Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu của piston động cơ không trục khuỷu

Tên đề tài: Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu của piston động cơ không trục khuỷu.2.. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và phương pháp tính toán ứng suấ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – T0 do – Hạnh phúc ***

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: 1 NGUYỄN THANH PHONG MSSV: 17145198 (Email:17145198@student.hcmute.edu.vn Điệnthoại: 0353200255)

2 TRẦN DUY THẮNG MSSV: 17145223 (Email:17145223@student.hcmute.edu.vn Điệnthoại: 0901234163)Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Lớp: 17145CL3Giảng viên hướng dẫn: GVC.TS NGUYỄN VĂN TRẠNG ĐT: 0935705017

1 Tên đề tài: Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu của pistonđộng cơ không trục khuỷu

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung th0c hiện đề tài:

- Tìm hiểu về ứng suất nhiệt, tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên piston và xylanh trong và ngoài nước

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và phương pháp tính toán ứng suất nhiệt

- Thiết kế mô hình cụm piston - xylanh dùng trên động cơ máy cắt cỏ bằng phần mềm CATIA

- Mô phỏng ứng suất cơ nhiệt của cụm piston-xylanh ở các chế độ tải (áp suất) khác nhau và kiểm tra bền bằng phần mềm ANSYS

- Phân tích ứng suất tác động lên cụm piston-xylanh d0a vào kết quả mô phỏng

- Cải tiến piston để tối ưu hoá ứng suất, biến dạng và giảm khối lượng chi tiết

- Đề xuất phương án cải tiến tốt nhất

- Thiết kế cải tiến cụm piston - xylanh để giảm ứng suất nhiệt theo phương án tốt nhất

4 Sản phẩm: Tập thuyết minh

Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2021

Trưởng ngành Giáo viên hướng dẫn

Độc lập – T0 do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHÂhN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: TRẦN DUY THẮNG MSSV: 17145223 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THANH PHONG MSSV: 17145198 Hội đồng:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Tên đề tài: Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu của piston động cơ không trục khuỷu Họ và tên giảng viên hướng dẫn: GVC.TS NGUYỄN VĂN TRẠNG NHÂhN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng th0c hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề ngh椃⌀ cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng

chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn

Độc lập – T0 do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHÂhN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: TRẦN DUY THẮNG MSSV: 17145223 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THANH PHONG MSSV: 17145198 Hội đồng:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Tên đề tài: Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp tối ưu hóa ứng suất cụm piston xylanh trong động cơ không trục khuỷu Họ và tên giảng viên phản biện: GVC.TS LÝ VĨNH ĐẠT NHÂhN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng th0c hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề ngh椃⌀ cho bảo vệ hay

không?

5 Đánh giá

loại:

chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

LỜI CẢM ƠNTrong thời gian th0c hiện Đồ án Tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều s0 giúp

đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy GVC.TS Nguyễn Văn Trạng, giảng viên Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động l0c - người đã hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm Đồ án Thầy đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình l0a chọn đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi tiến độ trong quá trình th0c hiện để chúng em có thể hoàn thành Đồ án này

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nói chung, các Thầy Cô trong khoa Cơ khí Động l0c nói riêng

đã dạy cho chúng em những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đó là nền tảng, đ椃⌀nh hướng vững chắc không chỉ giúp chúng em hoàn thành Đồ án mà còn trong con đường nghề nghiệp sắp tới Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Đồ án Tốt nghiệp

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Nhóm sinh viên th0c hiệnTrần Duy Thắng Nguyễn Thanh Phong

LỜI NÓI ĐẦUTrong thời gian gần đây, bất chấp s0 ra đời của xe hoàn toàn chạy điện, động cơ đốt trong vẫn có thể tồn tại trong một thời gian dài nữa, như là một thành phần của xe plug-in hybrid, xe điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện Hiện tại, động

cơ xăng chạy máy phát điện sử dụng trên xe plug-in hybrid của các hãng ô tô trên thế giới là động cơ chu kỳ Atkinson, nhiều nhà sản xuất đặt tên là động cơ "van biến thiên", có khả năng tăng thể tích kỳ dãn nở, giảm thể tích kỳ hút nén, được đánh giá là hiệu quả về tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng thông thường 10%

