆𝑑 𝑚𝑎𝑥
1,9 = 0,0132 mm/cm Ứng suất biến dạng
Trên các điểm 1, 2, 3, 4 có ứng suất lớn nhất Ứng suất kéo tại điểm 1 của mặt ngoài ( = 0 o ) tính theo công thức sau:
- Ứng suất nén tại điểm 3 của mặt ngoài ( = 90 o )
- Ứng suất nén tại điểm 2 của mặt trong ( = 0):
= -1.02 10 −4 (MPa) Ứng suất kéo tại điểm 4 của mặt trong (ϕ = 90 0 )
Thỏa đối với chốt có 𝛼 0 = 0,4 ÷ 0,8 thì 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 60 ÷ 170 𝑀𝑃𝑎
3.4.3 Tính bền thanh truyền a Tính toán đầu nhỏ thanh truyền
19 < 1,5 => đầu nhỏ thanh truyền mỏng
Trên cơ sở thực nghiệm và tính toán giáo sư Kinasochlivi đã đưa ra giả thiết tính toán và công thức sau:
Hình 6 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền
Coi lực quán tính 𝑃 𝑗 phân bố đều theo hướng kính trên đường chu vi trung bình của đầu nhỏ
4 = 0.0117 m Đường kính ngoài bạc D 1 (mm) 19 Đường kính ngoài D 2 (mm) 28
Chiều dài đầu nhỏ l d (mm) 22
Chiều dày bạc đầu nhỏ (mm) 3.9
Bảng 3 Bảng thông số kích thước đầu nhỏ thanh truyền
Coi đầu nhỏ là 1 dầm cong đối xứng ngàm tại tiết diện C-C về mỗi phía, góc ngàm 𝛾 được xác định như sau
Cắt dầm cong tại tiết diện đối xứng A-A và thay đổi lực kéo, momen uốn tương đương NA và MA
= 1,627 10 −6 MNm Ứng suất tổng cộng trên bề mặt ngoài
Tương tự bề mặt trong là
2 = 4,5 10 −3 𝑚 là chiều dày đầu nhỏ
Ld= 22 mm χ là hệ số phụ, để đến ảnh hưởng của ứng suất nen dư với bạc lót đầu nhỏ χ= 𝐸 𝑑 𝐹 𝑑
Trong đó Ed=2,2 10 5 Mpa (thép)
Lực nén được phân bố trên nửa dưới đầu nhỏ theo quy luật cosin và tổng lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston
Tại tiết diện nguy hiểm C-C
Trong đó 2 công thức trên 𝛾 được tính bằng radian
4,5.10 −3 22∗10 −3 = −197350 MN Ứng suất biến dạng
Hình 7 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ đồ thị thực nghiệm và ứng suất trên các bề mặt đầu nhỏ khi chịu chịu nén
𝛼 hệ số dãn nở nhiệt của đầu nhỏ, chọn 𝛼 = 1 10 −5 (l/độ) Độ dôi ∆ 𝑡 gây áp suất lên bề mặt lắp ghép và được xác định như sau
7,39MN/m 2 Ứng suất biến dạng do p gây raneen được tính theo công thức Lame
Trên bề mặt ngoài đầu nhỏ
0,028 2 −0,019 2 !7,43 MN/m 2 Trên bề mặt trong đầu nhỏ
0,028 2 −0,019 2 44,82 MN/m 2 Ứng suất biến dạng có thể đạt tới 100-150Mpa
Hệ số an toàn chung cho đầu nhỏ
Do đầu nhỏ bị kéo và nén, ứng suất sẽ thay đổi theo chu kỳ và không đối xứng, do đó cần tính toán theo hệ số an toàn chung Ứng suất cực đại trong chu trình cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền và an toàn cho cấu trúc.
𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 𝜎 𝑛𝑗 + 𝜎 ∆𝑛 = 269.47 +217,43 H6,9 MN/m 2 Ứng suất cực tiểu cho chu trình
Tại tiết diện nguy hiểm C-C tại điểm nguy hiểm nằm trên bề mặt ngoài của đầu nhỏ hệ số an toàn được xác định theo biểu thức sau
Chọn𝜎 𝑜 =0,1 Độ biến dạng của đầu nhỏ theo hướng kính 𝛿
12 = m 4 : momen quán tính tiết diện dọc của đầu nhỏ
Kết luận: vì 𝛿 < [𝛿]=(0,02÷ 0,03) 10 −3 m nên thỏa điều kiện bền b Tính bền thân thanh truyền
Lực tác dụng khi thanh truyền chịu nén và uốn tại tiết diện trung bình khi piston ở ĐCT:
Lực quán tính tịnh tiến do khối lượng nhóm piston mnp và phần khối lượng trên tiết diện trung bình của thân mtt1 gây nên:
323,89.10 −6 1,1 = 53,66 Mpa Ứng suất cho phép đối với thanh truyền làm bằng thép hợp kim: []=(120-180)MN/m 2 Kết luận : Không thỏa điều kiện bền
Hệ số an toàn tại tiết diện trung bình của thân thanh truyền:
(53,66 +50,94)+0,1.(53,66+50,94)=4,435 Ứng suất nén lớn nhất ở tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền:
Ứng suất kéo do lực quán tính Pjđ của khối lượng nhóm piston và đầu nhỏ thanh truyền tại tiết diện nhỏ nhất được tính bằng công thức 9.58 × 10 −5 = 251,6 𝑀𝑁/𝑚².
Ứng suất kéo do lực quán tính gây ra bởi khối lượng nhóm piston và đầu nhỏ của thanh truyền tại tiết diện nhỏ nhất được tính bằng công thức 9.58×10−5 = 11,37.
Hệ số an toàn ở tiết diện nhỏ nhất là:
(251,6−11,37)+0,05×(251,6+11,37)= 2,68𝑀𝑁/𝑚 2 c.Tính sức bền đầu to thanh truyền
Moment uốn và lực pháp tuyến:
Trong đó: 𝛾o là góc giữa đường tâm thanh truyền với tiết diện ngầm
- Ứng suất lớn nhất tác dụng lên nắp đầu to: σΣ=𝑃 𝑗Σ 𝑐(𝑐(0,0127 + 0,00083𝛾 0 )
- Wu : mô đun chống uốn của nắp đầu to
- Jb, Jđ: diện tích tiết diện của bạt lót và nắp đầu to
Để đảm bảo điều kiện hình thành màn dầu bôi trơn, việc kiểm tra độ biến dạng đường kính của đầu to thanh truyền dưới tác dụng của lực Pd là rất quan trọng Độ biến dạng đường kính δ có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm: δ = 0,0024P d C 3.
Gán vật liệu -> 7075 – T6 Plate (SS)
Tạo môi trường mô phỏng
Chọn chi tiết cố định
Gán điều kiện biên ( áp suất khí thể)
Chạy và cho ra kết quả
1 Simulation Tạo môi trường mô phỏng
Porce Đặt áp suất khí thể lên thân piston
Chạy dữ liệu và cho kết quả
4.1.3 Thanh truyền a, Đầu to thanh truyền
1 Simulation Tạo môi trường mô phỏng
Pressure Đặt áp suất khí thể lên thân thanh truyền
Chạy dữ liệu và cho ra kết quả
1 Simulation Tạo môi trường mô phỏng
Force Đặt áp suất khí thể vào đầu nhỉ thanh truyền
Cho chạy dữ liệu và ra kết quả
4.2.1 Phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra giải pháp a Đầu piston
Hình 9 Mô phỏng chuyển vị đầu piston
Kết quả mô phỏng cho thấy vị trí chuyển vị nguy hiểm có giá trị cao nhất là 0,1365, trong khi vị trí an toàn có giá trị thấp nhất.
Hình 10 Mô phỏng stress thân piston
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất của piston đạt 3.971e +0,8, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu là 7,240e +10 Do đó, piston được xác định là thỏa bền.
