Vìvậy nó phải được thiết kế để chịu được lực gây ra do quá trình cháy giãn nở với nhiệt độcực cao và áp suất lớn của quá trình này.. Piston trong động cơ là loại chi tiết phức tạp trên ô
Nội dung nghiên cứu
Thiết kế tối ưu hóa piston để có giảm khối lượng trên piston nhưng vẫn đảm ứng suất mà nó có thể hoạt động ổn định Piston trong động cơ là loại chi tiết phức tạp trên ô tô.Tham khảo bài nghiên cứu để mô tả việc tối ưu hóa ứng suất của Piston cho I.C.Engine.Qua đó giúp ta hiểu hơn về mô tả tối ưu hóa piston bằng cách dùng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn kỹ thuật để dự đoán ứng suất cao hơn và vùng tới hạn trên thành phần.Việc tối ưu hóa được thực hiện để giảm ứng suất tập trung ở đầu piston.
Phương pháp nghiên cứu
- Tính toán thiết kế lý thuyết của piston.
- Tham khảo bài nghiên về mô hình 3D của piston cho động cơ hai thì sử dụng Creo 2.0.
- Nghiên cứu phát triển mô hình phần tử hữu hạn để tối ưu hóa ứng suất của đầu piston sử dụng Creo-Simulate.
- Phân tích piston bằng phương pháp phân tích ứng suất tĩnh
- Tối ưu hóa mô hình để giảm khối lượng.
Cơ sở lý thuyết và tính toán
Lý thuyết tính toán thiết kế piston
Piston là một bộ phận của động cơ; máy bơm, máy nén khí dạng piston; xi lanh thủy lực hoặc xi lanh khí nén Chuyển động tịnh tiến trong xi lanh Trong quá trình làm việc, piston tiếp nhận lực khí thể truyền qua thanh truyền để làm qua trục khuỷu và nhận lực quán tính từ trục khuỷu giúp cho động cơ làm việc được liên tục. Đối với động cơ đốt trong, piston cùng với xi lanh và nắp máy có nhiệm vụ tạo thành buồng đốt Piston nhận áp suất từ sự giãn nở của quá trình cháy rồi truyền lực cho trục khuỷu để sinh công trong quá trình nổ và nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải. b) Điều kiện làm việc:
Piston là một chi tiết rất quan trọng đối động cơ đốt trong Trong quá trình động cơ làm việc piston chịu lực lớn, nhiệt độ cao, ma sát và ăn mòn rất lớn Các tải trọng tác dụng lên piston gồm có:
- Chịu tác dụng của áp lực khí thể rất lớn của quá trình cháy – giãn nở.
- Lực quán tính tác dụng lên piston rất lớn, nhất là với động cơ tốc độ cao.
- Các tải trọng cơ học tác dụng lên piston gây nên ứng suất và biến dạng lớn, nếu vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm hỏng piston.
Trong quá trình cháy piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ cao (2300; 2800K) nên nhiệt độ của piston nhất là phần đỉnh cũng rất cao (khoảng 500 - 800K) Nhiệt độ cao gây ra các tác hại sau:
- Ứng suất nhiệt lớn, có thể làm rạn nứt piston.
- Gây biến dạng piston, tăng ma sát hoặc có thể làm bó kẹt piston trong xylanh.
- Làm giảm sức bền piston.
- Làm giảm chất lượng của dầu bôi trơn.
- Dễ gây ra hiện tượng cháy kích nổ trên động cơ xăng.
- Làm giảm hệ số nạp và ảnh hưởng đến công suất động cơ.