Tuy nhiên các nhà nghiên cứu Cơ quan không gian Đức (DLR) và Trung tâm nghiên cứu phát triển của Toyota chưa hài lòng với mức hiệu quả nhiên liệu của động cơ Atkinson nên đã phát triển một hệ thống máy nổ - phát điện mới được đặt tên "Động cơpiston t0 do phát điện tuyến tính" (Free Piston Engine Linear Generator, FPEG) Động cơ piston t0 do (Free Piston Engine) và máy phát điện tuyến tính (Linear Generator) đều không phải là ý tưởng mới Năm 1959 một kiểu mẫu động cơ piston t0

do đầu tiên sản xuất khí nén và dùng khí nén để quay turbin phát điện đã được cấp bằng sáng chế ở Đức

D0a trên cơ sở kế thừa những bài báo cáo, những công trình nghiên cứu đã có trên những động cơ truyền thống, nhóm chúng em tổng hợp và chọn lọc để trình bày cơ sở

lý thuyết, phương pháp mô phỏng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ bằng phần mềm ANYSIS và tối ưu kết cấu cụm piston - xylanh Từ đó có thể góp phần cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng loại động cơ này ở nước ta

TÓM TẮTTrong bài nghiên cứu về:

PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TIẾN KẾT CẤUCỦA PISTON ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU

D0a vào các kiến thức đã học và tài liệu tham khảo về phân tích ứng suất các chi tiếtcủa động cơ đốt trong nói chung và động cơ không trục khuỷu nói riêng, chúng em tập trung chủ yếu vào các nội dung sau:

• Tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên Piston – Xylanh của động cơ đốt trong tại Việt Nam và trên thế giới

• Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt, tính toán ứng suất cơ nhiệt trên Piston – Xylanh

• Thiết kế mô hình của Piston – Nắp máy-xylanh bằng phần mềm CATIA

• Mô phỏng và đánh giá ứng suất cụm Piston – Xylanh bằng phần mềm ANSYS

• Đề xuất phương án tối ưu hóa kết cấu để giảm ứng suất

Hướng tiếp cận và giải quyết đồ án này chủ yếu vào việc nghiên cứu lý thuyết,

sử dụng phần mềm CATIA để thiết kế, phân tích ứng suất nhiệt của cụm piston-xylanh của động cơ không trục khuỷu bằng phần mềm ANSYS Bên cạnh đó em được thầy GVC.TS Nguyễn Văn Trạng cung cấp tài liệu nghiên cứu liên quan đến đề tài và giải đáp những thắc mắc gặp phải trong quá trình th0c hiện để chúng em có thể hoàn thành

đồ án này

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1.Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2.1 Các nghiên cứu ứng dụng trong nước 1

1.2.2 Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 2

1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 4

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và thiết kế 4

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 4

1.3.4 Nội dung nghiên cứu 4

1.3.5 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 6

2.1 Ứng suất nhiệt của Piston-xylanh 6

2.1.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 7

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 7

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ 10

2.2 Tính toán trường nhiệt độ của Piston 11

2.2.1 Phương trình vi phân truyền nhiệt 11

2.2.2 Các giả thiết và điều kiện biên của bài toán tính toán trường nhiệt độ

15

2.2.3 Cơ sở lý thuyết của bài toán phần tử hữu hạn trong bài toán trường nhiệt độ 16

2.3 Các phương pháp tính toán ứng suất nhiệt 20

2.4 Lựa chọn phương pháp tính toán 22

2.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn 22

2.4.2 Lựa chọn phần mềm tính toán 24

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THIẾT LẬP CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG 26

3.1 Tính toán, xây dựng mô hình phân tích 26

3.1.1 Tính toán lý thuyết 26

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán 41

3.2 Quy trình phân tích các thông số 48

3.2.1 Quy trình chung [17] 48

3.2.2 Các bước phân tích 49

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 53

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON54 4.1 Kết quả phân tích 54

4.1.1 Kết quả phân tích ứng suất cơ-nhiệt, biến dạng, nhiệt độ, thông lượng nhiệt của piston và ứng suất của Xylanh 54

4.1.2 Kết quả ứng suất ở các giá trị áp suất khác nhau cuả piston 60

4.1.3 Kết quả phân tích ống lót của Xylanh ở các giá trị áp suất khác nhau 69

4.1.4 Phân tích mỏi [18] 72

4.2 Cải tiến kết cấu của piston [19] 73

4.2.1 Cải tiến chốt piston 74

4.2.2 Thay đổi vật liệu sản xuất piston [20] 87

4.3 Ứng dụng 97

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 97

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 98

5.1 Kết luận 98

5.2 Kiến nghị 98

5.3 Hướng phát triển của đề tài 99

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 103

Phụ lục 1: Code vẽ đồ thị từ matlab 103

Phụ lục 2: Các bước thiết kế piston và xy lanh 105

2.1 Quy trình thiết kế piston 105

2.2 Các bước thiết kế Xylanh 111

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

FPEG: Free Piston Engine Generaror

Theo tốc độ di chuyển của thanh dẫn piston, tỷ số nén, kích thước xylanh, piston và vật liệu của xylanh và các yếu tố khác, thí nghiệm có thể được th0c hiện để lấy giá tr椃⌀