Để cải thiện khả năng chịu lực và độ bền cho piston, cần gia cố khe hở bạc dầu bôi trơn bằng cách thiết kế giảm tiết diện khe hở và thêm các trụ tại các khe hở dầu Điều này giúp tăng cường khả năng chịu lực cho piston.
Hình 11 Mô phỏng Stress chốt piston
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất của chốt piston đạt 5.1360e + 0.6, thấp hơn ứng suất cho phép của vật liệu là 2,100e + 11 Do đó, chốt piston không đáp ứng yêu cầu về độ bền.
Hình 12 Mô phỏng chuyển vị chốt piston
Tính toán nhiệt [1]
Trong đó: m = 1,5 - là chỉ số đa biến trung bình của không khí
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( T a ) :
+Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:
2𝑇 = 19,806 + 0,002095𝑇(𝐾𝐽/𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑜 𝐾) (1.4) + Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
+ Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:
2= 2,22.10 −3 + Chỉ số nén đa biến trung bình:
Ta thay dần các giá trị của n1 thuộc đoạn [ 1,32 ; 1,38 ] vào hai vế của phương trình trên, cho đến khi nào thu được kết quả ở hai vế bằng nhau
+ Áp suất cuối quá trình nén:
+ Nhiệt độ cuối quá trình nén:
+ Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu:
M0 = 0,512(𝐾𝑚𝑜𝑙𝐾𝐾/𝐾𝑔𝑛𝑙) (1.10) + Lượng khí nạp mới vào xylanh:
+ Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết:
+ Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm Z :
𝜉 𝑏 = 0,9 (1.16) + Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn:
+ Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm Z: (1.18)
+ Nhiệt độ cuối quá trình cháy:
+ Áp suất cuối quá trình cháy:
Thông số kết cấu của động cơ
𝑆 = 2𝑅 = 2.28,2 = 56.4 mm Thông số kết cấu của động cơ
Số vòng quay của trục khuỷu ω = 𝜋.𝑛
30 b8,31(rad/s) Thể tích công tác của 1 xilanh
4 = 242567 𝑚𝑚 3 $2,567 cm 3 Thể tích buồng cháy
10 − 1 = 26.95 cm 3 Khối lượng của nhóm piston
Tính bền lý thuyết [2]
Tính toán piston
Đỉnh piston phải chịu lực phức tạp từ cả tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt Để kiểm nghiệm tính toán của đỉnh piston, phương pháp Back được áp dụng để đảm bảo độ chính xác trong việc xác định trạng thái ứng suất.
Lực khí thề này có giá trị Áp suất khí thể pz max =𝑝 𝑧 = 8,4 (𝑀𝑁/𝑚2) tác dụng lên đỉnh piston phân bố đều
2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x − x một đoạn:
2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn:
6 = 1,65 10 −6 Ứng suất uốn đỉnh piston
4 (0,0119) 2 = 72.66(𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất cho phép đối với piston bằng gang đỉnh có gân :
Để đảm bảo điều kiện bền cho đầu piston, cần thỏa mãn 𝜎 𝑢 < [𝜎 𝑢 ] đỉnh piston, với [𝜎 𝑢 ] được tính bằng công thức 100 ÷ 190 (MN/m²) Ứng suất trên tiết diện nhỏ nhất I-I, nơi cắt qua rảnh xecmang dầu, chịu lực kéo do lực quán tính âm lớn nhất Đồng thời, đầu piston cũng phải chịu lực nén từ khí thể Để phân tích chi tiết, có thể sử dụng phần mềm Solidworks để cắt piston tại vị trí I-I và áp dụng lệnh Mass Properties và Measure để thu thập dữ liệu cần thiết.