Ma sát và ăn mòn hoá học
Trong quá trình làm việc, do điều kiện bôi trơn giữa piston và xylanh không đầy đủ nên piston chịu ma sát rất lớn Hơn nữa do lực quán tính, nhiệt độ và lực ngang N làm cho piston biến dạng nên ma sát càng tăng Piston còn tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy nên bị sản vật cháy ăn mòn. c) Cấu tạo:
Xét theo mặt kết cấu thì piston được chia thành 3 phần chính:
Hình 1.1 Cấu tạo của piston
Đỉnh piston Đỉnh piston là phần trên cùng của piston, cùng với xylanh và nắp máy tạo thành không gian của buồng cháy Đỉnh piston là một phần quan trọng của động cơ đốt trong. Công dụng chính của đỉnh piston là:
- Chứa và dẫn hướng chuyển động của piston: Piston là một chiếc van di động trong xi-lanh của động cơ Nó di chuyển lên và xuống trong xi-lanh để tạo ra áp suất cần thiết cho quá trình đốt nhiên liệu.
- Làm phần chính của buồng đốt: Khi piston di chuyển lên và xuống, nó tạo ra một không gian có thể được sử dụng cho việc nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí (trong động
14 cơ đốt trong) hoặc không khí (trong động cơ diesel) trước khi chúng bị cháy trong quá trình đốt.
- Chịu áp lực nhiệt và áp lực nén: Trong quá trình hoạt động của động cơ, đỉnh piston phải chịu áp lực nhiệt từ hỗn hợp nhiên liệu và không khí bị cháy Nó cũng phải chịu áp lực nén từ hệ thống piston và xi-lanh, và phải duy trì tính kín khít để tránh rò rỉ nhiên liệu và không khí. Đỉnh piston có rất nhiều dạng khác nhau, tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện làm việc nó được chia thành: Đỉnh bằng, đỉnh lồi, đỉnh lõm,…
Hình 1.2 Một số hình dạng của piston
Đầu piston Đầu piston có các rãnh được thiết kế để lắp các xéc măng có nhiệm vụ ngăn và thoát dầu bôi trơn, với mục đích là tạo độ kín giữa piston và thành xi lanh. Đầu piston giới hạn từ phía dưới đỉnh đến rãnh xéc măng, phần đầu được nằm trên bệ chốt của piston Đầu piston thực hiện nhiệm vụ làm kín buồng cháy và tản nhiệt cho piston để đảm bảo thiết bị vận hành ổn định.
Trong quá trình động cơ làm việc, đầu piston truyền phần lớn nhiệt lượng do khí chảy truyền qua phần xéc măng – xylanh đến môi chất làm mát để làm mát động cơ Khi thiết kế phần đầu piston cần chú ý giải quyết ba vấn đề sau:
Thiết kế đỉnh piston mỏng nhưng có gân tản nhiệt ở phía dưới đỉnh piston để tăng diện tích tiếp xúc Dùng rãnh chắn nhiệt trên hoặc bố trí xéc măng khí thứ nhất càng gần khu vực nước làm mát càng tốt.
Dùng hợp kim nhôm có hệ số dẫn nhiệt lớn để giảm nhiệt độ của piston hoặc bố trí các đường dầu bôi trơn từ phía dưới đỉnh để làm mát đỉnh piston.
Biện pháp làm kín duy nhất là dùng xéc măng và số xéc măng càng nhiều thì làm kín càng tốt Nhưng xéc măng càng nhiều thì rãnh xéc măng cũng phải nhiều, điều này làm cho đầu piston càng dài và nặng hơn nữa còn làm tăng ma sát Vì vậy khi chọn xéc măng cần chú ý đầy đủ các mặt.
Thông thường nếu áp suất khí thể càng cao, tốc độ động cơ càng thấp, đường kính xylanh càng lớn thì phải chọn số xécmăng càng nhiều.
- Động cơ xăng dùng từ 3 – 4 xécmăng khí, 1 : 2 xécmăng dầu.
- Động cơ Diesel cao tốc dùng từ 3 : 6 xécmăng khí, 1 : 3 xécmăng dầu.
- Động cơ Diesel tốc độ tấp dùng từ 5 - 7 xécmăng khí, 1 ; 4 xécmăng dầu.