Có tính đến quá trình nén là rất nhanh (0,015 giây ~ 0,005 giây), nó có thể được sử dụng để ước tính bằng chỉ số đoạn nhiệt trung bình

Chỉ số đa nhiệt đới của sự mở rộng

Chỉ số polytropic của mở rộng có thể được l0a chọn bởi dữ liệu thử nghiệm Với hệ

số sử dụng nhiệt tăng lên, tỷ lệ đột quỵ piston S và đường kính xylanh D tăng lên và cường độ làm mát tăng lên, giá tr椃⌀ của cũng tăng lên Với tải trọng tăng và kích thước tuyến tính xylanh tăng (S / D là không đổi), b椃⌀ giảm Và khi cải thiện động cơ tốc độ cao, giá tr椃⌀ của thường giảm

Việc tính toán quá trình làm việc động cơ

Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk)

Vì xe sử dụng động cơ xăng 2 kỳ không tăng áp thì

Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk)

Đối với động cơ xăng 2 kỳ tăng áp thì T = T = 300°Kk 0

Áp suất cuối quá trình nạp (pa)

Đối với động cơ không tăng áp: p = p – Δp []a 0 k (3.4)

Trong quá trình tính toán nhiệt, áp suất cuối quá trình nạp p được xác đ椃⌀nh bằng acông thức th0c nghiệm:

Chọn áp suất khí sót (pr)

Đối với động cơ xăng: p = 1,12p = 0,112 []r 0 (3.6)

Nhiệt độ khí sót (Tr)

Đối với động cơ xăng: T = 900 ÷ 1100°K, ta chọn T = 900°Kr r

Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔT)

Đối với động cơ xăng: ΔT = 0 ÷ 20°C, chọn ΔT = 3°C

Chọn hệ số nạp thêm (λ1)

Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn

λ1 = 1,02 ÷ 1,07, ta chọn: λ = 1,021

Chọn hệ số quét buồng cháy (λ2)

Vì là động cơ không tăng áp nên chọn λ = 0,92

Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λt)

Đối với động cơ xăng chọn λ = 1,15t

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ)

Đối với động cơ xăng chọn ξ = 0,75Z

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb)

Đối với động cơ xăng: ξ = 0,85 ÷ 0,95, chọn ξ = 0,85b b

Chọn hệ số lượng dư không khí (α)

Động cơ xăng: α = 0,85 ÷ 0,95, chọn α = 0,85

Chọn hệ số điền đầy đủ đồ thị công (φd)

Động cơ xăng có φ = 0,93 ÷0,97, chọn φ = 0,93d d

Tỷ số tăng áp λ

Đối với động cơ xăng: λ = 3 ÷ 4, chọn λ = 3

Thay dần các giá tr椃⌀ n vào 2 vế phương trình trên đến khi cân bằng nhau (sai số 1không quá 0,2%) ta nhận được n = 1,374.1

Áp suất cuối quá trình nén p :c

pc = p = 0,08.7,5a 1.374 = 1,275 [] (3.14)

Nhiệt độ cuối quá trình nén T :c

Tc = T =349,05.7,5a 1,374 – 1 = 741,584°K (3.15)Quá trình cháy

Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu (xăng):

M0 = 0,516 (kmol/kg nl)

Lượng khí nạp mới th0c tế nạp vào xilanh:

M1 = α.M + = 0,85.0,516 + = 0,447 (0 kmol/kg nl) (3.16)Trong đó trọng lượng phân tử của xăng;

Với Q là nhiệt tr椃⌀ thấp của xăng Q = 43960 (H H kJ/kg nl)

Áp suất cuối quá trình cháy p :z

Giải phương trình trên ta được n = 1,22

Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở:

Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình

Áp suất chỉ th椃⌀ trung bình tính toán (Pi’):

= 347,3199 (g/kW.h) (3.33)

Hiệu suất chỉ th椃⌀ :

(3.34)Suất tiêu hao nhiên liệu :

(3.40)

Tỷ số nén th0c tế là: (3.41)