Kết luận: 𝜎 𝑘 < [𝜎 𝑘 ] đảm bảo điều kiện bền
- Ứng suất nén cho phép:
Kết luận: 𝜎 𝑛 > [𝜎 𝑛 ] đầu piston không đảm bảo điều kiện bền c Tính thân piston
Chọn chiều cao của thân piston để áp suất của piston nén tác dụng lên xylanh không quá lớn dễ dàng cho việc bôi trơn
Kết luận: K th > [𝐾 𝑡ℎ ] = 0,6 ÷ 1,2(𝑀𝑁/𝑚 2 ) thân piston không đủ điều kiện bền d.Tính bệ chốt piston
Kiểm tra khả năng màng dầu bôi trơn chốt piston Áp suất bệ chốt xác định theo công thức:
Trong đó: là chiều dài tiếp xúc chốt với piston; 𝑙 1 = 46(𝑚𝑚) là đường kính chốt piston; dcp= 19(mm)
2.0,019.0,046 = 48𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất cho phép: K b H(MN/m 2 K b 30(MN/m 2 )
Kết luận: Bệ chốt không đủ điều kiện bội trơn cho phép.
Chốt piston
Nếu coi lực tác dụng phân bố theo sơ đồ sau:
Hình 4 Sơ đồ kích thước chốt piston
𝑙 đ = 0,0222- chiều dài đầu nhỏ thanh truyền (m)
L= 0,034- khoảng cách hai gối đỡ (m)
𝑑 0 = 0,012- đường kính trong của chốt (m)
4 𝑝 𝑧 (MN) là lực khí thể đầu hành trình đãn nở (coi như tại vị trí ứng với ĐCT), bỏ qua áp suất phía dưới đỉnh piston
4 8,4 = 0,036(MN) Đường kính ngoài chốt : dcp = 0,019 (m)
Ứng suất cho phép của piston làm bằng hợp kim cao cấp nằm trong khoảng [𝜎 𝑢 ] ∈ 350 ÷ 450 𝑀𝑃𝑎 Ứng suất cắt của chốt piston được xác định tại tiết diện I-I và được tính toán theo công thức cụ thể.
= 59,96 (MPa) Thỏa ứng suất cho phép của piston làm bằng thép cacbon : [𝜏] ∈ 50 ÷ 60 𝑀𝑃𝑎
Thép hợp kim cao cấp
Bảng 2 Bảng trị số ứng suất cho phép đối với chốt piston Độ biến dạng chốt piston
Tiết diện ngang của chốt có độ biến dạng lớn nhất và được xác định theo biểu thức :
E:-Mô đun đàn hồi đối với thép :
E = 2.10 5 MPa k:-Hệ số điều chỉnh theo 𝛼 k=[1,5-15(𝛼 − 0,4) 3 ]
→ d max thỏa Độ biến dạng tương đối: Ϩ 𝑐𝑝 = ∆𝑑 𝑚𝑎𝑥
1,9 = 0,0132 mm/cm Ứng suất biến dạng
Trên các điểm 1, 2, 3, 4 có ứng suất lớn nhất Ứng suất kéo tại điểm 1 của mặt ngoài ( = 0 o ) tính theo công thức sau:
- Ứng suất nén tại điểm 3 của mặt ngoài ( = 90 o )
- Ứng suất nén tại điểm 2 của mặt trong ( = 0):
= -1.02 10 −4 (MPa) Ứng suất kéo tại điểm 4 của mặt trong (ϕ = 90 0 )
Thỏa đối với chốt có 𝛼 0 = 0,4 ÷ 0,8 thì 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 60 ÷ 170 𝑀𝑃𝑎
Tính bền thanh truyền
a Tính toán đầu nhỏ thanh truyền
19 < 1,5 => đầu nhỏ thanh truyền mỏng
Trên cơ sở thực nghiệm và tính toán giáo sư Kinasochlivi đã đưa ra giả thiết tính toán và công thức sau:
Hình 6 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền
Coi lực quán tính 𝑃 𝑗 phân bố đều theo hướng kính trên đường chu vi trung bình của đầu nhỏ
4 = 0.0117 m Đường kính ngoài bạc D 1 (mm) 19 Đường kính ngoài D 2 (mm) 28
Chiều dài đầu nhỏ l d (mm) 22