Ngoài cách dùng xécmăng để bao kín thì khe hở giữa phần đầu piston – xylanh và khe hở giữa xécmăng – rãnh xéc măng cũng phải nằm trong giới hạn cho phép.
Vấn đề sức bền Đối với piston làm băng hợp kim nhẹ, để đảm bảo độ cứng vững và sức bền của đỉnh và đầu piston, ngoài việc làm gân chịu lực phía dưới đỉnh người ta còn thường làm các gân dọc nối với bệ chốt piston Điều này giúp tăng độ cứng cho phần đầu cũng như cho phần bệ chốt.
Những lưu ý khi thiết kế cho Piston
Vật liệu chế tạo: Vật liệu của piston cần phải có đủ độ bền và khả năng chịu nhiệt để đối phó với điều kiện làm việc nặng nhọc của động cơ Ví dụ, hợp kim nhôm thường được sử dụng vì nó kết hợp giữa độ bền, khả năng chịu nhiệt và trọng lượng nhẹ.
Kích thước và hình dạng: Thiết kế kích thước và hình dạng phải phù hợp với hình học của xi-lanh và các phần khác của động cơ Một thiết kế chính xác giúp đảm bảo sự kín đáo trong xi-lanh, tránh ma sát không mong muốn và đảm bảo hiệu suất làm việc của piston.
Khả năng chịu nhiệt và áp lực: Do piston thường phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao, nên vật liệu và cấu trúc của nó phải được thiết kế để chịu được điều kiện này mà không bị biến dạng hoặc hỏng hóc.
Trọng lượng và cân bằng: Trọng lượng của piston ảnh hưởng đến động cơ, nếu quá nặng có thể làm tăng tải trọng và tiêu tốn nhiều năng lượng Đồng thời, cân bằng phải được đảm bảo để tránh rung động và mài mòn không mong muốn, giúp tăng hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
Kết cấu và độ bền: Piston phải được thiết kế để chịu được các tải trọng động và tĩnh mà không gây ra sự suy giảm đáng kể về độ bền Điều này đảm bảo rằng piston có thể hoạt động ổn định trong suốt tuổi thọ của động cơ mà không gây ra sự cố nghiêm trọng.
Làm mát: Một thiết kế piston tốt cần có tính năng tối ưu hóa làm mát để giảm nhiệt độ hoạt động của nó Điều này có thể bao gồm các cấu trúc tản nhiệt hoặc khe hở để tăng cường lưu lượng không khí làm mát, giảm nguy cơ quá nhiệt và mài mòn. Ổn định và chính xác: Piston cần phải di chuyển một cách ổn định và chính xác trong xi-lanh để đảm bảo hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu tối thiểu Thiết kế chính xác giúp giảm thiểu mọi sai lệch và đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động của động cơ.
Chất liệu làm Piston
Do điều kiện làm việc phải đảm bảo các yêu cầu phù hợp nên vật liệu được chọn phải:
- Đủ sức bền khi piston làm việc ở nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi;
- Hệ số giãn nở vì nhiệt nhỏ và hệ số dẫn nhiệt lớn;
- Chịu mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao;
- Chống được ăn mòn hóa học của khí cháy.
Một số loại vật liệu thường được sử dụng để chế tạo piston:
Nhôm và hợp kim nhôm: Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu phổ biến nhất cho việc chế tạo piston Chúng có trọng lượng nhẹ, có tính dẻo và có khả năng tản nhiệt tốt, điều này giúp làm giảm nhiệt độ của piston trong quá trình hoạt động Hợp kim nhôm thường bao gồm các nguyên tố như silic, magiê và đồng để cải thiện độ bền và cứng của piston.
Thép hợp kim: Thép hợp kim được sử dụng cho các động cơ hoạt động ở điều kiện cao áp suất và nhiệt độ Thép hợp kim có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt hơn so với nhôm, tuy nhiên, chúng thường nặng hơn và ít tính dẻo hơn.