Thông lượng nhiệt truyền qua trên piston đối với vật liệu Thép:

(3.42)

Trong đó: k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

T2 là nhiệt độ tại khu v0c đáy của piston

T1 là nhiệt độ tại khu v0c đỉnh của piston

t là độ dày của đỉnh piston (mm)

Hình 3 1: Đồ thị công P-VĐiểm a: bắt đầu quá trình nạp (piston di chuyển xuống BDC, bắt đầu mở cửa quét)

Điểm r: bắt đầu quá trình nén (piston di chuyển lên TDC, đóng hoàn toàn cửa xả)

Điểm c: Điểm đánh lửa sớm (bougie bắt đầu đánh lừa)

Điểm z: Áp suất cháy cao nhất P z

Điểm b: bắt đầu quá trình thải (piston di chuyển xuống BDC, bắt đầu mở cửa xả)

Hình 3 2: Đồ thị Công P-V mô phỏng bằng matab

D0a vào đồ th椃⌀ ta có thể thấy rằng từ sau đường giãn nở, tại b áp suất trong xylanh giảm đột ngột trong thời gian ngắn, sau đó giảm từ từ đến khi đến điểm a thì áp suất trong xylanh bằng và sau đó giảm xuống bằng ở BDC

Khi piston di chuyển lên TDC và đóng hoàn toàn cửa xả, bắt đầu quá trình nén tại điểm r, áp suất ngay tại lúc này là pr (áp suất đầu quá trình nén hay áp suất khí sót)

Ta xem như thay đổi áp suất trong quá trình nạp môi chất mới là không đáng kể, nên taxem:

Quá trình nén khi diễn ra, áp suất trong xylanh tăng đến pctại điểm c và sau khi bougie đánh lửa, s0 cháy diễn ra, áp suất tăng đột ngột đến Nhưng trong th0c tế áp suất c0c đại

Thông số kết cấu của piston

Cụm chi tiết piston được chọn nguyên thể từ một động cơ máy cắt cỏ 2 kỳ với các thông số được cho như sau:

Hình 3 3: Thông số kết cấu của piston

Hình 3 4: Mô hình 2D của Piston

Thông số của Xylanh được lấy nguyên thể từ động cơ máy cắt cỏ 2 thì với các kích thước như hình sau:

Hình 3 5: Thông số kết cấu của xylanh

Hình 3 6: Mô hình 2D của Nắp máy-Xylanh

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán

Piston là một trong những thành phần quan trọng nhất của động cơ diesel Nó là một đĩa chuyển động qua lại trong xi lanh Chức năng của piston trong động cơ diesel hai kỳ:

- Nó biến đổi l0c do khí cháy sinh ra thành cơ năng thông qua chuyển động t椃⌀nh tiến của nó đối với trục khuỷu thông qua thanh truyền mà không b椃⌀ thất thoát khí

- Nó phân tán một lượng lớn nhiệt từ buồng đốt đến thành xylanh

- Không khí trong xylanh được nén bởi đỉnh piston trong khi váy piston đóng vai trò dẫn hướng trong quá trình chuyển động của piston từ tâm trên (TDC) đến tâm chết dưới (BDC)

- Núm và váy piston phải có đủ độ cứng để ch椃⌀u áp l0c và ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc và chống lại các sản phẩm cháy ăn mòn như dầu nhiên liệu nặng hoặc dầu diesel hàng hải

=> Chính vì vậy phải lên phương án để tính toán trường nhiệt độ và ứng suất cụm piston-xylanh trên cơ sở ứng dụng phần mềm Anysis, trước hết ta phải xây d0ng được mô hình tính toán dưới dạng hình học, sau đó phải xây d0ng mô hình phần tử hửu hạn, xác đ椃⌀nh tính chất vật liệu, các điều kiện tải trọng nhiệt và giải bài toán bằng phần mềm Anysis trên máy tính

Khi thiết lập bài toán, xây d0ng mô hình bài toán và giải bài toán phải thỏa mãncác điều kiện sau:

Mô hình phải thõa mãn các điều kiện làm việc của piston- xylanh

Mô hình đơn giản, phù hợp với các điều kiện của phần mềm để có thể giải đượcCác kết quả nhận được phải có độ chính xác cao với sai số chấp nhận được Thiết lập bài toán, xây dựng mô hình hình học [16]

- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác tới đỉnh piston và thành xylanh

- Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ của ngọn lửa tới mặt đỉnh piston và thành xylanh

- Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa piston đến xéc măng và đến xylanh