Chiều dày bạc đầu nhỏ (mm) 3.9
Bảng 3 Bảng thông số kích thước đầu nhỏ thanh truyền
Coi đầu nhỏ là 1 dầm cong đối xứng ngàm tại tiết diện C-C về mỗi phía, góc ngàm 𝛾 được xác định như sau
Cắt dầm cong tại tiết diện đối xứng A-A và thay đổi lực kéo, momen uốn tương đương NA và MA
= 1,627 10 −6 MNm Ứng suất tổng cộng trên bề mặt ngoài
Tương tự bề mặt trong là
2 = 4,5 10 −3 𝑚 là chiều dày đầu nhỏ
Ld= 22 mm χ là hệ số phụ, để đến ảnh hưởng của ứng suất nen dư với bạc lót đầu nhỏ χ= 𝐸 𝑑 𝐹 𝑑
Trong đó Ed=2,2 10 5 Mpa (thép)
Lực nén được phân bố trên nửa dưới đầu nhỏ theo quy luật cosin và tổng lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston
Tại tiết diện nguy hiểm C-C
Trong đó 2 công thức trên 𝛾 được tính bằng radian
4,5.10 −3 22∗10 −3 = −197350 MN Ứng suất biến dạng
Hình 7 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ đồ thị thực nghiệm và ứng suất trên các bề mặt đầu nhỏ khi chịu chịu nén
𝛼 hệ số dãn nở nhiệt của đầu nhỏ, chọn 𝛼 = 1 10 −5 (l/độ) Độ dôi ∆ 𝑡 gây áp suất lên bề mặt lắp ghép và được xác định như sau
7,39MN/m 2 Ứng suất biến dạng do p gây raneen được tính theo công thức Lame
Trên bề mặt ngoài đầu nhỏ
0,028 2 −0,019 2 !7,43 MN/m 2 Trên bề mặt trong đầu nhỏ
0,028 2 −0,019 2 44,82 MN/m 2 Ứng suất biến dạng có thể đạt tới 100-150Mpa
Hệ số an toàn chung cho đầu nhỏ
Do đầu nhỏ bị kéo và nén, ứng suất sẽ thay đổi theo chu kỳ và không đối xứng Vì vậy, cần tính toán theo hệ số an toàn chung để xác định ứng suất cực đại trong chu trình.
𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 𝜎 𝑛𝑗 + 𝜎 ∆𝑛 = 269.47 +217,43 H6,9 MN/m 2 Ứng suất cực tiểu cho chu trình
Tại tiết diện nguy hiểm C-C tại điểm nguy hiểm nằm trên bề mặt ngoài của đầu nhỏ hệ số an toàn được xác định theo biểu thức sau
Chọn𝜎 𝑜 =0,1 Độ biến dạng của đầu nhỏ theo hướng kính 𝛿
12 = m 4 : momen quán tính tiết diện dọc của đầu nhỏ
Kết luận: vì 𝛿 < [𝛿]=(0,02÷ 0,03) 10 −3 m nên thỏa điều kiện bền b Tính bền thân thanh truyền
Lực tác dụng khi thanh truyền chịu nén và uốn tại tiết diện trung bình khi piston ở ĐCT:
Lực quán tính tịnh tiến do khối lượng nhóm piston mnp và phần khối lượng trên tiết diện trung bình của thân mtt1 gây nên:
323,89.10 −6 1,1 = 53,66 Mpa Ứng suất cho phép đối với thanh truyền làm bằng thép hợp kim: []=(120-180)MN/m 2 Kết luận : Không thỏa điều kiện bền
Hệ số an toàn tại tiết diện trung bình của thân thanh truyền:
(53,66 +50,94)+0,1.(53,66+50,94)=4,435 Ứng suất nén lớn nhất ở tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền:
Ứng suất kéo do lực quán tính Pjđ của khối lượng nhóm piston và đầu nhỏ thanh truyền ở tiết diện nhỏ nhất được tính bằng công thức 9.58 × 10 −5, tương đương với 251,6 MN/m².