Silicôn-aluminium (Silumin): Silumin là một loại hợp kim nhôm có chứa một lượng nhỏ các nguyên tố như silicôn, đồng và magiê Silumin có khả năng chịu nhiệt tốt và giá thành thấp, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các động cơ đốt trong.
Quy trình xác định thông số thiết kế Piston
Quy trình xác định thông số thiết kế piston là một quá trình phức tạp và đòi hỏi sự chính xác, tính toán và kiểm tra để đảm bảo piston hoạt động hiệu quả và đáp ứng các yêu cầu của động cơ.
Xác định yêu cầu chung của động cơ: Trước hết, cần phải xác định các yêu cầu cơ bản của động cơ, bao gồm loại động cơ, dải tần số vận hành, áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc, và các yêu cầu về tuổi thọ và hiệu suất.
Tính toán thể tích xi-lanh và áp suất: Dựa trên các thông số cơ bản của động cơ, tính toán thể tích xi-lanh và áp suất tại các giai đoạn của chu trình làm việc của động cơ.
Xác định vật liệu và hình dạng: Dựa trên các yêu cầu về độ bền, khả năng chịu nhiệt và trọng lượng, lựa chọn vật liệu chế tạo phù hợp như nhôm, hợp kim nhôm, thép hợp kim, hoặc các loại vật liệu composite Xác định hình dạng tổng thể của piston, bao gồm đường kính và chiều cao.
Tính toán và mô phỏng cơ học: Sử dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng cơ học để xác định các thông số cụ thể của piston, bao gồm độ dày của thành piston, chiều dài và góc của thân piston, và các thông số khác liên quan đến kết cấu và cơ học của piston.
Thiết kế hệ thống làm mát: Đối với các động cơ yêu cầu hệ thống làm mát cho piston, cần thiết kế các cấu trúc tản nhiệt hoặc các khe hở để tăng cường lưu lượng không khí làm mát xung quanh piston.
Kiểm tra và điều chỉnh thiết kế: Sau khi hoàn thiện thiết kế, thực hiện các kiểm tra và mô phỏng để đảm bảo rằng piston đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, độ bền và an toàn.
Sản xuất mẫu thử nghiệm: Tạo ra mẫu piston thử nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế và hiệu suất của nó trong điều kiện thực tế.
Tối ưu hóa và sản xuất hàng loạt: Tối ưu hóa quy trình sản xuất và sản xuất hàng loạt các piston theo thiết kế đã được xác định, đảm bảo sự đồng nhất và đáp ứng các yêu cầu sản xuất và chất lượng.
Quy trình thiết kế piston bao gồm những bước sau:
- Độ dày đầu piston (tH)
- Độ dày vòng chịu nén (t2)
Hình 1.3 Các bộ phận trên piston
Vòng piston (vòng xéc măng)
Vòng găng hay còn gọi là xéc măng là một vòng kim loại hở được gắn với đường kính ngoài của piston trong động cơ đốt trong Vòng găng có nhiệm vụ làm kín buồng đốt, ngăn không cho khí cháy lọt xuống các-te động cơ và ngăn không cho dầu bôi trơn lọt vào buồng đốt Ngoài ra, vòng găng cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt từ phần đỉnh piston sang thành xi lanh Khoảng 70% trong tổng nhiệt lượng mà đỉnh piston nhận sẽ được truyền qua vòng găng Vòng găng còn giúp điều chỉnh mức tiêu thụ dầu động cơ bằng cách gạt dầu từ thành xi lanh trở lại ngăn chứa dầu hoặc các te. Để piston chuyển động dễ dàng trong xylanh thì giữa piston và xylanh phải có khe hở nhất định đồng thời phải tổ chức bôi trơn tốt và có độ kín cao Do đó phải dùng xécmăng
20 khí và xécmăng dầu, xécmăng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy ngăn không cho khí cháy lọt xuống các te còn xécmăng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu bôi trơn đi ngược lên buồng cháy.
Hình 1.4 Vòng xéc măng b) Điều kiện làm việc:
Xéc măng làm việc trong điều kiện chịu nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh, bị ma sát lớn và ăn mòn hoá học của khí cháy.
Chịu nhiệt độ cao: xéc măng tiếp xúc trực tiếp với khí cháy và do piston truyền nhiệt cho xylanh qua xéc măng nên xécmăng có nhiệt độ rất cao, nhất là xéc-măng đầu tiên (623 - 6730°K) Nhiệt độ cao làm giảm sức bền cơ học, độ đàn hồi của xéc măng.
Chịu lực va đập lớn: xéc măng lắp trong rãnh bao giờ cũng có một khe hở nhất định do đó khi piston chuyển động sẽ sinh ra lực va đập lớn giữa xéc măng với rãnh xéc măng và lực này càng lớn trên các động cơ cao tốc.
Chịu mài mòn: khi làm việc xéc măng cọ sát vào vách xylanh sinh ra ma sát lớn, công ma sát của xéc măng khoảng 50 - 60% toàn bộ công tổn thất của động cơ Điều này có được do áp suất tiếp xúc của xéc măng với thành xylanh lớn trong khi điều kiện bôi trơn kém nên độ mài mòn tăng nhanh Ngoài ra ngay cả khi động cơ không làm việc xéc măng cũng chịu ứng suất lớn. c) Vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo xécmăng phải bảo đảm các yêu cầu sau đây:
- Sức bền và độ đàn hồi tốt trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao.
- Chịu mòn tốt ở điều kiện ma sát lớn.
- Có khả năng kín khít cao với hệ số ma sát nhỏ với mặt xylanh.
Hiện nay vật liệu tốt nhất để chế tạo xéc măng là gang xám hợp kim do kim loại này có nhiều ưu điểm mà các vật liệu khác không có được:
- Nếu mặt ma sát bị cào xước thì trong quá trình làm việc vết xước tự mất dần và bề mặt được khôi phục như ban đầu.
- Do graphít trong hợp kim gang có khả năng bôi trơn ma sát nên hệ số ma sát nhỏ.
- Ít gây ra ứng suất tập trung sinh ra ở các cùng vết xước.
Hình 1.5 Hai vòng găng trên piston động cơ hai kỳ d) Xéc măng khí (làm kín)
Trong động cơ đốt trong, các “compression rings” là một phần quan trọng của hệ thống piston Chúng được sử dụng để giữ nén áp lực trong buồng đốt và ngăn không cho khí nén trong quá trình nén ở phần trên của xi lanh trôi lùi qua dầu nhớt và tiếp tục tràn vào buồng đốt.
Vai trò của compression rings là rất quan trọng vì chúng giúp tạo ra áp lực nén cần thiết trong buồng đốt để làm cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí trong quá trình đốt cháy Nếu compression rings không hoạt động hiệu quả, sẽ có sự mất áp lực nén, dẫn đến hiện tượng rò rỉ khí nén qua các khe hở và làm giảm hiệu suất và công suất của động cơ.
Các pressure rings trong động cơ đốt trong thường liên quan đến áp suất nén trong buồng đốt trong quá trình nén Điều này là quan trọng để đảm bảo rằng áp lực nén đạt được đủ cao để tạo ra điều kiện lý tưởng cho quá trình đốt cháy nhiên liệu và khí Áp lực nén phải được kiểm soát một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất tốt nhất và độ tin cậy của động cơ.
Xéc măng có cấu tạo đơn giản là một vòng thép hở miệng Đường kính D của xécmăng là đường kính ngoài của xécmăng khi lắp vào trong xylanh Trong động cơ, khí cháy có thể lọt xuống cacte theo 3 đường:
- Qua khe hở giữa mặt xylanh và mặt lưng xéc măng.
- Qua khe hở giữa xécmăng và rãnh xéc măng.