Ứng suất kéo do lực quán tính Pjđ của khối lượng nhóm piston và đầu nhỏ thanh truyền tại tiết diện nhỏ nhất được tính bằng 9.58×10 −5, tương đương với 11,37.
Hệ số an toàn ở tiết diện nhỏ nhất là:
(251,6−11,37)+0,05×(251,6+11,37)= 2,68𝑀𝑁/𝑚 2 c.Tính sức bền đầu to thanh truyền
Moment uốn và lực pháp tuyến:
Trong đó: 𝛾o là góc giữa đường tâm thanh truyền với tiết diện ngầm
- Ứng suất lớn nhất tác dụng lên nắp đầu to: σΣ=𝑃 𝑗Σ 𝑐(𝑐(0,0127 + 0,00083𝛾 0 )
- Wu : mô đun chống uốn của nắp đầu to
- Jb, Jđ: diện tích tiết diện của bạt lót và nắp đầu to
Để đảm bảo điều kiện hình thành màn dầu bôi trơn, việc kiểm tra độ biến dạng đường kính của đầu to thanh truyền dưới tác dụng của lực Pd là rất quan trọng Độ biến dạng đường kính δ có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm: δ = 0,0024P d C 3.
Quy trình mô phỏng [3] [4] [5]
Piston
Gán vật liệu -> 7075 – T6 Plate (SS)
Tạo môi trường mô phỏng
Chọn chi tiết cố định
Gán điều kiện biên ( áp suất khí thể)
Chạy và cho ra kết quả
1 Simulation Tạo môi trường mô phỏng
Porce Đặt áp suất khí thể lên thân piston
Chạy dữ liệu và cho kết quả
Mô phỏng chốt piston
Thanh truyền
1 Simulation Tạo môi trường mô phỏng
Pressure Đặt áp suất khí thể lên thân thanh truyền
Chạy dữ liệu và cho ra kết quả
1 Simulation Tạo môi trường mô phỏng
Force Đặt áp suất khí thể vào đầu nhỉ thanh truyền
Cho chạy dữ liệu và ra kết quả
Kết quả
Phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra giải pháp
Hình 9 Mô phỏng chuyển vị đầu piston
Kết quả mô phỏng cho thấy vị trí chuyển vị nguy hiểm có giá trị cao nhất là 0,1365, trong khi vị trí an toàn có giá trị thấp nhất.
Hình 10 Mô phỏng stress thân piston
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất của piston đạt 3.971e +0,8, thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép của vật liệu là 7,240e + 10 Do đó, piston đảm bảo tiêu chí bền vững và an toàn trong quá trình hoạt động.
Giải pháp cho vấn đề khe hở bạc dầu bôi trơn lớn là thiết kế giảm tiết diện khe hở và gia cố thêm các trụ tại các khe hở dầu Điều này giúp tăng khả năng chịu lực và độ bền cho piston, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hình 11 Mô phỏng Stress chốt piston
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất của chốt piston là 5.1360e + 0.6, thấp hơn ứng suất cho phép của vật liệu là 2,100e + 11, do đó chốt piston không đạt yêu cầu bền.
Hình 12 Mô phỏng chuyển vị chốt piston
Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị chuyển vị cao nhất là 4.016e-04 tại vị trí đầu chốt bên phải, đánh dấu vị trí nguy hiểm nhất, trong khi giá trị thấp nhất, 1.000e-0.3, nằm ở vị trí đầu chốt piston bên trái, được xác định là vị trí an toàn nhất.
Hình 13 Mô phỏng Stress đầu to thanh truyền
Kết quả mô phỏng cho thấy khi thanh truyền chịu kéo, ứng suất lớn nhất tập trung ở đầu to thanh truyền nối với thân, với giá trị đạt 2.147e + 0.7 Giá trị này nhỏ hơn ứng suất vật liệu là 2.100e + 11, cho thấy đầu to thanh truyền vẫn đảm bảo độ bền.