- Qua khe hở phần miệng xéc măng. Để tránh lọt khí phải dùng nhiều xéc măng, số lượng xéc măng khí phụ thuộc vào loại động cơ tốc độ và áp suất trong xylanh động cơ, động cơ Diesel cần nhiều xéc măng hơn động cơ xăng Khi lắp các xéc măng khí, cần xoay miệng của các xéc măng lệch nhau 180°. Kết cấu của xéc măng khí thường chỉ khác nhau ở tiết diện ngang, có rất nhiều kiểu tiết diện ngang khác nhau.
Tiết diện hình chữ nhật: đây là loại thông dụng nhất và dễ chế tạo nhất
Tiết diện hình côn: mặt lưng xécmăng làm thành mặt côn (góc B nhằm tăng áp suất tiếp xúc giữa xéc măng và xylanh và nâng cao khả năng bao kín Tiết diện không đối xứng: khi lắp vào xylanh, mặt lưng vênh lên thành mặt côn làm cho áp suất tiếp xúc cao, ít lọt khí hơn.
Tiết diện hình thang: tuy làm tăng áp suất tiếp xúc, ngoài khả năng tăng áp suất nén trên xylanh, còn chống kết muội than ở mặt đáy xéc măng nhưng khi bị mòn và khi lực ngang thay đổi thì khe hở mặt đáy tăng lên rất nhanh.
Các thông số cơ bản của compression rings trong động cơ đốt trong thường được thiết kế và tính toán cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống piston Một số thông số cơ bản thường được xem xét khi tính toán và thiết kế compression rings: Đường kính (Diameter): Đường kính của compression rings cần phải phù hợp với đường kính của xi lanh để đảm bảo sự khít kín Điều này đòi hỏi sự chính xác trong quá trình gia công và lựa chọn vật liệu phù hợp. Độ dày (Thickness): Độ dày của compression rings phải đủ để chịu được áp lực nén trong quá trình hoạt động mà không bị biến dạng quá mức Đồng thời, độ dày này cũng cần phải đủ mỏng để giảm thiểu ma sát giữa piston và cylinder wall.
Chiều rộng (Width): Chiều rộng của compression rings cần phải được thiết kế sao cho đủ lớn để tiếp xúc với cylinder wall một cách đồng đều và hiệu quả, đồng thời cũng cần phải giảm thiểu không gian cho dầu nhớt và nhiên liệu khí cháy.
Chiều dày thành xilanh
Chiều dày của thành xi lanh trong động cơ đốt trong là một yếu tố quan trọng đóng vai trò trong việc xác định độ bền và hiệu suất của động cơ Dày đặc của thành xi lanh phải được thiết kế sao cho đủ mạnh để chịu được áp lực nén và nhiệt độ cao trong quá trình hoạt động của động cơ Yếu tố cần xem xét khi tìm hiểu về chiều dày của thành xi lanh: Áp lực nén: Thành xi lanh phải đủ dày để chịu được áp lực nén từ quá trình nén khí trong khi piston di chuyển lên và xuống trong xi lanh Áp lực này có thể tăng lên đáng kể trong các động cơ có tỷ lệ nén cao.
Nhiệt độ: Chiều dày của thành xi lanh cũng cần phải đủ để chịu được nhiệt độ cao từ quá trình đốt cháy và từ quá trình làm mát bằng dầu hoặc nước Nhiệt độ cao có thể gây ra mài mòn và biến dạng vật liệu nếu thành xi lanh không đủ dày.
Vật liệu: Vật liệu được sử dụng để làm thành xi lanh thường là gang hoặc hợp kim nhôm đúc Lựa chọn vật liệu phù hợp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chiều dày cần thiết.
Cấu trúc và thiết kế: Cấu trúc và thiết kế của xi lanh, bao gồm cả hình dạng và kết cấu của nó, cũng ảnh hưởng đến chiều dày cần thiết Thiết kế phải đảm bảo tính cân đối giữa độ bền và trọng lượng của xi lanh. Ưu điểm và nhược điểm: Sự cân nhắc giữa việc tăng chiều dày của thành xi lanh và ảnh hưởng đến trọng lượng và kích thước tổng thể của động cơ cũng cần được xem xét. Tăng chiều dày có thể cải thiện độ bền nhưng cũng có thể làm tăng trọng lượng và giảm hiệu suất nhiên liệu của động cơ. Đây là chi tiết hình trụ của để piston di chuyển bên trong nó Giá trị lớn nhất chiều dày (t3) của thùng piston có thể được lấy từ theo mối quan hệ thực nghiệm t3 = 0,03D + b + 4,5 mm trong đó, b = Độ sâu hướng kính của rãnh vòng piston được lấy lớn hơn 0,4 mm so với độ dày hướng tâm của vòng piston (t1) = t1 + 0,4mm
Vì vậy, mối quan hệ trên có thể được viết là: t3 = 0,03D + t1 + 4,9mm
28 Độ dày thành piston (t4) về phía đầu hở là giảm và nên lấy từ 0,25 t3 đến 0,35 t3 Đường kính ngoài của chốt piston (d0) được xác định bởi cân bằng tải trọng trên piston do áp suất khí (p) và tải trọng lên chốt piston do áp suất ổ trục (pb1) tại đầu nhỏ của ống lót thanh truyền.
Hình 1.10 Chi tiết chốt piston
Đặc điểm thiết kế
Kích thước piston được xem xét ở đây có L*D được chỉ định là 70*60 và từ tất cả các tham số trên, ta sẽ lập được bảng các tham số tính toán Áp suất khí lớn nhất tác dụng lên đầu piston là 60 bar.
Bảng kích thước thiết kế
Stt Thiết kế-kích thước Đơn vị (mm)
2 Đường kính xylanh/Đường kính ngoài piston (D) 60
3 Độ dày hướng tâm của xéc măng (t1) 2,1
4 Độ dày dọc trục của xéc măng (t2) 2
5 Độ dày tối đa của đỉnh (t3) 8,8
6 Độ dày đầu piston (tH) 5,8
Các kích thước của piston được tính toán và chúng được sử dụng để mô hình hóa piston trong Creo-2.0 Trong quy trình trên, các gân trong piston không được xét đến, do đó làm cho mô hình piston trở nên đơn giản theo cách của nó.
Mô hình hình học
Việc sử dụng phần mềm Creo-2.0 cùng với giải pháp 3D CAD/CAM/CAE tích hợp tham số của PTC, được các nhà sản xuất sử dụng cho kỹ thuật cơ khí, thiết kế và sản xuất Creo-2.0 là hệ thống mô hình CAD 3D tham số thành công đầu tiên trong ngành Phương pháp mô hình hóa tham số sử dụng các tham số, kích thước, tính năng và mối quan hệ để nắm bắt hành vi dự kiến của sản phẩm và tạo ra một công thức cho phép tự động hóa thiết kế và tối ưu hóa quy trình thiết kế và phát triển sản phẩm Phương pháp thiết kế tối ưu và phong phú này được sử dụng bởi các công ty có chiến lược sản phẩm dựa trên gia đình hoặc dựa trên nền tảng, trong đó chiến lược thiết kế theo quy định là rất quan trọng đối với sự thành công của quá trình thiết kế.
Sau đây là danh sách các bước được sử dụng để tạo mô hình được yêu cầu:
- Tính năng cơ sở được tạo trên ba mốc dữ liệu trực giao.
- Tạo bản phác thảo thành piston và phần đầu trên mặt phẳng phía trước (với sự trợ giúp của Sketcher Option), sau đó quay nó đối với trục thẳng đứng làm tâm quay tức là thành piston và phần đầu được tạo ra.
- Tương tự, tạo một bản phác thảo khác về đường kính trong của lỗ chốt piston Trên mặt phẳng bên phải và để nó đối xứng với mặt phẳng chuẩn với tùy chọn và loại bỏ vật liệu tức là lỗ chốt piston được tạo ra hoàn toàn.