Hình 14 Mô phỏng chuyển vị đầu to thanh truyền
Kết quả mô phỏng cho thấy khi thanh truyền di chuyển lên, ứng suất lớn nhất tập trung ở đầu to của thanh truyền với giá trị 1.263e-0.3, trong khi ứng suất nhỏ nhất ở đầu nhỏ của thanh truyền là 1.000e-30.
Hình 15 Mô phỏng stress đầu nhỏ thanh truyền
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất mà thanh truyền chịu đựng được khi đi lên (chịu nén) là 3.185e + 0.7, nhỏ hơn ứng suất an toàn 2.100e + 11 Do đó, đầu nhỏ của thanh truyền không đáp ứng yêu cầu bền vững.
Hình 16 Mô phỏng chuyển vị đầu nhỏ thanh truyền
Kết quả từ mô phỏng bền máy tính gần như tương đồng với kết quả tính bền lý thuyết, cho thấy tính chính xác cao của phương pháp này Mô phỏng bền cũng giúp xác định rõ các vị trí nguy hiểm của chi tiết, từ đó dễ dàng đề xuất các giải pháp khắc phục So sánh giữa hai phương pháp tính toán cho thấy mô phỏng bền có nhiều lợi ích trong việc cải thiện độ an toàn và hiệu quả thiết kế.
Mô phỏng bền máy tính mang lại kết quả sát thực hơn, đặc biệt khi áp dụng cho các mô hình phức tạp với nhiều biến động Điều này càng trở nên quan trọng khi xử lý sự biến đổi không đồng đều trong vật liệu hoặc hình dạng của chi tiết.
Tính toán bền lý thuyết mang lại kết quả nhanh chóng và đáng tin cậy khi các giả định được xác định chính xác và áp dụng đúng cách Phương pháp này thường phù hợp với các trường hợp đơn giản hoặc tình huống tiêu chuẩn.
Mục tiêu của bài báo cáo là thiết kế lại cụm chi tiết piston-thanh truyền-trục khuỷu dựa trên các chi tiết có sẵn, thực hiện tính toán và mô phỏng kiểm nghiệm bền thông qua phần mềm Solidworks Nhóm đã trình bày quy trình chi tiết, mô tả các bước thực hiện và cung cấp các dữ liệu cần thiết cho việc thiết kế và kiểm nghiệm bền các chi tiết này.
Việc ứng dụng phần mềm trong thiết kế, đặc biệt là Solidworks, đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng và tính toán cụm piston - thanh truyền Phần mềm này không chỉ giúp người thiết kế có cái nhìn tổng quan mà còn cho phép thiết kế chính xác các chi tiết và kiểm tra độ bền của chúng, từ đó giảm thiểu thời gian và công sức cho quy trình thiết kế và thử nghiệm trước khi sản xuất Báo cáo này tập trung vào các phương pháp tính bền cho nhóm piston - thanh truyền và các tính năng cũng như ứng dụng của Solidworks trong việc thiết kế và tính toán cho cơ cấu này.
Mặc dù kết quả thu được chưa hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền lý thuyết do sai lệch các thông số kết cấu và một số thành viên trong nhóm chưa nắm rõ dữ liệu, bài báo cáo đã giúp nhóm hiểu thêm về tính năng trợ giúp thiết kế của phần mềm Solidworks Thời gian hạn chế và thiếu kiến thức về Solidworks để mô phỏng kiểm nghiệm cơ cấu đã khiến nhóm phải tự nghiên cứu tài liệu, nhưng tài liệu tham khảo còn hạn chế và chưa đầy đủ thông tin Điều này cho thấy nhóm cần nỗ lực hơn nữa trong việc học hỏi để đáp ứng yêu cầu của người cán bộ kỹ thuật trong thời đại công nghệ ứng dụng hiện nay.