- Tạo một bản phác thảo khác của mặt cắt hình chữ nhật trên váy piston trên mặt phẳng bên phải và để nó đối xứng với mặt phẳng chuẩn và loại bỏ tùy chọn vật liệu tức là mặt cắt hình chữ nhật được tạo trên váy piston.
- Tất cả các tính năng này được tạo ra trên các mặt phẳng chuẩn Áp dụng các fillet cho tất cả các góc nhọn bằng công cụ Round.
Hình 11 Mô hình mô phỏng của piston
Phân tích ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, chúng ta có thể phân tích ứng suất của piston bằng phần mềm Creo-simulate Ở đây chúng ta sẽ tiến hành phân tích ứng suất của piston làm từ thép và piston làm từ hợp kim nhôm với cùng mức áp suất tác dụng lên đỉnh piston là 60bar.
Hình 12 Thông số của vật liệu thép và kết quả phân tích ứng suất của piston
Hình 13 Kết quả phân tích ứng suất piston thép Ở đây chúng ta có thể thấy kết quả của phân tích ứng suất của piston làm bằng thép có ứng suất phát triển trên đỉnh piston không nằm trong khoảng 100MPa (giới hạn cho phép/an toàn).
Hình 14 Thông số của vật liệu nhôm và kết quả phân tích ứng suất của piston sau khi tối ưu hóa
Hình 15 Kết quả mô hình đã tối ưu hóa ứng suất trên piston hợp kim nhôm
Kết quả phân tích ứng suất piston làm bằng hợp kim nhôm sau khi được tối ưu cho ta thấy ứng suất phát triển trên đỉnh piston là 86,29MPa nhỏ hơn 100MPa (trong điều kiện cho phép/an toàn).
So sánh ứng suất và độ an toàn
Sau khi so sánh thiết kế giữa 2 piston chúng ta có thể thấy ứng suất tối đa của piston được tối ưu hóa là 86,29MPa nhỏ hơn khoảng cho phép là 100MPa đồng thời khối lượng rắn của piston được tối ưu hóa cũng giảm còn 0.2454kg Điều này sẽ dẫn đến giảm lực quán tính đồng thời làm tăng hệ số an toàn lên 2.89 giúp cho piston có độ bền cao hơn khi hoạt động trong buồng đốt.
Hình 4.1 So sánh hai mô hình
Theo tham khảo từ tạp chí nghiên cứu khoa học ‘Stress Optimization of S.I Engine Piston’ cho ta thấy có thể dùng phần mềm Creo – Simulate để phân tích phần tử hữu hạn tối ưu hóa ứng suất của đầu piston Bằng phương pháp phân tích ứng suất tĩnh ta thấy giá trị ứng suất tương đương thu được đối với mô hình tối ưu hóa thấp hơn nhiều so với giá trị cho phép là 100 MPa Từ kết quả tối ưu hóa, rõ ràng ta thấy được là có thể giảm độ dày của váy piston Việc thực hiện tối ưu hóa piston và tìm được khối lượng của piston tối ưu là 0,2454
Kg Qua đó phần trăm khối lượng giảm so với piston không được tối ưu hóa là 4,66 % tương ứng(0,2574 Kg) Không những vậy, sau khi tối ưu thì hệ số an toàn thu được là 2,89 cao hơn hệ số an toàn khi chưa tối ưu là 2,28 tức là mô hình piston tối ưu có phần an toàn hơn.
Qua phần nghiên cứu, tìm hiểu cũng như tham khảo bài báo và các nguồn tài liệu cho ta thấy việc loại bỏ vật liệu để giảm trọng lượng của piston nhằm nâng cao hiệu suất Nó còn là điều cần thiết để thu được kết quả tối ưu cho piston, với lượng vật liệu giảm đồng thời sẽ nâng cao tính kinh tế cho việc sản suất
